Nr i tytuł ćwiczenia: Ćwiczenie 4-1 Adsorpcja kwasu octowego na węglu aktywowanym.
Imię i nazwisko osoby prowadzącej ćwiczenia: dr inż. Bożena Parczewska-Plesnar.
Data wykonania ćwiczenia
13.04.2010 r.
Uwagi prowadzącego:

1. CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się studentów z metodą oznaczania adsorpcji z roztworów oraz ze sposobami wyznaczania współczynników adsorpcji k i n w równaniu izotermy Freundlicha w roztworach rozcieńczonych.

2. WSTĘP TEORETYCZNY

ADSORPCJA – jest to zjawisko gromadzenia się substancji na granicy faz w warstwach powierzchniowych. Substancję adsorbowaną nazywamy adsorbatem, a substancję adsorbującą na swojej powierzchni adsorbat-adsorbentem.

ABSORPCJA- to zjawisko przenikania jednej substancji w głąb drugiej.

Ze względu na rodzaj sił wiążących cząsteczki adsorbatu z adsorbentem procesy adsorpcji możemy podzielić na dwie kategorie: adsorpcje fizyczną (adsorbat z adsorbentem wiążą się siłami typu van der Waalsa) oraz chemiczną (cząsteczki adsorbentu i adsorbatu wiążą się wiązaniem atomowym spolaryzowanym lub wiązaniem jonowym).

Wartość adsorpcji a określa równanie:

a = [V(C₀ – C_r) / m] + V_wC_r

gdzie :

a - adsorpcja rzeczywista

C₀ - stężenie początkowe adsorbatu w roztworze

Cr - stężenie końcowe adsorbatu

m - masa adsorbentu

V - objętość roztworu

V_w - objętość właściwa warstwy powierzchniowej adsorbentu(iloczyn powierzchni właściwej adsorbentu i grubości tej warstwy)

IZOTERMA FREUNDLICHA

Do opisu adsorpcji z rozcieńczonych roztworów dwuskładnikowych zawierających silnie adsorbującą się substancję ( w przypadku gdy powierzchnię adsorbentu pokrywa kilka warstw cząsteczek zaadsorbowanych ) stosuje się równanie izotermy Freundlicha postaci:

a=kc_rⁿ

gdzie:

a-adsorpcja rzeczywista

c_r- stężenie końcowe adsorbatu w roztworze

k, n- współczynniki zależne od rodzaju adsorbentu i adsorbatu

Wartość współczynników k i n w równaniu Freundlicha można wyznaczyć dwiema metodami:

1. ANALITYCZNA - polega na przeprowadzeniu równania a=kc_rⁿ do postaci logarytmicznej:

loga=logk+nlogc_r

a następnie rozwiązaniu układu równań:

log a₁=log k+ n logcr₁

log a₂=log k+ n logcr₂

2.GRAFICZNA - polega na sporządzeniu wykresu zależności log a=f (log c_r) dla 6 pomiarów wartości adsorpcji dla różnych stężeń adsorbantu. Punkt przecięcia prostej z osią y odpowiada wartości log k, natomiast współczynnik kierunkowy prostej równy tangensowi kąta nachylenia prostej do osi x-wartość współczynnika n.

3. WYKONANIE ĆWICZENIA

a) mamy przygotowane 6 roztworów kwasu octowego o różnych stężeniach : 0,02 mol/dm³, 0,04 mol/dm³, 0,08 mol/dm³, 0,14 mol/dm³, 0,22 mol/dm³, oraz 0,33 mol/dm³.

b) pobieramy do miareczkowania odpowiednio następujące objętości roztworów: 40 cm³, 40 cm³, 25 cm³, 20 cm³, 10 cm³ i 5 cm³.

c) stężenia roztworów oznaczamy przez miareczkowanie 0,1003 mol/dm³ roztworem NaOH wobec fenoloftaleiny.

d) obliczamy stężenia każdego z sześciu przygotowanych roztworów

e ) odważamy w łódeczce na wadze technicznej po 1 g węgla aktywowanego i przenosimy do sześciu ponumerowanych czystych butelek, do których następnie wlewamy po 100cm3 przygotowanych roztworów kwasu octowego o określonych wcześniej stężeniach.

f) butelki umieszczamy w wytrząsarce mechanicznej i wytrząsamy przez 25 minut.

g) po osiągnięciu stanu równowagi zawartość butelek przesączamy do czystych kolb stożkowych.

h) z otrzymanych przesączów pobieramy do miareczkowania analogiczne objętości jak przed adsorpcją : 40 cm³, 40 cm³, 25 cm³, 20 cm³, 10 cm³ i 5 cm³, i miareczkujemy 0,1003 mol/dm³ roztworem NaOH wobec fenoloftaleiny.

i) wyniki miareczkowań zestawiamy w tabeli.

j) z różnicy stężeń kwasu octowego przed adsorpcją i po adsorpcji obliczamy molowe stężenie powierzchniowe a kwasu octowego zaadsorbowanego w poszczególnych przypadkach przez 1 g węgla aktywowanego.

k) sporządzamy wykres zależności log a=f (log c_r) , wyznaczamy wartość n oraz k metodą analityczną i graficzną, wyniki zestawiamy w tabeli.

4. OBLICZENIA :

1. Stężenie kwasu octowego przed adsorpcją :

Rozwtór 1 : Cm=0,1003mol/dm³*8,9cm³/40 cm³=0,0223 mol/dm³

Rozwtór 2 : Cm=0,1003mol/dm³*14,3cm³/40 cm³=0,0358 mol/dm³

Rozwtór 3 : Cm=0,1003mol/dm³*17,5cm³/25cm³=0,0702 mol/dm³

Rozwtór 4 : Cm=0,1003mol/dm³*26,4cm³/20 cm³=0,1324 mol/dm³

Rozwtór 5 : Cm=0,1003mol/dm³*20,5cm³/10 cm³=0,2056 mol/dm³

Rozwtór 6 : Cm=0,1003mol/dm³*15,5cm³/5 cm³=0,3109 mol/dm³

1. Stężenie kwasu octowego po adsorpcji :

Rozwtór 1 : Cm=0,1003mol/dm³*5,9cm³/40 cm³=0,0148 mol/dm³

Rozwtór 2 : Cm=0,1003mol/dm³*11,2cm³/40 cm³=0,0281 mol/dm³

Rozwtór 3 : Cm=0,1003mol/dm³*14,6cm³/25 cm³=0,0586 mol/dm³

Rozwtór 4 : Cm=0,1003mol/dm³*24,2cm³/20 cm³=0,1214 mol/dm³

Rozwtór 5 : Cm=0,1003mol/dm³*18,7cm³/10 cm³=0,1876 mol/dm³

Rozwtór 6 : Cm=0,1003mol/dm³*14,2cm³/5 cm³=0,2848 mol/dm³

1. Molowe stężenie powierzchniowe a :

Roztwór 1 : a=0,1dm³(0,0223 mol/dm³-0,0148 mol/dm³)/1g=0,00075 mol/g

Roztwór 2 : a=0,1dm³(0,0358mol/dm³-0,0281 mol/dm³)/1g=0,00077 mol/g

Roztwór 3 : a=0,1dm³(0,0702mol/dm³-0,0586 mol/dm³)/1g=0,00116 mol/g

Roztwór 4 : a=0,1dm³(0,1324mol/dm³-0,1214 mol/dm³)/1g=0,0011 mol/g

Roztwór 5 : a=0,1dm³(0,2056mol/dm³-0,1876 mol/dm³)/1g=0,00174 mol/g

Roztwór 6 : a=0,1dm³(0,3109mol/dm³-0,2848 mol/dm³)/1g=0,00261 mol/g

4 ) Wyznaczenie współczynników k i n metodą analityczną :

Układ równań :

-2,7=logk+(-0,66n) => logk=-2,7+0,66n
-3,0=logk+(-1,39n)

-3,0=(-2,7+0,66n)-1,39n
-0,3=-0,73n |:(-0,73)

n=0,41

logk=-2,7+0,66*0,41
logk=-2,4295

k=0,1

5) Wyznaczenie współczynników k i n metodą graficzną :

tg α = (y2-y1)/(x2-x1)
x1=-0,66

y1=-2,7000
x2=-1,39

y2=-3,000

tg α =(-3,000+2,7000)/(-1,39+0,66)
tg α =0,410958904=n
n=0,41

-2,7=logk+0,41*(-0,66)

logk=-2,4294

k=0,1

Nr roztworu	Liczba cm^3 NaOH	Stężenie kwasu octowego(mol/dm^3)	a(mol/g)	log a	log cr
	Przed adsorpcją	Po adsorpcji	Przed adsorpcją	Po adsorpcji
1.	8,9	5,9	0,0223	0,0148	0,00075
2.	14,3	11,2	0,0358	0,0281	0,00077
3.	17,5	14,6	0,0702	0,0586	0,00116
4.	26,4	24,2	0,1324	0,1214	0,0011
5.	20,5	18,7	0,2056	0,1876	0,00174
6.	15,5	14,2	0,3109	0,2848	0,00261

6. WNIOSKI

1. Po przeprowadzeniu doświadczenia obserwujemy, że stężenie kwasu octowego jest niższe po adsorpcji na węglu aktywowanym niż przed tym procesem. Wnioskujemy wiec, że część kwasu octowego zostala zaadsorbowana przez węgiel.
2. Analizując wyniki otrzymane w ćwiczeniu stwierdzamy, że po adsorpcji zużywamy mniej objętości NaOH niż przed adsorpcją.
3.Wykonując obliczenia metoda analityczna otrzymałyśmy wartości współczynników: n=0,41 k=0,1.
4. Dokonując obliczeń metoda graficzna otrzymałyśmy następujące wartości wspolczynników: n=0.41, k=0,1