L7 Kaasun adsorptio kiinteän aineen pinnalle

Samankaltaiset tiedostot
L7 Kaasun adsorptio kiinteän aineen pinnalle

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

L10 Polyelektrolyytit pinnalla

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

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

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

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

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

Luento 9 Kemiallinen tasapaino CHEM-A1250

CHEM-C2230 Pintakemia L12 Yhteenveto

Adsorptio ja pintojen termodynamiikka

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

Teddy 1. välikoe kevät 2008

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

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

CHEM-A1250 KEMIAN PERUSTEET kevät 2016

Kemialliset reaktiot ja reaktorit Prosessi- ja ympäristötekniikan perusta I

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

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

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

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Luento 2: Lämpökemiaa, osa 1 Keskiviikko klo Termodynamiikan käsitteitä

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

HSC-ohje laskuharjoituksen 1 tehtävälle 2

Teddy 2. välikoe kevät 2008

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

ENTSYYMIKATA- LYYSIN PERUSTEET (dos. Tuomas Haltia)

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

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

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

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

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3. Kaasut

Luku 5: Diffuusio kiinteissä aineissa

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

Esimerkiksi ammoniakin valmistus typestä ja vedystä on tyypillinen teollinen tasapainoreaktio.

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

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

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,

vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

Tasapainotilaan vaikuttavia tekijöitä

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

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

782630S Pintakemia I, 3 op

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

KEMS448 Fysikaalisen kemian syventävät harjoitustyöt

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


PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

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

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

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Luvun 12 laskuesimerkit

Luku 2. Kemiallisen reaktion tasapaino

Gibbsin energia ja kemiallinen potentiaali määräävät seosten käyttäytymisen

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

Luku 3 Puhtaiden aineiden ominaisuudet

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

Sukunimi: Etunimi: Henkilötunnus:

Kemian koe kurssi KE5 Reaktiot ja tasapaino koe

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

KEMIA HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEET

Ilman suhteellinen kosteus saadaan, kun ilmassa olevan vesihöyryn osapaine jaetaan samaa lämpötilaa vastaavalla kylläisen vesihöyryn paineella:

SAMI VESAMÄKI PINTAKEMIAN LABORATORIOTYÖN KEHITTÄMINEN

Astrokemia Kevät 2011 Harjoitus 1, Massavaikutuksen laki, Ratkaisut

Faasi: Aineen tila, jonka kemiallinen koostumus ja fysikaalinen ominaisuudet ovat homogeeniset koko näytteessä. P = näytteen faasien lukumäärä.

Luku 4 SULJETTUJEN SYSTEEMIEN ENERGIA- ANALYYSI

Ideaalikaasulaki. Ideaalikaasulaki on esimerkki tilanyhtälöstä, systeemi on nyt tietty määrä (kuvitteellista) kaasua

KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 VESI

kuonasula metallisula Avoin Suljettu Eristetty S / Korkealämpötilakemia Termodynamiikan peruskäsitteitä

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Kemiallinen reaktio

KEMA KEMIALLINEN TASAPAINO ATKINS LUKU 7

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

Kemiallinen mallinnus I: mallintamisen perusteita. Astrokemia -kurssin luento

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

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

Työssä määritetään luokkahuoneen huoneilman vesihöyryn osapaine, osatiheys, huoneessa olevan vesihöyryn massa, absoluuttinen kosteus ja kastepiste.

Z 1 = Np i. 2. Sähkömagneettisen kentän värähdysliikkeen energia on samaa muotoa kuin molekyylin värähdysliikkeen energia, p 2

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

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

Lämpö- eli termokemiaa

Spontaanissa prosessissa Energian jakautuminen eri vapausasteiden kesken lisääntyy Energia ja materia tulevat epäjärjestyneemmäksi

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Tilastollinen päättely II, kevät 2017 Harjoitus 2A

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

Biodiesel Tuotantomenetelmien kemiaa

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

PHYS-C0240 Materiaalifysiikka (5op), kevät 2016

Luku 8. Reaktiokinetiikka

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

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

ln2, missä ν = 1mol. ja lopuksi kaasun saama lämpömäärä I pääsäännön perusteella.

SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLILUETTELO 4

Palautus yhtenä tiedostona PDF-muodossa viimeistään torstaina

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

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta dia-valinta Insinöörivalinnan kemian koe MALLIRATKAISUT

V T p pv T pv T. V p V p p V p p. V p p V p

IX TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ JA ENTROPIA...208

Transkriptio:

CHEM-C2230 Pintakemia L7 Kaasun adsorptio kiinteän aineen pinnalle Monika Österberg Barnes&Gentle, 2005, luku 8 Aikaisemmin käsitellyt Adsorptio kiinteälle pinnalle nesteessä Adsorptio nestepinnalle 1

Oppimistavoitteet Luennon jälkeen : Tunnet eri adsorptioisotermityypit ja minkälaista adsorptiota ne kuvaavat Tunnet fysisorption ja kemisorption erot Tiedät mistä kapillaarikondensaatio huokoisilla pinnoilla johtuu. Adsorptio Vapaan energian muutos Entalpia Entropia Kaasu adsorboituu pinnalle kun 0 Kaasun adsorptio pinnalle tärkeä esim. katalyysissä Yleensä kaasumolekyylien entropia S pienenee, 0 jolloin entalpiamuutos,, pitää olla tarpeeksi suuri ja negatiivinen adsorbaatti adsorbentti 4 2

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 (-80 - -800 kj/mol) Vain monomolekulaarinen kerros voi sitoutua kemiallisesti 5 Adsorptioisotermi Adsorptioisotermi kuvaa adsorboituneen kaasun määrä kaasun paineen funktiona tasapainossa ja vakiolämpötilassa (Vrt. Adsorptioisotermi nesteelle) n m kiinteä f P T vakio p/p* n = adsorboituneen kaasun ainemäärä m kiinteä = kiinteän aineen massa p* = puhtaan adsorbaatin kylläisen höyryn paine kyseisessä lämpötilassa (saturation pressure,) Suhteellinen paine = p/p* 6 3

Adsorptioisotermi 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. 7 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 8 4

Adsorptioisotermien luokittelu jatk. Isotermityyppi III: Harvinainen Monikerrosadsorptiota esiintyy ennen kuin monomolekulaarinen kerros on täyttynyt Isotermityyppi IV ja V: Analogisia tyyppien II ja III kanssa, mutta tasoittuvat paineessa P < P*. Kuvaavat adsorptiota huokoiseen materiaaliin. 9 Langmuir-isotermi Oletukset: Adsorptioentalpia on riippumaton pinnan peittoasteesta. Molekyylit adsorboituvat tiettyyn kohtaan eikä pysty liikkumaan pinnalla Tietty kohta voi adsorboida voin yhden molekyylin monomolekulaarinen kerros Peittoaste : 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 Type equation here.10 5

Langmuir isotermi jatk. Adsorption voi kuvata reaktiona A(g) + S AS Adsorptionopeus: R a = k a P(1 - ) missä P on kaasun paine Desorptionopeus: Tasapainossa: R a = R d R d = k d k = nopeusvakioita kap k k P d a KP 1 KP missä k K k a d Jos K vakio - Langmuir isotermin mukainen adsorptio 11 Langmuir: KP θ 1 KP K pieni: KP. K suuri: 1. 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 = 1). P v 1 v m P 1 Kv m Yo. yhtälö on lineaarinen Langmuirin mukaiselle adsorptiolle. Langmuirin isotermi eri K:n arvoilla 6

Harjoitus: Alla oleva data kuvaa hiilimonoksidin adsorptiota puuhiileen. T = 273K. Vahvista, että adsorptio seuraa Langmuir isotermiä ja laske sekä Vm että K:n arvo p (Torr) V(cm3) 100 10.2 200 18.6 300 25.5 400 31.4 500 36.9 600 41.6 700 46.1 04/13 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 ) = Jos pirtäää 1/V 1/P:n funktiona saadaan lineaarinen funktio 04/14 7

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 P c P * P 1 1 P * P P * 1 c missä V mon on tilavuus silloin, kun = 1 ja P* on puhtaan adsorbaatin höyrynpaine koelämpötilassa. H c vakio exp des H RT vap (Kirjassa Z =c) 04/15 BET isotermi jatk. Mitä isotermimuotoa BET isotermi muistuttaa kun c on iso? Entäs c:n oleessa pieni? c c kuvastaa vuorovaikutusta pinnan (adsorbentin) ja adsorbaatin välillä Mieti miltä adsorboitunut kerros näyttää kun c on iso vs pieni 16 8

Freundlich isotermi Adsorptioentalpia ei välttämättä ole riippumaton peittoasteesta. Kohtalaisen alhaisissa paineissa pätee usein Freundlichin isotermi = kp 1/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 = log k + (1/n)log P jolloin log = f(log P) on suora Freundlichin mukaiselle adsorptiolle. 17 Kapillaarikondensaatio Huokoisissa materiaalissa voi tapahtua kondensoitumista alhaisemmissa paineissa kuin p* (puhtaan adsorbaatin kylläisen höyryn paine, eli paine milloin muuttuu nesteeksi) kapillaarikondensoituminen Kelvin yhtälö: RT ln P r P 2V m r 2M r M = nesteen molekyylipaino, = nesteen tiheys, = nesteen pintajännitys, r = huokosen säde Kapillaarikondensoituminen voi johtaa hysteereesiin adsorption ja desorption välillä huokoisissa Partikkeleiden välillä 18 9

Käytännön applikaatiot Heterogeeninen katalyysi: Katalyytti ja reagoivat aineet eri faasissa Esim. kiinteä aines katalysoi kaasufaasissa tapahtuvaa reaktiota Esim jalometallipinnat auton katalysaattorissa katalysoivat haitallisten oxidien hapettumista Ammoniakin valmistus, Metanoli synteesi, Heterogeenisen katalyysin vaiheet: Diffuusio pinnalle Adsorptio Reaktio pinnalla Reaktiotuotteiden desorptio pinnalta Reaktiotuotteiden diffuusio pois pinnalta Heveling, J. J. Chem. Educ, 89 (2012)1530 19 Yhteenveto Langmuir isotermi kuvaa monokerrosadsorptiota ja BET isotermi monikerrosadsorptiota Kapilaarikondensaatio: nestettä kondensoituu kapilaareihin ja partikkeleiden välille, nesteen pintajännitys vaikuttaa. 20 10