Adsorpcja z roztworu ( ćw. 8 )

Omówić rodzaje sił międzycząsteczkowych

Oddziaływania międzycząsteczkowe – inne niż wiązania chemiczne siły wiążące atomy i cząsteczki.

Do oddziaływań tych zalicza się (w kolejności od najsilniejszych do najsłabszych):

• oddziaływania jon-jon (elektrostatyczne) – zachodzą między dwiema różnoimiennie naładowanymi cząsteczkami; od wiązań jonowych różni je to, że ładunek w oddziałujących ze sobą cząsteczkach nie jest skoncentrowany na jednym atomie, lecz jest zdelokalizowany na kilku-kilkunastu atomach; siła ich oddziaływania jest proporcjonalna do 1/r² (gdzie r – odległość między cząsteczkami); w przypadku ośrodka zawierającego inne ładunki (np. roztworu elektrolitu) efekt oddziaływania jest mniejszy; (zobacz też: para jonowa);

• wiązania wodorowe – tworzą się, gdy atom wodoru z cząstkowym ładunkiem dodatnim jest współdzielony przez dwie cząsteczki, które posiadają atomy z cząstkowym ładunkiem ujemnym; wiązania wodorowe, jeśli występują w obrębie jednej cząsteczki, są często traktowane jak słabe wiązanie chemiczne; jeśli jednak wiąże ono dwie lub więcej cząsteczek, można je traktować jako oddziaływanie międzycząsteczkowe;

• oddziaływania trwały dipol – trwały dipol – tworzą się między cząsteczkami posiadającymi trwałe momenty dipolowe; cząsteczki takie posiadają w jednych miejscach nadmiar ładunku ujemnego, a w innych jego niedomiar; oddziałują one ze sobą tak jak jony – tyle że oddziaływanie to jest słabsze, gdyż w grę wchodzą cząstkowe, a nie całkowite ładunki elektryczne, a także przyciąganiu pomiędzy ładunkami różnoimiennymi towarzyszy zawsze odpychanie pomiędzy ładunkami jednoimiennymi;

• oddziaływania van der Waalsa – oddziaływania między dipolem trwałym a indukowanym (wzbudzonym). W cząsteczkach, które nie mają trwałego momentu dipolowego, może on być wzbudzany przez cząsteczki z trwałym momentem; następnie taki wzbudzony dipol i trwały dipol oddziałują na siebie podobnie jak dwa trwałe dipole, tyle że znacznie słabiej; w cząsteczkach bez trwałego momentu dipolowego występują natomiast stochastyczne fluktuacje ich chmur elektronowych, powodujące powstawanie chwilowych momentów dipolowych; cząsteczka posiadająca chwilowy moment dipolowy może go wzbudzić w cząsteczce sąsiadującej, wskutek czego obie cząsteczki mogą się nawzajem chwilowo przyciągać lub odpychać. Uśrednienie sił odpychających i przyciągających daje w wyniku oddziaływanie przyciągające proporcjonalne do 1/r⁶; oddziaływania van der Waalsa wynikają m.in. z korelacji ruchów elektronów pomiędzy oddziałującymi atomami – dlatego w metodach obliczeniowych nieuwzględniających korelacji elektronowej sił tych praktycznie nie ma.

• oddziaływania dyspersyjne, zwane też siłami dyspersyjnymi Londona (odpowiadające oddziaływaniu między dipolami indukowanymi).

Należy również uwzględnić fakt, że dla małych odległości pomiędzy atomami czy cząsteczkami pojawia się oddziaływanie odpychające pomiędzy powłokami elektronowymi, wynikające z obowiązywania zakazu Pauliego.

Podać definicje adsorpcji i absorpcji (przykłady)

Adsorpcja jest to zjawisko gromadzenia się substancji (gazu, pary, składnika roztworu) na powierzchni ciała stałego. W praktyce często zachodzi ona jednocześnie z absorpcją, która polega na pochłanianiu danej sububstancji przez całą objętość ciała stałego. Oba zjawiska nazywa się sorpcją. Substancja adsorbująca nosi nazwę adsorbentu, a adsorbowana - adsorbatu. W zależności od rodzaju sił powodujących proces rozróżnia się adsorpcję fizyczną i chemisorpcję.

adsorberbent: najpopularniejszy węgiel aktywny , żel krzemionkowy, jonity, sita molekularne, silikażel,  zeolity

Omówić strukturę powierzchni adsorbentu (centra aktywne)

centra aktywne: miejsce absorbowania cząsteczek, w którym siły oddziaływania się potegują ( zagłębienia, pory, kanaliki itd) cząsteczki mogą sie przemieszczać po sferze centa, tu stosunkowo słabe siły międzycząsteczkowe nakładają się na siebie.

Struktura kanalikowa np. węgla aktywnego sprzyja nie tylko rozwinięciu powierzchni, lecz także znacznemu wzrostowi powierzchniowej gęstości centrów aktywnych. Np. rzeczywista powierzchnia 1grama węgla wynosi 500m2.

Omówić czynniki mogące zwiększyć adsorpcję

Adsorpcja może zachodzić z fazy nieruchomej w warunkach statycznych lub z fazy ruchomej w warunkach dynamicznych. Zdolność adsorpcyjna to masa adsorbatu, która może być zaadsorbowana przez jednostkę masy adsorbentu. Jest ona zależna od wielu zmiennych i wyznaczana doświadczalnie dla danego płynu i warunków ( ciśnienie, temperatura, rodzaj i czas zetknięcia).

Podać charakterystykę adsorpcji fizycznej i chemisorpcji

Adsorpcja fizizyczna ( fizysorpcja) zjawisko w oddziaływania miedzy absorbentem a absorbantem to siły miedzy cząsteczkowe wiec siły van der walsa ( odziaływanie elektrostatyczne bez wymiarów ładunków ) adsorpcja chemiczna ( chemisorbcja ) siły miedzy adsorberem a adsorbantem maja charakter chemiczny powodowany przez oddziaływania kowalencyjne. Następuje wymiana ładunków pomiędzy powierzchnią a zaabsorbowana cząsteczką oraz tworzy się wiązanie chemiczne.

Adsorpcja fizyczna

W przypadku adsorpcji fizycznej pomiędzy adsorbentem i adsorbatem występują słabe oddziaływania międzycząsteczkowe zwane siłami van der Waalsa. Ciepło adsorpcji fizycznej zbliżone jest do ciepła kondensacji adsorbatu i nie przekracza zwykle 40‑50 kJ/mol. Adsorpcja fizyczna jest na ogół procesem odwracalnym i przebiegającym stosunkowo szybko. Na powierzchni adsorbentu może powstać więcej niż jedna warstwa zaadsorbowanych cząsteczek.

Adsorpcja chemiczna

Przy adsorpcji chemicznej występuje tylko jedna warstwa zaadsorbowanych cząsteczek. Adsorpcja chemiczna wymaga zazwyczaj dość wysokiej energii aktywacji i jest procesem stosunkowo powolnym. Szybkość jej może być zwiększona przez podwyższenie temperatury. Ciepło adsorpcji jest tego samego rzędu co ciepło reakcji chemicznych i zazwyczaj przyjmuje wartości kilkudziesięciu kilodżuli na mol. Maleje ono w miarę wzrostu stopnia pokrycia powierzchni adsorbenta.

Podać izotermę adsorpcji gazów i par oraz adsorpcji z roztworu

Mechanizm adsorpcji z roztworu nieelektrolitu i elektrolitu (adsorpcja selektywna, wymienniki jonowe ).

Adsorpcja słabych elektrolitów (CH3COOH, (COOH)2) przebiega podobnie jak dla nieelektrolitów. W przypadku adsorpcji mocnych elektrolitów dużą rolę odgrywają zjawiska związane z oddziaływaniem ładunków elektrycznych jonów. Na powierzchni ciała stałego adsorbują się tylko jony tego samego znaku, ładując elektrycznie adsorbent, co zakłóca zasadę elektroobojętności. Układ dąży więc do samorzutnego skompensowania tego ładunku. Może to osiągnąć dwoma sposobami. Jedną z możliwości jest nagromadzenie jonów znaku przeciwnego (np. ujemnych) na warstwie zaadsorbowanych jonów (tzn. dodatnich). Ten rodzaj adsorpcji nazywa się specyficzną. Drugim sposobem jest oddanie przez adsorbent do roztworu równoważnej ilości innych jonów tego samego znaku. Ten typ adsorpcji, zwanej wymienną, zachodzi na powszechnie stosowanych jonitach ( kationitach i anionitach )

Równanie Freundlicha - wyznaczanie stałych równania

Jeżeli cząsteczki w warstwie adsorpcyjnej wykazują pewną ruchliwość na powierzchni, to najpierw zostają wysycane te centra adsorpcji, które charakteryzują się najwyższą energią adsorpcji. W dalszej kolejności obsadzane są centra o coraz mniejszej energii. Zmienność ciepła adsorpcji może być również spowodowana wzajemnym oddziaływaniem pomiędzy zaadsorbowanymi cząsteczkami.

Gdy energia adsorpcji maleje liniowo z logarytmem liczby zaadsorbowanych cząsteczek, równanie izotermy, przyjmuje postać:

(2)

v - objętość zaadsorbowanego gazu

p - ciśnienie gazu

k, n - stałe

Jeżeli izotermy opisują zjawisko adsorpcji w fazie gazowej, w równaniach wykorzystywane jest ciśnienie gazu, natomiast przy adsorpcji z roztworów wykorzystywane jest stężenie adsorbatu.

(3)

a - ilość zaadsorbowanej substancji na 1g adsorbentu

c - stężenie adsorbowanej substancji

k, n - stałe

W praktyce wykorzystuje się zlogarytmowaną postać równania (3):

(4)

Liniowa zależność log a od log c pozwala na łatwe wyznaczenie stałych występujących w równaniu.

Omówić ogólnie zasadę wykonania ćwiczenia.

cel wyznaczenie ilości substancji i zaadsorbowanej z roztworu w zależności od jego stężenia oraz wyznaczenie stałych K i n z równania Freundlicha

Przygotowuje serię roztworów kwasu octowego 2.Odważyć do kolbek węgiel aktywny 3.Do kolb z odważonym węglem aktywnym wlać sporządzone roztwory potem roztwory wstawić na mieszadło.

Jeżeli zajdzie potrzeba oznaczyć miano NaOH za pomocą HCl.

Miareczkować przesączone próbki, dokonać przeliczeń.