ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕΙΑΣ IV

ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ:Αφροδίτη Χριστοδούλου,Δήμητρα Τσάμη Α.Μ:1885,1900

ΤΙΤΛΟΣ ΑΣΚΗΣΗΣ: Προσρόφηση από διαλύματα

ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΔΙΕΞΑΓΩΓΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ:12/11/03

ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ:03/12/03

ΣΚΟΠΟΣ ΑΣΚΗΣΗΣ

Στην άσκηση αυτή θα μελετήσουμε την προσρόφηση φωσφορικών μορίων πάνω σε επιφάνεια στερεού που σ’αυτή τη περίπτωση ήταν το Al2O3. Στους υπολογισμούς θα βρούμε την επιφάνεια που καλύπτεται από τη προσροφημένη ουσία, ανά γραμμάριο στερεού. ΘΕΩΡΙΑ

Η προσρόφηση των συστατικών ενός διαλύματος από ένα στερεό είναι χρήσιμη όταν επιδιώκουμε τροποποίηση μιας στερεάς επιφάνειας ή όταν θέλουμε να αφαιρέσουμε ανεπιθύμητες ουσίες από ένα διάλυμα. Η προσρόφηση χωρίζεται σε δύο τύπους. Στη φυσική ρόφηση και στη χημειορόφηση. Η φυσική ρόφηση χαρακτηρίζεται από χαμηλή ενέργεια προσρόφησης και οφείλεται στις ασθενέστερες δυνάμεις τύπου van der Waals, δεν είναι εξειδικευμένη και μπορεί να συμβεί σε οποιοδήποτε σύστημα σε μέτριες θερμοκρασίες. 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. Στη φυσική προσρόφηση αερίου πάνω σε silica gel, o σχηματισμός πολυστρωματικής προσρόφησης πάνω στην επιφάνεια είναι κάτι το συνηθισμένο όταν η πίεση είναι ψηλή και η θερμοκρασία περίπου 77 k. Σαν χημειορόφηση χαρακτηρίζεται η προσρόφηση ιόντων πάνω σε επιφάνεια χλωριούχου αργύρου και η προσρόφηση αέριου οξυγόνου πάνω σε μέταλλα όπου δημιουργούνται δεσμοί O2-μετάλλου. Στη χημική προσρόφηση από αέρια φάση ή από διάλυμα εμφανίζεται συνήθως μονοστρωματική προσρόφηση. Η μονοσρωματική προσρόφηση χαρακτηρίζεται από το γεγονός ότι η ποσότητα της προσροφημένης ουσίας λαμβάνει μια μέγιστη τιμή και παραμένει σταθερή με την επιπλέον αύξηση της συγκέντρωσης. Η χημειορόφηση σαν φαινόμενο είναι εξαιρετικά εξειδικευμένο και εξαρτάται από την προσροφούμενη ουσία, όσο και από τον προσροφητή.

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ

Συσκευές και Όργανα

1 ποτήρι ζέσεως 250 ml7 ποτήρια ζέσεως 10 ml6 κωνικές φιάλες 250 mlΣιφώνια των 50,20 και 10 ml1 σύριγγα με βελόνα και φίλτροΑναλυτικός ζυγόςΦασματοφωτόμετρο υπεριώδους-ορατού

Πορεία

1. Τοποθετούμε 0,5g Al2O3 ζυγισμένα με ακρίβεια στις κωνικές φιάλες. Προσθέτουμε σε κάθε μία από τις φιάλες 120ml φωσφορικό διάλυμα με συγκέντρωση 1.10 ,3.10 ,5.10 ,6.10 ,7.10 ,1.10 M. Για 30 λεπτά ανακινούμε τις φιάλες περιοδικά μέχρι να επιτευχθεί η ισορροπία.

2. Φτιάχνουμε “τυφλό” (blank) διάλυμα που θα περιέχει 4ml τυφλό και 4ml εμφανισιακό.

3. Πριν τη φωτομέτρηση αραιώνουμε τα διαλύματα με νερό και προσθέτουμε εμφανισιακό(διάλυμα βαναδομολυβδαινικών) σύμφωνα με τις ποσότητες που μας έχουν δοθεί και αφήνουμε την αντίδραση για λίγο να ολοκληρωθεί.

4. Μετράμε την οπτική πυκνότητα σε μήκος κύματος 315nm.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ-ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ

Υπολογίζουμε την συγκέντρωση του αραιωμένου διαλύματος (τελικού) από το νόμο του Beer. Ο νόμος του Beer είναι: A=11657,57023C

ΠΙΝΑΚΑΣ 1 : Περιέχει τις τιμές της συγκέντρωσης των πρότυπων διαλυμάτων, την μάζα της Al2O3 του κάθε δείγματος, την απορρόφηση που μετρήσαμε για κάθε διάλυμα, τον όγκο του υπερκείμενου που χρησιμοποιήσαμε, τον όγκο του νερού, τον όγκο του εμφανιστικού καθώς και τη συγκέντρωση του τελικού διαλύματος.

Α/Α Cαρχ(mol/L) mAl2O3(g) A Vυπερ(ml) VH2O(ml) Vεμφ(ml) Cτελ(mol/L)1 1.10^-4 0,505 0,963 4 - 4 8,261.10^-52 3.10^-4 0,502 0,523 2 2 4 4,486.10^-53 5.10^-4 0,506 0,640 1 4 5 5,490.10^-54 6.10^-4 0,508 1,074 1 4 5 9,213.10^-55 7.10^-4 0,501 0,902 1 6 7 7,738.10^-56 1.10^-3 0,507 0,921 1 9 10 7,900.10^-5

Βρίσκουμε και την συγκέντρωση του διαλύματος πριν την αραίωση από το νόμο της αραίωσης : CισVυπερ=Cτελ Vτελ

Όπου Vτελ είναι ο όγκος του υπερκείμενου, του νερού και του εμφανιστικού. Η συγκέντρωση ανάγεται στα 120ml. Ισχύει ότι τα mole PO4^-3 που βρίσκονται στο αραιωμένο είναι ίσα με αυτα που περιέχονται στο διάλυμα πριν από την αραίωση. Οπότε τα nτελ είναι nτελ=[Cτελ120(ml)]/1000(ml)

Τα nαρχ τα βρίσκουμε από τα πρότυπα διαλύματα. Άρα

nαρχ=[Cαρχ120ml]/1000ml

Και το Δn=|nτελ-nαρχ|

Τα μόρια (Ν) που περιέχονται ανά γραμμάριο προσροφητή θα δίνονται από τη σχέση:

N=(ΔnNA)/mAl2O3

Όπου Δn είναι τα moles που βρίσκονται στην επιφάνεια του προσροφητή, ΝΑ ο αριθμός Avogadro (6,023.10^23mol^-1). Τα αποτελέσματα φαίνονται σε πίνακα.

ΠΙΝΑΚΑΣ 2 : Περιέχει τις τιμές των συγκεντρώσεων ισορροπίας, των αρχικών mol, των τελικών mol, των mol που βρίσκονται στην επιφάνεια του προσροφητή και τις τιμές προσροφηθέντων μορίων ανά γραμμάριο.

Α/A Cισ(mol/120ml) nαρχ(mol) nτελ(mol) Δn (mol) N(μόρια/g) 1 1,982.10^-5 1,2.10^-5 9,913.10^-6 2,087.10^-6 2,49.10^18 2 2,153.10^-5 3,6.10^-5 5,383.10^-6 3,062.10^-5 3,67.10^19 3 6,588.10^-5 6.10^-5 6,588.10^-6 5,341.10^-5 6,36.10^19 4 1,106.10^-4 7,2.10^-5 1,106.10^-5 6,094.10^-5 7,23.10^19 5 1,300.10^-4 8,4.10^-5 9,286.10^-6 7,471.10^-5 8,98.10^19 6 1,896.10^-4 12.10^-5 9,480.10^-6 1,105.10^-4 1,31.10^20

ΣΧΗΜΑ 1 : Γραφική παράσταση του αριθμού των μορίων ανά γραμμάριο προσροφητή έναντι της συγκέντρωσης ισορροπίας φωσφορικών(της τελικής).

ΣΧΗΜΑ 2 : Γραφική παράσταση του c/N έναντι του N , από όπου θα υπολογιστεί το Nm.

Linear Regression for Data1_B:Y = A + B * X

Parameter Value Error------------------------------------------------------------A 2.93416E-24 --B 1.05828E-20 2.61809E-22------------------------------------------------------------

Η εξίσωση της ευθείας από τη γραφική παράσταση είναι Y=1,05828E-20X. H κλίση της ευθείας είναι ίση με το 1/Nm και έτσι υπολογίζουμε το Nm. Έχουμε ότι 1/Nm=1,05828E-20 »»»Nm=9,4493E19 μόρια/g

Τώρα με βάση το τύπο A=Nm.NA.σ.10^-20 και με δεδομένο ότι Α=200m^2/g βρίσκουμε το σπειρ. Και έχουμε ότι σπειρ=3,514E-22 Α.

Άρα η συνολική επιφάνεια προσροφημένων μορίων ανά γραμμάριο στερεού είναι σολ=σπειρ.Nm. Έτσι προκύπτει σολ=0,033nm. Aλλά από τη θεωρία έχουμε ότι σ=0,26nm. Άρα το σφαλμα είναι [|σθεωρ-σπειρ|/σθεωρ].100%=87,3%

ΣΧΟΛΙΑ

Προσθέτουμε εμφανιστικό στα διαλύματα γιατί τα PO4^-3 δεν απορροφούν σε 315nm ενώ το σύμπλοκο που δημιουργείται απορροφά. Για το λόγο αυτο τα σύμπλοκα ειναι όσα και τα φωσφορικά. Το μεγάλο σφάλμα πιθανό να οφείλεται σε λανθασμένες αραιώσεις και λανθασμένους υπολογοσμούς. Απορρίπτουμε τις μετρήσεις που αποκλίνουν πολύ στη γραφική παράσταση, εμείς απορρίψαμε δύο μετρήσεις.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ

1. Ειδική επιφάνεια : Ειδική επιφάνεια (SSA) ορίζεταο σαν ο λόγος της συνολικης επιφάνειας προς τη μάζα ενός υλικού.Αν το υλικό αποτελείται από n σωματίδια : SSA=S ολική/m=n4πR^2/n4/3πR^3ρ. H σχέση αυτή δείχνει ότι η ειδική επιφάνεια του υλικου που αποτελείται από σφαιρικά σωματίδια είναι αντιστρόφως ανάλογη της ακτίνας των σφαιρικών σωματιδίων. Η ειδική επιφάνεια έχει ιδιαιτερη σημασια αφου μπορεί να μετρηθεί πειραματικά με μονοστοιβαδική προσρόφηση N2 ή Κr.

2. Κ : Ονομάζεται συντελεστής ρόφησης ή σταθερα ισορροπίας ροφησης.

K = ka / kd , Όπου ka : Κινητικός συντελεστής ρόφησης kd : Κινητικός συντελεστής εκρόφησης

3. Πώς εξαρτάται η προσρόφηση από τη θερμοκρασία?

Η προσρόφηση ελαττώνεται εκθετικά με τη θερμοκρασία αλλά σε σταθερή θερμοκρασία δεν επηρεάζεται.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

Φυσικοχημεία,Ε.Ντάλας,Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών 2001, σελ138-139,160-164.

Εργαστήριο φυσικοχημείας IV, Ε.Ντάλας, Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών 2002