CHEMIA FIZYCZNA

Ćwiczenie 3

Wyznaczanie izotermy adsorpcji Freundlicha

Jedną z charakterystycznych właściwości ciał stałych należy ich zdolność do adsorbowania na ich powierzchni innych cząsteczek, znajdujących się w sąsiadującej z nimi fazie gazowej, ciekłej, a nawet stałej. W zależności od rodzaju oddziaływań pomiędzy adsorbentem a adsorbowanymi cząsteczkami rozróżniana jest adsorpcja fizyczna i adsorpcja chemiczna. Ilościowo proces adsorpcji opisują tzw. izotermy adsorpcji.

Adsorpcja fizyczna

W przypadku adsorpcji fizycznej pomiędzy adsorbentem i adsorbatem występują słabe oddziaływania międzycząsteczkowe zwane siłami van der Waalsa. Ciepło adsorpcji fizycznej zbliżone jest do ciepła kondensacji adsorbatu i nie przekracza zwykle 40-50 kJ/mol. Adsorpcja fizyczna jest na ogół procesem odwracalnym i przebiegającym stosunkowo szybko. Na powierzchni adsorbentu może powstać więcej niż jedna warstwa zaadsorbowanych cząsteczek.

Adsorpcja chemiczna

Przy adsorpcji chemicznej występuje tylko jedna warstwa zaadsorbowanych cząsteczek. Adsorpcja chemiczna wymaga zazwyczaj dość wysokiej energii aktywacji i jest procesem stosunkowo powolnym. Szybkość jej może być zwiększona przez podwyższenie temperatury. Ciepło adsorpcji jest tego samego rzędu co ciepło reakcji chemicznych i zazwyczaj przyjmuje wartości kilkudziesięciu kilodżuli na mol. Maleje ono w miarę wzrostu stopnia pokrycia powierzchni adsorbenta.

Izoterma adsorpcji Langmuira

Langmuir założył, że na powierzchni adsorbentu istnieje określona ilość centrów adsorpcji, z których każde zdolne jest do zaadsorbowania tylko jednej cząsteczki. Założył również, że szybkość adsorpcji zależna jest od ciśnienia gazu i ułamka nieobsadzonej powierzchni, natomiast szybkość desorpcji jest proporcjonalna do ułamka powierzchni pokrytej adsorbatem. Uzyskał równanie opisujące ilość zaadsorbowanej substancji na jednostkową masę adsorbentu:

[mol/g] (1)

a_m - maksymalna liczba moli substancji która może być zaadsorbowana na jednostkę masy adsorbentu

p - ciśnienie

b - współczynnik adsorpcji

Izoterma adsorpcji Langmuira dobrze opisuje przypadki chemisorpcji, natomiast w przypadku adsorpcji fizycznej na ogół zawodzi.

Izoterma adsorpcji Freundlicha

Jeżeli cząsteczki w warstwie adsorpcyjnej wykazują pewną ruchliwość na powierzchni, to najpierw zostają wysycane te centra adsorpcji, które charakteryzują się najwyższą energią adsorpcji. W dalszej kolejności obsadzane są centra o coraz mniejszej energii. Zmienność ciepła adsorpcji może być również spowodowana wzajemnym oddziaływaniem pomiędzy zaadsorbowanymi cząsteczkami.

Gdy energia adsorpcji maleje liniowo z logarytmem liczby zaadsorbowanych cząsteczek, równanie izotermy, przyjmuje postać:

(2)

v - objętość zaadsorbowanego gazu

p - ciśnienie gazu

k, n - stałe

Jest to równanie Freundlicha. Zostało ono początkowo wprowadzone jako równanie empiryczne i jest często stosowane do opisywania wyników doświadczalnych.

Jeżeli izotermy opisują zjawisko adsorpcji w fazie gazowej, w równaniach wykorzystywane jest ciśnienie gazu, natomiast przy adsorpcji z roztworów wykorzystywane jest stężenie adsorbatu.

(3)

a - ilość zaadsorbowanej substancji na 1g adsorbentu

c - stężenie adsorbowanej substancji

k, n - stałe

W praktyce wykorzystuje się zlogarytmowaną postać równania (3):

(4)

Liniowa zależność log a od log c pozwala na łatwe wyznaczenie stałych występujących w równaniu. Można zrobić to metodą graficzną wykreślając zależność log a = f (log c). Parametr n jest współczynnikiem kierunkowym prostej, natomiast log k jest wartością, przy której prosta przecina oś y (dla x = 0). Sposób odczytu przedstawiony jest na rysunku 1.

Rys. 1. Wykres zlogarytmowanej postaci izotermy adsorpcji Freundlicha. Sposób odczytu wartości parametrów n i log k. P₁, P₂ - dwa dowolnie wybrane punkty na prostej.

ZAGADNIENIA TEORETYCZNE

- podstawy teorii adsorpcji

- rodzaje adsorpcji i ich charakterystyka

- izotermy adsorpcji (Langmuira, Freundlicha, Gibbsa)

- czynniki wpływające na szybkość adsorpcji

- praktyczne wykorzystanie zjawiska adsorpcji

LITERATURA

1. Smoczyński L., Kalinowski S., Wasilewski J., Karczyński F., Podstawy chemii fizycznej z ćwiczeniami, Wyd. UWM, Olsztyn 2000.

2. Chemia fizyczna. Praca zbiorowa. PWN, Warszawa 1980.

3. K. Pigoń, Z. Ruziewicz, Chemia fizyczna, PWN, Warszawa 1980.

4. G.M. Barrow, Chemia fizyczna, PWN, Warszawa 1975.

CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA

SPRZĘT I ODCZYNNIKI

- Spektrofotometr

- kuwety do spektrofotometru - 2 szt.

- kolba miarowa 200 cm³ - 1 szt.

- kolby Erlenmayera 100 cm³ - 8 szt.

- pipeta 2 cm³ - 1 szt.

- pipeta 50 cm³ - 1 szt.

- lejek - 1 szt.

- bibuła filtracyjna

- węgiel aktywny

- roztwór barwnika (fiolet gencjanowy)

WYKONANIE ĆWICZENIA

1. Do kolbki miarowej dodac 2 ml roztworu barwnika i uzupełnic wodą do kreski.

2. Pobrać pipetą 50 ml roztworu z kolbki w przenieść do kolbki Erlenmayera, a roztwór w kolbce miarowej uzupełnić wodą do kreski.

3. Czynności pobierania roztworu i rozcieńczania powtarzać aż do uzyskania ośmiu roztworów barwnika w kolbkach Erlenmayera o stopniowo malejącym stężeniu.

4. Zmierzyć absorbancję poszczególnych roztworów przy długości fali 590 nm. Pomiary rozpocząć od roztworu najbardziej rozcieńczonego. Po zmierzeniu absorbancji roztwory z kuwety wlewać z powrotem do kolbek.

5. Do roztworów barwnika w każdej kolbce dodać po 0.1 g węgla aktywnego i wytrzasać na wytrząsarce przez pół godziny.

6. Po zakończeniu wytrząsania kolejno odsączać roztwory i ponownie zmierzyć ich absorbancję.

OPRACOWANIE WNIKÓW

1. Obliczyć stężenia barwnika w poszczególnych kolbkach przyjmując stężenie roztworu w pierwszej kolbce jako 100%.

2. Wykonać wykres wzorcowy - zależność absorbancji od stężenia barwnika przed wytrząsaniem z węglem aktywnym.

3. Na podstawie absorbancji roztworów po wytrząsaniu odczytać stężenia barwnika z wykresu wzorcowego.

4. Dla każdego roztworu obliczyć wartości wyrażenia:

gdzie: c0 - stężenie barwnika przed adsorpcją [%]

ck - stężenie barwnika po adsorpcji [%]

m - masa adsorbenta [g]

5. Dla każdego roztworu obliczyć wartość wyrażenia log c0.

6. Wyniki obliczeń umieścić w tabeli:

Nr	c0 [%]	E0	Ek	ck [%]		log c0
1
2
3
4
5
6
7
8

6. Narysować wykres zależności:

7. Na podstawie wykresu z nachylenia prostej odczytać wartość n, a przecięcia prostej z osią rzędnych odczytać wartość log k.

8. Na podstawie literatury scharakteryzować proces adsorpcji barwnika z roztworu za pomocą węgla aktywnego.

1

4

P₁ (x₁,y₁)

P₂ (x₂,y₂)

0

log k

log c

log a

---