VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Адсорбция в нашей жизни

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Полушина  А.В. 1

---

1МБОУ «СОШ» пгт. Войвож

Полушина  Т.А. 1

---

1МБОУ «СОШ» пгт. Войвож

Работа в формате PDF

2.8 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

1.Введение. Актуальность темы. Гипотеза.

При употреблении в пищу недоброкачественных продуктов, при отравлении ядовитыми веществами первая помощь – это применение активированного угля в качестве адсорбента.

Истрия поглотительной способности древесного угля интересна и берет начало с 18 века. В 1773 году К.Шееле наблюдал адсорбцию газов на древесном угле, в 1785 году Т.Ловиц адсорбировал из раствора вещества древесным углем. Он применял древесный уголь для очистки разных веществ: лекарств, питьевой соды, хлебной водки, питьевой воды, меда, селитры и других веществ. В 1794 году активированный уголь был использован для осветления сиропов на сахарно-рафинадном заводе в Англии. В 19 столетии исследование адсорбционных свойств угля было продолжено, но только в начале 20 века были заложены основы промышленного производства активных углей. Сейчас применение активированного угля, использование его адсорбирующих свойств также актуально, как и раньше. В годы Первой мировой войны был изобретен противогаз, который активно используется в наши дни. Человек не смог изобрести альтернативу такому сильному поглотителю, как активированный уголь. Изучая химию, я хочу подробнее узнать: почему активированный уголь обладает такими свойствами и существуют ли другие вещества- адсорбенты.

Цель: познакомиться с адсорбционной способностью активированного угля, сравнить его адсорбционные свойства с другими адсорбентами.

Задачи:

1.Изучить литературу по данному вопросу

2.Изучить историю создания первого противогаза.

3.Провести эксперименты с активированным углем, белым углем, полифепаном, энтеросгелем и сделать соответствующие выводы.

Объект исследования: адсорбция веществ.

Предмет исследования: адсорбирующая способность некоторых адсорбентов.

Время исследования: май-октябрь 2018 года.

Методы исследования:

теоретические (изучение литературы, интернет-ресурсов );

экспериментальные (постановка опытов)

эмпирические (наблюдение, сравнение, аналогии, обобщение).

Гипотеза: Изучив литературу по вопросу «Явление адсорбции. Адсорбенты», я хочу убедиться на практике в том, что активированный уголь действительно обладает необычными и интересными свойствами, а так же сравнить адсорбирующую способность угля с другими адсорбентами.

2. Основная часть

2.1 Понятие адсорбции

Слово «сорбция» пришло к нам из латыни. Соответствующий ему латинский глагол означает «поглощать». Сорбционные процессы – это физико-химические процессы поглощения газов и жидкостей или растворенных в жидкости веществ твердыми телами или другими жидкостями. Десорбция – обратный процесс выделения поглощенных газообразных или жидких веществ.

Различают два основных типа сорбционных процессов: абсорбцию и адсорбцию.При абсорбции поглощаемое вещество улавливается всем объемом поглотителя, при адсорбции – только поверхностью. Частный случай адсорбции – хемосорбция, когда одновременно протекают физический процесс сорбции и химическая реакция между молекулами сорбируемого вещества и сорбента (сорбирующего вещества).

Адсорбция (от лат. ad – на, при и sorbeo – поглощаю), поглощение какого-либо вещества (адсорбата) из газообразной среды или раствора поверхностным слоем жидкости или твердого тела (адсорбентом). [4]

Различают два вида адсорбции: физическую и химическую (хемосорбцию).

Менее прочная физическая адсорбция не сопровождается существенными изменениями молекул адсорбата. Она обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия, которые связывают молекулы в жидкостях и некоторых кристаллах и проявляются в поведении сильно сжатых газов. Существенное отличие физической адсорбции – ее обратимость. При хемосорбции молекулы адсорбата и адсорбента образуют химические соединения. Часто адсорбция обусловлена и физическими и химическими силами, поэтому не существует четкой границы между физической адсорбцией и хемосорбцией.

Хемосорбция (от хемо… и сорбция), поглощение жидкостью или твердым телом веществ из окружающей среды, сопровождающееся образованием химических соединений. В более узком смысле хемосорбцию рассматривают как химическое поглощение вещества поверхностью твердого тела, т.е. как химическую адсорбцию.

При хемосорбции между атомами (молекулами) адсорбента и адсорбата образуется химическая связь, т.е. хемосорбцию можно рассматривать как химическую реакцию, область протекания которой ограничена поверхностным слоем. В некоторых случаях на одной поверхности могут протекать одновременно и физическая и химическая адсорбция. Как и в случае химических реакций, адсорбент хемосорбирует не любые молекулы, а только те, которые вступают в соединении, определяется ковалентными силами с некоторой долей ионной составляющей. Определяющую роль при хемосорбции должен играть обмен электронами между адсорбентом и адсорбатом.

2.2. Применение адсорбции.

Адсорбенты находят широкое применение в очистке газов и жидкостей от примесей. (приложение 1) Они бывают жидкими и твердыми (чаще твердыми). Способность удерживать на поверхности молекулы газов и жидкостей – адсорбировать их зависит от свойств твердого тела, размеров его частиц, а также наличия на поверхности мельчайших пор и капилляров. По этим признакам и подбирают адсорбенты. Обычно их используют в виде порошков, и это понятно – суммарная поверхность у порошка намного больше, чем у круглых кустов вещества. У классических адсорбентов – активированного угля, силикагеля (пористая белая масса, по составу диоксид кремния SiO₂), цеолитов (минералов, близких к полевым шпатам)- поверхность порошка массой 1 г. (удельная поверхность) составляет 500-1000 м². Адсорбция играет важную роль во многих природных процессах, таких, как обогащение почв и образование вторичных рудных месторождений. Именно благодаря адсорбции осуществляется первая стадия поглощения различных веществ из окружающей среды клетками и тканями биологических систем, функционирование биологических мембран, первые этапы взаимодействия ферментов с субстратом, защитные реакции против токсичных веществ. Многие адсорбенты (активный уголь, каолин, иониты) служат противоядиями, поглощая и удаляя из организма вредные вещества. В промышленности адсорбцию осуществляют в специальных аппаратах – адсорберах; применяют для вредных отходов производства,используется для сбора разливов нефти и нефтепродуктов с водных и твердых поверхностей. Бытовые фильтры для очистки воды - это тоже применение адсорбции. [1]

Природные и синтетические адсорбенты широко используют в начальных исследованиях, в медицине, в хроматографии, при получении твердых катализаторов и т.д.

Хроматография (от греч. chroma, род. п. chromatos – цвет и «графия»), метод разделения и анализа смесей, основан на различном распределении их компонентов между двумя фазами – неподвижной и подвижной (элюентом).

Хроматография может быть основана различной способности компонентов к адсорбции (адсорбционная хроматография), абсорбции (распределительная хроматография), ионному обмену (ионообменная хроматография). В зависимости от агрегатного состояния элюента различают газовую и жидкостную хроматографию. Хроматографию широко используют в лабораториях и в промышленности для контроля производства и выделения индивидуальных веществ.

Катализ (от греч. katalysis - разрушение), ускорение химической реакции в присутствии веществ – катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в состав продуктов. Катализ обусловливает высокие скорости реакций при небольших температурах;

Предпочтительно образование определенного продукта из ряда возможных.

Каталитические реакции являются основой многих химико-технологических процессов (напр., производства серной кислоты, некоторых полимеров, аммиака). Большинство процессов, происходящих в живых организмах, также являются каталитическими (ферментативными).

Как отделить фермент от продуктов? Промышленные каталитические процессы предпочитают вести на твердых катализаторах, тогда проблема разделения исчезает. В качестве эксперимента попробовали, и фермент прикрепили к твердому носителю. Одним из способов такого прикрепления является адсорбция – обратимое связывание вещества с поверхностью твердого тела без химического изменения. В 1916 году впервые было обнаружено, что при адсорбции инвертазы – фермента, расщепляющего сахарозу на более простые углеводы (глюкозу и фруктозу), на угле или гидроксиде алюминия она сохраняет каталитическую активность. А в 1939 году получен первый патент на применение протеаз, адсорбированных на древесных опилках, для обработки шкур животных.

Адсорбция на нерастворимых носителях – это самый простой и самый старый из физических методов. Фермент как бы приклеивается к поверхности за счет водородных, гидрофобных, электростатических взаимодействий. Но поскольку химических связей нет, «склеивание» часто оказывается непрочным.

2.3 История создания противогаза

Первые в Российской империи шланговые противогазы применялись при золочении куполов Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге, в 1838—1841 годах. Представляли собой стеклянные колпаки со шлангом, через который подавался воздух, однако не спасли от отравления, погибли 60 мастеров. По-видимому, не было защиты кожи, через которую могут впитываться пары ртути высокой концентрации. Первый в мире фильтрующий угольный противогаз, изобретенный в Российской империи русским учёным Николаем Дмитриевичем Зелинским в 1915 году, был принят на вооружение армией Антанты в 1916 году. Основным сорбирующим материалом в нём был активированный уголь. (приложение 2)

22 апреля 1915 года в районе Ипра на стыке французского и британского фронтов немцы осуществили первую газобаллонную химическую атаку. В результате из 12 тысяч солдат в живых осталось только 2 тысячи. 31 мая подобную атаку повторили на русско-германском фронте под Варшавой. Потери среди солдат были огромны. Зелинский поставил задачу отыскать надежное средство защиты от отравляющих газов. Понимая, что для универсального противогаза нужен универсальный поглотитель, для которого был бы совершенно безразличен характер газа, Зелинский пришел к идее использовать обыкновенный древесный уголь. Он вместе с В.С.Садиковым разработал способ активирования угля путем прокаливания, что значительно увеличило его поглотительную способность. В июне 1915 года на заседании противогазовой комиссии при Русском техническом обществе Зелинский впервые доложил о найденном им средстве. В конце 1915 года инженер Э.Л.Куммант предложил использовать в конструкции противогаза резиновый шлем. Из-за преступной задержки с внедрением противогаза по вине командования армии только в феврале 1916 года после испытаний в полевых условиях он, наконец, был принят на вооружение. К середине 1916 года было налажено массовое производство противогазов Зелинского-Кумманта. Всего за годы Первой мировой войны в действующую армию было направлено более 11 миллионов противогазов, что спало жизнь миллионам русских солдат. [3]

2.4.Адсорбенты.

Адсорбенты – это вещества, обладающие способностью адсорбции (от лат. Ad - на, и sorbeo - поглощаю), т. е. поглощения, всасывания какого-либо другого вещества из раствора или из газа только своей поверхностью, в отличие от абсорбентов, которые поглощают, всасывают всей своей массой.

Адсорбенты - это искусственные или природные тела с развитой поверхностью (создаваемой капиллярами или кристаллической решеткой), которая хорошо поглощает (адсорбирует) вещества из газов и растворов. Адсорбционные свойства адсорбентов зависят от химического состава и физического состояния поверхности, от характера пористости и удельной поверхности (поверхности, приходящейся на 1 г вещества). Непористые адсорбенты (молотые кристаллы, мелкокристаллические осадки, частицы дымов, сажи) имеют удельные поверхности приблизительно от 1 м²/г до 500 м²/г. Удельная поверхность пористых адсорбентов (силикагелей, активированного оксида (окиси) алюминия (алюмогелей), алюмосиликатных катализаторов, активированных углей) достигает 1000 м²/г. Пористые адсорбенты получают, создавая сети пор в грубодисперсных твёрдых телах химическим воздействием. [2]

Адсорбенты применяются как носители в катализе, как наполнители для полимеров, для хроматографического разделения смесей в хроматографии, в противогазах, в медицине, в нефтепереработке (риформинг, гидроочистка, гидрокрекинг), нефтехимии для очистки нефтепродуктов (нефти, бензина и т. д.) и газов, адсорбционной очистки масел, прежде всего трансформаторных, от кислот — продуктов окисления масел, как статические осушители при консервации приборов и оборудования, а также в высоковакуумной технике для сорбционных насосов.Адсорбент данной марки можно применять для водоподготовки, очистки питьевой, хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод.

Адсорбенты-осушители. Необходимость осушки и очистки присутствует в разнообразных процессах, в числе которых, например, кондиционирование воздуха или транспортировка природного газа по трубопроводам. Осушка природного газа обеспечивает непрерывную эксплуатацию оборудования и газопроводов, предотвращая образование ледяных и гидратных пробок. В повседневной жизни адсорбенты используются как энтеросорбенты при пищевых отравлениях, аллергических реакциях на некоторые препараты (приложение 3), а так же используют для очистки воды.

Ниже приводится характеристика некоторых адсорбентов, применяемых в быту и медицине (приложение 4). [5]

3. Мои исследования

Цель: проверить адсорбирующую способность активированного угля и сравнить с адсорбирующей способностью других адсорбентов, которые мы купили в аптеке.

3.1. Проверка адсорбирующей способности активированного угля.

Оборудование: сера, спички, спиртовка, ложка для сжигания веществ, активированный уголь, 2 колбы с пробирками. (приложение 5)

В две одинаковые колбы с пробками положила красные цветки герани. В одну из них положила таблетку активированного угля. (Активированный уголь растерла в ступке для увеличения поверхности соприкосновения.)

В специальной ложке зажгла серу. В процессе горения образуется оксид серы (ӀV). Затем отпустила ложечку в каждую колбу и плотно закрыла пробкой. Через некоторое время цветки в одной колбе изменили окраску (посветлели), а там где была таблетка активированного угля – окраска не изменилась.

Вывод по результатам исследования:

Адсорбирующие свойства активированного угля воспрепятствовали воздействию оксида серы (ӀV).

Значит, активированный уголь является хорошим адсорбентом.

3.2.Сравнение адсорбирующей способности разных адсорбентов. (приложение 6, 7)

Оборудование: активированный уголь, белый уголь, полифепан, энтеросгель, рифампицин (антибиотик), фенол, вода, мерный цилиндр, весы с разновесами, стаканы (8 штук).

Приготовила раствор рифампицина - 0,3% концентраци (300 мг вещества растворили в 100 г воды), разлила в 4 стакана.

Затем добавила: в 1-й стакан – 3 таблетки активированного угля,

во 2-й стакан- 3 таблетки белого угля

в 3-й стакан- ½ пакетика полифепана

в 4-й стакан- чайную ложку энтеросгеля

Приготовила раствор фенола - 0,3 % концентрации (300 мг вещества растворили в 100 г воды), разлила в 4 стакана.

Затем добавила: в 1-й стакан – 3 таблетки активированного угля,

во 2-й стакан- 3 таблетки белого угля

в 3-й стакан- ½ пакетика полифепана

в 4-й стакан- чайную ложку энтеросгеля

Результаты эксперимента (оценка по 5-ти бальной шкале)

Выводы по результатам исследования:

Адсорбирующую способность в той или иной степени показали все адсорбенты.

В опыте с рифампицином лучшую адсорбирующую способность в первый день показал полифепан, а спустя неделю – активированный уголь.

В опыте с фенолом лучшую адсорбирующую способность показал активированный уголь и в первый день и спустя неделю.

Адсорбирующая способность других адсорбентов представлена в таблице.

Заключение.

После того, как я изучила специальную литературу по предмету, узнала новые понятия, явления, процессы, провела эксперимент, я хочу подвести итог моим исследованиям.

Я убедилась на практике, что активированный уголь действительно обладает необычными адсорбирующими свойствами. Именно, основываясь на знаниях об активированном угле, Н.Д.Зелинский изобрел противогаз. Горжусь тем, что мой соотечественник первым изобрел противогаз, тем самым спас много человеческих жизней.

Я сравнила адсорбирующую способность активированного угля , белого угля, полифепана и энтеросгеля. Без всякого сомнения, искусственные адсорбенты, например энтеросгель или полифепан имеют очень хорошую поглотительную способность. Но всё-таки я пришла к выводу, что человечество постоянно совершенствуясь в различных сферах, имеет очень малый шанс найти более сильный поглотитель, чем активированный уголь. Таким образом, изучая химию, я надеюсь, продолжить расширять свои знания и узнавать больше о свойствах составляющих предметов окружающего мира.

Литература

Большая Советская энциклопедия том 2 с. 114-118

Слинякова И.Б., Денисова Т.И. Кремнийорганические адсорбенты : получениие, свойства, применение. — АН УССР, Ин-т физ. химии им. Л. В. Писаржевского. Наук. думка - Киев, 1988. — 190 с. 

Справочник юного химика, Просвещение, 1984 г,с 125-128

Энциклопедия. Химия, Аванта,2003г с85-86

http://ru.wikipedia.org/wiki/ Википедия—свободная энциклопедия.

Приложения

Приложение 1.

Фильтр для воды. Очистка сточных вод.

Нефтеклин – магнитный собиратель-адсорбент для удаления нефтяных разливов с поверхности воды и с твердых поверхностей.

Приложение 2.

Зелинский Н.Д.

Зелинский Николай Дмитриевич – 6 февраля 1861 г, Тирасполь Херсонской губернии, ныне Молдавия – 31 июля 1953 г, Москва, российский химик-органик, автор фундаментальных открытий в области синтеза углеводородов, органического катализа, каталитического крекинга нефти, гидролиза белков и противохимической защиты.

Солдаты Духовщинского 267-го пехотного полка 

в противогазах Зелинского-Кумманта, 1916 год.

Противогаз – устройство (прибор) для защиты органов дыхания, глаз и лица человека от отравляющих и радиоактивных веществ, бактериальных средств – бактерий, вирусов и др., находящихся в воздухе. Делятся на фильтрующие и изолирующие.

Приложение 3.

Препараты (активированный уголь, белый уголь, полифепан, энтеросгель, рифампицин), которые я использовала в исследовании.

Уголь активированный. Белый уголь.

Приложение 3.

Полифепан. Энтеросгель.

Приложение 4.

.Характеристика некоторых адсорбентов.

Приложение 5.

Экспериментальный этап работы.

Проверка адсорбирующей способности активированного угля.

Приложение 6.

Экспериментальный этап работы.

Сравнение адсорбирующей способности разных адсорбентов.

(Опыт с рифампицином)

Начальный результат эксперимента.

Результат эксперимента через неделю.

Приложение 7.

Экспериментальный этап работы.

Сравнение адсорбирующей способности разных адсорбентов.

(Опыт с фенолом)

Начальный результат эксперимента.

Результат эксперимента через неделю.