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

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 t

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM HÓA LÝ

BÀI 3: HẤP PHỤ TRÊN BỀ MẶT CHẤT RẮN

NHÓM 3 Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Vinh Tiến

Lê Trọng Phúc- MSSV: 22128166 Ngày thực hiện: 27/02/2024

Nguyễn Vũ-MSSV: 22128208 Điểm:

Nguyễn Thiên An-MSSV: 22128094

I) 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:

max 1

L L

K C A

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:

max 1 max

L

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:

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)

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

I) 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

3 1 3 7 6 3 6

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

1L

Chai đựng hóa chất

NaOH

Phễu lọc

Cốc đựng dung dịch

thải

1 6 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%)

II KẾT QUẢ

a) Hãy lập công thức và tính số milimol acid (x) đã bị than hoạt tính hấp phụ

x = (Ci – Cf )*V

Trong đó:

Ci là nồng độ acid acetic trước khi thêm chất hấp phụ

Cf là nồng độ acid acetic sau khi thêm chất hấp phụ

V là thể tích dung dịch đi qua than hoạt tính

+ Chuẩn độ NaOH bằng 10 mL C2H2O4 0,05 N

10.20 10.30 10.25

=> NNaOH = 126.07∗0.1000∗10.250,3152∗2∗10.00 = 0,04878 (N)

+ Chuẩn độ CH3COOH (chưa bị hấp phụ) bằng NaOH:

N C H3COOH=N NaOH x V NaOH

V C H3COOH

STT

Thể tích

đầu

(mL)

VNaOH

NCH3COOH Lần 1 Lần 2 Trung bình

+ Chuẩn độ CH3COOH (đã bị hấp phụ) bằng NaOH:

Nồng độ acid acetic sau hấp phụ: CN(acid sau hấp phụ) ¿ N NaOH x V NaOH

V C H3COOH

STT

Thể tích đầu

(mL)

VNaOH

NCH3COOH Lần 1 Lần 2

Trung

bình

4 5.00 17.80 17.90 17.85 0.1741

+ Số milimol acid bị than hoạt tính hấp phụ là:

x = (Ci – Cf )*V

STT N C H3COOH (trước) N C H3COOH (sau) ∆N x

b) Tính xem mỗi gam than hoạt tính hấp phụ bao nhiêu milimol acid: A = x/

m (mmol/g), trong đó m là khối lượng chính xác của mẫu than hoạt tính

c) Lập bảng số liệu theo bảng mẫu như sau:

STT

Nồng độ

đầu (M)

Nồng độ sau (M)

x (mmol)

A (mmol/

g)

1 0.02549 0.01935 0.3070 0.3046 -1.7133 -0.5163 0.06352

2 0.04951 0.03927 0.5120 0.5114 -1.4059 -0.2912 0.07679

3 0.09951 0.08432 0.7595 0.7541 -1.0740 -0.1226 0.1118

4 0.1976 0.1741 1.175 1.169 -0.7592 0.0678 0.1489

6 0.4927 0.4562 1.825 1.822 -0.3408 0.2605 0.2503

d) Vẽ các đồ thị như trong hình 2 và hình 4 để xác định các hệ số trong

phương trình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich

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

0.06

0.08

0.26

0.25

f(x) = 0.46 x + 0.06 R² = 0.96

Đồ thị biểu diễn phương trình hấp phụ Langmuir

C

Từ phương trình hồi quy ta có:

y = 0.4582x + 0.0646 có dạng y = ax + b với a = 1/Amax

Amax = 1/0.4582 = 2.182 (mmol/g)

α = 0.0646*2.182= 0.1409 (mol/L)

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

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

-0.52

-0.29

-0.12

0.07

f(x) = 0.53 x + 0.43 R² = 0.99

Đồ thị biểu diễn phương trình hấp phụ Freundlich

lgC

K = 100.4349= 2.722

α = 0.5341

e) Khi biết các hằng số hãy ráp lại vào mỗi phương trình hấp phụ đẳng nhiệt ban đầu và từ đó dựng đồ thị lý thuyết cùng với

đồ thị thực nghiệm (cả 3 đồ thị trong cùng một hình) Có nhận xét gì về dạng của các đường đẳng nhiệt hấp phụ?

-Theo phương trình Langmuir: A = Amax C

C+α ; (Với: Amax= = 2.182(mmol/g)

α = 0.1409 (L/mmol))

-Theo phương trình Freundlich: A = KCα ;(Với: α = 0,5341 ; K = 2,722)

STT Cf(M) ALang(mmol/g) AFreum(mmol/g) Atn(mmol/g)

*Đồ thị - Khả năng hấp phụ của than hoạt tính đối với acid acetic trên lý thuyết và thực nghiệm:

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 f(x) = 3.07 x + 0.41 R² = 0.94

f(x) = 3.23 x + 0.38 R² = 0.98f(x) = 0.96 x + 0.02

R² = 0.97

Đồ thị so sánh

Langmuir Linear (Langmuir) Freundlich Linear (Fre-undlich) Thực nghiệm Linear (Thực nghiệm ) Linear (Thực nghiệm ) Cf

*Nhận xét:

Sự hấp phụ của đường Freundlich và đường thực nghiệm có giá trị gần nhau

và đường Langmuir có giá trị thấp hơn so với thực nghiệm và đường

Freundlich Ngoài ra, đường Freundlich và thực nghiệm có độ dốc khá cao, còn đường Langmuir thì hơi thoải

II) TRẢ LỜI CÂU HỎI:

1) Phân biệt hấp phụ và hấp thụ? Cho ví dụ cụ thể?

- Hấp thụ là một hiện tượng khối lượng trong đó một chất hấp thụ hoàn toàn xâm nhập vào cơ thể của chất rắn hoặc chất lỏng để tạo thành hợp chất hoặc dung dịch Mặt khác, sự hấp phụ là một hiện tượng bề mặt trong đó các phân tử của chất hấp phụ chỉ tập trung trên bề mặt chất hấp phụ

Vd hấp thụ : NaOH hấp thụ CO2

Vd hấp phụ : Pt hấp phụ khí H2

2) Trình bày cách rút ra phương trình đẳng nhiệt Langmuir Ý nghĩa của các lượng trong phương trình này?

C

A=

C +a

A max => C A= C

A max+

a

A max

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)

*Ý nghĩa : 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

3) Trình bày cách rút ra phương trình đẳng nhiệt Freundlich Ý nghĩa của các đại lượng trong phương trình này ?

*Công thức và cách rút gọn:

A=KCα

lgA = lgK + αlgC

Có dạng: y = mx + n

Với: y = lgA, x = lgC, m = α, n = lgK

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

*Ý nghĩa: Đây là phương trình thực nghiệm áp dụng cho sự hấp phụ khí

hoặc chất tan lên chất hấp phụ rắn