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

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN HỌC: THÍ NGHIỆM HÓA LÝ BÀI 3: HẤP PHỤ TRÊN BỀ MẶT RẮN Ngày thí nghiệm: 26/02/2024 Lớp: 221281B Nhóm: 2 Tên: Ngô Đăng Khoa MSSV: 22128139 Tên: Lê Trung Kiên MSSV:

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

Lớp: 221281B Nhóm: 2

Tên: Ngô Đăng Khoa MSSV: 22128139

Tên: Lê Trung Kiên MSSV: 22128142

- 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

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

ĐIỂM

CHỮ KÝ GVHD

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:

max 1

L L

K C

A

A K C

  

 hay max 1

L L

K C

A A

K C

 

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:

L

A A A

C a C

K





(2) Trong đó 1/KL được thay bằng a, là một hằng số

Nếu C<<a, tức nồng độ C rất bé thì (2) có thể viết:

max

C

A A

a



(2a) Nghĩa là đại lượng A tỉ lệ bậc nhất theo C Đường biểu diễn A = f(C) là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ (hình 1)

Hình 1 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir

Nếu C>>a 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:

1

AA a A

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

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:

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

Buret 25 mL

Bình định mức 100 mL

Ống đong 100 mL

Pipet 10 mL

Bình tam giác 250 mL

Bình tam giác 100 mL

Cốc 100 mL

Chai đựng hóa chất NaOH

Phễu lọc

Cốc đựng dung dịch thải

3 1 3 7 6 3 6 1 6 1

CH3COOH 1M Acid oxalic rắn NaOH rắn Dung dịch chỉ thị phenolphthalein

1L

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

Bảng giá trị khi dùng dung dịch acid oxalic chuẩn để chuẩn độ dung dịch NaOH

CN (NaOH)=0.0502× 19.320 = 0.04825 N

4.2) Chuẩn độ CH3COOH không có than hoạt tính bằng dung dịch NaOH trên:

VCH3COOH ban

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

bình

10.38 18.85 20.25 20.4 15.55 20.275

CN

(CH3COOH

)

0.0251 0.0456 0.0977 0.1968 0.3751 0.4891

Bảng giá trị chuẩn độ CH 3 COOH ( 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:

VCH3COOH ban

đầu

VNaOH lần 1 8.2 16.3 16.2 17.0 14.1 19.2

VNaOH lần 2 8.6 16.6 16.2 17.2 14.5 18.75

VNaOH trung

bình

CN

(CH3COOH

)

0.0203 0.0398 0.0784 0.1704 0.3461 0.4593

Bảng giá trị chuẩn độ CH3COOH ( có than hoạt tính ) bằng dung dịch NaOH

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)

VCH3COOH

ban đầu

CN 1 0.0251 0.0456 0.0977 0.1968 0.3751 0.4891

CN 2 0.0203 0.0398 0.0784 0.1704 0.3461 0.4593

Bảng số mmol acid đã bị than hoạt tính hấp phụ

4.5) Mỗi gam hấp phụ ứng với lượng A=x

m (mmol/g)

Bảng số mmol acid bị mỗi gam than hấp phụ

4.6) Ta có bảng sau:

Số TT Nồng

độ đầu

(M)

Nồng

độ sau (M)

x (mmol)

A (mmol/

g)

1 0.0251 0.0203 0.24 0.2402 -1.6925 -0.6194 0.0845

2 0.0456 0.0398 0.29 0.29 -1.4001 -0.5376 0.1372

3 0.0977 0.0784 0.965 0.9647 -1.1057 -0.016 0.0813

4 0.1968 0.1704 1.323 1.3227 -0.7685 0.1215 0.1288

5 0.3751 0.3461 1.4521 1.4513 -0.4608 0.1618 0.2385

6 0.4891 0.4593 1.49 1.4886 -0.3379 0.1732 0.3085

4.7) Đồ thị Langmuir:

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

f(x) = 0.48 x + 0.07 R² = 0.91

ĐỒ THỊ LANGUIR

CN

Đồ thị này được biểu diễn như sau: max max

1

A A a A , 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:

-1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2

-0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2

0.3 f(x) = 0.63 x + 0.49

R² = 0.87

Đồ thị Freundlich

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 R 2 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:

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

KẾT HỢP 3 ĐỒ THỊ

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 phân tử trong toàn bộ phần lớn môi trường rắn hoặc lỏng

Tích lũy các loại phân tử ở đáy thay vì chất lỏng hoặc chất rắn

Hiện tượng Một hiện tượng số

lượng lớn Một hiện tượng bề mặt.

Trao đổi nhiệt quá trình thu nhiệt quá trình tỏa nhiệt

Nhiệt độ Nhiệt độ không có tác

dụng Bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ thấp

Tốc độ phản ứng Xảy ra với tốc độ

đồng đều Tăng đều và đạt trạng thái cân bằng.

Sự tập trung Nó không đổi trong

suốt phương tiện

Nồng độ ở dưới cùng của chất hấp phụ khác với nồng

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:

max 1

L L

K C A

A K C

  

 hay max 1

L L

K C

A A

K C

 

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:

L

A A A

C a C

K





(2) Trong đó 1/KL được thay bằng a, là một hằng số

Nếu C<<a, tức nồng độ C rất bé thì (2) có thể viết:

max

C

A A

a



(2a) Nghĩa là đại lượng A tỉ lệ bậc nhất theo C Đường biểu diễn A = f(C) là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ (hình 1)

Hình 1 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir

Nếu C>>a 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:

1

AA a A

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

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:

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