Teoria

Cel ćwiczenia: wyznaczanie ilości substancji zaadsorbowanej na wybranym adsorbacie

Adsorpcja- zjawisko gromadzenia się substancji na powierzchni ciała stałego

Absorpcja- pochłanianie danej substancji przez całą objętość ciała stałego.

Adsorbent: węgiel, ziemia okrzemowa, żel krzemiankowy

Struktura powierzchni absorbenta: centra aktywne- różnego rodzaju zagłębienia, kanaliki

Charakterystyka adsorpcji fizycznej i chemicznej

Adsorpcja fizyczna	Chemisorpcja

Efekty cieplne

Około 40 kJ/mol adsorbatu	Około 400 kJ/mol adsorbatu

Bariera energetyczna

Niska- proces przebiega stosunkowo szybko nawet w niskich temperaturach	Wysoka - proces przebiega z obserwowalną szybkością w wyższych temperaturach

Liczba warstw adsorbatu

Jedna lub kilka warstw	Tylko jedna warstwa

Rodzaj sił powodujących adsorpcję

Przyciąganie międzycząsteczkowe	Zbliżone do wiązania chemicznego

Adsorpcja jest to zjawisko gromadzenia się substancji (gazu, pary, składnika roztworu) na powierzchni ciała stałego. W praktyce często zachodzi ona jednocześnie z absorpcją, która polega na pochłanianiu danej substancji przez całą objętość ciała stałego. Oba zjawiska nazywa się sorpcją. Substancja adsorbująca nosi nazwę adsorbentu, a adsorbowana - adsorbatu.

W zależności od rodzaju sił powodujących proces rozróżnia się adsorpcję fizyczną i chemisorpcję

a

2

a_∞

B

A

1

p

Izoterma gazów i par

1-adsorpcja jednowarstwowa

2-adsorpcja kolejnych warstw

a

T

Ilośc absorbantu w funkcji temperatury

W zakresie ciśnień odpowiadających krzywoliniowej części A-B zależności a = f(p) jest spełnione empiryczne równanie H.Freundlicha

gdzie K i n - stałe.

W szerszym przedziale ciśnień izotermę wyraża równanie Langmuira

gdzie: a_∝ - maksymalna ilość adsorbatu odpowiadająca całkowitemu pokryciu powierzchni, B - stała.

Wzór (1) jest lepiej spełniany w przypadku adsorpcji fizycznej, a zależność (2) - dla chemisorpcji. Powyższe zależności a = f (p) są spełnione dla stosunkowo małych ciśnień, gdy adsorbat tworzy warstwę monomolekularną.

Pod dużymi ciśnieniami para może ulegać ponownej adsorpcji, co przedstawia izoterma na 2 wykresie. Na pierwszej warstwie, której cząsteczki mają częściowo niewysycone siły międzycząsteczkowe, adsorbuje się druga warstwa substancji, na niej trzecia itd.

Zagadnienie wielowarstwowej adsorpcji ujmuje teoria BET (Brunauer, Emmett, Teller,1938). Według niej wielkość a wynosi

gdzie: p₀ - ciśnienie pary nasyconej adsorbatu w temperaturze adsorpcji, K - stała.

Adsorpcja z roztworu

Adsorpcja składników roztworu ciekłego na ciele stałym i adsorpcja gazu lub pary zjawiskowo mają podobny charakter. Ilościowe różnice są spowodowane adsorpcją rozpuszczalnika, co zmniejsza ilość zaadsorbowanego składnika rozpuszczonego w roztworze. Izotermę adsorpcji wyraża równanie Freundlicha

lub w postaci logarytmicznej:

lg a = lg K + n lgc

gdzie c - jest stężeniem roztworu po ustaleniu się równowagi adsorpcyjnej (oznaczane dalej jako c₂ w odróżnieniu od stężenia początkowego c₁).

Wykonanie ćwiczenia i obliczenia

W 4 kolbach przygotowano roztwory kwasu octowego

Nr kolby	Vkw [ml] o Ckw =1 mol/dm^3	VH2O [ml]	C1[mol/dm^3]
1	25	0	1
2	20	5	0,8
3	15	10	0,6
4	5	20	0.2

Obliczanie C-końcowego (C₁)

V_kw –objętość kwasu

C_kw - stężenie początkowe kwasu równe 1 mol/dm³

V_R – objetość roztworu (kwas + woda)

C₁ – stężenie końcowe roztworu

V_kw*C_kw=V_R*C₁

V_R=V_kw+V_H2O

1. 20 [mol] *1 [mol/dm³]= 25[ml]*C₁

C₁=0,8 [mol/dm³]

1. 15 [mol] *1 [mol/dm³]= 25[ml]*C₁

C₁=0,6 [mol/dm³]

1. 10 [mol] *1 [mol/dm³]= 25[ml]*C₁

C₁=0,4 [mol/dm³]

1. 5 [mol] *1 [mol/dm³]= 25[ml]*C₁

C₁=0,2 [mol/dm³]

Następnie odważono po 0.2g węgla do czterech kolb, dodano sporządzone roztwory kwasu. Każdą z kolb mieszano około 10-12 minut. Po odczekaniu paru minut zawartość próbek przesączono. Z przesączu pobrano próbkę o objętości V_k = 5 ml i zmiareczkowano NaOH (o mianie C_z=0.1mol/dm³) w celu wyznaczenia stężenia równowagowego kwasu (C₂)

Miareczkowanie

Nr kolby	Objętość zasady Vz [ml]
1	17,5
2	14,2
3	11,0
4	3,0

Obliczanie C₂

C₂ * V_k = C_z * V_z

V_k=0,5 ml

C_zas=0.01mol/dm³

Nr kolby	obliczenia
1	C2=(0.01*17,5)/0,5=0,028 mol/dm^3
2	C2=(0.01*14,2)/0,5=0,028mol/dm^3
3	C2=(0.01*4,5)/0,5=0,027mol/dm^3
4	C2=(0.01*2,4)/0,5=0,0033mol/dm^3

Obliczono ilość substancji zaadsorbowanej a (w molach) na1 kg węgla

według wzoru [mol/kg], V- początkowa objętość sporządzonych roztworów

Nr kolby	V [dm^3]
1	0.025
2	0.025
3	0.025
4	0.025

Obliczenie wartości a

Nr kolby	Obliczenia
1	a= [(1-0.028)*0.025]/0.002=12,14mol/kg
2	a=[(0.8-0.028)*0.025]/0.002=9,64 mol/kg
3	a=[(0.6-0.027)*0.025]/0.002=7,15 mol/kg
4	a=[(0.2-0.03)*0.025]/0.002=2,08 mol/kg

Wartości lga i lgC₂ obliczono i przedstawiono w tabeli wraz z resztą danych

L.p	g[kg]	C1[mol/dm3]	Vk[cm3]	Vz[cm3]	C2[mol/dm3]	a[mol/kg]	lga	lg C2
1	0,002	1	0,5	17,5	0,028571429	12,14285714	1,084321	-1,54407
2	0,002	0,8	0,5	14,2	0,028169014	9,647887324	0,984432	-1,55023
3	0,002	0,6	0,5	11	0,027272727	7,159090909	0,854858	-1,56427
4	0,002	0,2	0,5	3	0,033333333	2,083333333	2,083333	-1,47712

Obliczanie wartości n i lgK ,, metoda najmniejszych kwadratów”

lg a = lg K + n lgc

Y= b+a*X

a=n, b=lgK

n- liczba pomiarów

n=4

Do obliczeń będą potrzebne wartości:

ΣXiYi= - 7,61

ΣXi= -6,13

ΣYi= 5,01

(ΣXi)²=37,6

a= 0,002314

b=1,2553

Z obliczeń wynika, iż:

n=0,002314

lgK= 1,2553=> K=0,3686

Wnioski:

Z wykresu funkcji lg a = f(lgC₂) wynika iż, wartość współczynnika kierunkowego wynosi n=0,002314

a wartości przecięcia prostej z osia OY lg K= 1,2553. Z obliczeń ,, metoda najmniejszych kwadratów” zaś wartości te to n=0,0155, a lgK=0,647. Wartości obliczone metodą graficzną i arytmetyczną są do siebie bardzo zbliżone.

Wraz ze spadkiem stężenia roztworu, wzrasta ilość zaadsorbowanego kwasu na węglu