POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ CHEMICZNY KATEDRA FIZYKOCHEMII I TECHNOLOGII POLIMERÓW BADANIE RÓWNOWAGI ADSORPCYJNEJ W ROZTWORZE BARWNIKA Opiekun ćwiczenia: Miejsce ćwiczenia: Krzysztof Kozieł Zakład Chemii Fizycznej sala nr 209 LABORATORIUM Z CHEMII FIZYCZNEJ
BADANIE RÓWNOWAGI ADSORPCYJNEJ W ROZTWORZE BARWNIKA 2 I. 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 NH 3 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 = (1) m 1 + b c gdzie: x masa adsorbatu, [g] m masa adsorbenta, [g] c stężenie roztworu w równowadze z adsorbentem, [g/dm 3 ] a stała, związana z powierzchnią właściwą ciała stałego (adsorbenta), bezwymiarowa b stała, związana z ciepłem adsorpcji, [dm 3 /g] Izoterma Freundlicha ma postać: x 1 / n = a c (2) m 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 cm 3 sporządzamy roztwór barwnika o stężeniu C max 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 0,1C max do C max. Zakładamy przy tym, że gęstość roztworu barwnika jest taka sama jak gęstość wody. Na przykład dla stężenia maksymalnego 300 mg/dm 3 otrzymujemy: Stężenie [mg/dm 3 ] V roztw [cm 3 ] V wody [cm 3 ] 300 50 0 240 40 10 210 35 15 roztwory 180 30 20 do 150 25 25 wyznaczenia 120 20 30 zależności 90 15 35 absorbancji 60 10 40 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 0 (3) A = log I gdzie: I 0 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 Środki bezpieczeństwa Postępowanie z odpadami Błękit metylowy C 37 H 27 N 3 Na 2 O 9 S Błękit metylenowy C 16 H 18 N 3 ClS Czerwień kongo C 32 H 22 N 6 Na 2 O 6 S 2 Nie jest przedmiotem klasyfikacji jako substancja niebezpieczna Nie jest przedmiotem klasyfikacji jako substancja niebezpieczna substancja rakotwórcza (C12) substancja działająca toksycznie na rozrodczość (C14) substancja toksyczna (T) R: nie dotyczy R: 22 działa szkodliwie w przypadku spożycia R: 45, 63 może być przyczyną raka, możliwe szkodliwe oddziaływanie na płód ludzki 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. 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 c = 1 + (5) x ab a m x 1 log = loga + logc (6) m n Na pierwszym wykresie na osi odciętych odmierzamy stężenie roztworu w równowadze c z adsorbentem, a na osi rzędnych. x m Na drugim wykresie na osi odciętych odmierzamy log c, a na osi rzędnych log m x. 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 a współczynnik kierunkowy prostej wynosi a 1. W przypadku izotermy Freundlicha na osi Y zostaje odcięty odcinek o długości log a, a współczynnik kierunkowy prostej wynosi n 1. VI. PYTANIA KONTROLNE 1. Wyjaśnić pojęcia : adsorpcja, absorpcja, adsorbent, adsorbat. 2. Omówić cechy charakterystyczne adsorpcji fizycznej i chemicznej. 3. Omówić prawo Lamberta-Beera i warunki jego stosowania. 4. Przedstawić założenia teorii adsorpcji Langmuira i wyprowadzić równanie tej izotermy. 5. Przedstawić równanie izotermy Freundlicha. 6. 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.