Исследовательская работа на тему Исследование свойств адсорбционной способности активированного угля

Ленинградская область Выборгский район п. Первомайское
МБОУ «Первомайский центр образования»
Исследовательская работа
Исследование свойств адсорбционной способности активированного угля
Секция – химия
Выполнили ученицы 9 А класса
Антимоник Александра и Шаяхметова Алсу
Руководитель Жамалова Любовь Александровна
Учитель химии и биологии
2015Содержание
№ Раздел Страница
1 Введение 3
2 Теоретическая часть
2.1 Адсорбция как явление 5
2.2 Историческая справка 6
2.3 Способы получения 7
2.4 Области применения активированных углей 8
3 Практическая часть
3.1 Исследования в школьной лаборатории 11
3.2 Исследования в домашних условиях 13
4 Вывод
14
5 Используемая литература
15
6 Приложение (презентация)
-
Введение
На уроке химии мы познакомились с таким свойством углерода, как адсорбция. Важное значение адсорбции, как в промышленности, так и в быту подтолкнуло нас на исследование явления адсорбция в школьной лаборатории и дома на примере активированного угля. Нам захотелось узнать, все ли вещества он может адсорбировать.
Актуальность работы:
значимость адсорбции в связи с решением экологических проблем и проблем получения особо чистых веществ.
привлечение школьников к изучению химии с практической стороны и применения полученных знаний в быту.
развитие  интереса у школьников к получению теоретических и практических навыков по химии: работа в лаборатории,  работа с Интернетом для поиска и передачи информации.
Новизна выбранной темы заключается в незначительном исследовании причин адсорбции среди школьников.
Целью данной работы является изучение адсорбционной способности активированного угля
Задачи, поставленные для достижения цели:
найти примеры  практического применения адсорбционной способности активированного угля в профессиональной деятельности и в жизни человека.
изучить адсорбционную способность активированного угля;
понаблюдать и проанализировать явление адсорбции, на примере активированного угля.
Для исследования мы ознакомились с такими научными источниками, как техническая литература, интернет ресурсы, энциклопедия и выявили, что явление адсорбции широко представлено и хорошо изученное явление. Адсорбция лежит в основе очистки, осушки, разделения газов и других процессов. На основе адсорбции производят очистку и осветление воды, которую в дальнейшем используют для питья и технических нужд. В теоретической части мы использовали материалы технической и исторической литературы, а для эксперимента мы воспользовались учебником для студентов Аналитическая химия. Лабораторный практикум.
Методы исследования, которые использовались в работе:
- изучение и подбор материала;
- наблюдение и анализ явлений адсорбции;
- эксперимент.
Планируемые результаты:
- понаблюдать, и проанализировать явление адсорбции, на примере активированного угля;
- изучить адсорбционную способность активированного угля;
- найти примеры практического применения адсорбционной способности активированного угля в профессиональной деятельности и в жизни.
Теоретическая часть
Адсорбция как явление.
Одежда маляра пахнет скипидаром и краской, кондитера – орехом мускатным, шофера – бензином. Причина этого вызвана адсорбцией молекул газов на одежде, ткань которой является дисперсной системой. Адсорбция лежит в основе очистки, осушки, разделения газов и других процессов. Очистка  растительных масел от красящих веществ, так называемый процесс отбеливания масел, осуществляется с помощью глинистых пород, выполняющих роль адсорбента.На основе адсорбции производят очистку и осветление воды, которую в дальнейшем используют для питья и технических нужд. Адсорбция обеспечивает закрепление молекул красителя на тканях. Восприятие человеком запаха и вкуса зависит от адсорбции молекул соответствующих веществ в носовой полости и на языке.
При помощи различных твердых адсорбентов производится улавливанье ценных паров и газов, осветление растворов в производстве сахара, глюкозы, многих фармацевтических препаратов, нефтепродуктов.
Адсорбция (от лат. ad — на, при и sorbeo — поглощаю), поглощение какого-либо вещества из газообразной среды или раствора поверхностным слоем жидкости или твёрдого тела.
Одним из адсорбентов является активированный уголь (активный, карболен) (от лат. carbo activatus) — вещество с развитой пористой структурой, которое получают из различных углеродсодержащих материалов органического происхождения. Наиболее качественными, из доступных сорбентов являются уголь из кокосовой скорлупы и березовый (БАУ-А) уголь.
С точки зрения химии активированный уголь – это одна из форм углерода с несовершенной структурой, практически не содержащая примесей. Активированный уголь на 87-97 % по массе состоит из углерода, также может содержать водород, кислород, азот, серу и другие вещества.
Историческая справка
Примечательная способность древесного угля поглощать (адсорбировать) разнообразные пары, газы, пахучие и красящие вещества из растворов впервые была обнаружена в конце 18 века. В 1773 году известный химик Карл Шееле наблюдал адсорбцию газов на древесном угле.  С точностью до дня (5 июня 1785 г.) датируется обнаружение Тобиасом Ловицем адсорбции (поглощения) из растворов веществ древесным углем. Ловиц применял древесный уголь для очистки самых различных продуктов (лекарств, питьевой воды, хлебной водки, мёда и других сахаристых веществ, селитры и т.п.). А в 1794 г. активный уголь был использован для осветления сиропов на сахарно-рафинадном заводе в Англии. 
В 19 столетие исследования адсорбционных свойств угля было продолжено, но только в начале 20 века были заложены основы промышленного производства активных углей. В первую мировую войну Н.Д. Зелинский разработал противогазы на основе древесного активного угля. Это изобретение спасло тысячи жизней и послужило толчком к дальнейшему исследованию способности углей поглощать различные пары и газообразные вещества, что привело к расширению областей применения активных углей.
Способы получения
Для получения активных углей может использоваться разнообразное органическое сырьё (торф, бурый и каменный уголь, антрацит, древесный материал). Угли, отличающиеся высокой механической прочность и адсорбционной способностью, получают из скорлупы кокосовых орехов. Упрощённо процесс производства активного угля можно свести к двум стадиям: карбонизация и активация. На первой стадии производства активного угля исходный  материал подвергается  термической обработке без доступа кислорода, в результате которой из него удаляются летучие (влага и частично смолы), он уплотняется, приобретает  прочность. Структура полученного материала крупнопористая, обладающая незначительной внутренней поверхностью, вследствие чего он не может быть использован как промышленный адсорбент.  Задача получения развитой микропористой структуры решается на стадии активации. Активация проводится двумя способами: окисление газом или паром и обработка химическими реагентами. Для активирования газами используются кислород (воздух), водяной пар и  диоксид углерода.
Области применения активированных углей
На сегодняшний день активные угли выпускаются в большом количестве и ассортименте и нашли применение в следующих областях: очистка питьевой и сточных вод; очистка оборотных вод на предприятиях; осветление сахарных сиропов; очистка газов и рекуперация паров; получение медикаментов; очистка спиртоводных растворов и вин; использование в качестве катализаторов и носителей катализаторов; в золотодобывающей промышленности для извлечения золота из рабочих растворов.
Подготовка питьевой воды
Уникальность свойств активированных углей и определило разнообразие областей применения данного продукта. Проблема наличия чистых источников питьевой воды, а также длительного хранения её запасов всегда остро стояло перед человеком. С увеличением народонаселения нашей планеты, а также с бурным развитием промышленности, масштабы загрязнения пресных водоёмов значительно возросли, что заставило искать эффективные методы очистки вод. Универсального метода очистки вод от нежелательных примесей не существует, но использование некоторых из них одновременно позволяет достигнуть необходимую степень очистки. Основной задачей при очистке вод является улучшение их вкусовых качеств (дезодорация воды). Наиболее эффективным методом удаления из воды ряда органических и неорганических примесей признан сорбционный метод очистки на активном угле. Этот способ применяется на станциях водоподготовки с первой половины XX века.
Самым радикальным способом очистки воды является ее дистилляция, когда в результате перегонки удаляются все примеси и растворенные соли. Но, как считают ученые-гигиенисты, постоянное употребление такой воды нежелательно, т.к. может привести к нарушению солевого баланса.
Задача улучшения качества питьевой воды может быть решена, если правильно использовать разнообразные фильтры для доочистки воды.
Большое распространение в быту получили фильтры-кувшины, в которых вода проходит через сменный картридж в нижний сосуд. Фильтрующий элемент картриджа содержит активированный уголь и гранулы ионообменной смолы.
Активированные угли являются универсальными сорбентами, применяемыми для удаления примесей различной химической природы. Традиционно лучшими для очистки воды считаются угли, полученные из скорлупы кокосового ореха. Количество пор на единицу площади в таком угле, например, в 4 раза больше, чем в березовом.
Применение активных углей в золотодобывающей промышленности.
При прокачивании раствора цианида золота через тонкопористый активный уголь происходит восстановление золота и адсорбция его на угле.
 Помимо золота активные угли широко используются для извлечения других металлов. Ряд селективности имеет следующий вид: 
Au > Ag > Fe > Cu > Ni > Co > Zn
 То есть, из раствора лучше будет адсорбироваться золото, по сравнению с металлами, стоящими правее в ряду селективности. 
Очистка воздуха и газов
Активные угли широко используются для очистки воздушных сред. Примером является рекуперация паров растворителей посредством адсорбции на активном угле. Типичные растворители, которые можно рекуперировать на активном угле – диэтиловый эфир, ацетон, спирты, бензин, толуол, гексан, бензол, фторсодержащие углеводороды, трихлорэтан, а также сероводород и др.
Активированный уголь в медицине
Уже около 1550 г. до н.э., в старом египетском папирусе упоминалось о применении древесного угля в медицине.
Активированный уголь адсорбирует много токсичных веществ. Считается, что его следует применять на протяжении двух часов с момента отравления. За это время уголь в состоянии связать большую часть токсинов в желудочно-кишечном тракте.
Главным образом, активированный уголь используется при разных отравлениях и диарее. Тем не менее, несмотря на то, что уголь адсорбирует много разных токсинов, действует он не на все токсины.
Уголь также адсорбирует токсины, вырабатываемые бактериями. О его использовании во время лечения антибиотиками нужно проконсультироваться с врачом, потому что кроме токсинов уголь может адсорбировать и лекарства.
Уголь не следует применять в случае отравления сильными кислотами, непищевыми спиртами, растворителями и тяжелыми металлами. Уголь также не адсорбирует некоторые пестициды.
Активированный уголь адсорбирует все вещества и не имеет селективности. Кроме часто заявляемых производителем токсинов и вредных веществ, уголь также адсорбирует полезные и нужные организму вещества. Поэтому уголь нужно разносить по времени с применением других веществ минимум на 2 часа, иначе все лекарства и полезные добавки будут адсорбированы углём. Применять уголь разумно только когда это действительно необходимо, т.е. в случае отравления.

Практическая часть
Исследование
Адсорбционная способность активированного угля.
Цель работы: изучить адсорбционную способность активированного угля.
Задачи:
- проверить адсорбционную способность активированного угля в лаборатории и дома;
- выявить влияние природы растворителя на адсорбцию;
- качественно проследить адсорбционную способность для слабоокрашенных растворов.
Исследования в школьной лаборатории.
Исследование №1. Адсорбция активированным углем различных веществ из растворов. 
Цель работы: изучили адсорбцию активированным углем различных веществ из растворов.
Ход работы. В химический стакан, мерным цилиндром отмерили по 5 мл 0,01% -х растворов – фуксина, малахитового зеленого, сульфата меди, йода, дихромата калия. В каждый стакан внесли по 0,25г растертого активированного угля. После взбалтывания через 5-10 минут смеси фильтруют через обычные фильтры (9.00 hm).
Наблюдение: фуксин – обесцветился;
малахитовый зеленый – обесцветился;
йод – желтый, прозрачный;
сульфат меди – голубой;
дихромат калия – ярко желтый, прозрачный.
Вывод: чем прозрачнее и светлее жидкость, тем лучше произошла адсорбция, т.е. фуксин и малахитовый зеленый адсорбируют лучше всего.
Исследование №2. Адсорбция ионов свинца активированным углем. 
Цель работы: изучили адсорбцию активированным углем ионов свинца.Ход работы. В два химических стакана, мерным цилиндром отмерили по 5 мл. 0,05%-го раствора азотнокислого свинца. В одну пробирку добавили 2 капли раствора йодистого калия для доказательства наличия ионов Pb2+ в растворе.В другую пробирку добавили 0,2 г древесного угля и взбалтывали в течение 5 мин. Отфильтровали раствор и проверили присутствие ионов Pb2+ реакцией с йодистым калием.Наблюдение: в первой пробирке образовался осадок, а во второй нет.
Вывод: ионы свинца адсорбируются активированным углем.
Исследование №3. Влияние природы вещества на адсорбцию.
Цель работы: изучили влияние природы растворителя на адсорбцию активированным углем.Ход работы. В один химический стакан налили 5 мл.0,01% водного раствора фуксина, в другой стакан такое же кол-во, спиртового раствора фуксина. В оба стакана внесли по 0,2 г. угольного порошка и взбалтывали 5 мин. Отфильтровали растворы.
Наблюдение: спиртовой раствор фуксина остался без изменений, а водный раствор фуксина обесцветился.
Вывод: Фуксин плохо растворим в воде и хорошо - в спирте. Соответственно, из воды он будет как бы выталкиваться на границу раздела, как плохо сольватированное вещество. Адсорбция на угле будет высокая. А из спирта он адсорбироваться будет плохо, потому что хорошо им сольватирован, и ему не слишком выгодно уходить на границу раздела. Кроме того, если сравнивать с водой, то сам спирт можно считать ПАВ. Поэтому он до некоторой степени будет вытеснять фуксин с поверхности угля и сам занимать эту поверхность. 
Исследования в домашних условиях.
Исследование № 4. Адсорбция кувшином «Аквафор» холодной воды из крана.
Цель работы: изучили адсорбционные способности фильтра-кувшина АКВАФОР
Ход работы. Для опыта мы взяли:
Глубокую миску белого цвета, воду из крана, фильтр-кувшин с картриджем «Аквафор»
В белую чистую миску, налили холодную воду из крана. Вода прозрачная но с примесью ржавчины. Перелили часть воды в кувшин с картриджем, а часть оставили как контрольный образец. После того как, вода была отфильтрована кувшином «Аквафор», перелили воду в чистую белую миску и сравнили полученный образец из фильтра с начальным образцом из крана.
Наблюдение: образец из фильтра прозрачный, без видимых загрязнений.
Вывод: активированный уголь, находящийся в фильтре справился со своей задачей по очистке воды от видимых загрязнений, т.е. ржавчины.
Исследование № 5. Адсорбция активированным углем брусничного сиропа.
Цель работы: изучили поглотительную способность активированного угля частиц красящего органического вещества из сиропа.
Ход работы. Для опыта мы взяли:
Два прозрачных стакана; 5 таблеток активированного угля в таблетках; брусничный сироп.
В один стакан с сиропом добавили толченный активированный уголь. Оставили наш исследуемый раствор на некоторое время. Во второй, контрольный, стакан также налили брусничный сироп, но активированного угля не добавили.
Наблюдение: контрольный стакан по-прежнему содержит брусничный раствор, а в исследуемом стакане с активированным углем раствор поменял окраску на светло-коричневую, и стал прозрачным.
Вывод: активированный уголь адсорбировал или поглотил частички органического красителя из его раствора.
Вывод:
Активированный уголь продемонстрировал нам свои адсорбционные способности, т.е. поглощающие свойства.
Почему же, эта маленькая черненькая таблеточка способна так эффективно поглощать различные вещества?
Все дело в особой углеродной структуре, которая представляет собой слои атомов углерода, расположенных хаотично относительно друг друга, из-за чего между слоями образуется пространство – поры. Эти поры как раз и придают активированному углю его свойства – поры способны поглощать и удерживать в себе другие вещества. И пор этих невероятное количество. Так, площадь пор всего 1 грамма активированного угля может доходить до 2000м2!
Мы сделали вывод своими исследованиями, что не все вещества полностью адсорбируются активированным углем.
Одной из причин того, что эти вещества остались в растворе, и окраска не изменилась, может быть то, что размеры молекул этих веществ больше чем размеры пор адсорбента. А так же, между молекулами вещества и поверхность пор активированного вещества не возникли силы притяжения
Список использованной литературы
Интернет-ресурсы:
Ownlab/ru (Своя лаборатория)
images.yandex.ru›
http://www.nehudlit.ru/articles/descr363913.html
http://allencyclopedia.ru/1091
http://www.peoples.ru/science/chemistry/zelinskiy/http://rus-gmo.at.ua/load/uchis_uchitsja/kak_napisat_issledovatelskuju_rabotu/17-1-0-98
http://ekodominfo.ru/distantsionnoe-obuchenie/i-snova-eksperiment - статья "Химические опыты дома".
wikipedia.org
Литература
Аликберова Л.Ю. Полезная химия: задачи и истории/Л.Ю. Аликберова, Н.С. Рукк. – 3-е изд., стереотип. – М. : Дрофа, 2008. – 187 с.
Астафуров В. И. Основы химического анализа. М.: Просвещение, 1982.
Васильев В.П. Аналитическая химия Физико-химические методы анализа / В.П.Васильев. - 6-е изд., стереотип. М.: Дрофа, 2007. – 383 с.
Васильев В.П. Аналитическая химия Лабораторный практикум / В.П.Васильев, Р.П. Морозова; под ред. В.П. Васильева – 3-е изд., стереотип. М.: Дрофа, 2006. – 414 с.
Мир химии. СПб, М.: М-Экспресс, 1995г