POLITECHNIKA RADOMSKA KATEDRA TECHNOLOGII CHEMICZNEJ		LABORATORIUM CHEMII FIZYCZNEJ
^Wykonali^:	xxxxxxx			^Grupa Lx	^Ćw. nr 31	^Prowadzący: Mgr A.Małysa
Adsorpcja jonów Ca^2+i Pb^2+ w roztworze ich soli:				^Data wykonania xx.xx.xx	^Data^oddania xx.xx.xx	^Ocena

I. Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest zbadanie, czy substancje są pochłaniane przez adsorbent w różnym stopniu i czy to jest zależne od adsorbowania się.

II. Podstawy teoretyczne:

POJĘCIE ZJAWISKA ADSORPCJI:

Adsorpcja związana jest z oddziaływaniem elektronów pochodzących z adsorbentu i adsorbatu, w wyniku którego powstaje wiązanie o charakterze kowalencyjnym z pewnym udziałem wiązania jonowego. Wiązanie takie jest wysokoenergetyczne (rzędu 1000 kJ/mol), wiąże się z nim duże wydzielanie ciepła adsorpcji i bardzo trudna desorpcja - aby usunąć chemisorbowaną cząsteczkę nie wystarczy silnie obniżyć ciśnienie (lub stężenie) adsorbatu (wystarczające w przypadku adsorpcji fizycznej), należy silnie podnieść temperaturę. W niektórych przypadkach usunięcie adsorbatu może być niemożliwe bez destrukcji adsorbentu (np. tlen chemisorbowany na węglu aktywnym po ogrzaniu wydziela się ale w postaci tlenków węgla)

ADSORPCJA FIZYCZNA I CHEMICZNA:

Adsorpcja fizyczna - związanie siłami oddziaływań międzycząsteczkowych typu Van der Waalsa. Zjawisko pokrewne do skraplania gazów i par. Energia wiązania adsorbowanych cząsteczek z powierzchnią jest porównywalna z ciepłem kondensacji. Proces adsorpcji jest egzotermiczny. Proces odwrotny, usuwanie cząsteczek zaadsorbowanych z powierzchni do przestrzeni otaczającego płynu zwany desorpcją wymaga, więc doprowadzenia ciepła. Liczba cząsteczek możliwa do zaadsorbowania na powierzchni adsorbentu jest ograniczona i maleje ze wzrostem temperatury. Efektywnej adsorpcji sprzyjać, więc będzie duża powierzchnia właściwa adsorbentu i niska temperatura. Adsorpcja jest selektywna i największą zdolność do adsorpcji wykazują cząsteczki gazów o dużej masie i niskiej temperaturze wrzenia. Ulegając adsorpcji, wypierają przy tym inne cząsteczki o mniejszej energii wiązania.

Adsorpcja chemiczna - dla której energia wiązania cząsteczek na powierzchni jest tu tak duża, że zaadsorbowana substancja może być zdesorbowana tylko w postaci związku chemicznego lub usunięta jak substancja stała.

PROCES WYMIANY JONOWEJ:

Wymiana jonowa to zjawisko i proces wymiany (zamiany) ruchliwych jonów (kationów lub anionów) na inne jony tego samego znaku zachodzący na ciele stałym lub polimerze zawierającym odpowiednie grupy funkcyjne. Należy zwrócić uwagę na to, że proces wymiany (w szczególności wymiany jonów) jest jednym z podstawowych rodzajów reakcji chemicznych - proces wymiany jonowej jest wyróżniany ze względu na to w jakich warunkach zachodzi (substancje wielkocząsteczkowe lub ciała stałe - faza jonitowa jest nieruchoma). Jeżeli proces wymiany jonowej towarzyszy innym procesom, np. procesowi adsorpcji, wówczas mówi się często o sorpcji lub adsorpcji jonowymiennej (sorpcji wymiennej, adsorpcji wymiennej). Jeżeli ciało stałe lub polimer zostało specjalnie przygotowane lub jest używane w sposób wykorzystujący zjawisko wymiany jonowej, wówczas taki materiał nazywamy wymieniaczem jonowym lub jonitem.

BUDOWA JONITÓW I ICH WŁAŚCIWOŚCI:

Związek zdolny do wymiany jonowej nie rozpuszczalny w roztworze nazywamy wymieniaczem jonowym lub jonitem. Wymieniacz jonowy jest ciałem stałym. Jonit stanowi trójwymiarową sieć wielocząsteczkowego polimeru najczęściej polimeru, z którym związane grupy funkcyjne jonowe zdolne do jonizacji. Jonity praktycznie nie rozpuszczają się w wodzie. Substancje, które mają charakter kwasów bądź ich soli należą do grupy wymieniaczy jonowych zwanych kationitami. Natomiast zasady oraz ich sole należą do grupy anionitów. Zarówno kationity jak i anionity nazywamy jonitami. Najczęściej spotykane wymieniacze kationowe posiadają takie grupy: SO₃H-, -COOH, -OH, zaś anionowe: -NH₂OH.

KRYTERIA PODZIAŁU JONITÓW:

podział ze względu na pochodzenie:

• organiczne (naturalne, półsyntetyczne, syntetyczne);

• nieorganiczne (naturalne, syntetyczne, półsyntetyczne);

podział ze względu na wymianę ładunku:

• kationity (wymieniają z roztworem kationy);

• anionity (wymieniają z roztworem aniony)

podział ze względu na grupy funkcyjne:

• jednofunkcyjne;

• dwufunkcyjne;

• wielofunkcyjne.

ZASTOSOWANIE JONITÓW:

1. w przemyśle:

• zmiękczanie wody;

• usuwanie tlenu z wody;

• odkrzemianie wody;

• usuwanie kationów;

• usuwanie żelaza z wody;

2. oczyszczanie wód odpływowych oraz odzyskiwanie cennych substancji za pomocą jonitów:

• odzyskiwanie miedzi, bizmutu, cyny, cynku, złota, srebra i platyny;

3. zastosowanie jonitów w przemyśle rolno-spożywczym:

• odzyskiwanie pektyny kwasu winowego;

• oczyszczanie żelatyny;

• zastosowanie jonitów w mleczarstwie, przy produkcji syropu i cukru skrobiowego, przy produkcji soków owocowych;

4. zastosowanie jonitów w chemii analitycznej:

• rozdzielenie miedzi i manganu, żelaza i glinu, aminokwasów, alkaloidów, kationów występujących w śladach

5. zastosowanie jonitów jako katalizatorów przy syntezie związków organicznych:

• synteza octanów, trójacetyny, acetali;

• alkoholiza.

KOLUMNY JONIZACYJNE:

Proces wymiany jonów na jonicie prowadzi się najczęściej w tzw. Kolumnach jonitowych, przez które przepuszcza się roztwór zawierający wymienny jon. Jeżeli przez kolumnę kationitu, którego grupy funkcyjne obsadzone są jonami wodorowymi, będzie się przepuszczało roztwór zawierający kationy K⁺ o stężeniu C_o, to stężenie to maleje w miarę spływania roztworu w dół kolumny. Ponieważ proces wymiany nie osiąga natychmiast stanu równowagi, czoło roztworu (posuwającego się) jest rozmyte, czyli stężenie kationu K⁺ w paśmie enpłowym zmienia się od 0 do pewnej wartości c. W końcu czoło roztworu dojdzie do podstawy kolumny, a później do podstawy kolumny dojdzie roztwór o stężeniu wyjściowym C_o. Kolumna jest wtedy całkowicie obsadzona kationami K⁺ i roztwór zaczyna przechodzić niezmieniony. Moment, w którym jony K⁺ osiągną dno kolumny nazywamy momentem przebicia kolumny. Odpowiada mu pojemność przebicia kolumny.

CAŁKOWITA I ROBOCZA ZDOLNOŚĆ WYMIENNA:

Maksymalna liczba jonów, która może być związana z jonitem tzw. Zdolność wymienna jest uwarunkowana pojemnością jonitu. Określona jest liczbą jonów, która może być wymieniona z roztworem przez jednostkę masy lub objętość jonitu.

• CAŁKOWITA zdolność wymienna określa liczbę mikrorównoważników jonów, które w najkorzystniejszych warunkach procesu wymiany mogą być wymienione na inne jony przez jeden gram suchego jonitu;

• ROBOCZA zdolność wymienna jest wartością praktycznie użyteczną, określają liczbę mikrorównoważników jonów, która w warunkach prowadzenia wymiany jest wymieniona na inne jony przez 1g suchego jonitu. Wielkość ta jest zawsze mniejsza od całkowitej zdolności wymiennej i zależy od czasu kontaktu roztworu z jonitem, temperatury, stężenia roztworu, rodzaju jonu, pH roztworu, itp.

III. Przebieg ćwiczenia:

Do dwóch kolbek nr 1 i 2 wlewa się po 10 cm³ 0,05% roztworu Pb(NO₃)₂, a do dwóch następnych: nr 3 i 4 - po 10 cm³ 0,02M roztworu CaCl₂. Do kolbki nr 2 i 4 wsypuje się po 0,5 g węgla aktywnego, zamyka korkami i wstrząsa przez koło 5 minut. Zawartość kolbek 2 i 4 przesącza się do odpowiednio ponumerowanych kolbek 2' i 4'. Następnie do kolbek 1 i 2' dodaje się po 2 cm³ 0,1M roztworu K₂CrO₄, a do kolbek 3 i 4' po 2 cm³ 0,1M roztworu (NH₄)₂C₂O₄. Po wymieszaniu i odczekaniu kilku minut porównuje się ilości strąconych osadów i formułuje wnioski.

IV. Wyniki:

Po wymieszaniu i odczekaniu kilku minut zaobserwowałyśmy w kolbach następujące zmiany:

Kolba nr 1 (10 cm³ 0,05% Pb(NO₃)₂ + 2 cm³ 0,1M K₂CrO₄):

Klarowny osad o intensywnie żółtej barwie, brak zmętnienia;

Kolba nr 2' [przesącz (10 cm³ 0,05% Pb(NO₃)₂ + 0,5 g węgla aktywnego) + 2 cm³ 0,1M K₂CrO₄]:

Klarowny osad o pomarańczowej barwie, brak zmętnienia;

Kolba nr 3 (10 cm³ 0,02M CaCl₂ + 2 cm³ 0,1M (NH₄)₂C₂O₄):

Mętny roztwór o intensywnie białej barwie, mętna ciecz;

Kolba nr 4' [przesącz (10 cm³ 0,02M CaCl₂ + 0,5 g węgla aktywnego) + 2 cm³ 0,1M (NH₄)₂C₂O₄]:

Mętny roztwór o lekko białej barwie, brak osadu.

V. Wnioski:

Po wykonaniu doświadczenia stwierdzamy, że substancje są pochłaniane przez adsorbent w różnym stopniu. A mianowicie jony metali ciężkich adsorbują się łatwiej, niż jony metali lekkich o tej samej wartościowości.

Kolejnym naszym wnioskiem jest fakt, że zmętnienie roztworu świadczy o tym, że mamy do czynienia z adsorpcją równoważną tzn. taką, w której na adsorbencie adsorbują się jednakowe ilości jonów dodatnich i ujemnych. Natomiast w roztworach z klarownym osadem zachodzi adsorpcja nierównoważna, gdzie liczba jonów dodatnich i ujemnych jest różna oraz część cząsteczek nie została zaadsorbowana w głąb fazy.

1

---