Изучение адсорбции уксусной кислоты на активированном угле - файл n1.doc

приобрести
Изучение адсорбции уксусной кислоты на активированном угле
скачать (170 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc170kb.22.08.2012 20:15скачать
Победи орков

Доступно в Google Play

n1.doc



Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

Томский политехнический университет

Факультет: Химико-технологический

Направление (специальность): Химическая технология и биотехнология

Кафедра: Физической и аналитической химии


Лабораторная работа №3

по курсу «Поверхностные явления и дисперсные системы»

Изучение адсорбции уксусной кислоты

на активированном угле

Выполнил

Студент гр. ФФФ ФФФ.
Руководитель

канд. хим. наук, доц. ФФФФ.


Томск 2009
Цель работы:

1. Изучить процесс адсорбции на границе твердое тело-раствор на примере адсорбции уксусной кислоты на активированном угле

2. Сравнить изотерму адсорбции, полученную экспериментально с изотермами адсорбции, рассчитанными по уравнениям Фрэйндлиха и Лэнгмюра.
Теоретическая часть.


  1. Адсорбция. Основные понятия и определения


Поверхностная энергия любой термодинамической системы стремится самопроизвольно уменьшиться. Это выражается в уменьшении или площади межфазной поверхности, или поверхностного натяжения. К явлениям, происходящим вследствие стремления к самопроизвольному снижению поверхностного натяжения, относится адсорбция.
На любой границе раздела фаз существует так называемый «поверхностный слой» – переходная область от одной объемной фазы к другой. Поверхностный слой имеет очень малую толщину (всего несколько молекул), но в нем сосредоточен весь избыток поверхностной энергии и массы вещества.
Адсорбция – процесс самопроизвольного перераспределения компонентов системы между поверхностным слоем и объемной фазой, т.е. поглощение одного вещества поверхностью другого.
В однокомпонентных системах при формировании поверхностного слоя происходит изменение его структуры (сгущение, уплотнение), которые часто называют автоадсорбцией. В многокомпонентных системах при перераспределении компонентов в поверхностный слой предпочтительнее переходит тот компонент, который сильнее уменьшает межфазное (поверхностное) натяжение.
Если поглощаемое вещество диффундирует вглубь поглотителя и распределяется по всему объему, то такое явление называют абсорбцией (поглощение объемом).
Адсорбент – вещество, на поверхности которого идет адсорбция. Адсорбат – вещество, адсорбированное поверхностью адсорбента. Адсорбтив – вещество, находящееся в объемной фазе, способное к адсорбции.
С термодинамической точки зрения адсорбция - самопроизвольный процесс выравнивания химических потенциалов компонента в объеме системы и поверхностном слое. Этот процесс происходит вследствие стремления к минимуму поверхностной энергии или энергии Гиббса системы.


  1. Количественные способы выражения адсорбции


Количественно величину адсорбции выражают двумя способами:


  1. Абсолютная адсорбция (А) – количество вещества (моль) в поверхностном слое, приходящееся на единицу площади поверхности или единицу массы адсорбента (моль/м2, моль/г).


, (1)

где: CS – концентрация компонента в поверхностном слое объемом

VS, S – площадь поверхности адсорбента,

h – толщина поверхностного слоя.


  1. Гиббсовская (избыточная) адсорбция (Г) – избыточное число моль адсорбата в поверхностном слое (на единицу площади поверхности) по сравнению с тем числом моль, который бы находился в адсорбционном объеме в отсутствии адсорбции.



, (2)
где: Nобщ – общее число моль адсорбтива;

СV – равновесная объемная концентрация адсорбтива;

V – объем фазы;

S – площадь поверхности адсорбента;

С0 – исходная концентрация адсорбтива;

CS – концентрация адсорбата в поверхностном слое.
При больших избытках адсорбата в поверхностном слое (СS>>CV), равновесной концентрацией адсорбтива в объеме фазы (CV) можно пренебречь, поэтому величины А и Г приблизительно равны.
При экспериментальном определении величину адсорбции рассчитывают по разности исходных и равновесных концентраций адсорбтива, т.е. определяют величину Г.

, (3)
где: C0 – концентрация адсорбтива до адсорбции;

Ср – равновесная концентрация адсорбтива после адсорбции,

S – площадь межфазной поверхности,

V – объем раствора.
Если адсорбентом является твердое пористое тело, общую поверхность которого определить невозможно, то адсорбцию Г относят к единице массы адсорбента (моль/г).
3. Теория мономолекулярной адсорбции Лэнгмюра
В настоящее время не создано общей теории, которая бы достаточно корректно описывала бы все виды адсорбции на различных поверхностях раздела фаз. Рассмотрим основные положения «классической» теории адсорбции, разработанной в начале XX века Лэнгмюром:


  1. Адсорбция молекул адсорбата происходит на активных центрах, всегда существующих на поверхности адсорбента. Активные центры адсорбента энергетически равноценны.

  2. Каждый активный центр может адсорбировать только одну молекулу адсорбата. В результате этого на поверхности адсорбента образуется мономолекулярный слой адсорбата.

  3. Адсорбированные молекулы не взаимодействуют друг с другом. Поэтому время пребывания молекул на активных центрах не зависит от того, заняты молекулами соседние активные центры или нет.

  4. Адсорбция носит динамический характер. Адсорбат удерживается на поверхности адсорбента некоторое время, а потом десорбируется.


На основе приведенных исходных положений Лэнгмюром было предложено уравнение изотермы мономолекулярной адсорбции, которое для адсорбции из растворов имеет вид:

, (4)

где: С – равновесная концентрация адсорбтива;

К – константа адсорбционного равновесия, характеризующая энергию взаимодействия адсорбата и адсорбента;

А? – предельная адсорбция (емкость адсорбционного монослоя).
Типичный вид изотермы Лэнгмюра показан на рисунке 1.



Рис.1. Изотерма мономолекулярной адсорбции Лэнгмюра в координатах А=f(С).
На изотерме адсорбции Лэнгмюра выделяют три участка:
I - область малых концентраций (КС<<1), тогда: А=А?KС, величина адсорбции линейно растет с увеличением концентрации (уравнение Генри).

III – область больших концентраций (КС>>1), тогда: А=А?, вся поверхность адсорбента занята молекулами адсорбата.

II – область средних концентраций: расчет ведут по уравнению (4).
3.1. Расчет констант уравнения Лэнгмюра
Константы (К и А?) уравнения Лэнгмюра рассчитывают двумя способами:

1. Аналитический способ: в уравнение (4) подставляют экспериментальные значения А при соответствующих значения С, решают систему уравнений с двумя неизвестными, находят А? и К.

2. Графический способ: уравнение (4) приводят к линейному виду: y=a+bx.

(5)

Строят изотерму адсорбции в координатах линейной формы уравнения Лэнгмюра (рис.2):



Рис.2. Изотерма адсорбции в координатах линейной формы уравнения Лэнгмюра.

Экстраполяция зависимости до оси ординат дает отрезок, равный , тангенс угла наклона прямой равен .
Уравнение Лэнгмюра, выведенное для описания процесса адсорбции газа на твердой поверхности, используют и для описания молекулярной адсорбции из растворов.
4. Эмпирическое уравнение адсорбции Фрейндлиха
Для описания процесса адсорбции также используют эмпирическое уравнение Фрейндлиха.

, (6)

где: С – равновесная концентрация адсорбтива;

? и n – константы, определяемые опытным путем.
Константа ? по своему физическому смыслу представляет собой значение адсорбции при равновесной концентрации адсорбтива, равной единице (при С=1, А = ?). Эта константа для различных адсорбционных систем колеблется в пределах 2 ч 2,5.
Показатель характеризует степень отклонения изотермы адсорбции от прямой линии ( ? 0,2 ч 0,7).
Константы уравнения Фрейндлиха из опытных данных определяют графически. Для этого уравнение (6) логарифмируют:

, (7)

Уравнение (7) представляет собой уравнение прямой в координатах lg A lg С.



Рис.3. График для нахождения констант в уравнении Фрейндлиха
Экстраполяция зависимости до оси ординат дает отрезок, равный lg ?, тангенс угла наклона прямой равен .

Экспериментальная часть

Cщ=0,1 моль/л



Таблица 1. Результаты титрования исходных растворов уксусной кислоты до адсорбции

Раствор кислоты, концентрация которого проверяется, моль/л

Объем кислоты, взятый на титрование (Vк), мл

Объем щелочи, пошедший на титрование, мл

Среднее значение объема щелочи (Vщ), мл

Рассчитанная концентрация кислоты, моль/л

0,6

2

14,5

14,4

14,3

14,30

0,71

0,4

2

9,5

9,5

9,6

9,53

0,47

0,3

5

24,8

24,8

24,7

24,67

0,49

0,2

5

16,2

16,2

16,3

16,23

0,32

0,1

5

9,5

9,5

9,6

9,43

0,19

0,05

5

4,6

4,5

4,4

4,5

0,09


Таблица 2. Результаты титрования растворов уксусной кислоты после адсорбции

Раствор титруемой кислоты моль/л

Объем кислоты, взятый на титрование (Vк), мл

Объем щелочи, пошедший на титрование, мл

Среднее значение объема щелочи (Vщ), мл

Рассчитанная концентрация кислоты, моль/л

0,71

2

11,2

11,1

11,2

11,13

0,56

0,47

2

6,6

6,7

6,7

6,67

0,33

0,49

5

15,6

15,8

15,5

15,63

0,31

0,32

5

5,7

5,8

5,7

5,73

0,11

0,19

5

2,6
2,6

2,6

2,6

0,05

0,09

5

0,8

0,6

0,7

0,6

0,01


Таблица 3.



Ci равн, моль/л

Гi эксп, ммоль/г

Сii, г/л

Ai (Лэнгмюр), ммоль/г

Ai (Фрэйндлих), ммоль/г

lgГi эксп

lgСi равн

1

0,71

7,5

94,66667

7,83

11,65

0,875061

2,851258

2

0,47

7

67,14286

7,64

10,40

0,845098

2,672098

3

0,49

9

54,44444

7,66

10,52

0,954243

2,690196

4

0,32

10,5

30,47619

7,39

9,36

1,021189

2,50515

5

0,19

7

27,14286

6,92

8,11

0,845098

2,278754

6

0,09

4

22,5

5,88

6,60

0,60206

1,954243

Расчет по Лэнгмюру



=8,22 ммоль/г




Расчет по Фрэйндлиху



lg?=0,28 ?=1,91







Вывод

При выполнении работы был изучен процесс адсорбции уксусной кислоты на активированном угле. По результатам экспериментальных данных были построены изотермы адсорбции по Лэнгмюру и Фрэйндлиху. Изотерма по Лэнгмюру более схожа с экспериментальной.



Федеральное агентство по образованию
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации