Badanie równowagi adsorpcyjnej w roztworze barwnika

POLITECHNIKA ŚLĄSKA
WYDZIAŁ CHEMICZNY
KATEDRA FIZYKOCHEMII I TECHNOLOGII POLIMERÓW
BADANIE RÓWNOWAGI ADSORPCYJNEJ
W ROZTWORZE BARWNIKA
Opiekun ćwiczenia:
Krzysztof Kozieł
Miejsce ćwiczenia:
Zakład Chemii Fizycznej
sala nr 209
LABORATORIUM Z CHEMII FIZYCZNEJ
BADANIE RÓWNOWAGI ADSORPCYJNEJ W ROZTWORZE BARWNIKA
I.
2
CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest wykonanie pomiarów adsorpcji barwnika na węglu aktywnym,
przedstawienie danych doświadczalnych w postaci odpowiedniej izotermy - oraz wyznaczenie
równania tej izotermy.
II.
WSTĘP TEORETYCZNY
Cząsteczki na powierzchni ciała stałego lub cieczy mają inne otoczenie, a w związku z tym
inny potencjał chemiczny, niż cząsteczki w masie (fazie objętościowej) tych substancji. Na
powierzchniach ciał stałych i cieczy występuje więc pewne pole niewysyconych,
międzymolekularnych sił przyciągających. Jednym z efektów działania tego pola jest zagęszczenie
cząsteczek gazowych lub cząsteczek ośrodka ciekłego na powierzchni stykającego się z nimi ciała
stałego względnie cieczy. Zjawisko to nazywa się adsorpcją.
O cząsteczkach znajdujących się na powierzchni mówi się, że zostały zaadsorbowane. Substancję
adsorbującą (np. węgiel aktywny) nazywa się adsorbentem, a substancję ulegająca adsorpcji (np.
błękit metylenowy) adsorbatem.
Jeżeli cząsteczki jednego ośrodka przenikają w głąb drugiego ośrodka, to zjawisko takie nazywa
się absorpcją (np. absorpcja NH3 w wodzie, wodoru w palladzie).
Różnica miedzy adsorpcją a absorpcją nie zawsze jest ściśle określona. Wówczas można
posługiwać się ogólniejszym pojęciem sorpcji, obejmującym oba zjawiska.
W zależności od rodzaju sił wiążących cząsteczki gazowe z ciałem stałym procesy adsorpcji
gazów na stałych adsorbentach można podzielić na dwie kategorie: adsorpcję fizyczną i adsorpcję
chemiczną (chemisorpcję).
Adsorpcja fizyczna jest procesem odwracalnym, a więc adsorbat można usunąć przez
obniżenie ciśnienia gazu, lub przez rozcieńczenie roztworu pozostającego w równowadze
z adsorbatem. Gaz chemisorbowany może być trudny do usunięcia przez obniżenie ciśnienia
i jeżeli ulegnie desorpcji to może zmienić postać chemiczną.
Zależność między ilością substancji zaadsorbowanej przez daną masę adsorbenta
a ciśnieniem gazu lub stężeniem roztworu (w stałej temperaturze) nazywa się izotermą adsorpcji.
Badanie procesu adsorpcji polega najczęściej na wyznaczaniu izoterm adsorpcji.
Podczas adsorpcji substancji rozpuszczonej z roztworu na powierzchni adsorbenta powstaje
najczęściej warstwa jednocząsteczkpwa. Dalszej adsorpcji przeciwdziała solwatujący wpływ
rozpuszczalnika. Pod tym względem adsorpcja z roztworu przypomina chemisorpcję, jakkolwiek
pod innymi względami (jak np. wartość ciepła adsorpcji), wykazuje większe podobieństwo do
adsorpcji fizycznej.
Zjawisko adsorpcji z roztworów można przedstawić za pomocą izotermy Langmuira lub
izotermy Freundlicha.
Langmuir wyprowadził teoretycznie równanie adsorpcji przyjmując następujące założenia
- powierzchnia ciała stałego jest jednorodna, adsorbowana substancja tworzy na tej
powierzchni jednocząsteczkową warstwę,
- nie występują wzajemne oddziaływania pomiędzy cząsteczkami zaadsorbowanymi,
- między adsorbantem a cząsteczkami substancji adsorbowanej ustala się równowaga
dynamiczna.
Izoterma Freundlicha jest natomiast prostą zależnością empiryczną.
BADANIE RÓWNOWAGI ADSORPCYJNEJ W ROZTWORZE BARWNIKA
3
Równanie Langmuira można zapisać w postaci:
x
a⋅c
=
m 1+ b ⋅ c
(1)
gdzie:
x − masa adsorbatu, [g]
m − masa adsorbenta, [g]
c − stężenie roztworu w równowadze z adsorbentem, [g/dm3]
a − stała, związana z powierzchnią właściwą ciała stałego (adsorbenta), bezwymiarowa
b − stała, związana z ciepłem adsorpcji, [dm3/g]
Izoterma Freundlicha ma postać:
x
= a ⋅ c1/ n
m
(2)
gdzie: a, n − stałe
III.
WYKONANIE ĆWICZENIA
Aparatura
Spekrofotometr Spekol, 6 probówek ze szlifem, 8 kolb stożkowych na 100 ml, 2 zlewki na 400 ml,
tryskawka, 2 pipety, pipeta kalibrowana, 2 lejki, szkiełko zegarkowe, łyżeczka, pręcik, sączki
Odczynniki
Roztwór barwnika i adsorbent
a) Przygotowanie roztworów
W kolbie miarowej o poj. 500 cm3 sporządzamy roztwór barwnika o stężeniu Cmax podanym
w temacie. Następnie mieszając odpowiednie ilości tego roztworu z wodą destylowaną
przygotowujemy w kolbach stożkowych po 50 ml roztworów o stężeniach w zakresie od 0,1Cmax
do Cmax. Zakładamy przy tym, że gęstość roztworu barwnika jest taka sama jak gęstość wody.
Na przykład dla stężenia maksymalnego 300 mg/dm3 otrzymujemy:
Stężenie [mg/dm3]
300
240
210
180
150
120
90
60
V roztw [cm3]
50
40
35
30
25
20
15
10
V wody [cm3]
0
10
15
20
25
30
35
40
roztwory
do
wyznaczenia
zależności
absorbancji
od stężenia
roztwory
do
adsorpcji
Pierwsze sześć roztworów (o wyższych stężeniach) służy do pomiarów adsorpcji. Na podstawie
pozostałych sześciu wyznacza się krzywą wzorcową, czyli zależność absorbancji (ekstynkcji) od
stężenia.
BADANIE RÓWNOWAGI ADSORPCYJNEJ W ROZTWORZE BARWNIKA
4
b) Adsorpcja
Do probówek ze szlifem wprowadzamy po 25 ml roztworów o stężeniach podanych w temacie. Do
roztworów tych dodajemy, uprzednio przygotowane naważki adsorbenta.
c) Wyznaczanie skali wzorcowej absorbancji
Czekając na ustalenie równowagi w procesie adsorpcji (co najmniej 30 minut), wyznaczamy skalę
wzorcową absorbancji, która będzie służyć do oznaczania stężenia roztworów po adsorpcji.
Za pomocą spektrofotometru mierzymy absorbancję sześciu roztworów o stężeniach mniejszych
od maksymalnego stężenia roztworu do adsorpcji (zgodnie ze schematem zamieszczonym
w punkcie III a.
Wyniki pomiarów zestawiamy w tabeli.
Stężenie c [mg/l]
Absorbancja
Na podstawie wyników pomiarów sporządzamy wykres wzorcowy zależności absorbancji od
stężenia roztworu barwnika.
Absorbancja jest zdefiniowana następującym równaniem:
I
A = log 0
(3)
I
gdzie:
I0 – natężenie promieniowania padającego na próbkę (np. barwny roztwór)
I – natężenie promieniowania po przejściu przez próbkę.
Między stężeniem a absorbancją zachodzi zależność liniowa:
A= ε c 1
(4)
gdzie
A − absorbancja
ε - współczynnik absorpcji światła
c − stężenie roztworu absorbującego światło (barwnego)
l – długość drogi światła w próbce
d) Oznaczenie stężenia roztworów po adsorpcji
Adsorpcja powinna trwać co najmniej 30 minut. Po adsorpcji wszystkie roztwory sączymy, aby
usunąć adsorbent. Następnie mierzymy absorbancję roztworów po adsorpcji.
Wyniki pomiarów i obliczeń zestawiamy w tabeli.
Roztwór
1
2
3
4
5
6
Stężenie roztworu
przed adsorpcją [mg/l]
Absorbancja
roztworu po adsorpcji
Stężenie roztworu
po adsorpcji [mg/l]
Masa adsorbatu x [g]
BADANIE RÓWNOWAGI ADSORPCYJNEJ W ROZTWORZE BARWNIKA
5
__________________________________________________________________________________________________________________________________________
IV ZASADY BEZPIECZEŃSTWA
UWAGA: w razie niepożądanego kontaktu z substancją niebezpieczną należy natychmiast powiadomić prowadzącego zajęcia.
Odczynnik
Klasyfikacja
Zagrożenia
Błękit metylowy
C37H27N3Na2O9S
Nie jest przedmiotem
R: nie dotyczy
klasyfikacji jako substancja
niebezpieczna
Błękit metylenowy
C16H18N3ClS
Nie jest przedmiotem
R: 22
klasyfikacji jako substancja działa szkodliwie w
niebezpieczna
przypadku spożycia
Czerwień kongo
C32H22N6Na2O6S2
substancja rakotwórcza
(C12)
substancja działająca
toksycznie na rozrodczość
(C14)
substancja toksyczna (T)
R: 45, 63
może być przyczyną raka,
możliwe szkodliwe
oddziaływanie na płód
ludzki
Środki bezpieczeństwa
S: nie dotyczy
Przy kontakcie z oczami –
przepłukać wodą.
Przy kontakcie ze skórą – zmyć
dużą ilością wody.
S: nie dotyczy
Przy kontakcie z oczami –
przepłukać wodą.
Przy spożyciu większych ilości –
podać dużo wody, spowodować
wymioty, wezwać lekarza.
S:45, 53 unikać narażenia
Przy kontakcie z oczami –
przepłukać wodą. Przy kontakcie
ze skórą – zmyć dużą ilością
wody. Przy spożyciu – podać
dużo wody, spowodować
wymioty, wezwać lekarza.
Postępowanie
z odpadami
Wprowadzić do systemu
kanalizacyjnego.
Wprowadzić do systemu
kanalizacyjnego.
Umieścić w pojemniku na
odpady z grupy N.
BADANIE RÓWNOWAGI ADSORPCYJNEJ W ROZTWORZE BARWNIKA
6
_____________________________________________________________________________________________
V. OPRACOWANIE WYNIKÓW
Z pomiarów absorbancji wyznaczamy ich stężenia roztworów barwnika po adsorpcji, a następnie
obliczamy masę substancji zaadsorbowanej (adsorbatu) x.
Następnie rysujemy izotermę adsorpcji. Na osi odciętych odmierzamy stężenie roztworu c
po osiągnięciu stanu równowagi, a na osi rzędnych masę substancji zaadsorbowanej (adsorbatu)
przypadającą na jednostkę masy adsorbenta x/m.
Wykonujemy dwa wykresy przedstawiające izotermy Langmuira i Freundlicha. W tym celu
wygodnie jest wyrazić równania izoterm w postaci liniowej:
c
x
m
log
=
1 c
+
ab a
x
1
= log a + log c
m
n
(5)
(6)
Na pierwszym wykresie na osi odciętych odmierzamy stężenie roztworu w równowadze
c
.
z adsorbentem, a na osi rzędnych
x
m
x
Na drugim wykresie na osi odciętych odmierzamy log c, a na osi rzędnych log .
m
Na podstawie tego wykresu, którego punkty pomiarowe z większą dokładnością spełniają
zależność liniową, obliczamy współczynniki odpowiedniej izotermy.
1
W przypadku izotermy Langmuira na osi Y zostaje odcięty odcinek o długości
,
ab
1
a współczynnik kierunkowy prostej wynosi
. W przypadku izotermy Freundlicha na osi Y
a
1
zostaje odcięty odcinek o długości log a, a współczynnik kierunkowy prostej wynosi .
n
VI. PYTANIA KONTROLNE
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Wyjaśnić pojęcia : adsorpcja, absorpcja, adsorbent, adsorbat.
Omówić cechy charakterystyczne adsorpcji fizycznej i chemicznej.
Omówić prawo Lamberta-Beera i warunki jego stosowania.
Przedstawić założenia teorii adsorpcji Langmuira i wyprowadzić równanie tej izotermy.
Przedstawić równanie izotermy Freundlicha.
Zastosowania adsorpcji w chemii analitycznej.
VII.LITERATURA
1. Zbiór zadań obliczeniowych z chemii fizycznej, cz. II, kinetyka chemiczna i adsorpcja.,
W. Turek, Z. Uziel, Skrypt Politechniki Śląskiej 1998.
2. Ćwiczenia laboratoryjne z chemii fizycznej, praca zbiorowa pod redakcją A. Dorabialskiej,
PWN, Warszawa 1956, str. 216-223, 146-152.
3. Chemia fizyczna, praca zbiorowa, PWN Warszawa, 1963, str 485-486.
4. Podstawy chemii fizycznej, R. Brdicka, PWN Warszawa. 1970, str. 584-586.
5. Chemia fizyczna, G. M. Barrow, PWN Warszawawa, 1971, str. 670-671.
6. Chemia fizyczna powierzchni, A.W. Adamson, PWN, Warszawa, 1963, str. 491-494.