Nr ćwiczenia : 4 Nr grupy : 33 Nr zespołu : 4 |
TEMAT : Wyznaczanie powierzchni właściwej adsorbenta metodą BET
|
Data : 16.10.1997 |
Jolanta Kazek Paweł Piłat Aneta Sendłak |
|
Ocena : |
1.Wstęp teoretyczny
Na powierzchni ciała stałego, niezależnie od rodzaju sieci krystalicznej, panują siły, które wywołują gromadzenie się cząstek z fazy gazowej do roztworu .Jeżeli siły te mają charakter fizyczny , to mówimy o ADSORPCJI FIZYCZNEJ , jeżeli oddziaływanie jest chemiczne , to
mówimy o CHEMISORPCJI (lub adsorpcji aktywowanej) .
Atomy lub jony znajdujące się na powierzchni kryształu są szczególnie uprzywilejowane pod
względem oddziaływań międzycząsteczkowych (dla adsorpcji fizycznej są to oddziaływania typu jon-dipol , dipol-dipol , dipol-dipol indukowany) , gdyż ich pole oddziaływań jest nieskompensowane . Powinowactwo powierzchni danego adsorbentu do określonego związku adsorbowanego (adsorbatu) określa ciepło adsorpcji Hads . Wielkość ta jest zawsze ujemna ,
tzn. podczas adsorpcji zawsze wydziela się ciepło .
W równowadze termodynamicznej szybkość adsorpcji równa jest szybkości DESORPCJI
(zjawisko desorpcji zachodzi wtedy gdy zmniejszamy ciśnienie i adsorbent uwalnia część zaadsorbowanego gazu , dopóki nie ustali się równowaga adsorpcji odpowiadająca nowemu ciśnieniu) . Szybkość adsorpcji powinna być proporcjonalna do ciśnienia (jeżeli adsorpcja zachodzi ze stanu gazowego) lub stężenia (z roztworu) oraz do ułamka miejsc niezajętych na
absorbencie :
vads=kap(1-) gdzie -ułamek miejsc zajętych
Szybkość desorpcji natomiast powinna być proporcjonalna do .
vdes=kd
W przypadku adsorpcji wielowarstwowej wprowadza się teorię adsorpcji zwaną metodą BET.
Teoria ta przyjmuje następujące założenia :
1.Powierzchnia adsorbentu jest jednorodna tzn. , że każda zaadsorbowana cząstka w pierwszej mononuklearnej warstwie adsorbsyjnej zajmuje równoważne miejsce w sensie przestrzennym
i energetycznym .
2.Cząsteczki w pierwszej monowarstwie są zlokalizowane .
3.Każda cząsteczka w pierwszej monowarstwie jest miejscem do adsorpcji cząsteczki w drugiej warstwie , ta natomiast dla cząsteczki z trzeciej warstwy itd. oznacza to , że liczba cząstek znajdujących się w kolejnych monowarstwach jest taka sama .
4.Nie ma oddziaływań między cząsteczkami tej samej warstwy .
5.Energia adsorpcji cząstek w pierwszaj monowarstwie jest większa od energii przyłączenia cząstek następnych warstw .
Wyprowadzona na podstawie takich założeń IZOTERMA ADSORPCJI ma postać
Cx
=
(1-x) [1+(C-1)x]
2.Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie izotermy adsorpcji dla układu n-pentan i węgiel aktywny .
3.Metoda pomiaru
Zadanie polega na pomiarze ciśnienia równowagowego par n-pentanu nad adsorbentem (węglem aktywnym) . Ilość wprowadzonego adsorbatu określa się przy pomocy mikrobiuretki dozującej .
1.Aparatura :
- aparatura próżniowa
- manometr rtęciowy
- pojemnik na adsorbent
- mikrobiuretka
2.Odczynniki :
- n-pentan
- węgiel aktywny granulowany
3.Wykonanie ćwiczenia :
- oczyszczanie powierzchni adsorbenta uzyskujemy poprzez wygrzanie adsorbenta w temp. około 400oC w pojemniku umieszczonym w czaszy grzewczej pod próżnią przez około 50 min
- osuszony adsorbent wsypujemy do zważonego pojemnika i poddajemy odgazowaniu pod próżnią
- podłączamy dozownik z n-pentanem i po odczytaniu temp. otoczenia po około 5 min. odczytujemy ciśnienie
- otwieramy kran do chwili odparowania około 0,2 ml. objętości n-pentanu ; po około 3 min. odczytujemy przyrost ciśnienia .
4.Wyniki pomiarów
V[ml.] |
p[mmHg] |
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 |
3,5 4,0 4,0 16,0 34,0 56,0 80,0
|
temperatura otoczenia - 20oC
Uzyskane dane pozwalają na sporządzenie wykresu pi = f(vi).
Na podstawie wykresu określamy wartość poi , tzn. ciśnienia jakie panowałoby w aparacie gdyby adsorbcja nie zachodziła . Następnie wypełniamy tabelę z wielkościami występującymi w równaniu BET .
vi |
pi |
poi |
pi |
vi ads |
(poi - p i) |
vi ads(poi - pi) |
pi /[viads(poi - pi)] |
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
|
3,5 4,0 4,0 16,0 34,0 56,0
|
19,0 38,5 58,0 79,0 100,0 125,0 |
15,5 34,5 54,0 63,0 66,0 69,0 |
0,16 0,34 0,56 0,64 0,68 0,70 |
416,5 416,0 416,0 424,0 406,0 384,0
|
66,64 141,44 232,96 271,36 276,08 268,80 |
0,052 0,028 0,017 0,058 0,123 0,208 |
5.Obliczenia
po n-pentanu w temperaturze doświadczenia ( 20oC ) wynosi 420 mmHg
Współczynnik kierunkowy stycznej prowadzonej do prostoliniowego odcinka zgodnie z równaniem BET :
C-1
3,6 10-3
CVm pio
zaś
1
= 2,7 10-3
Vm C
Ponieważ Vm < 3,6 ; 1 / Vm = 3,6 10-3 420 = 1,512
C5H12 = 0,6219 g / cm3 i = m / Vm m = 0,940 g
M C5H12 = 72 g / mol i n = m / M = 0,940 / 72 = 0,013 mola
Powierzchnia zajmowana przez jedną cząsteczkę adsorbatu zależy od powinowactwa adsorbatu do adsorbenta .
Wartość tej powierzchniowyznaczona eksperymentalnie wg. danych literaturowych dla
n-pentanu wynosi 52,3 A2
Zatem powierzchnia zajęta przez adsorbat S wynosi :
o
S = 6,023 1023 Vm 52,3 A2
S = 6,023 1023 0,013 52,3 = 4,09 103 [ m2 ]
Znając masę adsorbentu obliczany powierzchnię czynną właściwą :
Sv = S / masa adsorbenta
Sv = 4,09 103 / 3,8532 = 1,061 103 [ m2 / g ]
6.Wnioski
Wyznaczona przez nas powierzchnia 106,1 m2 / g jest wyraźnie mniejsza od podawanej w literaturze wartości 700 - 1100 m2 / g . Błąd taki może być powodowany niedokładnym
oczyszczeniem powierzchni adsorbenta przez wyprażenie , niedokładnością odczytu pomiarów
ciśnienia równowagowego par n-pentanu na manometrze rtęciowym , oraz w niewielkim stopniu zaokrągleniami wyników branych do obliczeń . Na podstawie literatury ,,Eksperymen- talna chemia fizyczna '' ( A.Sobczyk , A.Kisza , K.Gatner , A.Koll ) dowiadujemysię , że wyznaczone wartości powierzchni czynnych adsorbentów , wyznaczone na sposób naszego doświadczenia dają wyniki zaniżone w stosunku do oznaczeń wykonywanych na np. Ar , N2 .
7.Literatura
1. ,,Chemia fizyczna'' - Brodski
2. ,,Eksperymentalna chemia fizyczna'' - A.Sobczyk,A.Kisza,K.Gatner,A.Koll