9.1. Hấp phụ và độ hấp phụ
Sự hấp phụ ở đây được đánh giá bằng lượng khí bay hơi (tính bằng
mol) bị hấp phụ trong một đơn vị khối lượng, x (mol/g). Ngoài ra, người ta
còn sử dụng đại lượng thể tích ở điều kiện tiêu chuẩn:
22400 V
x (cm3/g)
Trong đó: x hay V có thể xác định bằng thực nghiệm.
Độ hấp phụ x là một hàm có hai thông số x = f(P,T). Giản đồ hấp phụ được biểu diễn theo các đường đẳng nhiệt (T = const) và đẳng áp (P = const). Thông thường đường đẳng nhiệt được sử dụng nhiều nhất.
9.2. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freunlich
Đường hấp phụ đẳng nhiệt gần với dạng parapol, do đó Freunlich đề
nghị phương trình thực nghiệm: x = b.p 1/n Trong đó: x: Độ hấp phụ. p: Áp suất khí cân bằng trên chất hấp phụ. b và n: là các hằng số. Hoặc: lgp n 1 lgb lgx
9.3. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
Gọi p là áp suất khí, θ là phần bề mặt tại thời điểm nào đó bị phân tử
khí chiếm, phần bề mặt còn trống sẽ là 1 - θ. Ta sẽ có: 1 2 1 k .p k k .p Nếu đặt: 1 2 k k A m x x θ
Với: x là độ hấp phụ ở một thời điểm nào đó. xmlà độ hấp phụ cực đại. m m p A 1 p x x x
9.4. Phương trình hấp phụ BET (Brunauer- Emmett - Teller)
0 m m 0 P 1 C 1 P V(P P) V .C V .C P Với:
P0: áp suất hơi bão hòa
V: thể tích khí hấp phụ ở áp suất P
Vm: thể tích khí bị hấp phụ ở lớp thứ nhất (lớp đơn phân tử)
C: thừa số năng lượng. Đồ thị 0 P V(P P) theo P/P0 là một đường thẳng, từ đó có thể xác định Vm và C. Biết Vm, ta có thể tính được bề mặt chất hấp phụ. m m 0 0 V .N.W S V Trong đó: N : số Avogadro (= 6,023.1023)
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 cm3
/mol).
9.5. Sự hấp phụ trên ranh giới bề mặt pha lỏng - rắn
Lượng chất bị hấp phụ x (mmol/g) bị hấp phân tử trên bề mặt chất rắn
trong dung dịch được tính bằng công thức:
0 1 (C C )V x 100 m Trong đó:
C0 và C1 là nồng độ ban đầu và cân bằng của chất bị hấp phụ (mol/l). V là thể tíchtrong đó xảy ra sự hấp phụ (l).
59
9.6. Bài tập mẫu
Ví dụ 1. Tính lượng rượu etylic bị hấp phụ ở 150
C trên bề mặt dung dịch có
nồng độ 0,12M cho biết ở 150
C sức căng bề mặt của nước là 73,49.10-3 N/m và của dung dịch trên là 63,3.10-3 N/m.
Giải
Áp dụng công thức: σ .σdm dd G
RT
Thế các số liệu vào công thức ta có:
3 2 dm dd σ .σ 10,19.10 G mol.m RT 8,314.(15 273)
Ví dụ 2. Xác định ngưỡng keo tụ của dung dịch điện ly K2Cr2O7 nồng độ 0,01M đối với keo nhôm. Biết rằng để keo tụ 1 lít keo đó phải thêm vào một lượng chất điện ly là 0,0631 lít.
Giải
Ta có công thức tính ngưỡng keo tụ như sau:
= C.V 1000
Trong đó:
C: Nồng độ của dung dịch điện ly (mol/l)
V: thể tích của dung dịch chất điện ly (ml)
ω: thể tích của dung dịch keo (ml)
Thế các giá trị có được vào công thức trên ta có: 3 C.V 0,01.0,0631 .1000 .1000 0,631.10 mol / lit 1000
Ví dụ 3. Điều chế keo hydronol sắt (III) bằng cách cho từ từ dung dịch FeCl3
vào nước đang sôi. Hãy viết cấu tạo và ký hiệu keo đó.
Giải Phương trình phản ứng điều chế hạt keo:
FeCl3 + 3H2O = Fe(OH)3 + 3HCl Cấu tạo Mixen keo:
{mFe(OH)3.nFe3+.(3n-x)Cl-}x+.xCl-.
Vì đây là quá trình thủy phân không hoàn toàn nên trong dung dịch
còn dư FeCl3. Keo này là keo dương.
Ví dụ 4. Viết công thức và sơ đồ cấu tạo của mixen keo được tạo thành khi cho Na2SO4 tác dụng với BaCl2trong hai trường hợp.
a. Cho một lượng dư Na2SO4.
b. Cho một lượng dư BaCl2.
c. Các chất điện ly dưới đây gây keo tụ như thế nào đối với các dung
dịch keo nói trên: Al(OH)3; Na3PO4. Giải Phương trình phản ứng:
Na2SO4 + BaCl2 = 2NaCl + BaSO4
a. Nếu dư Na2SO4 thì mixen keo có dạng:
{mBaSO4.nSO4 2-
.(2n-x)Na+}.xNa+
Đây là keo âm
b. Nếu dư BaCl2 thì mixen keo có dạng:
{mBaSO4.nBa2+.(2n-x)Cl-}.xCl- Đây là keo dương
c. Các chất gây sự keo tụ:
Với hạt keo {mBaSO4.nSO4 2-
.(2n-x)Na+}.xNa+ thì chất gây keo tụ tốt
nhất là Al(OH)3 vì đây là keo âm nên ion trái dấu với nó sẽ quyết định khả năng keo tụ. Ion Al3+ có bậc cao hơn so với ion Na+
.
Với hạt keo {mBaSO4.nBa2+.(2n-x)Cl-}.xCl- thì chất gây keo tụ tốt nhất
là Na3PO4 vì đây là keo dương nên ion trái dấu với nó sẽ quyết định khả năng keo tụ. Ion PO4
3-
có bậc cao hơn so với ion OH-
.
Ví dụ 5. Keo As2S3thu được từ phản ứng sau với lượng dư H2S: 2H3AsO3 + 3H2S = As2S3 + 6H2O
a. Khi đặt hệ vào điện trường, các hạt keo di chuyển về điện cực nào. Giải thích.
b. Viết công thức của mixen keo và cho biết dấu của hạt keo.
Giải
a. Công thức của Mixen keo có dạng:
{mAs2S3.nS2-.(2n-x)H+}.xH+
b. Khi đặt hệ vào điện trường thì các hạt keo sẽ di chuyển về điện cực dương. Vì các hạt keo mang điện tích âm nó sẽ chuyển động dưới tác
dụng của điện trường.
Ví dụ 6.Keo AgI được điều chế từ phản ứng trao đổi:
KI + AgNO3 = AgI + KNO3, với lượngdư KI.
Tiếp theo người ta dùng dung dịch K2SO4 và dung dịch (CH3COO)2Ca để
keo tụ dung dịch keo thu được. Hỏi dung dịch nào trong hai dung dịch trên gây keo tụ mạnh hơn. Vì sao? (Các dung dịch trên có cùng nồng độ mol/l).
Giải
Trong hai dung dịch trên thì dung dịch (CH3COO)2Ca sẽ gây keo tụ
với tốc độ mạnh hơn. Vì keo được hình thành là keo âm, nó có công thức như sau:
60
{mAgI.nI-.(n-x)K+}.xK+
Mà khả năng gây keo tụ tỷ lệ thuận với bậc của điện tích ion trái dấu.
Dung dịch (CH3COO)2Ca có ion Ca2+ có bậc lớn hơn ion K+
của dung dịch
K2SO4.
Ví dụ 7. Viết công thức của mixen keo Al(OH)3 với chất ổn định là AlCl3 và keo Fe(OH)3 với chất ổn định là FeCl3. Dung dịch Na2SO4 là chất keo tụ tốt đối với keo nào? Vì sao?.
Giải
Mixen keo: {mFe(OH)3.nFe3+.(3n-x)Cl-}.xCl-. Và {mAl(OH)3.nAl3+.(3n-x)Cl-}.xCl-.
Dung dịch Na2SO4 là chất keo tụ tốt với keo Fe(OH)3 vì Fe3+ và Al3+ có
cùng điện tích nên khả năng keo tụ tỷ lệ thuận với bán kính Ion. Bán kính
của ion Fe3+
lớn hơn Al3+
nên nó bị keo tụ mạnh hơn.
Ví dụ 8. Ngưỡng keo tụ của Al2(SO4)3 đối với keo As2S3 là = 96.10-6 kmol/m3. Hỏi cần bao nhiêu ml dung dịch Al2(SO4)3 nồng độ 0,01 kmol/m3để
keo tụ 0,1 m3 dung dịch keo As2S3 nói trên. Giải
Ta có công thức tính ngưỡng keo tụ như sau.
= C.V 1000
Trong đó:
C: Nồng độ của dung dịch điện ly (mol/l)
V: thể tích của dung dịch chất điện ly (ml)
: thể tích của dung dịch keo (ml)
Thế các giá trị có được vào công thức trên ta có:
6 0,01.V 2
96.10 V 96.10 ml
100
Ví dụ 9. Keo Fe(OH)3 điều chế bằng cách thủy phân không hoàn toàn sắt
(III) clorur, bị keo tụ bằng các dung dịch sau: Na2S, NaCl, BaCl2. Chất điện ly
nào có tác dụng keo tụ mạnh hơn ?Vì sao? Giải
Khi điều chế keo Fe(OH)3điều chế bằng cách thủy phân không hoàn toàn sắt (III) clorur thì sẽ tạo ra keo có điện tích dương. Với công thức như
sau:
{mFe(OH)3.nFe3+.(3n-x)Cl-}.xCl-.
Trong 3 dung dịch trên thì bậc của ion trái dấu cao nhất là S2- nên dung dịch sẽ gây keo tụ mạnh nhất là dung dịch Na2S.
Ví dụ 10. Thời gian bán keo tụ của keo AgI có nồng độ hạt bằng 3,2.1011
hạt.l-1là 11,5 giây. Xác định hằng số tốc độ keo tụ. Giải Áp dụng phương trình: o 1 k 9 11 1 1 k 2,72.10 l / hat.giay 3,2.10 .11,5 9.7. Bài tập tự giải.
1. Keo AgI được điều chế từ phản ứng trao đổi:
KI + AgNO3 = AgI + KNO3, với lượng dư KI.
Tiếp theo người ta dùng dung dịch CaSO4 và dung dịch CH3COONa
để keo tụ dung dịch keo thu được. Hỏi dung dịch nào trong hai dung dịch
trên gây keo tụ mạnh hơn.Vì sao? (Các dung dịch trên có cùng nồng độ
mol/l).
2. Viết công thức và sơ đồ cấu tạo của mixen keo được tạo thành khi cho K2SO4 tác dụng với Ba(NO3)2 trong hai trường hợp:
a. Cho một lượng dư K2SO4. b. Cho một lượng dư Ba(NO3)2.
3. Viết phương trình phản ứng và cấu tạo của mixen keo được tạo thành khi cho KAuO2 tác dụng với K2CO3 trong HCHO.
4. Thời gian bán keo tụ của keo BaSO4 có nồng độ hạt bằng 3,5.1011
hạt.l-1