Bartosz Puchalski 8.XII.2004

Ćwiczenie nr 16

Wyznaczanie izotermy adsorpcji Freundlicha

Adsorpcja, której izotermę wyznaczamy, jest to powierzchniowe zagęszczanie się substancji takich jak: gazy, ciała stałe rozpuszczone w roztworze, jony czy też ciecze, na granicy dwóch faz (np. stałej i gazowej). Cząsteczki fazy bardziej lotnej (adsorbatu) ulegają samorzutnemu zagęszczeniu w cienkiej warstwie na powierzchni fazy bardziej skondensowanej (adsorbentu). Adsorpcja dzieli się na trzy grupy:

• adsorpcję powierzchniową fizyczną

• adsorpcję kondensacyjną

• adsorpcję chemiczną

Masa substancji ulegająca zaadsorbowaniu na powierzchni adsorebnta zależy od stężenia danej substancji w roztworze lub od jej cząsteczkowego ciśnienia w mieszaninie gazów. Tą zależność Freundlich wyraził empirycznym wzorem:

;gdzie x - masa substancji zaadsorbowanej z roztworu, m - gramy adsorbenta pozostającego w równowadze z roztworem, c - stężenie roztworu, a i n - wielkości zależne od temperatury, rodzaju adsorbenta jak i substancji adsorbowanej. Jeżeli na osi X będziemy odmierzać stężenie c, a na osi Y stosunek x/m otrzymamy krzywą noszącą nazwę izotermy adsorpcji. Jeżeli podany wcześniej wzór empiryczny Freudlicha zlogarytmujemy otrzymamy równanie linii prostej:

Jeżeli na osi X odmierzymy log(c), a na osi Y log(x/m) to zależność będzie się przedstawiała w postaci linii prostej o współczynniku kierunkowym równym 1/n, a przecinającej oś Y w punkcie log(a). Stałe a i n we wzorze Freudlicha można wyznaczyć tylko na drodze doświadczalnej, natomiast sam wzór jest słuszny jedynie w ograniczonym zakresie stężeń, ponieważ wyraz n jest zależny od stężenia. Inny wzór opisujący stosunek x/m wyprowadził Langmuir. Opierał się on na założeniu, że atomy na powierzchni adsorbenta mają niewysycone siły przyciągania, mogące utrzymywać maksymalnie pojedynczą warstwę cząsteczek zaadsorbowanych z otoczenia, oraz że pomiędzy adsorbentem a otoczeniem ustala się stan równowagi dynamicznej (przyciągającemu działaniu powierzchni adsorbenta przeciwdziałają wpływy rozpraszające, wywołane drganiami cząsteczek i ruchami termicznymi). Prawo adsorpcji monomolekularnej Langmuira ma postać:

;gdzie x, m i c - znaczą to samo co poprzednio, a i b - wielkości stałe. Dla małych stężeń iloczyn b i c jest bliski zera, więc:

Natomiast dla dużych stężeń, kiedy iloczyn b i c jest znacznie większy od jedności w przybliżeniu otrzymujemy (w stanie nasycenia):

Adsorpcja jest zasadniczo procesem odwracalnym, ponieważ roztwór pozostający w stanie równowagi z adsorbentem na skutek poddania rozcieńczeniu spowoduje oderwanie się od powierzchni adsorbenta pewnej ilości substancji i ustalenia nowego stanu równowagi, zgodnego z izotermą adsorpcji.

Literatura:

L. Sobczyk, A. Kisza, K. Gatner, A. Koll „Eksperymentalna chemia fizyczna” PWN Warszawa 1982 str. 489-499

Praca zbiorowa „Chemia Fizyczna” PWN Warszawa 1963 str. 476 - 477

Ceynowa,M. Litowska, R. Nowakowski, J. Ostrowska - Czubenko „Podręcznik do ćwiczeń laboratoryjnych z chemii fizycznej” WUMK - 1999; str. 136-146

Substancje chemiczne stosowane w zadaniu:

- 0.5 molowy roztwór kwasu octowego

- 0.1 molowy roztwór wodorotlenku sodowego

- węgiel aktywny

Oświadczam, że zapoznałem się z kartami charakterystyk w/w substancji i znane mi są właściwości tych substancji, sposoby bezpiecznego postępowania z nimi oraz zasady udzielania pierwszej pomocy w nagłych wypadkach.

Celem ćwiczenia jest obliczenie wartości k i n, które można otrzymać tylko drogą empiryczną. Jednocześnie mamy porównać wartości adsorpcji uzyskane doświadczalnie i teoretycznie. Poznajemy też nowe metody analizy statystycznej w celu określenia dokładności pomiarów.

---