Ćwiczenie 4-1: Adsorpcja kwasu octowego na węglu aktywowanym

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia było wyznaczenie stężeń roztworów CH₃COOH przed i po adsorpcji poprzez miareczkowanie roztworem NaOH, a także na podstawie otrzymanych danych wyznaczenie wartości współczynników adsorpcji k i n metodą graficzną i analityczną.

Wstęp:

Adsorpcja jest to samorzutne gromadzenie się substancji na granicy faz w warstwach powierzchniowych. Zjawisko adsorpcji oparte jest na tworzeniu się wiązań pomiędzy cząsteczkami adsorbatu i adsorbentu. Adsorbent jest substancją adsorbującą, a adsorbat - adsorbowaną. W zależności od rodzaju sił wiążących cząsteczki adsorbatu z adsorbentem rozróżnia się adsorpcję fizyczną i chemisorpcję.

Wartość adsorpcji a określa się za pomocą równania:

a - adsorpcja rzeczywista [mol/kg lub mol/g]

C₀ - stężenie początkowe adsorbatu w roztworze [mol/m³ lub mol/dm³]

C_r - stężenie końcowe adsorbatu (stężenie roztworu w stanie równowagi po adsorpcji) [mol/m³ lub mol/dm³]

m - masa adsorbentu [kg lub g]

V - objętość roztworu [m³ lub dm³]

V_w - objętość właściwa warstwy powierzchniowej adsorbentu [m³/kg lub dm³/kg] (iloczyn powierzchni właściwej adsorbentu [m²/kg lub dm²/kg] i grubości tej warstwy [m lub dm])

Adsorpcja nadmiarowa określa ilość adsorbatu, jaka ubyła z roztworu w wyniku adsorpcji przez m gramów adsorbentu w chwili, gdy adsorpcja występuje. Natomiast adsorpcja rzeczywista to liczba moli adsorbatu znajdującą się w warstwie powierzchniowej adsorbentu niezależnie od tego, czy adsorpcja występuje, czy nie.

Izotermy adsorpcji są to równania określające zależność pomiędzy ilością adsorbatu zgromadzonego przez 1 g adsorbentu a stężeniem roztworu znajdującego się w stanie równowagi z adsorbentem. W przypadku, gdy mamy do czynienia z adsorpcją z rozcieńczonych roztworów dwuskładnikowych oraz z silnie adsorbującym się adsorbatem ( takim, że na powierzchni adsorbentu tworzy wiele warstw cząsteczek tworząc wiązania van der Wellsa) stosujemy równanie izotermy Freundlicha:

k i n - współczynniki zależne od rodzaju adsorbatu i adsorbentu

a - adsorpcja rzeczywista [mol/kg lub mol/g]

C_r - końcowe stężenie adsorbatu w roztworze w stanie równowagi [mol/m³ lub mol/dm³]

Wartości współczynników k i n można wyznaczyć stosując dwie metody:

Metodę analityczną - polega na przekształceniu równania izotermy Freundlicha do postaci logarytmicznej i rozwiązaniu układu równań z dwiema niewiadomymi dla dwóch roztworów różniących się stężeniem:

log a₁ = log k + n log C_r1

log a₂ = log k + n log C_r2

Metoda graficzna - polega na otrzymaniu wykresu zależności log a = f (log C_r). Punkt przecięcia prostej z osią rzędnych odpowiada wartości log k, a tangens kąta nachylenia prostej do osi odciętych określa wartość współczynnika.

Wykonanie ćwiczenia:

Aparatura: 12 kolb stożkowych 250 cm³, 6 butelek z korkiem szlifowym na 500 cm³, pipety na: 5, 10, 20, 25 cm³, zlewka, biureta, 6 lejków ilościowych, łódeczka aluminiowa do ważenia, statyw, wytrząsarka mechaniczna, sączki z bibuły

Odczynniki i materiały: Węgiel aktywowany, fenoloftaleina, 6 roztworów kwasu octowego o różnych stężeniach, roztwór NaOH (0,1 mol/dm³)

Oznaczanie stężeń przed adsorpcją:

1. Do 6 ponumerowanych kolb stożkowych o pojemności 250 cm³ odmierzyłyśmy (do kolby nr1 - 40cm³; nr2 - 40cm³; nr3 - 25cm³; nr4 - 20cm³; nr5 - 10cm³; nr6 - 5cm³) roztwory CH₃COOH z odpowiednio ponumerowanych naczyń.

2. Dokładne stężenia roztworów oznaczyłyśmy poprzez miareczkowanie 0,1 mol/dm³ roztworem NaOH wobec fenoloftaleiny, do momentu, w którym pojawiła się jasnoróżowa barwa.

Wytrząsanie roztworów z węglem aktywowanym i oznaczenie stężeń po adsorpcji:

1. Do sześciu kolejno ponumerowanych butelek na 250 cm³ wsypałyśmy po 1g węgla aktywowanego wcześniej odważonego na wadze technicznej.

2. Następnie do każdej butelki wlałyśmy za pomocą cylindra miarowego po 100 cm³ odpowiadających im (zgodnie z numeracją) roztworów kwasu octowego o określonych stężeniach.

3. Szczelnie zamknięte butelki umieściłyśmy w wytrząsarce mechanicznej (na 20 minut).

4. Po osiągnięciu stanu równowagi zawartość butelek przesączyłyśmy za pomocą bibuły filtracyjnej przez lejek do kolejno ponumerowanych czystych kolb stożkowych (zgodna numeracja kolb i butelek)

5. Z otrzymanych przesączów pobrałyśmy analogicznie jak w pierwszej części doświadczenia następujące ilości roztworów: z kolby nr1 - 40cm³ ; nr2 - 40cm³; nr3 - 25cm³; nr4 - 20cm³; nr5 - 10cm³; nr6 - 5cm³

6. Roztwory miareczkowałyśmy analogicznie do I części doświadczenia.

7. Obliczyłyśmy stężenia kwasu octowego w kolbach 1-6 przed i po adsorpcji.

8. Z różnicy stężeń kwasu przed i po adsorpcji obliczyłyśmy molowe stężenie powierzchniowe a CH₃COOH zaadsorbowanego w poszczególnych przypadkach przez 1 g węgla aktywowanego.

9. Sporządziłyśmy wykres zależności log a = f (log c_r) i na podstawie otrzymanych danych wyznaczyłyśmy wartości stałych izotermy Freundlicha (n, k) metodą graficzną i analityczną.

Wnioski:

---