Metale Nieżelazne 11.11.2005

Metalurgia

Gr. I

Ćwiczenie nr 11

ADSORBCJA NA POWIERZCHNI FAZY STAŁEJ

Haber Szczepan Ocena

Zespół nr 6 ………….

1. WSTĘP

Wzdłuż powierzchni stykania się dwu różnych faz wytwarza się obszar przejściowy, którego skład odbiega ilościowo od składu wewnątrz obu faz. Obszar ten powstaje pod wpływem nie wysyconych miedzymolekularynych sił przyciągania w wyniku których substancja znajdująca się w jednej fazie może być gromadzona selektywnie na powierzchni drugiej fazy. Powstaje różnica stężeń między przeciętnym składem wewnątrz fazy a składem warstw przylegających do powierzchni rozdziału faz. Zjawisko to nosi nazwę adsorpcji.

Adsorpcja chemiczna występuje wtedy gdy między powierzchnię adsorbentu i cząsteczkami adsorbowanymi występują siły o charakterze wiązań chemicznych. Ciepło takiej adsorpcji jest wysokie.

Jeżeli następuje tworzenie tylko jednocząsteczkowej warstwy adsorpcyjnej, w miarę wzrostu ciśnienia gazu lub stężenia ciała rozpuszczonego w roztworze, maleje wolna powierzchnia adsorbenta i wreszcie dochodzi do stanu nasycenia, odpowiadającego całkowitemu pokryciu powierzchni przez zaadsorbowane cząsteczki. Dalszy wzrost ciśnienia gazu czy stężenia też stężenia roztworu nie zmienia stanu rzeczy. W przypadku adsorpcji wielowarstwowej zależność ilości substancji zaadsorbowanej od ciśnienia lub stężenia ma jakościowo podobny przebieg, jednakże jej ilościowa interpretacja jest bardziej złożona.

Niekiedy podczas adsorpcji gazów na substancjach silnie porowatych obserwuje się zjawisko tak zwanej kondensacji kapilarnej. Wiąże się ono z tym, że prężność pary nasyconej nad silnie wklęsłym meniskiem (powstającym w kapilarach w przypadku zwilżenia ciała stałego przez ciecz) jest mniejsza niż nad płaską powierzchnią cieczy. Tak, więc, jeżeli w wyniku adsorpcji zostanie osiągnięte w kapilarach odpowiednie stężenie cząstek, wówczas może mieć tam miejsce kondensacja gazu.

Freundlich stwierdził empirycznie, że zależność pomiędzy ilością substancji zaadsorbowanej x (na jednostkę powierzchni lub częściej na jednostkę masy adsorbenta m), a jej stężeniem p w układach gazowych, c w roztworach można przedstawić za pomocą równania paraboli:

K oraz n są to stałe (dla t⁰ = const), charakterystyczne dla danego rodzaju substancji adsorbowanej i adsorbującej, n jest mniejsze od jedności. Langmuir wyprowadził w przypadku adsorpcji jednowarstwowej równanie:

Z oznacza tu ułamek powierzchni zajętej przez cząstki zaadsorbowane; K jest to stała (dla t⁰ = const) charakterystyczne dla układu.

Istnieje również wyprowadzone przez Brunnauera, Emmetta i Tallera ogólne równanie (tzw. równanie BET) adsorpcji wielowarstwowej, posiadające bardziej złożoną postać.

Zasadnicza różnicą pomiedzy równaniem Freundlicha i Langmuira jest to, że pierwsze z nich sugeruje ciągły ezrost ilości substancji zaadsorbowanej ze wzrostem jej stężenia w roztworze, drugie zaś wskazuje na istnienie granicy lim Z = 1, gdy c -> ∞.

2. CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest doświadczalne stwierdzenie, czy w badanym procesie (adsorpcja kwasu octowego na węglu) w zadanym zakresie stężeń stosuje się równania Freundlicha oraz Langmuria. W przypadku stwierdzenia stosowalności jednego z tych równań (lub obydwu) należy wyznaczyć, posługuje się metodą graficzną, współczynniki równań.

3. WYKONANIE ĆWICZENIA

1. Do sześciu kolbek wlewa się roztwory kwasu octowego otrzymane przez rozcieńczenie wodą destylowaną 2n CH₃COOH. Rozcieńczenia wykonuje się według tabeli.

2. Dokładne stężenie kwasu octowego oznacza się przez miareczkowanie 0,1n NaOH wobec fenoloftaleiny, kolejno 6 probówek z odpowiednią ilością roztworu.

3. Do pomiaru adsorpcji pobiera się po 100ml roztworu z poszczególnych kolbek. Do badanych roztworów dodaje się po 3,0g węgla aktywnego i wstrząsa w przeciągu 10min. Poczym wszystkie roztwory przesącza się przez bibułę. Z przesączów pobiera się próbki w tej samej ilości co przy miareczkowaniu początkowym i oznacza stężenie kwasu octowego jak poprzednio.

Tabela Wyników

Nr kolbki	1	2	3	4	5	6
Ilość ml pobranych do miareczkowania (przed adsorpcją)	50	50	50	25	10	5
Ilość ml NaOH (0.1n) potrzebna dla zobojętnienia próbki	6,3	14	25,9	24,7	23,1	24,6
Stężenie roztworu przed adsorpcją moli/litr c1	0,0126	0,028	0,0518	0,1036	0,247	0,492
Ilość ml pobranych do miareczkowania (po adsorpcji)	50	50	50	25	10	5
Ilość ml NaOH (0.1n) potrzebna dla zobojętnienia próbki	1,2	2,1	8,1	12,6	16,4	18,4
Stężenie roztworu po adsorpcji moli/litr c2	0,0024	0,0042	0,0162	0,0504	0,164	0,368
Ilość kwasu octowego zaadsorbowana na jednostkę masy węgla moli/g x/m	0,00034	0,0008	0,0012	0,0018	0,003	0,004

Obliczenia:

1. przed adsorbcją:

=
[mol/litr]

- stężenie roztworu przed adsorpcją

- stężenie NaOH, = 0.1 mol/litr

- ilość NaOH potrzebna do zobojętnienia próbki

- ilość ml pobranych do miareczkowania

C_R1=0,1*6,3 / 50 = 0,0126 [mol/litr]

C_R2=0,1*14 / 50 = 0,028 [mol/litr]

C_R3=0,1*25,9 / 50 = 0,0518 [mol/litr]

C_R4=0,1*24,7 / 25 = 0,1036[mol/litr]

C_R5=0,1*23,1 / 10 = 0,247[mol/litr]

C_R6=0,1*24,6 / 5 = 0,492[mol/litr]

2. Po adsorbcji

C_R1=0,1*1,2 / 50 =0,0024[mol/litr]

C_R2=0,1*2,1 / 50 = 0,0042[mol/litr]

C_R3=0,1*8,1 / 50 =0,0162[mol/litr]

C_R4=0,1*12,6 / 25 = 0,0504[mol/litr]

C_R5=0,1*16,4 / 10 = 0,164[mol/litr]

C_R6=0,1*18,4 / 5 = 0,368[mol/litr]

3. Obliczanie różnic stężeń roztworów w wyniku adsorpcji:

∆
=
-

- stężenie początkowe

- stężenie końcowe

∆C_R1= 0,0126-0,0024=0,0102[mol/litr]

∆C_R2=0,028-0,0042=0,0238[mol/litr]

∆C_R3=0,0518-0,0162=0,0356[mol/litr]

∆C_R4=0,1036-0,0504=0,0532)mol/litr]

∆C_R5=0,247-0,164=0,083[mol/litr]

∆C_R6=0,492-0,368=0,124[mol/litr]

4. oliczanie ilości kwasu octowego zaadsorbowanego na powierzchni węgla

∆
- 1dm3

X - 0.1 dm3

X = ∆
*0.1

X₁=0,0102*0,1=0,00102 x/m= 0,00034

X₂=0,0238*0,1=0,00238 x/m=0,0008

X₃=0,0356*0,1=0,00356 x/m=0,0012

X₄=0,0532*0,1=0,00532 x/m=0,0018

X₅=0,083*0,1=0,0083 x/m=0,003

X₆=0,124*0,1=0,0124 x/m=0,004

4. Opracowanie wyników:

1. wykres krzywej adsorpcji (Rys.1)

2. sprawdzenie stosowalności równania Freundlicha: (Rys.2)

Przekształcenie równania Freundlicha:

w postać logarytmiczną:

	Log x/m	Log C2
1 2 3 4 5 6	-3,47 -3,09 -2,92 -2,74 -2,52 -2,39	-2,62 -2,38 -1,79 -1,30 -0,78 -0,43

3. sprawdzenie stosowalności równania Langmuira (Rys.3.)

Po przekształceniu wzoru mamy:

X - oznacza masę substancji zaabsorwowanej

x₀ - oznacza masę substancji zaabsorwowanej w przypadku całkowitego pokrycia powierzchni absorbenta

M_CH3COOH=60

x_o=C₁*M_CH3COOH

x=

			x	X0
1 2 3 4 5 6	0,012 0,009 0,023 0,047 0,099 0,148	0,003 0,0025 0,0052 0,0081 0,011 0,0124	0,204 0,476 0,712 1,064 1,66 2,48	0,756 1,68 3,108 6,216 14,82 29,52

4. WNIOSKI

Celem ćwiczeń było badanie adsorpcji na powierzchni fazy stałej. Z przeprowadzonego doświadczenia otrzymano wnioski z których wysunięto następujące wnioski:

Równania Freundlicha jak i Langmuira opisują to zjawisko, można jednak zauważyć uchybienia dla obu tych metod. Rys 2 obrazuje krzywą adsorpcji, i przyjmując duży margines błędu możemy uznać iż charakterystyka ta jest liniowa. Możemy więc stwierdzić że stosowalność równania Freundlicha jest spełniona.

Rys.3 służy do sprawdzenia stosowalność równania Langmuira, Tą charakterystykę również możemy uznać za liniową, a wiec stosowalność równania Langmuira jest spełniona.

---