Numer ćwiczenia : 4	Temat ćwiczenia : Adsorpcja	Data wykonania: 10.05.2014
Grupa : 1 Zespół : 1	Wykonawcy ćwiczenia : Tomasz Bugaj Beata Duda Martyna Pokwiczał Marta Tempka	Ocena :

1. Cel ćwiczenia :

Celem ćwiczenia jest doświadczalne wyznaczenie izotermy adsorpcji kwasu octowego na węglu aktywnym oraz sprawdzenie stosowalności równań Freundlicha i Langmuira do opisu badanego procesu.

2. Przyrządy i odczynniki :

- 7 kolb płaskodennych o pojemności 500 [cm³],

- 7 butelek z doszlifowanymi korkami,

- kolbki do przeprowadzania miareczkowania,

- pipety i cylindry miarowe o rożnej pojemności i dokładności:

Tabela 1.

strzęt lab.[ml]	tolerancja[l]
pipeta 5	0,000002
pipeta 10	0,00002
pipeta 25	0,00003
cylinder 80	0,00075
cylinder 250	0,0015
biureta 50	0,00075

- waga o dokładności ważenia 0,01 [g],

- lejki,

- bibułki do przesączania roztworów,

- próbki węgla aktywnego po 4,5 [g] na każdy przygotowany roztwór kwasu octowego,

- do przygotowania roztworów kwasu octowego o pożądanym stężeniu używaliśmy wody

destylowanej oraz kwasu octowego o stężeniu 2 [mol/dm³];

3. Wykonanie cwiczenia :

W kolbach płaskodennych o pojemności 500 [cm³] przygotowano pięć roztworów kwasu octowego o różnych stężeniach, według przepisu zamieszczonego w sali laboratoryjnej. Następnie miareczkowano te roztwory zasadą sodowa w obecności fenoloftaleiny (3-4 krople), w celu dokładnego oznaczenia ich stężenia.

Do butelek z doszlifowanymi korkami wlano po 150 ml poszczególnych roztworów i wsypano po 4,5 g węgla aktywnego. Przez 15 minut wstrząsano butelkami, a następnie po dokładnym wymieszaniu roztworów przesączono je i zmiareczkowano, 1 molowym roztworem NaOH. Wyniki obu miareczkowań zestawiono w tabeli 1.

4.Opracowanie wyników:

Tabela 2 - wyniki miareczkowań:

	Wyniki miareczkowania roztworów kwasu octowego przed adsorpcją. Średnia VNaOH [cm^3]	Wyniki miareczkowania roztworów kwasu octowego po adsorpcji. Średnia VNaOH [cm^3]
Próbka nr 1	5,73	2,37
Próbka nr 3	14,67	9,23
Próbka nr 4	12,8	7,3
Próbka nr 5	10,57	7,1
Próbka nr 7	9,77	7,93
Próbka nr 8	13,73	11,17
Próbka nr 9	19,47	13,5

• Na podstawie uzyskanych wyników miareczkowania obliczono stężenia badanych roztworów kwasu octowego przed adsorpcją (c₁) oraz po adsorpcji (c₂).

CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O

• Z zapisu równania reakcji chemicznej kwasu octowego z zasadą sodową wiadomo, że jeden mol CH₃COOH reaguje z jednym molem NaOH tworząc jeden mol CH₃COONa. Na tej podstawie można napisać wzór 1, który pozwoli obliczyć stężenia badanych próbek roztworów kwasu octowego.

(1)

gdzie:

c - stężenie badanego roztworu [mol/dm³]

V_NaOH - objętość 0,1 M NaOH zużytego w miareczkowaniu [cm³]

C_NaOH - stężenie NaOH, równe 0,1 [mol/dm³]

V_roztworu - objętość roztworu pobranego do miareczkowania [cm³]

Tabela 3 - zestawienie stężeń roztworów przed i po adsorpcji:

	Stężenia roztworów kwasu octowego przed adsorpcją c1 [mol/dm^3]	Stężenia roztworów kwasu octowego po adsorpcji c2 [mol/dm^3]
Próbka nr 1	0,0127	0,0053
Próbka nr 3	0,0489	0,031
Próbka nr 4	0,0853	0,0487
Próbka nr 5	0,1057	0,071
Próbka nr 7	0,1954	0,1586
Próbka nr 8	0,2746	0,2234
Próbka nr 9	0,3894	0,2700

• Następnie obliczono ilość moli kwasu octowego, jaka została zaadsorbowana

przez 1 g węgla aktywnego w każdej z badanych próbek zgodnie ze wzorem 2 (wyniki - tabela 3):

(2)

gdzie:

x - ilość moli substancji zaadsorbowanej przez 1 gram adsorbentu

V - objętość roztworu kwasu octowego, użytego do adsorpcji, równa 150 [cm³]

m_C - masa węgla aktywnego, użytego do adsorpcji, równa 4,5 [g]

(c₁-c₂) - różnica stężeń roztworów kwasu octowego, przed i po adsorpcji

Tabela 4.

	x [mol/g]
Próbka nr 1	0,0002
Próbka nr 3	0,0006
Próbka nr 4	0,0012
Próbka nr 5	0,0012
Próbka nr 7	0,0012
Próbka nr 8	0,0017
Próbka nr 9	0,0040

• Kolejnym krokiem jest oszacowanie niepewności obliczonych wartości stężeń oraz adsorpcji, na podstawie tolerancji wykorzystywanych urządzeń pomiarowych.

Błąd w wyznaczonym stężeniu próbek kwasu octowego można zapisać:

(3)

gdzie:

∆V_NaOH - dokładność biurety, równa 0,1 [cm³];

V_NaOH - objętość roztworu NaOH zużytego w miareczkowaniu;

∆V - dokładność pipet i cylindrów miarowych, używanych do pobierania roztworów

kwasu octowego;

V - objętość roztworu kwasu octowego pobrana do miareczkowania.

• Niepewność adsorpcji szacujemy na podstawie prawa przenoszenia niepewności, metodą pochodnej logarytmicznej.

(4)

gdzie: c₁ - stężenie kwasu octowego przed adsorpcją

niepewność stężenia kwasu octowego przed adsorpcją

c₂ - stężenie kwasu octowego przed adsorpcją

niepewność stężenia kwasu octowego po adsorpcji

m - masa adsorbentu - węgla aktywnego, równa 4,5 [g]

błąd pomiaru masy adsorbentu, równy 0,01 [g]

• Przeprowadzając obliczenia według powyższych wzorów uzyskano wyniki zebrane w tabeli 4:

Tabela 5.

	c1	∆c1	c2	∆c2	x	∆x
Próbka nr 1	0,0127	0,001625	0,0053	0,001625	0,0003	0,00012
Próbka nr 3	0,0489	0,0198	0,0310	0,0198	0,0015	0,00048
Próbka nr 4	0,0853	0,0323	0,0487	0,0323	0,0012	0,00085
Próbka nr 5	0,1057	0,0486	0,0710	0,0486	0,0012	0,00105
Próbka nr 7	0,1954	0,1105	0,1586	0,1105	0,0017	0,00195
Próbka nr 8	0,2746	0,1564	0,2234	0,1564	0,0017	0,00274
Próbka nr 9	0,3894	0,1888	0,2700	0,1888	0,0400	0,00389

• Na podstawie uzyskanych wyników można wykreślić doświadczalną izotermę adsorpcji kwasu octowego na węglu aktywnym - zależność ilości kwasu octowego zaadsorbowanego przez jednostkę masy adsorbentu x od stężenia roztworu po osiągnięciu stanu równowagi c₂ (wykres 1).

Wykres 1.

Sprawdzenie stosowalności równania Freundlicha:

• W celu sprawdzenia stosowalności empirycznego równania izotermy Freundlicha w postaci:

(5)

gdzie: x - ilość moli substancji zaadsorbowanej przez 1 gram adsorbentu

c₂ - stężenie roztworu w stanie równowagi adsorpcyjnej

k, n - parametry zależne od temperatury, rodzaju adsorbentu i adsorbatu

należy powyższe równanie zlogarytmować:

(6)

Otrzymuje się zależność liniową
,

gdzie: b = logk

a = n

• Doświadczalna izoterma adsorpcji oraz teoretyczna izoterma Freundlicha wyznaczona na podstawie regresji liniowej. Wyniki przedstawione w układzie logx = f(logc₂) obrazuje wykres 2.

0,000333

0,000823

0,001037

0,001258

0,001899

0,002264

0,002495

• Równanie regresji liniowej wyznaczone przy pomocy programu Excel:

y = 0,589x - 2,269 (7)

• Korzystając z zależności 6 i 7 wyznaczono:

a=n
	n=	0,5126
b=log(k)	b=	-2,3115
k=	0,004881

Tabela 6- ilość moli substancji zaadsorbowanej przez 1 gram adsorbentu (x) zgodnie z izotermą Freundlicha

oraz dane doświadczalne:

	c2 [mol/dm^3]	x [mol/g] dla izotermy Freundlicha	x [mol/g] dla danych doświadczalnych
Próbka nr 1	0,0053	0,000333	0,00025
Próbka nr 3	0,0310	0,000823	0,00060
Próbka nr 4	0,0487	0,001037	0,00122
Próbka nr 5	0,0710	0,001258	0,00116
Próbka nr 7	0,1586	0,001899	0,00123
Próbka nr 8	0,2234	0,002264	0,00171
Próbka nr 9	0,2700	0,002495	0,00398

Sprawdzenie stosowalności równania Langmuira:

• W celu sprawdzenia stosowalności równania Langmuira przekształcono równanie izotermy Langmuira do postaci:


(8)

gdzie: x - liczba moli substancji zaadsorbowanej przez jednostkową masę adsorbentu ,

x₀ - liczba moli substancji zaadsorbowanej przez jednostkową masę powierzchni

adsorbentu w stanie pełnego obsadzenia jego powierzchni warstwą

jednocząsteczkową ,

k - stała zależna od temperatury,

• Uzyskuje się zależność liniową, typu
  ,

gdzie:





• Doświadczalna izoterma adsorpcji oraz teoretyczna izoterma Langmuira wyznaczona na podstawie regresji liniowej. Wyniki przedstawione w układzie c₂/x = f(c₂) obrazuje wykres 3.

Wykres 3




• Równanie regresji liniowej wyznaczone przy pomocy programu Excel:

y = 286,1x + 38,79 (9)

• Korzystając z zależności 8 i 9 wyznaczono:

a= 1/x0	a=	245,49
xo=1/a	x0=	0,0041
b=k/x0	b=	34,823
k=b*x0	k=	0,141851

• Obliczenie ilości moli substancji zaadsorbowanej przez 1 gram adsorbentu (x) zgodnie z izotermą Langmuira wg wzoru 10:


(10)

Tabela 7 - ilość moli substancji zaadsorbowanej przez 1 gram adsorbentu (x) zgodnie z izotermą Langmuira oraz

dane doświadczalne:

	c2 [mol/dm^3]	x [mol/g] dla izotermy Langmuira	x [mol/g] dla danych doświadczalnych
Próbka nr 1	0,0053	0,00015	0,00025
Próbka nr 3	0,0310	0,00073	0,00060
Próbka nr 4	0,0487	0,00104	0,00122
Próbka nr 5	0,0710	0,00136	0,00116
Próbka nr 7	0,1586	0,00215	0,00123
Próbka nr 8	0,2234	0,00249	0,00171
Próbka nr 9	0,2700	0,00267	0,00398

Następnie rysujemy wykres przedstawiający izotermę Freundlicha, Langmuira, oraz punkty

doświadczalne. Zaznaczone są także błędy ∆c_2, a także ∆x: Iyopt

wykres 4




Wykres 5




4. Wnioski:

Na podstawie wykonanych pomiarów i obliczeń uzyskaliśmy izotermę adsorpcji mówiącą że ilość moli kwasu octowego, zaadsorbowanego przez 1 g węgla aktywnego rośnie ze wzrostem stężenia roztworów.

Adsorpcja to procesem wymagającym czasu, aby zaszła pewna równowaga adsorpcyjna. Dlatego należy się liczyć z tym, że nie zawsze udaje się uchwycić równowagę adsorpcyjną, co wpływa na jakość uzyskanych wyników.

Błędy mogą być spowodowane niedokładnością odmierzenia masy węgla, niedokładnym odczytem objętości roztworu miareczkującego bądź też niedokładnym sporządzeniem roztworów badanych. Można też zauważyć, że niepewności uzyskanych wyników maleją, im mniejsze próbki pobieramy do miareczkowania.

Na podstawie zamieszczonych wykresów widać, że równanie izotermy Langmuira najlepiej sprawdza się dla wyższych stężeń roztworów, zaś przy mniejszych odchyłki od rzeczywistych pomiarów są znaczne.

---