CHEM-C2230 Pintakemia. Työ 2: Etikkahapon adsorptio aktiivihiileen. Työohje

Transkriptio

1 CHEM-C2230 Pintakemia Tö 2: Etikkahapon orptio aktiivihiileen Töohje

2 1 Johdanto Kaasun ja kiinteän aineen rajapinnalla tapahtuu leensä kaasun orptiota. Mös liuoksissa tapahtuu usein liuenneen aineen orptiota kiinteän aineen pinnalle. Kiintoainetta, jonka pinnalle orptio tapahtuu, kutsutaan orbentiksi, orboituva aine on nimeltään orbaatti. Liuosfaasista tapahtuvan orption teoreettinen käsittel on monimutkaisempaa kuin kaasuorption käsittel, sillä liuoksessa tapahtuvaan orptioon osallistuu useimmiten sekä liuotin että liuennut aine. Liuenneen aineen orptiota voidaan kuitenkin leensä esittää kättäen samoja malleja kuin kaasuorptiossa. Kokeellisesti liuosfaasista tapahtuvaa orptiota on helpompi tutkia kuin kaasuorptiota. Tässä tössä tutkitaan etikkahapon orptiota aktiivihiilen pinnalle vesiliuoksesta. 2 Teoreettinen tarkastelu Liuenneen aineen orptiolle voidaan kättää Langmuirin ja Freundlichin isotermejä tulkitsemalla sopivasti niissä esiintvät suureet. Langmuirin isotermi liuenneen aineen orptiolle: maxac = 1 + ac (1) missä on orboitunut määrä orbenttigrammaa kohti, max on tädellisen monomolekularisen kerroksen kapasiteetti (orption maksimimäärä olettaen, että orptiota tapahtuu vain hteen kerrokseen), a on vakio ja c on liuoksen tasapainopitoisuus (orboituvan osaslajin pitoisuus liuoksessa). Langmuirin htälö voidaan esittää muodossa 1 Ê 1 ˆ 1 1 = Á + maxa (2) Ë c max 1

3 Langmuirin htälö on voimassa jos 1 Ê 1 ˆ = f Á Ë c on suora. Freundlichin isotermi liuennen aineen orptiolle: Ê c k o c ˆ = Á Ë 1/ n (3) missä k ja n ovat vakioita ja c = 1 mol dm -3. Freundlichin htälö voidaan esittää muodossa 1 Ê c ˆ ln = lnk + lná o n Ë c (4) ja se on voimassa jos Ê Ê c ˆˆ ln = f ÁlnÁ o on suora. Ë Ë c Adsorboitunut määrä on leensä melko pieni. Vain sellaiset aineet, joilla on suuri ominaispinta-ala, kuten aktiivihiili, voivat orboida liuoksesta verraten suuria määriä eri aineita. Adsorboitunut määrä voidaan selvittää mittaamalla liuoksen pitoisuus (c alku) ennen hiilen lisästä ja tasapainopitoisuus (c) kun orptiotasapaino hiilen lisäksen jälkeen on asettunut. Jos liuoksen tilavuus on V liuos, on orboitunut määrä hiiligrammaa m hiili kohti tällöin: V ( c - c) liuos alku = (5) m hiili Adsorptio riippuu lämpötilasta seuraavan htälön mukaan: Ê d lnc ˆ Á Ë dt DH = - RT m 2 (6) missä DH m on nk. isosteerinen orptioentalpia (orptioentalpia kun on vakio). 2

4 3 Tön suoritus Törhmä määrittää etikkahapon orptioisotermin 2-3 eri lämpötilassa, s.e. rhmän jokainen töpari määrittää isotermin hdessä lämpötilassa. Adsorbenttina kätetään aktiivihiiltä. Töparin tehtävät: Valmistetaan etikkahapon perusliuoksesta viisi eri vahvuista liuosta. Punnitaan viiteen kolviin aktiivihiiltä ja lisätään kuhunkin edellä valmistettua etikkahappoliuosta. Kolvit laitetaan vesihauteeseen termostoitumaan vähintään 30 min. Kustakin kolvista otetaan tämän jälkeen kaksi nätettä. Nätteet titrataan NaOHliuoksella kättäen fenolftaleiinia indikaattorina. Kumpikin töparin jäsen titraa oman sarjansa nätteitä. Töpaikalla jaetaan jokaiselle tölomake, jossa annetaan tarkemmat ohjeet tön tekemiseksi. 4 Tulosten käsittel (tehdään laboratoriossa) Jokainen laskee omien titraustulostensa perusteella tasapainopitoisuudet c sekä niiden avulla orboituneet määrät kussakin tasapainopitoisuudessa htälön (5) mukaisesti. Yhdistetään törhmän jäsenten tulokset. Esitetään kaikki saadut orptioisotermit graafisesti piirtämällä orboitunut määrä liuoksen tasapainopitoisuuden c funktiona. Arvioidaan törhmän tulokset. Pohditaan lämpötilan vaikutusta orptioon ja mistä tämä johtuu. 3

5 5 Kotitehtävät (palautetaan kurssin MCourses-sivuille) Jokainen palauttaa MCourses-sivuille omat vastauksensa kotitehtäviin viikon kuluessa tön tekemisestä. HUOM! Graafiset kuvaajat, taulukot ja htälöt esitetään Kemian tekniikan korkeakoulun töselostusohjeen mukaisesti! 1. Tutkitaan omien tulosten sopivuutta Langmuirin sekä Freundlichin isotermeihin. Omat mittaustulokset sovitetaan suorille töohjeen htälöiden (2) ja (4) mukaisesti ja esitetään graafisesti. Arvioidaan kumpi isotermi kuvaa tuloksia paremmin (esim. Excelin regressioanalsin avulla, liitä mukaan Excelin Summar Output). Määritetään suorien kulmakertoimista ja leikkauspisteistä monomolekulaarisen kerroksen kapasiteetti max ja vakio a (Langmuirin isotermi) sekä vakiot k ja n (Freundlichin isotermi). Esitetään laskut. Kaikkien vakioiden ksiköt on ilmoitettava, mikäli niillä sellaiset on! 2. Esitetään törhmän jäsenten orptioisotermit graafisesti (laboratoriossa piirrett kuvaaja / piirrett kuvaajat). 3. Valitaan törhmän tuloksista kaksi orptioisotermiä eri lämpötiloissa ja lasketaan niiden avulla orptioentalpian arvolla. Menetellään seuraavasti: arvo kolmella eri orboituneen määrän Integroidaan töohjeen htälö (6) määrättnä integraalina olettaen vakioksi lämpötila-alueella [25 C, 50 C]. Esitetään integrointi. DH m Valitaan ksi orptioisotermien nousevalta osalta (ei tarvitse olla mitattu ) ja määrätään tätä :tä vastaavat tasapainopitoisuudet kummassakin lämpötilassa orptioisotermien avulla (luetaan pitoisuudet kuvaajasta tai lasketaan paremmin sopivan isotermin sovitushtälöstä, eli joko Langmuir- tai Freundlich-sovitushtälöstä). 4

6 Sijoitetaan integroituun DH m -htälöön lämpötilat ja vastaavat tasapainopitoisuudet. Lasketaan valittua :tä vastaava. Toistetaan o. laskut uusilla -arvoilla. Kullekin :lle saadaan siis ksi Taulukoidaan selvästi, tasapainopitoisuudet c 25 C ja c 50 C sekä.. 4. Vastataan seuraaviin ksmksiin: Miten orptioentalpia riippuu orboituneesta määrästä ja miksi? Adsorptio voi olla kemisorptiota tai fsisorptiota. Kumman arvelet olevan kseessä tässä tössä (orptioentalpian suuruus, vrt. luentokalvot L8A)? Jos oletetaan, että hden orboituneen etikkahappomoleklin vaatima pintaala on m 2 ja että etikkahappoa orboituu vain hteen kerrokseen, mikä on aktiivihiilen tehollinen pinta-ala (m 2 /g)? (kätä omista tuloksista laskettua max - arvoa) 7 Lähdeluettelo 1. Atkins, P.W., Phsical Chemistr, 6th Ed, Oxford Universit Press, Oxford 1998, ss