Bài giảng hóa lý chương 1 hấp thụ

So sánh hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý Tiêu chuẩn so sánh Hấp phụ vật lý Hấp phụ hóa học Loại liên kết Tương tác vật lý, không trao đổi điện tử giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ..

GiỚI THIỆU MÔN HỌC

Giảng viên: Nguyễn Trọng Tăng Email: trongtang179@yahoo.com.vn

HÌNH THỨC ĐÁNH GIÁ

Thường kỳ Giữa kỳ

Không đạt: xét vớt

Không đạt: học lại

Đề cương môn học

1 Chương 1: Hiện tượng bề mặt – Hấp phụ 10

4.1 Chương 4: Tính chất dung dịch điện ly 4

4.2 Chương 5: Sự vận chuyển điện tích 4

4.4 Chương 7: Nguồn điện – Động học QT điện hóa 3

Tài liệu tham khảo

[1] Chủ biên, Lê Thị Thanh Hương , Hóa lý 2, Đại

học Công nghiệp TP.HCM, 12 - 2008[2] Chu Phạm Ngọc Sơn, Hoá lý, ĐH KHTN Tp.HCM[3] Mai Hữu Khiêm, Hoá lý, tập 2-3, ĐHBK Tp.HCM

CHƯƠNG 1

HẤP PHỤ

Nội dung

1.1 Sự hấp phụ pha khí lên chất rắn 1.2 Sự hấp phụ khí lên chất lỏng

1.3 Sự hấp phụ lỏng lên chất rắn 1.4 Hiện tượng thấm ướt

1.5 Giới thiệu một số chất hấp phụ

Cấu trúc chất rắn

Các nguyên tử, ion, phân tử trong chất rắn nằm bên ngoài không được cân bằng liên kết nên có khuynh hướng hút các phân tử khác lên bền mặt!

Trung tâm hoạt động

Kết quả

Nồng độ chất khí (lỏng) trên bề mặt phân chia pha lớn hơn trong pha thể tích.

Hấp phụ Giải hấp

Quá trình hấp phụ phụ thuộc:

1 Bản chất của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ

2 Nhiệt độ: T tăng  hấp phụ giảm

3 Áp suất (khí): P tăng  hấp phụ tăng rồi dừng

So sánh hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý

Tiêu chuẩn so sánh Hấp phụ vật lý Hấp phụ hóa học

Loại liên kết Tương tác vật lý,

không trao đổi điện tử giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ

Liên kết hóa học có

sự trao đổi điện tử

Nhiệt hấp phụ Vài kcal/mol Vài chục kcal/mol

NL hoạt hóa Không quan trọng Quan trọng

Nhiệt độ hấp phụ Nhiệt độ thấp Ưu đãi ở nhiệt độ cao

Phân loại hấp phụ

Có tính đặc thù, sự hấp phụ chỉ diễn ra khi chất bị hấp phụ có khả năng tạo liên kết hóa học với chất hấp phụ.

Tính thuận nghịch Có tính thuận

nghịch Thường bất thuận nghịch, quá trình giải hấp tương đối

khó vì sản phẩm giải hấp thường bị biến đổi thành phần hoá học

So sánh hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý

có đơn vị (m2/g).

Ví dụ

1.1.3 Bề mặt riêng

1.1 Sự hấp phụ khí lên chất rắn

1.1.4 Lực hấp phụ

1.1 Sự hấp phụ khí lên chất rắn

Đó là các lực tương tác lưỡng cực - lưỡng cực giữa các phân tử (hoặc các

nhóm phân tử)

Lực Van Der Waals –

Hấp phụ vật lý

Liên kết hóa học – Hấp phụ hóa học

Độ hấp phụ a (x) phụ thuộc vào P và T

Giản đồ hấp phụ được biểu diễn theo các đường:

1 Đẳng nhiệt a = f(P) với T = const;

2 Đẳng áp a = f(T) với P = const

Đẳng nhiệt Đẳng áp

1.1 Sự hấp phụ khí lên chất rắn

1.1.5 Độ hấp phụ

Một số phương trình hấp phụ đẳng nhiệt

bP 1

bP V

f P k

V 

kP log k

V  T

0 m

m

P C V

1 C C V

1 )

P P ( V

Hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học (n > 1)

Freundlich

Hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học Henry

Hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học Langmuir

Lĩnh vực ứng dụng Phương trình

Tên

1.1 Sự hấp phụ khí lên chất rắn

 Vm: thể tích chất hấp phụ cần thiết để tạo ra một lớp đơn

phân tử chất bị hấp phụ trên bề mặt của một gam chất rắn ở áp suất cân bằng

 P, Po: áp suất hơi bão hòa của chất bị hấp phụ

 : phần bề mặt bị hấp phụ

 Tất cả các ký hiệu khác là hằng số

KPV



V m

KP1

KPa



a m

KP1

KPθ





1.1 Sự hấp phụ khí lên chất rắn

1.1.6 Phương trình hấp phụ Langmuir

Đây là Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir

cho trường hợp này

Như vậy:

KP 1

KP θ





1.1 Sự hấp phụ khí lên chất rắn

1.1.6 Phương trình hấp phụ Langmuir

Đây là Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir

hai khí A và B cho trừong hợp này

Như vậy:

b b a

a

a a a

P K P

K 1

P

K θ







b b a

a

b

b b

P K P

K 1

P

K θ

j j

P K 1

P

K θ

1.1 Sự hấp phụ khí lên chất rắn

1.1.6 Phương trình hấp phụ Langmuir

i i

j j j

P K P

K 1

P

K θ

 





k k n/k

1

i i

k k k

P K P

K 1

P

K θ

KP1

KPV



V m

KP 1

KP a

K

P

1V

K

P

1a

Vm

Trong đó:

 N: số Avogadro

 Vm: Bề mặt chiếm bởi chất bị hấp phụ ở lớp đơn phân tử

 V0: Thể tích của 1 mol khí ở điều kiện chuẩn (22.400 cm3/mol)

 A0 : tiết diện ngang một phân tử hấp phụ

Bề mặt riêng

0

0 0

.

.

V

A N

Hướng dẫn giải

Xuất phát phương trình Langmuir sau:

Dùng số liệu trên bảng vẽ phương trình hồi quy tuyến tính của hai đại lượng P-P/V

1 Nếu tuyến tính  phù hợp Langmuir; ngược lại không phù hợp

2 Từ PTTT suy ra Vm và K

m

V K

P

1V

P

b

1.1 Sự hấp phụ khí lên chất rắn

1.1.7 Phương trình hấp phụ Freundlich

n 1

P

b

P

lg n

1 b

lg x

Hướng dẫn giải

Xuất phát phương trình Freundlich sau:

Dùng số liệu trên bảng vẽ phương trình hồi quy tuyến tính của hai đại lượng lgP - lgV

1 Nếu tuyến tính  phù hợp Freundlich

2 Từ PTTT suy ra b và n

P

lg n

b lg V

lg   1

1.1 Sự hấp phụ khí lên chất rắn

1.1.7 Phương trình hấp phụ Freundlich

Khi nghiên cứu sự hấp phụ hơi trên bề mặt rắn trong nhiều trường hợp người ta thấy đường đẳng nhiệt hấp phụ có dạng hình chữ S

x x

Brunauer - Emmett - Teller (BET) dựa trên các quan điểm sau:

 Hấp phụ vật lý tạo thành nhiều lớp phân tử.

 Lớp đầu tiên của chất bị hấp phụ hình thành do kết quả tương tác lực Van Der Waals, các lớp tiếp theo được hình thành do sự ngưng tụ khí

 Nhiệt hấp phụ ở lớp thứ hai và tất cả các lớp tiếp theo thì bằng nhau

và bằng nhiệt hóa lỏng của khí, trong khi nhiệt hấp phụ của lớp thứ nhất thì lại khác.

 Các phân tử chất bị hấp phụ chỉ tương tác với phân tử lớp trước và sau nó mà không tương tác với phân tử bên cạnh.

1.1 Sự hấp phụ khí lên chất rắn

1.1.8 Phương trình hấp phụ BET

Phương trình BET được tìm ra có dạng như sau:

 0  m m P0

P C

V

1

C C

V

1 P

P V

P C V

1

C C

V

1 P

P V

W.N

V

S 

 N: số Avogadro

 Wm: Bề mặt chiếm bởi chất bị hấp phụ ở lớp đơn phân tử.

 V0: Thể tích của 1 mol khí ở điều kiện chuẩn (22.400 cm 3 /mol).

Vm

1.1 Sự hấp phụ khí lên chất rắn

1.1.8 Phương trình hấp phụ BET

Hướng dẫn giải

Xuất phát phương trình BET sau:

Dùng số liệu trên bảng vẽ phương trình hồi quy tuyến tính của hai đại lượng “x = P/Po”- ”y = vế trái”

1 Nếu tuyến tính  phù hợp BET; ngược lại không phù hợp

2 Từ PTTT suy ra Vm và C

P C

V

1

C C

V

1 P

P V

1.1 Sự hấp phụ khí lên chất rắn

1.1.8 Phương trình hấp phụ BET

Tổng lực khác 0

co Công

Năng lương

bề mặt

Khi bề mặt tăng dS thì năng lượng bề mặt (hay CÔNG) tăng dEs, sử dụng một hệ số quan hệ  ta có:

dEs = σ.dS Khi ds = 1  dEs = σ nên có thể nói σ là năng lượng tạo

ra một đơn vị bề mặt và người tà gọi là sức căng bề mặt

1.2 Sự hấp phụ khí lên lỏng

1.2.1 Sức căng bề mặt

Có thể định nghĩa:

Sức căng bề mặt là năng lượng tự do bề mặt (hay CÔNG) tính cho 1 đơn vị diện tích bề mặt phân chia pha

HayLực kéo lên một đơn vị chiều dài của chu

vi bề mặt phân chia pha

Đơn vị: J/m2; N/m; dyn/cm

erg/cm2 = dyn/cm

1.2 Sự hấp phụ khí lên lỏng

1.2.1 Sức căng bề mặt

Nếu sử dụng cùng một ống mao quản và xem khối lượng riêng của các dung dịch lỏng xấp xỉ bằng khối lượng riêng của dung môi nguyên chất ta có

dm

dd dm

dd dd

h

h

2

8 , 71

Gọi:

- σo là sức căng bề mặt của dung môi tinh chất,

- σC là sức căng bề mặt của dung dịch có nồng độ C

1.2 Sự hấp phụ khí lên lỏng

1.2.2 Chất hoạt động bề mặt

Khi hòa tan 1 chất vào dung môi, ta có các trường hợp sau đây xảy ra:

 σC > σo: mật độ chất tan ở bề mặt nhỏ hơn trong thể tích

 σC = σo: sự phân bố chất tan ở các lớp bề mặt cũng như trong thể tích của hệ như nhau

1.2 Sự hấp phụ khí lên lỏng

1.2.2 Chất hoạt động bề mặt

Phân tử những chất này gồm 2 phần:

1 Gốc không phân cực: dây hidrocarbon R-

2 Nhóm định chức phân cực: -OH, -COOH, -NO2, -NH2, Cl

-Gốc hydrocacbon R- là phần kỵ nước (ưa dầu)

Nhóm định chức là phần ưa nươc của các chất HĐBM

Biểu diễn chất HĐBM:

Nhóm phân cựcNhóm không phân cực

1.2 Sự hấp phụ khí lên lỏng

1.2.2 Chất hoạt động bề mặt

Phương trình Gibbs nêu lên quan hệ giữa lượng chất bị

hấp phụ trong lớp bề mặt , nồng độ chất tan trong dung dịch và sức căng bề mặt trên giới hạn dung dịch – khí:

Đại lượng được gọi là độ hoạt động bề mặt Để tưởng nhớ tới ông người ta đặt nó là đại lượng Gibbs ký hiệu là G

dC

dσRT

Qui tắc Traube được phát biểu như sau:

Quy tắc Traube nêu lên ảnh hưởng cấu tạo và kích thước của phân

tử chất HĐBM đến sự hấp phụ

Khi tăng chiều dài mạch cacbon lên một nhóm -CH2- thì độ HĐBM tăng 3 – 3,5 lần

1.2 Sự hấp phụ khí lên lỏng

1.2.4 Quy tắc Traube

Lượng chất bị hấp phụ x (mmol/g) bị hấp phụ phân tử trên bề mặt chất rắn trong dung dịch được tính từ công thức:

  1000

m

VC

Hấp phụ đồng hình cùng bản chất ion: I- hấp phụ trong (AgI)n

Hấp phụ khác ion:

- Ion cùng hoá trị: bán kính lớn hấp phụ trước

- Ion khác hóa trị: hóa trị càng cao càng dễ hấp phụ

Hấp phụ chọn lọc

1.3 Sự hấp phụ lỏng lên chất rắn

1.3.2 Sự hấp phụ chất điện ly

Một vài ví dụ trong thực tế

 Làm mềm nước cứng

2 cationit Na + + Ca 2+ → (cationit)2Ca 2+ + 2Na +

 Để tách các chất điện ly ra khỏi nước biển, người ta cho nước này chảy liên tục qua cột trao đổi ion loại cationit H + có tính acid mạnh và sau đó qua anionit OH - có tính bazơ mạnh.

 Sự thấm ướt luôn tỏa nhiệt.

1.4 Hiện tượng thấm ướt

1.4.1 Khái niệm

1.4 Hiện tượng thấm ướt

1.4.2 Công thức toán học

Độ thấm ướt xác định bằng góc thấm ướt  hoặc cos:

Khi  = 0 tức là cos = 1  thấm ướt hoàn toàn;

Khi  = 180o tức là cos = -1  Hoàn toàn không thấm ướt;Cos càng lớn càng thấm ướt;

Cos  > 0  bề mặt ưa lỏng; Cos  < 0  bề mặt kỵ lỏng,

K L

L R K

Than hoạt tính được nghiên cứu từ lâu và sử dụng rộng rãi trong thực tế để hấp phụ các chất hữu cơ như tẩy màu, khử mùi… Bề mặt riêng khoảng 1000 m2/g hoặc lớn hơn

Cách sản xuất

1.5 Một số chất hấp phụ cơ bản

1.5.1 Than hoạt tính

Thành phần hoá học là silic oxit SiO2.xH2O, có cấu trúc rất xốp Các quả cầu nhỏ SiO2 tụ lại với nhau, sắp xếp không theo một trật tự nào về hình học

Cách sản xuất

1.5 Một số chất hấp phụ cơ bản

1.5.2 Silicagen

Cho đến nay, người ta đã tổng hợp được khoảng hơn

200 loại zeolit

1.5 Một số chất hấp phụ cơ bản

1.5.3 Zeolite

Cách sản xuất

1.5 Một số chất hấp phụ cơ bản

1.5.3 Zeolite

1.5 Một số chất hấp phụ cơ bản

1.5.3 Zeolite