Zakład Chemii Fizycznej

Laboratorium Studenckie

ĆWICZENIE 24

TEMAT:WYZNACZANIE POWIERZCHNI WŁAŚCIWEJ

WĘGLA AKTYWNEGO.

SPORZĄDZILI:

Anna Gałka

Justyna Klimach

Grupa I Rok II

WSTĘP.

Zjawisko występujące na granicy dwóch faz , polegające na powstawaniu różnic pomiędzy przeciętnym składem wnętrza faz , a składem warstw przylegających do powierzchni rozdziału , nazywamy adsorpcją. Zachodzi ono prawie zawsze w przypadku zetknięcia się gazów lub cieczy (adsorbat) z fazą stałą. W wyniku procesu adsorpcji cząsteczki adsorbentu na powierzchni ciała stałego zwanego adsorbentem tracą swobodę ruchu. W zależności od sił działających na cząsteczki fazy ciekłej lub gazowej w warstwie przylegającej do adsorbentu , adsorpcja może mieć charakter fizyczny lub chemiczny.

Adsorpcja fizyczna jest wynikiem oddziaływań międzycząsteczkowych typu van der Waalsa między cząsteczkami adsorbatu i powierzchniowymi cząsteczkami adsorbentu. Jest ona procesem odwracalnym i cechuje ją niewielki efekt cieplny (kilkadziesiąt kJ/mol). Cząsteczki substancji zaadsorbowanej mogą tworzyć w tym przypadku warstwę o grubości odpowiadającej kilku średnicom cząsteczek adsorbatu.

Adsorpcja chemiczna jest wynikiem tworzenia się wiązań chemicznych między cząsteczkami adsorbatu i cząsteczkami powierzchniowymi adsorbentu. Wymaga ono energii aktywacji i charakteryzuje ją z reguły jednocząsteczkowe pokrycie powierzchni adsorbenta energia towarzysząca chemisorpcji jest porównywalna z energią reakcji chemicznych i wynosi ok. 10² kJ/mol. W zależności od rodzaju adsorbatu wiązania chemisorpcyjne mogą być jonowe lub koordynacyjne.

Proces adsorpcji kończy się wraz z ustaleniem stanu równowagi dynamicznej. Opis stanu równowagi układu adsorbent - adsorbat wymaga znajomości trzech wielkości: temperatury, ilości substancji zaadsorbowanej oraz stężenia adsorbatu w fazie ciekłej lub gazowej. W praktyce równowagę adsorpcji bada się przy ustaleniu jednego z parametrów najczęściej temperatury. Zależność ilości zaadsorbowanej od stężenia równowagowego fazy ciekłej lub gazowej w stałej temperaturze przedstawia się w postaci równania lub graficznie; nazywamy ją izotermą adsorpcji.

Oprócz izoterm adsorpcji (stała temperatura) znane są izobary adsorpcji (stałe ciśnienie) i izostery adsorpcji (stała ilość substancji zaadsorbowanej). Po zetknięci się gazu z powierzchnią adsorbentu ustala się równowaga, zwana równowagą adsorpcyjną. Proces adsorpcji w takiej równowadze można zapisać w formie ogólnego równania f(a,p,T) = 0, w którym a - ilość substancji zaadsorbowanej, czyli ilość substancji w warstwie powierzchniowej 1g adsorbentu (mol/g), p - ciśnienie równowagowe gazu w formie objętościowej (ciśnienie równowagowe), określając stan równowagi. Mamy zatem następujące funkcje:

• izotermy adsorpcji T = const

a_A = f(p)_T

• izobara adsorpcji p = const

a_A = f(T)_p

• izostera adsorpcji a_A = const

p = f(T)_aA

Według modelu adsorpcji Langmuira szybkość procesu adsorpcji można wyrazić następująco

(1)

a szybkość desorpcji

(2)

Z równania (1) wynika , że szybkość adsorpcji zależy od niepokrytej (wolnej) powierzchni (1-Θ) i od ciśnienia gazu p (lub stężenia). W stanie równowagi następuje zrównanie się szybkości v_a = v_d , czyli że

(3)

a stąd po przekształceniu

(4)

gdzie K = k_a/k_d jest określany jako współczynnik adsorpcji.

Wyrażenie (4) jest równaniem izotermy adsorpcji Langmuira. W przypadku adsorpcji z roztworu równanie izotermy Langmuira przyjmuje postać:

(5)

Równanie izotermy adsorpcji Langmuira można sprowadzić do postaci liniowej

(6)

Jeżeli stopień pokrycia wyrazimy ilością moli adsorbatu odniesioną do 1 g adsorbentu

(7)

to równanie izotermy adsorpcji przyjmie postać

(8)

lub po przekształceniu

(9)

Zależność (9) jest równaniem prostej o parametrach 1/n_w,maks i 1/(n_w,maksK). Za pomocą tego równania można wyznaczyć stałe K i n_w,maks ze współczynnika kierunkowego prostej 1/n_w,maks i z rzędnej 1/(n_w,maksK). Znając wartość n_w,maks możemy wyliczyć powierzchnię właściwą przypadającą na określoną ilość adsorbenta A , jeżeli znana jest powierzchnia S zajmowana przez cząsteczką w monowarstwie

(10)

OPRACOWANIE WYNIKÓW

1.Zestawienie danych doświadczalnych :

L.P.	Stężenie 50 cm^3 kw. octowego przed adsorpcją [mol/dm^3]	Objętość 0,1 molowego NaOH zużytego do miareczkowania [cm^3]
1.	0,15	29,2
2.	0,12	23,9
3.	0,09	22,4
4.	0,06	15,4
5.	0,03	9,9
6.	0,015	4,3

Do obliczenia liczby moli kw. octowego zawartych w 50 cm³ roztworu przed adsorpcją korzysta się z zależności :

n₁ = c_{kw. octowego} V_{kw. octowego}

0,15 ⋅ 0,05 = 0,0075 [mol]

Do obliczenia liczby moli kw. octowego zawartych w 50 cm³ roztworu po adsorpcji korzysta się z zależności :

n₂ = c_NaOH V_NaOH⋅K

n₂=0,1⋅0,0292⋅2,5 = 0,0073 [mol]

K- jest współczynnikiem zależnym od objętości próbki pobranej do miareczkowania, dla dwóch pierwszych próbek K = 2,5 dla pozostałych K = 2

Obliczenie stężenia równowagowego kwasu octowego: c = n₂/(0,05)

c = 0,0073/(0,05) = 0,146 [mol/dm³]

Obliczenie całkowitej ilości moli kwasu octowego, która uległa zaadsorbowaniu:

n = n₁ - n₂

n = 0,0075 - 0,0073 = 0,0002 [mol]

Obliczenie ilości moli kwasu octowego, która została zaadsorbowana na 1g wegla aktywnego:

n_w = n/m

n_w = 0,0002/0,9908 = 0,000201 [mol/g]

2.Zestawienie wyników obliczeń w tabeli :

Ilość moli kw. octowego w 50 cm^3 r-ru przed adsorpcją n1[mol]	Ilość gramów użytego węgla aktywnego m[g]	Ilość moli kw. octowego w 50 cm^3 r-ru po adsorpcji n2[mol]	Stężenie równowagowe kw. octowego c[mol/dm^3]	Całkowita ilość moli kw. octowego która uległa zaadsorbowaniu n=n1-n2[mol]	Ilość moli kw. octowego która została zaadsorbowana na 1g węgla aktywnego nw=n/m[mol/g]
0,0075	0,9908	0,0073	0,146	0,0002	0,000201
0,006	0,9946	0,005975	0,1195	0,000025	0,0000251
0,0045	0,9947	0,00448	0,0896	0,00002	0,0000201
0,003	0,9936	0,00308	0,0616	-0,00008	-0,0000805
0,0015	0,9935	0,00198	0,0396	-0,00048	-0,00048
0,00075	0,9919	0,00086	0,0172	-0,00011	-0,00011

3. Wykreślenie krzywej izotermy adsorpcji :

4. Na podstawie równania (9) wykreślono zależność c/n_w = f(c)

Zależność c/nw jest to stosunek równowagowego stężenia kwasu octowego do ilości tego kwasu zaadsorbowanego na 1 g węgla aktywnego [nw]

Obliczono liczbę moli kw. octowego potrzebną do pokrycia powierzchni 1 g węgla aktywnego monomolekularną warstewką ( n_w,maks). Wyznaczenie tej wartości sprowadza się do wyznaczenia współczynnika kierunkowego wykreślonej uprzednio prostej b = 1 / n_w,maks

a) metoda graficzna

korzystamy z wyznaczonego już na wykresie współczynnika kierunkowego

b = -598,32

n_w,maks = 1 /-598,32 = -1,671*10^-3 [mol/g]

b) metoda najmniejszych kwadratów

c/nw	c·(c/nw)	c	c^2
726,368	106,0497	0,146	0,021316
4760,956	568,934	0,1195	0,01428025
4457,711	399,411	0,0896	0,00802816
-765,217	-47,137	0,0616	0,00379456
-82,5	-3,267	0,0396	0,00156816
-156,363	-2,689	0,0172	0,00029584
8940,955	1021,301	0,4735	0,049283

_suma
(∑c_i)² = 0,224

liczba pomiarów m = 6

n_w,max = 3,774*10^-5

5. Zakładając , że S = 21·10^-20 obliczamy za pomocą równania (10) powierzchnię właściwą węgla aktywnego A :

A = n_w,maksN_AS = 3,774*10^-5·6,025·10²³·21·10^-20 = 4,775 [m²/g]

5

---