Báo cáo thí nghiệm môn học thí nghiệm hóa lý bài 3 hấp phụ trên bề mặt rắn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC-THỰC PHẨM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN HỌC: THÍ NGHIỆM HÓA LÝ BÀI 3: HẤP PHỤ TRÊN BỀ MẶT RẮN Ngày thí nghiệm: 26/02/2024 ĐIỂM CHỮ KÝ GVHD Lớp: 221281B Nhóm: 2 Tên: Ngô Đăng Khoa MSSV: 22128139 Tên: Lê Trung Kiên MSSV: 22128142 I YÊU CẦU - Phân biệt được hấp phụ với hấp thụ và trình bày được phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich - Trình bày được nguyên tắc và xác định được bằng thực nghiệm lượng chất bị hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ - Dựng được các đường hấp phụ và xác định được các hệ số trong phương trình Langmuir và phương trình Freundlich II LÝ THUYẾT Những vật có bề mặt tiếp xúc lớn với pha khí hay pha lỏng thường có khả năng thu hút các chất khí hay chất tan trong pha lỏng Nếu sự thu hút đó chi xảy ra trên bề mặt của vật thì gọi là sự hấp phụ Ví dụ, khi cho than hoạt tính vào dung dịch acid axetic CH3COOH thì một số phân tử acid axetic sẽ tập trung (bị hấp phụ) lên trên bề mặt cùa than hoạt tính Than hoạt tính được gọi là chất hấp phụ, acid axetic là chất bị hấp phụ, nước là môi trường trong đó sự hấp phụ xảy ra Bằng cách đo nồng độ acid axetic trong nước trước và sau khi hấp phụ, biết khối lượng chất hấp phụ m gam ta có thể biết được lượng acid axetic đã bị hấp phụ trên bề mặt 1 gam than hoạt tính Có nhiều phương trình thực nghiệm hoặc lí thuyết đã đuợc đưa ra để mô tả sự hấp phụ đẳng nhiệt Ở đây nêu ra một số phương trình hay gặp: 1 Phương trình Langmuir Đây là phương trình có chứng minh lí thuyết dựa vào việc nghiên cứu động học cùa sự hấp phụ Phương trình này được rút ra từ giả thiết về sự hấp phụ đơn lớp; bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất; không có sự tương tác giữa các phân tử sau khi bị hấp phụ Phương trình có dạng:   A  KLC A Amax  KLC Amax 1 KLC hay 1 KLC (1) A là lượng chất bị hấp phụ bởi một gam chất hấp phụ (mol/g) C là nồng độ chất bị hấp phụ trong môi trường lúc đạt cân bằng hấp phụ (mol/L) Amax là hằng số, có ý nghĩa là lượng chất có thể bị hấp phụ tối đa trên 1 g chất hấp phụ (mol/g) KL là hằng số Langmuir (L/mol) Phân tích phương trình Langmuir: Phương trình (1) có thể viết dưới dạng: A Amax C 1 Amax C C  a C KL (2) Trong đó 1/KL được thay bằng a, là một hằng số Nếu Ca thì (2) chuyển thành: A = Amax (2b) nghĩa là đại lượng hấp phụ là một hằng số: khi đó đường biểu diễn (ở vùng nồng độ lớn) là một đường thẳng song song với trục hoành Ở các nồng độ C trung gian, đường biểu diễn là một đoạn đường cong Đường biểu diễn (hình 1) có tên là đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir (vì thí nghiệm tiến hành ở một nhiệt độ nhất định) Để tìm các hằng số trong phương trình Lăngmua, người ta dùng phương pháp đồ thị Muốn vậy ta biểu diễn phương trình (1) dưới dạng khác: C 1  C A Amaxa Amax Theo phuơng trình này C/A phụ thuộc bậc nhất vào C Phương trình hồi quy tuyến tính C/A = f(C) có dạng y = mx + n, trong đó hệ số góc m =1/Amax và đoạn chắn n = 1/(a.Amax) Hình 2 Đồ thị để tìm các hằng số trong phương trình Langmuir 2 Phương trình Freundlich: Đây là phương trình thực nghiệm áp dụng cho sự hấp phụ khí hoặc chất tan lên chất hấp phụ rắn: A KC (4) trong đó: A là lượng chất bị hấp phụ bởi một gram chất hấp phụ (mol/g) C là nồng độ chất bị hấp phụ trong môi trường khi đã đạt cân bằng hấp phụ (mol/L) K và α đều là hằng số tại một nhiệt độ nhất định, α thường bé hơn 1 Ở nồng độ cao, α = 0, tức A = K, nghĩa là chất hấp phụ bị bão hòa chất bị hấp phụ và không thể hấp phụ thêm nữa dù có tăng thêm nồng độ - Phân tích phương trình Freundlich Vì α < 1 nên đường biểu diễn của phương trình (4) là một nhánh của đường parabol và được gọi là đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich Đường này khác đường Langmuir ở chỗ ở vùng nồng độ thấp đường biểu diễn không phải là đường thẳng đi qua gốc của toạ độ và ở vùng nồng độ cao, đường biểu diễn không đạt cực đại mà có xu hướng đi lên mãi, đó là nhược điểm của phương trình Frendlich Ở vùng nồng độ trung bình, hai đường biểu diễn giống nhau Hình 3 Đường hấp phụ acid propionic trên than hoạt tính Hình 3 biểu diễn đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich của acid propionic trên than hoạt tính Ta thấy từ điểm M, đường biểu diễn phân ra hai nhánh: Đoạn MB là đoạn tính trực tiếp từ phương trinh ( 4 ) còn MC là đoạn vẽ theo thực nghiệm Để cho đường hấp phụ mô tả đúng phương trinh (4) cần giả thiết α không phải là hằng số mà là hàm số của nồng độ Ở nồng độ thấp α = 1, khi đó ta sẽ có: A = KC (5) Còn ở nồng độ cao hơn thì α = 0, khi đó sẽ có A = K (6) Và như vậy ta thấy (5) giống (2a) và (6) giống (2b) Để tính các hằng số trong phương trình Frendlich, người ta cũng dùng phương pháp đồ thị Phương trình Frendlich có thể viết dưới dạng: lgA = lgK + αlgC (7) Hình 4 Đồ thị để tìm các hằng số trong phương trình Freunlich Như vậy lgA tỉ lệ bậc nhất với lgC Đường hồi quy tuyến tính lgA = f(lgC) có dạng y = mx + n, trong đó hệ số góc m = α và đoạn chắn n = lgK III THỰC NGHIỆM 1 DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT Dụng cụ Số lượng Hóa chất Số lượng Buret 25 mL 3 CH3COOH 1M 1L Bình định mức 100 mL 1 Acid oxalic rắn Ống đong 100 mL 3 NaOH rắn Pipet 10 mL 7 Dung dịch chỉ thị Bình tam giác 250 mL 6 phenolphthalein Bình tam giác 100 mL 3 Cốc 100 mL 6 Chai đựng hóa chất NaOH 1 Phễu lọc 6 Cốc đựng dung dịch thải 1 2 THÍ NGHIỆM Từ dung dịch CH3COOH 1N có sẵn, pha 100 mL mỗi dung dịch có nồng độ gần đúng sau đây trong cốc: 0,025N; 0,05N; 0,1N; 0,2N; 0,4N; 0,5N Dùng pipet lấy chính xác 50 mL mỗi dung dịch trên cho vào một bình tam giác 250 mL rồi cân 6 mẫu than hoạt tính, mỗi mẫu 1 gam (lấy 5 chữ số có nghĩa), cho vào mỗi bình tam giác Lắc 5 phút rồi để yên, và cứ khoảng 10 phút thì lắc để hỗn hợp được đều Trong khi quá trình hấp phụ đang diễn ra thì pha dung dịch chuẩn acid oxalic 0,05 N từ acid rắn, pha dung dịch NaOH khoảng 0,05 N từ chất rắn Dùng dung dịch acid oxalic chuẩn để chuẩn độ lại dung dịch NaOH rồi dùng dung dịch NaOH này chuẩn độ lại các dung dịch trên với chỉ thị phenolphtalein và ghi lấy các nồng độ chính xác Chú ý: dùng cùng một pipet để lấy một dung dịch vào bình tam giác và lấy để chuẩn độ Lọc lấy phần dung dịch rồi chuẩn độ lại (hai lần) nồng độ acid acetic còn lại trong dung dịch Chú ý Khi chuẩn độ (cả hai lần) nên lấy dung dịch 1; 2: 20mL, dung dịch 3: l0mL, dung dịch 4: 5 mL, dung dịch 5; 6: 2 mL; thêm nước cất cho đủ 20 mL (từ dung dịch 3 trở đi) rồi mới chuẩn độ Kết quả bằng trung bình cộng hai lần chuẩn (chênh lệch phải < 3%) IV KẾT QUẢ 4.1 Chuẩn độ 20ml NaOH bằng C2H2O4 0,05 N STT V acid oxalic VNaOH V1 19.1 20 V2 19.5 20 VTB NaOH 19.3 20 Bảng giá trị khi dùng dung dịch acid oxalic chuẩn để chuẩn độ dung dịch NaOH CN (NaOH)= 0.0502× 19.3 20 = 0.04825 N 4.2) Chuẩn độ CH3COOH không có than hoạt tính bằng dung dịch NaOH trên: STT 1 2 3 4 5 6 VCH3COOH ban 20 20 10 5 2 2 đầu VNaOH lần 1 10.45 18.5 20.4 20.3 15.5 20.2 VNaOH lần 2 10.3 19.2 20.1 20.5 15.6 20.35 VNaOH trung 10.38 18.85 20.25 20.4 15.55 20.275 bình CN 0.0251 0.0456 0.0977 0.1968 0.3751 0.4891 (CH3COOH ) Bảng giá trị chuẩn độ CH3COOH ( không có than hoạt tính ) bằng dung dịch NaOH Với CN (CH3COOH) = Cn( NaOH )∗V ( NaOH )trung bình V (CH 3 COOH )ban đầu 4.3) Chuẩn độ CH3COOH có than hoạt tính bằng dung dịch NaOH trên: STT 1 2 3 4 5 6 2 VCH3COOH ban 20 20 10 5 2 19.2 đầu 18.75 18.98 VNaOH lần 1 8.2 16.3 16.2 17.0 14.1 0.4593 VNaOH lần 2 8.6 16.6 16.2 17.2 14.5 NaOH VNaOH trung 8.4 16.45 16.2 17.1 14.3 bình CN 0.0203 0.0398 0.0784 0.1704 0.3461 (CH3COOH ) Bảng giá trị chuẩn độ CH3COOH ( có than hoạt tính ) bằng dung dịch Với CN (CH3COOH) = Cn( NaOH )∗V ( NaOH )trung bình V (CH 3 COOH )ban đầu 4.4) Số mmol acid đã bị than hoạt tính hấp phụ: x (số mmol acid đã bị hấp phụ) = (CN1 - CN2) *50 (mmol) STT 1 2 3 4 5 6 VCH3COOH 2 20 20 10 5 2 ban đầu 0.4891 CN 1 0.0251 0.0456 0.0977 0.1968 0.3751 0.4593 CN 2 0.0203 1.49 x 0.24 0.0398 0.0784 0.1704 0.3461 0.29 0.965 1.323 1.4521 Bảng số mmol acid đã bị than hoạt tính hấp phụ 4.5) Mỗi gam hấp phụ ứng với lượng A= xm (mmol/g) STT x m A 0.2402 1 0.24 0.9992 0.29 0.9647 2 0.29 0.9999 1.3227 1.4513 3 0.965 1.0003 1.4886 4 1.323 1.0002 5 1.4521 1.0005 6 1.49 1.0009 Bảng số mmol acid bị mỗi gam than hấp phụ 4.6) Ta có bảng sau: Số TT Nồng Nồng x A (mmol/ lgC lgA C/A (mmol) g) độ đầu độ sau -0.6194 0.0845 0.24 -0.5376 0.1372 (M) (M) 0.29 -0.016 0.0813 0.0203 0.965 0.1215 0.1288 1 0.0251 0.0398 1.323 0.2402 -1.6925 0.1618 0.2385 0.0784 1.4521 0.29 -1.4001 0.1732 0.3085 2 0.0456 0.1704 1.49 0.9647 -1.1057 0.3461 1.3227 -0.7685 3 0.0977 0.4593 1.4513 -0.4608 1.4886 -0.3379 4 0.1968 5 0.3751 6 0.4891 4.7) Đồ thị Langmuir: ĐỒ THỊ LANGUIR 0.35 0.3 f(x) = 0.48 x + 0.07 R² = 0.91 0.25 C/A 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 CN C 1  C Đồ thị này được biểu diễn như sau: A Amaxa Amax , Theo phuơng trình này C/A phụ thuộc bậc nhất vào C Phương trình hồi quy tuyến tính C/A = f(C) có dạng y = mx + n, trong đó hệ số góc m =1/Amax và đoạn chắn n = 1/(a.Amax) Từ đó ta suy ra được: 1 Amax = 0.4843 và 1 αAmaxAmax =¿ 0.0732 → Amax=2.065 (mmol/g), K= 1αAmax =¿0.1511 4.8) Đồ thị Freundlich: Đồ thị Freundlich 0.3 f(x) = 0.63 x + 0.49 0.2 R² = 0.87 0.1 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 0 -0.2 -0.1 Lg A -0.2 cn -0.3 -0.4 -0.5 -0.6 -0.7 LgC Phương trình Frendlich có thể viết dưới dạng: lgA = lgK + αlgC, như vậy lgA tỉ lệ bậc nhất với lgC Đường hồi quy tuyến tính lgA = f(lgC) có dạng y = mx + n, trong đó hệ số góc m = α và đoạn chắn n = lgK → αAmax= 0.6345 và lgK = 0.4903 suy ra K = 3.092 =>Từ 2 đồ thị trên ta thấy hệ số R2 chỉ sấp sỉ đến 1 Điều này là do than hoạt tính nhấp phụ không đều hoặc do kỹ thuật chuẩn độ lấy giọt cuối cùng của sinh viên bị sai 4.9) Kết hợp đồ thị và nhận xét: KẾT HỢP 3 ĐỒ THỊ 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 A Nhận xét: - Đồ thị của phương trình Langmuir gần tiến tới trục hoành (x=0) - Đồ thị của phương trình Freundlich gần tiến tới trục tung (y=0) - Đồ thị thực nghiệm là đường cong, không theo quy luật nhưng gần với phương trình Freundlich, và có xu hướng tăng nhanh hơn so với phương trình Langmuir V CÂU HỎI THẢO LUẬN: 1.Phân biệt hấp phụ và hấp thụ Cho ví dụ cụ thể - Sự khác biệt giữa hấp phụ và hấp thụ Tiêu chuẩn hấp thụ hấp phụ Sự định nghĩa Đồng hóa hệ thống Tích lũy các loại phân tử ở đáy thay vì chất lỏng hoặc phân tử trong toàn bộ chất rắn phần lớn môi trường rắn hoặc lỏng Hiện tượng Một hiện tượng số Một hiện tượng bề mặt lượng lớn Trao đổi nhiệt quá trình thu nhiệt quá trình tỏa nhiệt Nhiệt độ Nhiệt độ không có tác Bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ thấp dụng Tốc độ phản ứng Xảy ra với tốc độ Tăng đều và đạt trạng thái cân bằng đồng đều Sự tập trung Nó không đổi trong Nồng độ ở dưới cùng của chất hấp phụ khác với nồng suốt phương tiện độ ở dạng khối - VD: + Hấp phụ: các phân tử O2 tập trung liên kết trên bề mặt than hoạt tính khi tiếp xúc + Hấp thụ: hấp thụ khí CO2 vào nước có gas 2.Trình bày cách rút ra phương trình đẳng nhiệt Langmuir Ý nghĩa của các đại lượng trong phương trình này -Đây là phương trình có chứng minh lí thuyết dựa vào việc nghiên cứu động học cùa sự hấp phụ Phương trình này được rút ra từ giả thiết về sự hấp phụ đơn lớp; bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất; không có sự tương tác giữa các phân tử sau khi bị hấp phụ Phương trình có dạng:   A  KLC A Amax  KLC Amax 1 KLC hay 1 KLC (1) A là lượng chất bị hấp phụ bởi một gam chất hấp phụ (mol/g) C là nồng độ chất bị hấp phụ trong môi trường lúc đạt cân bằng hấp phụ (mol/L) tối đa trên 1 g chất Amax là hằng số, có ý nghĩa là lượng chất có thể bị hấp phụ hấp phụ = f(C) là một đường thẳng đi (mol/g) KL là hằng số Langmuir (L/mol) Phân tích phương trình Langmuir: Phương trình (1) có thể viết dưới dạng: A Amax C 1 Amax C C  a C KL (2) Trong đó 1/KL được thay bằng a, là một hằng số Nếu Ca thì (2) chuyển thành: A = Amax (2b) nghĩa là đại lượng hấp phụ là một hằng số: khi đó đường biểu diễn (ở vùng nồng độ lớn) là một đường thẳng song song với trục hoành Ở các nồng độ C trung gian, đường biểu diễn là một đoạn đường cong Đường biểu diễn (hình 1) có tên là đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir (vì thí nghiệm tiến hành ở một nhiệt độ nhất định) Để tìm các hằng số trong phương trình Lăngmua, người ta dùng phương pháp đồ thị Muốn vậy ta biểu diễn phương trình (1) dưới dạng khác: C 1  C A Amaxa Amax Theo phuơng trình này C/A phụ thuộc bậc nhất vào C Phương trình hồi quy tuyến tính C/A = f(C) có dạng y = mx + n, trong đó hệ số góc m =1/Amax và đoạn chắn n = 1/(a.Amax) Hình 2 Đồ thị để tìm các hằng số trong phương trình Langmuir 3.Trình bày cách rút ra phương trình đẳng nhiệt Freundlich Ý nghĩa của các đại lượng trong phương trình này Đây là phương trình thực nghiệm áp dụng cho sự hấp phụ khí hoặc chất tan lên chất hấp phụ rắn: A KC (4) trong đó: A là lượng chất bị hấp phụ bởi một gram chất hấp phụ (mol/g) C là nồng độ chất bị hấp phụ trong môi trường khi đã đạt cân bằng hấp phụ (mol/L) K và α đều là hằng số tại một nhiệt độ nhất định, α thường bé hơn 1 Ở nồng độ cao, α = 0, tức A = K, nghĩa là chất hấp phụ bị bão hòa chất bị hấp phụ và không thể hấp phụ thêm nữa dù có tăng thêm nồng độ - Phân tích phương trình Freundlich Vì α < 1 nên đường biểu diễn của phương trình (4) là một nhánh của đường parabol và được gọi là đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich Đường này khác đường Langmuir ở chỗ ở vùng nồng độ thấp đường biểu diễn không phải là đường thẳng đi qua gốc của toạ độ và ở vùng nồng độ cao, đường biểu diễn không đạt cực đại mà có xu hướng đi lên mãi, đó là nhược điểm của phương trình Frendlich Ở vùng nồng độ trung bình, hai đường biểu diễn giống nhau Hình 3 Đường hấp phụ acid propionic trên than hoạt tính Hình 3 biểu diễn đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich của acid propionic trên than hoạt tính Ta thấy từ điểm M, đường biểu diễn phân ra hai nhánh: Đoạn MB là đoạn tính trực tiếp từ phương trinh ( 4 ) còn MC là đoạn vẽ theo thực nghiệm Để cho đường hấp phụ mô tả đúng phương trinh (4) cần giả thiết α không phải là hằng số mà là hàm số của nồng độ Ở nồng độ thấp α = 1, khi đó ta sẽ có: A = KC (5) Còn ở nồng độ cao hơn thì α = 0, khi đó sẽ có A = K (6) Và như vậy ta thấy (5) giống (2a) và (6) giống (2b) Để tính các hằng số trong phương trình Frendlich, người ta cũng dùng phương pháp đồ thị Phương trình Frendlich có thể viết dưới dạng: lgA = lgK + αlgC (7) Hình 4 Đồ thị để tìm các hằng số trong phương trình Freunlich Như vậy lgA tỉ lệ bậc nhất với lgC Đường hồi quy tuyến tính lgA = f(lgC) có dạng y = mx + n, trong đó hệ số góc m = α và đoạn chắn n = lgK