ADSORPCJA KWASU OCTOWEGO NA WĘGLU AKTYWNYM
Adsorpcja - to proces wiązania się cząsteczek, atomów a także i jonów na powierzchni albo granicy faz fizycznych. Istnieje również pojęcie absorpcji, która polega na procesie wnikania cząsteczek, atomów lub jonów do wnętrza fazy. Adsorpcję i absorpcję określamy wspólnym pojęciem - sorpcja. Proces odwrotny do zjawiska sorpcji nazywamy desorpcją. Proces adsorpcji przeprowadza się używając adsorberów (adsorbentów).
Substancja gromadząca się na powierzchni to adsorbat, substancja adsorbująca to adsorbent.
Adsorpcją nazywamy zatem proces wiązania substancji gazowej na powierzchni substancji ciekłej lub stałej, lub proces wiązania substancji ciekłej na powierzchni substancji stałej.
Przykładem adsorbcji jest pochłanianie toksyn przez węgiel medyczny (carbo medicinalis) z przewodu pokarmowego, a także pochłanianie nieprzyjemnych zapachów w lodówce przez filtr węglowy.
Absorpcją natomiast jest rozpuszczanie się CO2 w wodzie.
Adsorpcja może zachodzić z fazy nieruchomej w warunkach statycznych lub z fazy ruchomej w warunkach dynamicznych. Wyróżniamy adsorpcję fizyczną i chemiczną (chemisorpcja). Proces może mieć charakter tylko monowarstwowy (np. chemisorpcja jest zawsze monowarstwowa) lub wielowarstwowy - adsorpcja fizyczna jest z reguły wielowarstwowa.
Adsorpcja fizyczna jest z reguły łatwo odwracalna, np. zmniejszenie ciśnienia gazu który ulega adsorpcji powoduje jego desorpcję. Adsorpcja chemiczna zależy zarówno od własności chemicznych adsorbentu jak i adsorbatu, a siły wiążące mają wartość energii reakcji chemicznej. Desorpcja zatem w tym przypadku jest znacznie utrudniona.
Ważnym pojęciem jest zdolność adsorpcyjna, jest to masa adsorbatu która może być zaadsorbowana przez jednostkę masy adsorbentu. Jest ona zależna od wielu zmiennych i jest wyznaczana doświadczalnie dla danego adsorbatu z uwzględnieniem warunków (ciśnienie, temperatura, czas kontaktu adsorbatu z adsorbentem).
Metody pomiaru adsorpcji opierają się na analizie bilansu masy, przez obserwację zmiany stężenia adsorbatu w „fazie objętościowej” przed i po procesie adsorpcji.
Celem wyjaśnienia zjawiska adsorpcji przyjmujemy, że atomy znajdujące się na granicy faz, a w szczególności na powierzchni adsorbentu, znajdują się w innej sytuacji dynamicznej, niż atomy umieszczone wewnątrz fazy. Atomy wewnętrzne są ze wszystkich stron otoczone sąsiednimi atomami, a atomy powierzchniowe są położone asymetrycznie i tym samym „rozporządzają” pewnymi niezrównoważonymi siłami - głównie natury elektrostatycznej. Siły te mogą być skompensowane przez pokrycie powierzchni warstwą molekularną. Proces adsorpcji jest zatem dążeniem warstwy powierzchniowej do skompensowania niezrównoważonych sił i osiągnięcia stanu minimum energii powierzchniowej. Rola powierzchni w zjawiskach adsorpcji wskazuje, że dobrymi adsorbentami będą substancje porowate np. węgiel aktywny, krzemionka aktywna.
Najlepiej poznaną adsorpcją jest adsorpcja gazów na ciałach stałych. Wzrasta ona wraz z ciśnieniem gazu i wraz z obniżeniem temperatury. Zależność między ilością zaadsorbowanego gazu a jego ciśnieniem w równowadze z adsorbentem (o określonej temperaturze) nazywana jest izotermą adsorpcji. Adsorpcja substancji rozpuszczonych w cieczach jest znacznie bardziej skomplikowana i matematycznie nie wpełni opracowana. Korzystamy z wzoru wyprowadzonego przez Freundlicha dającego przybliżone wartości zaadsorbowanej substancji.
m = kcn
We wzorze tym m oznacza ilość zaadsorbowanej substancji, c jest stężeniem adsorbowanej substancji, a k i n współczynniki wyznaczone doświadczalnie. Wzór ten przedstawiony w formie graficznej, gdzie na osi odciętych odkłada się stężenia adsorbatu, a na osi rzędnych adsorcję wykazuje, że adsorpcja wzrasta początkowo liniowo, ale w miarę wzrostu stężenia adsorbatu ten wzrost jest coraz wolniejszy aż w końcu osiąga stałą wartość.
Adsorpcja z roztworów znalazła szerokie zastosowanie w analizie do rozdzielania różnych substancji. Pierwszym który wykorzystał zjawisko adsorpcji do rozdzielenia związków chemicznych (barwników roślinnych) był radziecki botanik Michaił Stiepanowicz Cwiet, a proces który zaobserwował nazwał chromatografią - odkrycia tego dokonał w Warszawie. Obecnie chromatografia jest jednym z głównych działow analizy chemicznej i biochemicznej.
Wykonanie doświadczenia
Z kwasu octowego o stężeniu 0,5M przez rozcieńczenie wodą przygotować roztwory CH3COOH o stężeniu 0,12M i 0,03M. W tym celu do kolbek stożkowych A i B odmierzyć podane w tabelce objętości kwasu i wody.
kolbka |
CH3COOH |
H2O |
stężenie |
rozcieńczenie |
pH |
A |
12cm3 |
38cm3 |
0,12M |
~ 4x |
2,8 |
B |
3cm3 |
47cm3 |
0,03M |
~ 16x |
3,2 |
Z kolbki A pobrać 5 cm3 roztworu kwasu octowego do nowej kolbki stożkowej oznaczonej np. 1, a z kolbki B pobrać 10 cm3 roztworu do kolbki oznaczonej np. 2. Do kolbek 1 i 2 dodać kilka kropli fenoloftaleiny, a następnie zmiareczkować mianowanym roztworem NaOH o stężeniu 0,1M. Obliczyć rzeczywiste stężenie otrzymanych roztworów kwasu octowego i porównać z obliczonymi (w tabelce). Do kolbek A i B dodać 1g węgla aktywnego (węgiel dokładnie odważyć na wadze), a następnie kolbki ostrożnie wytrząsać przez 30 minut. Po opadnięciu adsorbenta na dno ostrożnie pobrać po 10 cm3 zawartości do nowych kolbek stożkowych oznaczonych np. 1` i 2` dodać wskaźnika, miareczkować mianowanym roztworem NaOH. Obliczyć stężenie kwasu octowego w kolbkach po adsorpcji.
Znając stężenie kwasu przed adsorpcją C0 i po adsorpcji C obliczyć liczbę moli kwasu octowego, która została zaadsorbowana przez 1 gram węgla aktywnego.
XA = (C0 - C) . VA ; XB = (C0 - C) . VB
(Dla kolbki A V = 45cm3, a dla kolbki B V = 40cm3)
Porównać wpływ stężenia kwasu octowego na zdolności adsorbcyjne węgla aktywnego.
1
2