ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ : Βράνα Γκένις Α . Μ : 3224

ΤΙΤΛΟΣ ΑΣΚΗΣΗΣ : ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΗ ΑΠΟ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ

ΣΥΝΕΡΓΑΤΕΣ :Λεωνίδας Βρούλος, Αθανασία Κατσαρού

ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΔΙΕΞΑΓΩΓΗΣ ΑΣΚΗΣΕΩΣ : 10/12/14

ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΕΩΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ :17/12/14

ΘΕΩΡΙΑ :

Σ’ αυτήν την άσκηση θα μελετήσουμε την προσρόφηση μορίων από διάλυμα πάνω σε επιφάνεια στερεού. Προσρόφηση είναι ο εμπλουτισμός της διεπιφάνειας σε μία ουσία , σε σχέση με τη συγκέντρωση της ουσίας στις δύο φάσεις, που βρίσκονται σε επαφή. Η ουσία που προσροφάται αποτελεί την προσροφημένη ουσία , ενώ εκείνη που την προσροφά τον προσροφητή.

Η προσρόφηση πρέπει να διακριθεί από την απορρόφηση. Στην τελευταία η ουσία δεν διατηρείται στην επιφάνεια, αλλά εισέρεται διαμέσου αυτής και κατανέμεται σχεδόν ομοιόμορφα στην κύρια μάζα του προσροφητή. Και για την προσρόφηση και για την απορόφηση χρησιμοποιείται ο γενικότερος όρος ρόφηση.

Ένας πολικός προσροφητής προσροφά ισχυρότερα πολικές ουσίες και αντίστροφα. Δηλαδή, οι πολικές ουσίες προσροφούνται με ισχυρές δυνάμεις από πολικούς προσροφητές και με ασθενείς από μη πολικούς .

Η προσρόφηση των μορίων μιας ουσίας σε στερεές επιφάνειες μπορεί να διαιρεθεί σε δύο κατηγορίες: (α) Στη φυσική προσρόφηση και (β) στη χημειορρόφηση. Η φυσική προσρόφηση αποδίδεται σε δυνάμεις Van der Waals και η χημειορρόφηση σε δυνάμεις χημικού δεσμού .

Η προσρόφηση από διαλύματα είναι στις περισσότερες περιπτώσεις φυσική χωρίς βέβαια να αποκλείεται και η χημειορόφηση.

Κατά τη φυσική προσρόφηση,όταν επικρατεί υψηλή πίεση και θερμοκρασία (περίπου 77 κ) σχηματίζεται πολυστρωματική προσρόφηση πάνω στην επιφάνεια.Αντιθέτως,κατά τη χημική προσρόφηση από διάλυμα εμφανίζεται μονοστρωματική προσρόφηση κατά την οποία η ποσότητα της προσροφημένης

ουσίας λαμβάνει μια μέγιστη τιμή και παραμένει σταθερή με περαιτέρω αύξηση της συγκέντρωσης.

Η ποσότητα προσροφημένης ουσίας ανά γραμμάριο στερεού εξαρτάται από την ειδική επιφάνεια του στερεού, από τη θερμοκρασία, από τη φύση της προσροφούμενης ουσίας και του προσροφητή.

Σε πολλά συστήματα μπορεί να εφαρμοσθεί, μια θεωρία που αναπτύχθηκε από τον Langmuir. Αυτή η θεωρία περιορίζεται στις περιπτώσεις όπου μόνο ένα στρώμα μορίων έχει προσροφηθεί στην επιφάνεια.Η μονοστρωματική προσρόφηση χαρακτηρίζεται από το γεγονός, ότι η ποσότητα της προσροφημένης ουσίας, λαμβάνει μια μέγιστη τιμή και παραμένει σταθερή με την επιπλέον αύξηση της συγκέντρωσης.Θα δώσουμε στη συνέχεια, μια μορφή της ισόθερμης Langmuir κατάλληλη για εφαρμογή στην προσρόφηση από διάλυμα :

Θ = Κc / ( 1 + Kc )

όπου θ είναι το κλάσμα της στερεής επιφάνειας που καλύπτεται από προσροφημένα μόρια, ενώ Κ είναι μια σταθερά που εξαρτάται από την θερμοκρασία.

Δηλαδή Θ = Ν / Νm όπου Ν είναι οαριθμός των προσροφημένων μορίων ανά γραμμάριο στερεού σε κατάσταση ισορροπίας, με συγκέντρωση διαλυμένης ουσίας C, και Νm είναι ο αριθμός των μοριων ανά γραμμάριο, όπου απαιτείται , για το σχηματισμό μονοστρώματος. Κάνοντας αντικατάσταση στη προηγούμενη εξίσωση παίρνουμε τελικά :

c/N = c/Nm + 1/K Nm (1)

Αν το σ(εμβαδόν που καλύπτεται από ένα προσροφημένο μόριο στην επιφάνεια) είναι γνωστό, η ειδική επιφάνεια Α δίνεται από την σχέση :

Α = Νm σ 10-20 (2)

όπου ΝΑ είναι ο αριθμός του Avogandro, ενώ το σ δίνεται σε τετραγωνικά Angstrom.

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ :

Α) ΧΗΜΙΚΕΣ ΟΥΣΙΕΣ , ΣΥΣΚΕΥΕΣ , ΟΡΓΑΝΑ

Αναλυτικός ζυγός

Φασματοφωτόμετρο υπεριώδους – ορατού

Μαγνητικός αναδευτήρας

Περίπου 3.7g Al2O3 ( 4 δείγματα )

Τέσσερα πρότυπα διαλύματα φωσφορικών με συγκεντρώσεις 3x10-4 Μ , 4x10-4 Μ, 5x10-4 Μ, 7.10-4 Μ

Τυφλό διάλυμα

Εμφανιστικό διάλυμα φωσφορικών

Σιφώνια , κωνικές φιάλες , ποτήρια ζέσεως, μαγνητάκια

Σύριγγα , φιλτράκι

Β) ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΠΟΡΕΙΑ:

Τοποθετούμε 0,9g Al2O3 ζυγισμένα με ακρίβεια στις κωνικές φιάλες. Προσθέτουμε σε κάθε μία από τις φιάλες 100ml φωσφορικό διάλυμα με συγκέντρωση3x10-4 Μ , 4x10-4 Μ, 5x10-4 Μ, 7.10-4 Μ και από ένα μαγνητάκι. Για 30 λεπτά αναδεύουμε τις φιάλες εναλλάξ μέσω του μαγνητικού αναδευτήρα, μέχρι να επιτευχθεί ισορροπία

Τοποθετούμε σε 4 κυψελίδες από 5 ml εμφανιστικού διαλύματος και από 1 ml του εκάστοτε φωσφωρικού.

Μετράμε την οπτική πυκνότητα σε μήκος κύματος 435nm. Τοποθετούμε σε 4 κυψελίδες από 5 ml εμφανιστικού διαλύματος και από 1 ml

καθεμίας παρασκευασμένης ουσίας Μετράμε την οπτική πυκνότητα σε μήκος κύματος 435nm.

ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ – ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Αρχικά λάβαμε απορροφήσεις για τα 4 διαλύματα που περιείχαν 5 ml εμφανιστικό και 1 ml φωσφορικό. Κατασκευάζουμε τον πίνακα 1 με τις συγκεντρώσεις των φωσφορικών και τις μετρήσεις της απορρόφησης, Α. (αφού οι όγκοι των φωσφορικών και του εμφανιστικού είναι παντού ίδιοι σε όλες τις μετρήσεις, δεν χρειάζεται να διορθώσουμε τις τιμές των συγκεντρώσεων οι οποίες στην πραγματικότητα μεταβάλλονται από τον όγκο του εμφανιστικού).

a/a Cαρχ (M) Aαρχ

1 3 x 10-4 0.1202 4 x 10-4 0.1413 5 x 10-4 0.1604 7 x 10-4 0.203

Από το νόμο του Beer έχουμε ότι Α=εbC. Για τις παρασκευασθείσες ουσίες έχουμε την απορρόφηση και ψάχνουμε τη συγκέντρωση. Γιατί, όμως, δεν γνωρίζουμε το ε και το b,θα κατασκευάσουμε τη γραφική παράσταση 1 της απορρόφησης έναντι της συγκέντρωσης.

Η εξίσωση που παίρνουμε από την ευθεία της γραφικής απεικόνισης είναι της μορφής y=ax+b και συγκεκριμένα είναι:

Α = 206.85714 C + 0.0577

1. Θα υπολογίσουμε λοιπόν το Cτελ από τη σχέση Cτελ = (Ατελ – 0.05774)/206.85714

2. Θα υπολογίσουμε το Δc = Cαρχ -Cτελ

3. Από τη σχέση Δc x NA /mAl2O3 = N θα υπολογίσουμε τον αριθμό των προσροφημένων μορίων ανά γραμμάριο στερεού. (ΝΑ = 6.023 x 1023

mol-1)4. Ύστερα υπολογίζουμε τον όρο c/N όπου c = cτελ

Πίνακας 2: Περιέχει τις απορροφήσεις των παρασκευασθέντων διαλυμάτων μαζί με το εμφανιστικό διάλυμα, τις συγκεντρώσεις των παρασκευασθέντων διαλυμάτων (Cτελ), τις μάζες της Αλουμίνας , τη

διαφορά των συγκεντρώσεων Δc, τον αριθμό των προσροφημένων μορίων ανά γραμμάριο στερεού,Ν και τον όρο c/Ν.

Γραφική Παράσταση 2: Ο αριθμός των προσροφημένων μορίων ανά γραμμάριο στερεού , Ν προς τη συγκέντρωση της ισορροπίας του παρασκευασθέντος διαλύματος , Cτελ.

Θα κατασκευάσουμε τη γραφική παράσταση 3 ώστε να μπορέσουμε να υπολογίσουμε τον αριθμό των μορίων ανά γραμμάριο , που απαιτείται, για το

Α/Α mAl2O3(g)

Aτελ Cτελ(M) Δc (M) N(μόρια/g) c/N

1 0.941 0.090

1.56 x10-4 1.44 x 10-

49.22 x 1019 1.69x10-24

2 0.924 0.115

2.77 x 10-

41.23 x 10-

48.02 x 1019 3.45x10-24

3 0.911 0.144

4.17 x 10-

40.83x 10-4 5.49 x 1019 7.60x10-24

4 0.906 0.184

6.10 x 10-

40.90 x 10-

45.98 x 1019 1.02x10-23

σχηματισμό μονοστρώματος, Νm. Αυτό θα το επιτύχουμε συγκρίνοντας την ευθεία που θα μας δώσει η γραφική παράσταση με τη σχέση (1).

Γραφική Παράσταση 3: Γραφική απεικόνιση του όρου c/N έναντι του C.

Η εξίσωση της ευθείας που λαμβάνουμε είναι της μορφής y = ax + b και πιο συγκεκριμένα c/N = 1.96x10-20 C – 1.42x10-24 συγκρίνοντας με τη σχέση (1) (c/N = c/Nm + 1/K Nm)

Έχουμε ότι 1/Νm = 1.96x10-20 Nm = 5.10 x 1019 μόρια/g

Μας δίνεται ότι η ειδική επιφάνεια Α είναι: A=111.3 m2/g

Σχέση (2): A = Nm x σ x 10-18 (με το σ να δίνεται σε τετραγωνικά νανόμετρα)

Λύνουμε ως προς σ:

σ = Α/Νm x 10-18 = ( 111.3 / 5.10 x 1019 x 10-18) nm2

σ = 2.18 nm2

Βιβλιογραφική τιμή σ για τα φωσφορικά : σ = 0.26 nm2

To σφάλμα της μέτρησης μας είναι αρκετά μεγάλο και δεν έχει νόημα να το υπολογίσουμε...

ΣΧΟΛΙΑ – ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ

1. Την φωτομέτρηση την χρησιμοποιούμε για να υπολογίσουμε συγκέντρωση διαλυμάτων (νόμος Beer).

2. Προσθέτουμε εμφανιστικό διάλυμα στα διαλύματα που θα μετρήσουμε την απορρόφηση τους, γιατί αυτά αρχικά είναι άχρωμα και σε λ=435 nm δε μπορούμε να μετρήσουμε απορρόφηση. Το εμφανιστικό δημιουργεί έγχρωμα σύμπλοκα με τα φωσφορικά, άρα όσα είναι τα σύμπλοκα είναι και τα φωσφορικά.

3. Το σφάλμα που προέκυψε είναι αρκετά μεγάλο και πιθανώς οφείλεται σε κακή μέτρηση του Α ή/και λανθασμένους υπολογισμούς.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

Δρ . Ε . Ντάλας - Δρ . Α . Χρυσανθό π ουλος , “ Εργαστηριακές Ασκήσεις Φυσικοχημείας Ι V ” , Πάτρα 2011 , Σελ .62-65

Φυσικοχημεία , Γεώργιος Σ . Καραισκάκης , Πατρα 1998. Σελ 391-393, 403-404, 508-509

Ενόργανη Ανάλυση , Θ . Π . Χατζηιωάννου – Μ . Α . Κού ππ αρη , εκδόσεις Πανε π ιστημίου Αθηνών , Αθήνα 2010, σελ . 171-173

www.en.wikipedia.com\adsorption