Wyznaczanie powierzchni właściwej adsorbenta metodą BET.

Ćwiczenie polega na wyznaczaniu ciśnienia równowagowego par n-pentanu nad adsorbentem (węglem aktywnym granulowanym). Ilość wprowadzonego adsorbatu określa się przy pomocy mikrobiuretki dozującej.

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie izotermy adsorpcji dla wymienionego układu.

1. Wyposażenie i aparatura:

Aparat do badań przedstawiony na rys. 1 składa się z manometru rtęciowego, pojemnika na adsorbent i dozownika adsorbatu. Oczyszczanie powierzchni adsorbenta uzyskujemy poprzez wygrzanie adsorbenta w temperaturze 400Ⴐ C w pojemniku umieszczonym w czaszy grzewczej pod próżnią przez około 50 minut.

2. Wykonanie ćwiczenia:

1. Do zważonego pojemnika na adsorbent wsypać ok. 1 cm³ osuszonego, zdesorbowanego adsorbentu.(węgiel aktywny granulowany). Zważyć pojemnik wraz z adsorbentem. Zanotować rodzaj użytego węgla (A, B, C)

2. Nasmarować szlif i założyć pojemnik z adsorbentem.

3. Założyć czaszę grzewczą, następnie włączyć ją poprzez autotransformator nastawiony na 100 V.

4. Zawór nr I ma być w pozycji (3). (zawory i pozycje ustawienia zaworów są oznakowane na pompie) Zawór nr II w pozycji (1). Zawór zapowietrzenia III-zamknięty. Krany A i B otwarte.

5. Włączyć pompę na okres 30 minut.

6. Po 30 minutach należy zamknąć kran B, wyłączyć pompę, zapowietrzyć ją przez otwarcie zaworu III.

7. Wyłączyć czaszę grzewczą, odstawić.Po kilku minutach, gdy szkło nieco ostygnie pojemnik z adsorbentem należy ochłodzić przy pomocy suszarki (przez około 10 minut).

8. Do kalibrowanej probówki nalać około 10 cm³ n-pentanu, następnie nałożyć probówkę na uprzednio nasmarowany szlif.

9. Wykonać dokładny odczyt poziomu zerowego na manometrze i poziomu n-petanu w probówce.

10. Przy zamkniętym kranie A ostrożnie otworzyć kran B, aż do obniżenia poziomu n-pentanu w probówce o dwie działki, co odpowiada odparowaniu 0,1cm³ adsorbatu do układu.

11. Zamknąć kran B, odczekać 3 minuty i ostrożnie otworzyć kran A. Odczekać 0,5 minuty i odczytać wskazanie manometru.

12. Chcąc uzyskać kilka punktów pomiarowych, należy kilkakrotnie (ok. 10-15 punktów pomiarowych) powtórzyć czynności z punktów: 10 i 11.

13. Po zakończeniu doświadczenia należy zamknąć kran A i ostrożnie otwierając kran B wpuścić do układu powietrze.

3. Opracowanie wyników pomiarów:

Wyniki pomiarów przedstawiamy w tabeli nr 1 według poniższego wzoru:

V1 [cm^3]	Pi [mmHg]

Uzyskane dane pozwalają na sporządzenie wykresu

P_i =f(V_i) (patrz rys.1)

Punkty leżące na początkowym krzywoliniowym odcinku wykresu przechodzą w prostoliniowy. Osiągnięcie prostoliniowego przebiegu tej zależności świadczy, że proces adsorpcji się zakończył. Równoległe przesunięcie odcinka prostoliniowego, tak aby przeszedł on przez początek układu współrzędnych, pozwoli określić wartości P_i⁰, tzn. ciśnienia jakie panowałoby w aparaturze, gdyby nie zachodziła adsorpcja.

Dla zmierzonych objętości równowagowych V_i z tabeli nr 1odczytuje się z otrzymanego prostoliniowego wykresu skorygowane wartości ciśnienia P_i⁰ i obliczamy P_i = P_i⁰-P_i.

Dla tej wartości P_i odczytujemy skorygowaną wielkość V_i^*_,ads.

(Wartości V_i^*_,ads. oraz P_i dokładniej można obliczyć z równania prostej przechodzącej przez początek układu.)

Uzyskane wartości umieszczamy w tabeli nr 2, obliczając wielkości potrzebne do sporządzenia równania BET:

Vi	Pi	Pi^0	Pi	Vi^*,ads	P0-Pi	Vi^*,ads(P0-Pi)	Pi/ Vi^*,ads(P0-Pi)

P₀ - wartość ciśnienia pary nasyconej n-pentanu w 25Ⴐ C - wynosi 480 mmHg; w 20Ⴐ C 420,2 mmHg.

Z tak przygotowanych danych sporządzamy wykres zależności

P_i/ (V_i^*_,ads· (P₀-P_i)) w funkcji P_i albo P_i/P₀

Równanie BET ma następującą postać:

P_i/ (V_i^*_,ads· (P₀-P_i))=1/V_m·C + (C-1)·P_i / (Vm·C·P₀) (1)

Współczynnik kierunkowy stycznej prowadzonej wzdłuż najbardziej prostoliniowego odcinka zgodnie z równaniem BET wynosi C-1/(C·V_m·P₀) lub (C-1)/ V_m·C, natomiast wielkość odcinka na osi rzędnych wynosi 1/V_m·C.

Z powyższych wielkości obliczamy V_m n-pentanu, tj. taką objętość tego związku, która potrzebna jest do pokrycia powierzchni adsorbenta monomolekularną warstwą w temperaturze pomiaru.

Gęstość n-pentanu wynosi 0,6219 g/cm³ z czego obliczamy masę, a znając masę molową M=72g - obliczamy liczbę moli -a_m potrzebną do pokrycia powierzchni adsorbenta monowarstwą.

Powierzchnia zajmowana przez jedną cząsteczkę adsorbatu zależy od powinowactwa adsorbatu do adsorbenta nazywana jest powierzchnią siadania - ၷ.

Wartość takiej powierzchni wyznaczona eksperymentalnie według danych literaturowych dla n-pentanu wynosi 52,3A². (1A=10^-20m²)

Zatem powierzchnia zajęta przez adsorbat S wynosi:

S=N₀·a_m·ၷ=6,023·10²³·a_m·52,3·10^-20 [m²]

Znając masę adsorbenta obliczamy powierzchnię właściwą:

S_v=S/masa adsorbenta [m²/g]

Wyznaczone w ten sposób wartości powierzchni czynnych adsorbentów dają wyniki wyraźnie zaniżone, w stosunku do oznaczeń klasycznych wykonanych np. przy użyciu gazów: argonu, azotu.

Bibliografia:

1. K.Pigoń „Chemia Fizyczna” PWN W-wa

2. M.Nowak, J.Szopiński, A.Wójtowicz „Ćwiczenia laboratoryjne z chemii fizycznej”- cz.1, Kraków 1991

3. J.Ościk „Adsorpcja”

4. E.Dutkiewicz „Fizykochemia powierzchni”, WNT W-wa 1998

Przykład obliczeń dla 5,2g węgla aktywnego;

Adsorbat: n-pentan; T=20ႰC (293K)

Z danych pomiarowych uzyskano wykres nr 2.

Zależność prostoliniową przedstawia równanie: y=0,002p+0,0015 - zgodnie z równaniem BET (1)

współczynnik kierunkowy prostej (C-1)/CV_mP₀ = 2·10^-3, zaś odcinek rzędnej 1/CV_m=1,5·10^-3, ponieważ V_m< 2 to C >1/1,5·10³ >>1

(Rys 1)

zatem C-1 ၀ C (bo C >> 1) czyli V_m ၀ 1,19 [cm³]

ρ_C5H12=0,6219 [g/cm³]; M_C5H12= 72 [g/mol]

a_m = ρV_m/M = 0,0103 mola

S=N₀·a_m·ၷ=6,023·10²³·0,0103·52,3·10^-20 [m²]

S_V=S/m_adsorbenta=3,23·10³/5,2=622,7 [m²/g] = 3,23·10³ m²

---