CHEM-C2230 Pintakemia Barnes & Gentle: luku 8 L7 Kaasun adsorptio kiinteän aineen pinnalle

Samankaltaiset tiedostot
L7 Kaasun adsorptio kiinteän aineen pinnalle

L7 Kaasun adsorptio kiinteän aineen pinnalle

Tänään 1. Emulsiot 2. Projetityötupa

CHEM-C2230 Pintakemia L12 Yhteenveto

L10 Polyelektrolyytit pinnalla

L6 Neste-neste rajapinnat: Emulsiot

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

Luento 9 Kemiallinen tasapaino CHEM-A1250

Puhtaan kaasun fysikaalista tilaa määrittävät seuraavat 4 ominaisuutta, jotka tilanyhtälö sitoo toisiinsa: Paine p

Adsorptio ja pintojen termodynamiikka

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

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

782630S Pintakemia I, 3 op

= 1 kg J kg 1 1 kg 8, J mol 1 K 1 373,15 K kg mol 1 1 kg Pa

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

Kemialliset reaktiot ja reaktorit Prosessi- ja ympäristötekniikan perusta I

Päivän teemat. 1) Käsittelemättä jääneet asiat ensimmäiseltä luennolta. 2) Kotitehtävä 3) Adsorptio ja pintojen termodynamiikka

Luku 5: Diffuusio kiinteissä aineissa

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

P = kv. (a) Kaasun lämpötila saadaan ideaalikaasun tilanyhtälön avulla, PV = nrt

Teddy 1. välikoe kevät 2008

vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

CHEM-A1250 KEMIAN PERUSTEET kevät 2016

CHEM-C2230 Pintakemia Barnes & Gentle: luku 4 L4 Pinta-aktiiviset aineet ja niiden adsorptio

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

KEMS448 Fysikaalisen kemian syventävät harjoitustyöt

ENTSYYMIKATA- LYYSIN PERUSTEET (dos. Tuomas Haltia)

T F = T C ( 24,6) F = 12,28 F 12,3 F T K = (273,15 24,6) K = 248,55 K T F = 87,8 F T K = 4,15 K T F = 452,2 F. P = α T α = P T = P 3 T 3

kun hiilimonoksidia ja vettä oli 0,0200 M kumpaakin ja hiilidioksidia ja vetyä 0,0040 M kumpaakin?

Esimerkiksi ammoniakin valmistus typestä ja vedystä on tyypillinen teollinen tasapainoreaktio.

SAMI VESAMÄKI PINTAKEMIAN LABORATORIOTYÖN KEHITTÄMINEN

Bensiiniä voidaan pitää hiilivetynä C8H18, jonka tiheys (NTP) on 0,703 g/ml ja palamislämpö H = kj/mol

CHEM-C2230 Pintakemia

Teddy 2. välikoe kevät 2008

Luento 2: Lämpökemiaa, osa 1 Keskiviikko klo Termodynamiikan käsitteitä

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

(l) B. A(l) + B(l) (s) B. B(s)

Tasapainotilaan vaikuttavia tekijöitä

Kemian koe, Ke3 Reaktiot ja energia RATKAISUT Perjantai VASTAA YHTEENSÄ KUUTEEN TEHTÄVÄÄN

Gibbsin energia ja kemiallinen potentiaali määräävät seosten käyttäytymisen

m h = Q l h 8380 J = J kg 1 0, kg Muodostuneen höyryn osuus alkuperäisestä vesimäärästä on m h m 0,200 kg = 0,

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3. Kaasut

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

Luku 2. Kemiallisen reaktion tasapaino

1. van der Waalsin tilanyhtälö: 2 V m RT. + b2. ja C = b2. Kun T = 273 K niin B = cm 3 /mol ja C = 1200 cm 6 mol 2

HSC-ohje laskuharjoituksen 1 tehtävälle 2


KEMIA HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEET

Ohjeellinen pituus: 2 3 sivua. Vastaa joko tehtävään 2 tai 3

KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 VESI

Lämmityksen lämpökerroin: Jäähdytin ja lämmitin ovat itse asiassa sama laite, mutta niiden hyötytuote on eri, jäähdytyksessä QL ja lämmityksessä QH

Mitkä ovat aineen kolme olomuotoa ja miksi niiden välisiä olomuodon muutoksia kutsutaan?

CHEM-C2230 Pintakemia. Prof. Monika Österberg

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

KEMA KEMIALLINEN TASAPAINO ATKINS LUKU 7

Luku 4 SULJETTUJEN SYSTEEMIEN ENERGIA- ANALYYSI

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

CHEM-C2230 Pintakemia L11 Pintakemia teollisissa prosesseissa - yhteenveto

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Palautus yhtenä tiedostona PDF-muodossa viimeistään torstaina

Luvun 12 laskuesimerkit

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3 Ekso- ja endotermiset reaktiot sekä entalpian muutos

Paula Jantunen, FM (väit.) MUTKU-päivät, Hämeenlinna Sorption merkitys kemikaaliriskinarvioinnissa

Puhtaat aineet ja seokset

Kemiallinen reaktio

Astrokemia Kevät 2011 Harjoitus 1, Massavaikutuksen laki, Ratkaisut

TKK, TTY, LTY, OY, TY, VY, ÅA / Insinööriosastot Valintakuulustelujen kemian koe

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

2. Pintajännitys ja kostutus

luku 1.notebook Luku 1 Mooli, ainemäärä ja konsentraatio

Muita lämpökoneita. matalammasta lämpötilasta korkeampaan. Jäähdytyksen tehokerroin: Lämmityksen lämpökerroin:

Ellinghamin diagrammit

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

Törmäysteoria. Törmäysteorian mukaan kemiallinen reaktio tapahtuu, jos reagoivat hiukkaset törmäävät toisiinsa

Luku 8. Reaktiokinetiikka

1. Laske ideaalikaasun tilavuuden lämpötilakerroin (1/V)(dV/dT) p ja isoterminen kokoonpuristuvuus (1/V)(dV/dp) T.

Lämpö- eli termokemiaa

Biodiesel Tuotantomenetelmien kemiaa

Erilaisia entalpian muutoksia

Mamk / Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka / Sarvelainen 2015 T8415SJ ENERGIATEKNIIKKA Laskuharjoitus

:TEKES-hanke /04 Leijukerroksen kuplien ilmiöiden ja olosuhteiden kokeellinen ja laskennallinen tutkiminen

kuonasula metallisula Avoin Suljettu Eristetty S / Korkealämpötilakemia Termodynamiikan peruskäsitteitä

- Termodynamiikka kuvaa energian siirtoa ( dynamiikkaa ) systeemin sisällä tai systeemien kesken (vrt. klassinen dynamiikka: kappaleiden liike)

Erilaisia entalpian muutoksia

Tehtävä 2. Selvitä, ovatko seuraavat kovalenttiset sidokset poolisia vai poolittomia. Jos sidos on poolinen, merkitse osittaisvaraukset näkyviin.

Tehtävä 1. Tasapainokonversion laskenta Χ r G-arvojen avulla Alkyloitaessa bentseeniä propeenilla syntyy kumeenia (isopropyylibentseeniä):

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

PINTA-AKTIIVISET AINEET

Kemian koe kurssi KE5 Reaktiot ja tasapaino koe

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

KAASUJEN YLEISET TILANYHTÄLÖT ELI IDEAALIKAASUJEN TILANYHTÄLÖT (Kaasulait) [pätevät ns. ideaalikaasuille]

Kertausluennot: Mahdollisuus pisteiden korotukseen ja rästisuorituksiin Keskiviikko klo 8-10

Sukunimi: Etunimi: Henkilötunnus:

Termodynamiikka. Termodynamiikka on outo teoria. Siihen kuuluvat keskeisinä: Systeemit Tilanmuuttujat Tilanyhtälöt. ...jotka ovat kaikki abstraktioita

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Transkriptio:

CHEM-C2230 Pintakemia Barnes & Gentle: luku 8 L7 Kaasun adsorptio kiinteän aineen pinnalle Prof. Monika Österberg

Aikaisemmin käsitellyt Adsorptio kiinteälle pinnalle nesteessä Adsorptio nestepinnalle 2

Kertausta: Adsorptio kiinteälle pinnalle nesteessä c A o Sekoitetaan Erotetaan c A c B 0 m c B m Pintakonsentraatio, Γ A Γ ( ) B = ( o c c ) B A m s B V Konsentraatio liuoksessa, c Tänään: Kaasun adsorption: paine (p) eikä konsentraatio (c) 3

Käytännön hyöty Pintaenergian muuttaminen Affiniteetin muuttaminen (varauksen muuttaminen) AtriaInnovation BASF 4

Kertausta: Adsorptio nestepinnalle Pintajännitys Pintakonsentraatiota lasketaan käyrän kaltevuudesta Käytännön hyöty ln c B Γ B (A) = 1 RT dγ d lnc B 5

Kertausta: Emulsiot Emulsio on kolloidi ja koostuu dispergoituneesta faasista (nestepisarat) jotka ovat dispergoituneet jatkuvaan faasiin (toinen neste) Emulgointiainetta käytetään emulsion stabilointiin, se adsorboituu neste neste-rajapintaan vähentäen pintajännitystä Pinta-aktiiviset aineet, proteiinit, polymeerit, nanopartikkelit Steerinen ja elektrostaattinen stabilointi vesi öljy vesi öljy O/Wemulsio W/Oemulsio öljy vesi vesi öljy 6

Emulsion stabiliteetti ja hajoaminen Flokkulointi Kermottuminen Emulsio Pisaroiden yhteenkasvaminen Hajoaminen 7

Kaasun adsorption kiinteälle pinnalle: Oppimistavoitteet Luennon jälkeen Tunnet eri adsorptioisotermityypit ja minkälaista adsorptiota ne kuvaavat Tunnet fysisorption ja kemisorption erot 8

Adsorptio Kaasun adsorptio pinnalle tärkeää mm. katalyysissä GG = HH TT SS Vapaan energian muutos Entalpia Entropia Kaasu adsorboituu pinnalle, kun GG < 00 Yleensä kaasumolekyylien entropia S pienenee, SS < 00 Tällöin entalpiamuutoksen, HH, on oltava tarpeeksi suuri ja negatiivinen adsorbentti adsorbaatti 9

Fysikaalinen vs. kemiallinen adsorptio Fysikaalinen adsorptio eli fysisorptio Heikot vuorovaikutukset, esim. van der Waals -voimat Reversiibeli (vaikkakin desorptio joskus hidasta) Ei spesifinen Entalpiamuutos (-4 - -20 kj/mol) Monikerrosadsorptio mahdollinen Kemiallinen adsorptio eli kemisorptio Kemiallinen sidos muodostuu Käytännössä irreversiibeli Spesifinen Entalpiamuutos paljon suurempi kuin fysisorptiossa (-80 - -800 kj/mol) Vain monomolekulaarinen kerros voi sitoutua kemiallisesti 10

Adsorptioisotermi Adsorptioisotermi kuvaa adsorboituneen kaasun määrää kaasun paineen funktiona tasapainossa ja vakiolämpötilassa. (Vrt. Adsorptioisotermi nesteelle) n m kiinteä = f ( P) T vakio n = adsorboituneen kaasun ainemäärä m kiinteä = kiinteän aineen massa p/p* p* = puhtaan adsorbaatin kylläisen höyryn paine kyseisessä lämpötilassa (saturation pressure) p/p* = suhteellinen paine 11

Adsorptioisotermi jatk. Usein kaasun määrä ilmaistaan tilavuutena V, 1 atm paineessa ja muunnettuna 0 C lämpötilaan. V v = = m kiinteä f ( P) T vakio jossa v on adsorboituneen kaasun tilavuus adsorboivan aineen massayksikköä kohti. 12

Adsorptioisotermien luokittelu Isotermityyppi I: Langmuir-isotermi Kuvaa monomolekulaarista adsorptiota, usein kemisorptiota adsorbentti Isotermityyppi II: Kuvaa monikerrosadsorptiota Hyvin tavallinen Ensin kemi- tai fysisorptio ensimmäiseen kerrokseen, sitten adsorboituu seuraavin kerroksiin 13

Adsorptioisotermien luokittelu jatk. Isotermityyppi III: Harvinainen Monikerrosadsorptiota esiintyy ennen kuin monomolekulaarinen kerros on täyttynyt Isotermityypit IV ja V: Analogisia tyyppien II ja III kanssa, mutta tasoittuvat paineessa P < P*. Kuvaavat adsorptiota huokoiseen materiaaliin. 14

Langmuir-isotermi Oletukset: Adsorptioentalpia on riippumaton pinnan peittoasteesta θ. Molekyylit adsorboituvat tiettyyn kohtaan eivätkä pysty liikkumaan pinnalla Tietty kohta voi adsorboida vain yhden molekyylin monomolekulaarinen kerros Peittoaste θ : θ kuvaa sitä osuutta pinnan kaikista mahdollisista adsorptiopaikoista, jotka ovat jo täyttyneet adsorboituvalla kaasulla. S on pinnalla oleva vapaa paikka, johon kaasu A voi adsorboitua [S] o on kaikkien adsorptiopaikkojen lukumäärä [AS] on täyttyneiden paikkojen lukumäärä θ = AAAA SS 00 15

Langmuir-isotermi jatk. Adsorption voi kuvata reaktiona A(g) + S AS Adsorptionopeus: R a = k a P(1 - θ) missä P on kaasun paine Desorptionopeus: R d = k d θ k = nopeusvakioita Tasapainossa: R a = R d θ = k d kap + k a P = KP 1+ KP missä K = k k a d Jos K vakio Langmuir-isotermin mukainen adsorptio 16

Langmuir: K pieni: θ KP. K suuri: θ 1. KP θ = 1+ KP Peittoaste voidaan myös määritellä kokeellisten suureiden avulla θ = v v m KP = 1+ KP missä v m on adsorboitunut määrä kun pinta on täysi (eli θ = 1). P v = 1 v m P 1 + Kv m Yo. yhtälö on lineaarinen Langmuirin mukaiselle adsorptiolle. Langmuirin isotermi eri K:n arvoilla

Harjoitus: Alla oleva data kuvaa hiilimonoksidin adsorptiota puuhiileen. T = 273 K. Vahvista, että adsorptio seuraa Langmuir-isotermiä ja laske sekä V m että K:n arvo p (Torr) V(cm 3 ) 100 10.2 200 18.6 300 25.5 400 31.4 500 36.9 600 41.6 700 46.1 p/v 9.803922 10.75269 11.76471 12.73885 13.55014 14.42308 15.18438 Kulmakerroin = (15.18-9.8)/600 = 0.009 V m = 1/0.009 = 110 cm 3 Leikkauskohta, (missä p = 0) = 1/KV m = 9 Torr/cm 3 K = 1/(110 cm 3 *9 Torr*cm -3 ) = 1.0*10-3 Torr -1 18

0,6 30 0,5 25 0,4 20 V (cm 3 ) 0,3 0,2 Langmuir isotherm 1/V (cm -3 ) 15 10 y = a + b x R 2 = 0.99923 a = 2.01 cm -3 b = 545.4 Pa/cm 3 0,1 5 0,0 0 400 800 1200 1600 2000 P (Pa) 0 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 1/P (Pa -1 ) 11 = 11 11 + 11 VV KKVV mm PP VVVV Jos piirtää 1/V 1/P:n funktiona saadaan lineaarinen funktio 04/19

Brunauer, Emmet ja Tellerin isotermi (BET) Monikerrosadsorptio Oletukset: Langmuirin yhtälö soveltuu joka kerrokseen. Desorptioentalpia ensimmäisessä kerroksessa, H des, voi olla erilainen muihin kerroksiin verrattuna, joissa se on adsorbaatin höyrystymisentalpian, H vap, suuruusluokkaa. Ei lateraalia vuorovaikutuksia adsorboituneiden molekyylien välillä. V V mon = 1 P c P * P 1 P * P P * ( 1 c) missä V mon on tilavuus silloin, kun θ = 1 ja P* on puhtaan adsorbaatin höyrynpaine koelämpötilassa. c = H vakio = exp des H RT vap (Kirjassa Z =c) 04/20

BET-isotermi jatk. Mitä isotermimuotoa BET-isotermi muistuttaa, kun c on iso? Entäs c:n ollessa pieni? c c kuvastaa vuorovaikutusta pinnan (adsorbentin) ja adsorbaatin välillä 21

Freundlich-isotermi Adsorptioentalpia ei välttämättä ole riippumaton peittoasteesta. Kohtalaisen alhaisissa paineissa pätee usein Freundlichin isotermi θ = k P1/n missä k ja n ovat kokeellisia vakioita (yleensä 2 < n < 10). Adsorption tapahtuminen liuoksesta kiintofaasiin esitetään usein käyttäen Freundlichin isotermiä. Tällöin P c. Analyysiä varten otetaan yhtälön molemmista puolista logaritmi log θ = log k + (1/n) log P jolloin log θ = f(log P) on suora Freundlichin mukaiselle adsorptiolle. 22

Käytännön applikaatiot Heterogeeninen katalyysi = Katalyytti ja reagoivat aineet eri faasissa Kiinteä aines katalysoi kaasufaasissa tapahtuvaa reaktiota Ammoniakin valmistus, Metanolisynteesi, Heterogeenisen katalyysin vaiheet: Diffuusio pinnalle Adsorptio Reaktio pinnalla Reaktiotuotteiden desorptio pinnalta Reaktiotuotteiden diffuusio pois pinnalta Heveling, J. J. Chem. Educ, 89 (2012)1530 23

Etyleenin hydrogenointi platinapinnalla Published in: Josef Heveling; J. Chem. Educ. 2012, 89, 1530-1536. DOI: 10.1021/ed200816g Copyright 2012 The American Chemical Society and Division of Chemical Education, Inc. 24

Auton katalysaattori hiilivedyt Typen ja happen kemisorptiota eri jalometallipinnoille Kuva: Josef Heveling; J. Chem. Educ. 2012, 89, 1530-1536. DOI: 10.1021/ed200816g Copyright 2012 The American Chemical Society and Division of Chemical Education, Inc. 25

Yhteenveto Langmuir-isotermi kuvaa monokerrosadsorptiota ja BETisotermi monikerrosadsorptiota. BET Langmuir 26

Kirjallisuus Interfacial Science: An Introduction, Barnes & Gentle Luku 8 Foundations of Colloid Science, Hunter Adsorptiosta ja isotermeistä 6.3, s. 277- (Surface chemistry of surfactants and polymers, Kronberg & Holmberg & Lindman Luku 8: Surfactant Adsorption and Solid Surfaces) 27