علی اوردیخانی
رشته تحصیلی: مهندسی شیمی
گزارش کار آزمایشگاه شیمی فیزیک
استاد : خانم دکتر صداقتی
موضوع : جذب سطحی استیک اسید
1) مقدمه و هدف
2) تئوری آزمایش
3) روش انجام آزمایش
4) محاسبات آزمایش
5) msds
مقدمه و هدف آزمایش :
آشنایی با پدیده های سطحی و جذب سطحی از محلول
تئوری آزمایش :
نیرویی که مولکول های یک ماده را در سطح یک جسم جامد نگه میدارند، میتواند از نوع نیروهای ضعیف واندروالس یا پیوند های قوی شیمیایی میباشد. نمونه هایی دیگر از جذب سطحی که در آن پیوند یونی یا کوالانس بین مولکول جذب شونده و سطح جذب کننده برقرار میشود، عبارتند از: جذب یون های کلر در سطح بلور کلرید نقره(پیوند یونی) یا جذب اکسیژن در سطح فلزات (پیوند کوالانس). در این گونه موارد، پدیده جذب را جذب شیمیایی مینامند. جذبی که به واسطه نیروهای واندروالس و نیروهای دو قطبی انجام میگیرد، جذب فیزیکی نامیده میشود. جذب شیمیایی و جذب فیزیکی به ترتیب دارای خواص زیر هستند.
خواص جذب شیمیایی:
1- معمولا گرمای جذب خیلی زیاد و در حدود 11 تا 111 کیلوکالری به ازای جذب هر مول از مولکول های ماده جذب شده میباشد. چون این مقدار گرما در حدود گرمای مبادله شده در واکنش های شیمیایی است، بنابراین، انتظار میرود که بین مولکول های سطح جذب کننده و مولکول های ماده جذب شده یک واکنش شیمیایی انجام شود و ترکیب جدیدی در سطح جسم جامد تشکیل گردد.
2- جذب شیمیایی به خواص مولکول های جذب شونده و مولکول های سطح جذب کننده بستگی دارد.
3- خارج کردن کامل مولکول های جذب شده از سطح جذب کننده به سادگی امکان پذیر نیست (پدیده جذب شیمیایی الزاماً برگشت پذیر نیست.)
4- جذب شیمیایی معمولا تک لایه است.
خواص جذب فیزیکی:
1- معمولا گرمای جذب نسبتا کم و در حدود 11 کیلو کالری و یا کمتر به ازای جذب هر مول از مولکول های ماده جذب شده است.
2- جذب فیزیکی می تواند در دماهای پایین یا متوسط برای هر مولکول و بر بروی هر سطح صورت گیرد.
3-خارج کردن کامل مولکول های جذب شده از سطح ماده جاذب به سادگی امکان پذیر است (پدیده جذب فیزیکی برگشت پذیر است.)
4- جذب فیزیکی معمولا چند لایه است.
نیرو های جذب فیزیکی از نوع همان نیروهایی هستند که موجب مایع شدن گازها میگردند. وقتی که مولکول جذب شونده به سطح جامد میرسد، بین این مولکول و مولکول های سطح جامد اثر متقابلی به وجود میآید که باعث میشود، مولکول های جذب شونده در سطح جسم جاذب متراکم شوند. این پدیده مشابه متراکم شدن مولکول های یک گاز در سطح مایع است. از جهت دیگری نیز این تشابه برقرار است و آن نزدیک بودن مقادیر گرمای مولی جذب فیزیکی با گرمای مولی میعان (از نظر عددی تقریباً مساوی ولی از نظر علامت مخالف با گرمای مولی تبخیر) میباشد.
همدمای جذب:
مقدار ماده جذب شده به ازای هر گرم ماده جامد جاذب (N) به نوع مولکول ها، مساحت ویژه سطح جامد، غلظت تعادلی جسم جذب شونده در محلول(یا فشار گاز در موردی که جسم جذب شونده در حالت گازی باشد)، ماهیت مولکول های ماده جذب شونده و دما بستگی دارد. مقدار ماده جذب شده به ازای هر گرم ماده جامد جاذب را میتوان به غلظت تعادلی جسم جذب شونده، C، ربط داد. نمودار تغییرات ماده جذب شده نسبت به غلظت تعادلی آن ماده در محلول در یک دمای معین و ثابت را همدمای جذب مینامند. برخی از نتایج تجربی پدیده جذب را میتوان توسط همدمای تجربی فرندلیچ به صورت زیر نمایش داد.
(1) N=kC^a ,lnN=lnk+alnC
در این رابطه k و a مقادیر ثابتی هستند و مفهوم فیزیکی خاصی ندارد و مقادیر آنها را از رسم تغییرات lnN نسبت به lnC میتوان تعیین کرد. رابطه (1) دریک محدوده خاصی از غلظت معتبر است و معمولاً نتایج مشاهده شده در غلظت های بالا و غلظت های بسیار پایین با این رابطه سازگاری ندارند. در غلظت های پایین اغلب N مستقیما با C متناسب میباشد. در غلظت های بالا معمولاً N به مقدار حدی خود که ثابت و مستقل از مقدار C است، میل میکند.
برای بسط نظری فرآیند جذب که بتواند نتایج تجربی مشاهده شده را تفسیر نماید، کوشش های زیادی شده است. برای بعضی مجموعه های ساده، نظریه ی لانگمویر را می توان بکار برد. این نظریه به مواردی محدود میشود که فقط یک لایه از ملکول های جذب شونده در سطح ماده جاذب جذب شود. اگر جذب مولکول های یک گاز بر روی یک سطح جامد معین از نوع فیزیکی باشد، در فشارهای بالا اغلب چنین لایه از مولکول ها جذب سطح ماده جاذب میشوند. مثالی از این نوع، جذب گاز ازت بر روی سطح زغال یا سیلسکاژل در دمای 77 درجه کلوین است.
وقتی جذب مولکول های یک گاز یا مایع بر روی سطح یک ماده جامد جاذب از نوع شیمیایی باشد، معمولاً جذب تک لایه ای مشاهده میشود. جذب تک لایه ای از آنجا مشخص میگردد که مقدار جذب در غلظت های متوسط به یک مقدار بیشینه میرسد. این مقدار بیشینه با اشغال سطح جسم جاذب توسط یک لایه با ضخامت یک مولکول مطابقت دارد و از آن به بعد با افزایش غلظت همواره ثابت میماند.
همدمای لانگمویر را میتوان از مباحث تعادل شیمایی یا سینتیک شیمیایی نتیجه گرفت. این همدما که بیشتر برای جذب شیمیایی گازها به کار میرود، به صورت زیر استخراج میشود. اگر θ کسری از سطح باشد که توسط مولکول های ماده ی جذب شده اشغال شده باشد و k1 و k2 به ترتیب ثابت سرعت جذب و واجذب باشند، آنگاه:
بنابراین
این همدمای جذب لانگمویر است. ثابت تعادل فرآیند، علاوه بر ماهیت ملکول های جذب شونده و نوع سطح جامد، فقط به دما بستگی دارد. بر اساس تعریف میتوان نوشت:
(3) θ = N/N m
که در آن N تعداد مولکول های جذب شده در غلظت تعادلی C به ازای هر گرم جسم جامد و Nmتعداد مولکول های لازم جهت تشکیل یک لایه کامل به ازای هر گرم جسم جامد می باشد. با قرار دادن مقدار . از رابطه (3) در رابطه (2) و مرتبط کردن آن ، رابطه زیر نتیجه می شود.
(4) C/N = C/N m + 1/KN m
اگر بتوان همد مای لانگمویر را برای یک پدیده جذب بکار برد ، از رسم تغییرات C/N به C خط مستقیمی حاصل می شود که ضریب زاویه ای آن 1/KNm است و عرض از مبدأ آن 1/KNmاست . به عبارت دیگر ، می توان مقادیر Nmو K را به دست آورد و آنجا با معلوم بودن سطح اشغال شده توسط ی ، یعنی δ می توان سطح ویژه ی A (برحسب متر مربع بر گرم ) جسم جامد را به صورت زیر محاسبه کرد .
(5) A = N m × N A × δ × 10^ −20
در این رابطه . عدد آووگادرو و δ سطح ویژه ی یک مولکول بر حسب آنگستروم مربع است . اگر تعداد مولکول های جذب شده ، یعنی Nm ، مستقل از دما باشد ( که معمولا هست)، همدمای جذب ( منظور تغییرات C/N نسبت به C)در دماهای مختلف بایستی تماما دارای شیب برابر باشند ،ولی چون K تابع دما ست ، معمولا نابرابری در عرض از مبدأ مشاهده می شود .
به نظر می رسد که برای جذب از محلول های آبی رقیق اسید استیک بر روی ذغال فعال شرایط برای یک لایه ای بودن مناسب است و چون اسید استیک و آب به مقدار قابل ملاحظه ای در زغال نفوذ می کند ، در این صورت می توان از جذب عمقی صرف نظر نمود. در این آزمایش ، جذب مولکول های اسید استیک از محلول آبی بر روی سطح کربن مورد بررسی قرار می گیرد.
روش انجام آزمایش :
در ابتدا 6 ظرف ارلن برمیداریم و ظرف ها را از 1 تا 6 شماره گذاری میکنیم و در داخل هرکدام 2 گرم ذغال فعال میریزیم.در داخل مزور استیک اسید 0.2 مولار میریزیم.در داخل ظرف اول 100 میلی لیتر استیک اسید میریزیم، در ظرف دوم 80 میلی لیتر استیک اسید و 20 میلی لیتر آب میریزیم، در ظرف سوم 60 میلی لیتر استیک اسید و 40 میلی لیتر آب میریزیم، در ظرف چهارم 40 میلی لیتر استیک اسید و 60 میلی لیتر آب، ظرف پنجم 20 میلی لیتر استیک اسید 80 میلی لیتر آب و در ظرف ششم 10 میلی لیتر استیک اسید و 90 میلی لیتر آب میریزیم و در داخل هر کدام از این ظرف ها یک مگنت می اندازیم.ظرف ها را روی استیرر قرار می دهیم با هیتر آن کاری نداریم اما استیرر را روشن میکنیم تا بچرخد و سطح تماس افزایش یابد.به مدت 1 ساعت به آن زمان می دهیم.
پس از گذشت 1 ساعت مواد موجود در ظرف را توسط کاغذ صافی صاف میکنیم.6 ظرف داریم که غلظت اولیه و ثانویه استیک اسید متفاوتی دارند.برای اینکه بدانیم چه غلظتی از استیک اسید جذب شده از تیتراسیون (خنثی سازی) از NAOH استفاده میکنیم؛ از هر نمونه 10CC برمیداریم و در داخل آن فنول فتائلین میریزیم و NAOH را در داخل بورت ریخته و قطره قطره در داخل ظرف میریزیم.و ریختن NAOH را تا زمانی ادامه می دهیم که رنگ ارغوانی حاصل شود.وقتی به رنگ صورتی کمرنگ یعنی نقطه اکی والان رسیدیم حجم مصرفی NAOH را از روی بورت میخوانیم و یادداشت میکنیم.
توصیه میشود به منظور خارج کردن ناخالصی ها، قبل از شروع آزمایش زغال را چند بار شسته و در کوره 120 درجه قرار دهید تا خشک شود و به صورت زغال فعال درآید.
خواسته ها و محاسبات آزمایش :
1) غلظت اولیه اسید استیک را برای هر نمونه محاسبه کنید و از آنجا تعداد محلول های اولیه اسید در 100 میلی لیتر از هر محلول را محاسبه کنید.
2) اگر V حجم محلول سدیم هیدروکسید 0.1 مولار مصرفی برحسب میلی لیتر برای تیتراسیون 25 میلی لیتر محلول صاف شده هر ارلن باشد، در این صورت غلظت تعادلی اسید را حساب کنید.
3) تعداد مول های اسید جذب شده به ازای 100 میلی لیتر محلول توسط یک گرم زغال N ، را محاسبه کنید.
4) نتیجه محاسبات را در جدول درج کنید.
5) همدمای جذب یا تغییرات تعداد مول های اسید جذب شده، N ، را نسبت به غلظت تعادلی C=Ceq رسم کنید.همچنین تغییرات ln N را برحسب ln C رسم کنید و با استفاده از آن مقادیر a و k را تعیین کنید.
6) تغییرات C/N را نسبت به Ceq=C رسم کنید و از روی شیب (ضریب زاویه) بهترین خط راست عبوری از نقاط آزمایشگاهی، مقدار Nm را محاسبه کنید.
7)با فرض آنکه سطح اشغال شده توسط یک مولکول اسید استیک 21 آنگستروم مربع باشد. مساحت یک گرم زغال را از روی رابطه 5 حساب کنید.
سوال 1) از نظر مولکلولی، اسید استیک از کدام طرف جذب سطح میشود؟ علت را توضیح دهید.
شکل تقریبی نحوه اتصال مولکلول اسید استیک به سطح (با فرض ساختار گرافیت برای کربن فعال) را رسم کنید.
استیک اسید از سمتی که نیروی واندروالسی قوی تری با اتم کربن دارد جذب میشود زیرا در حین واکنش همیشه مولکول ها به سمتی جذب میشوند که با مولکول واکنش دهنده در تماس باشد و مولکول دیگری آن را اشغال نکرده باشد.
سوال 2) اگر همین آزمایش را با محلول های سدیم استات تکرار کنیم نتیجه چه خواهد بود؟ چرا؟
در آزمایش، جذب سطحی آنتالپی و نیرو های واندر والسی و ساختار هر محلول موثر است. سدیم استات به نسبت استیک اسید قدرت بازی ضعیف تری دارد درنتیجه زمان بیشتری طول میکشد و مقدار کمتری جذب میشود.
سوال 3) پس از بررسی اثر مقادیر k و a بر روی میزان جذب و همدمای جذب، از نظر مولکلولی، در مقایسه با اسید استیک،مقادیر این دو ثابت را برای اسید پروپانوئیک پیش بینی کنید.
PKa برای هر محلول متفاوت است که تعیین کننده قدرت اسیدی و جذب شدن را نشان می دهد. PKa برای استیک اسید 4.76 و برای پروپانوئیک 4.87است که ka آنها به ترتیب 0.67 و 0.68 می باشد قدرت اسیدی در پروپانوئیک بیشتر است و میزان جذب بیشتر است.
msds:
استیک اسید : https://dl.iranchembook.ir/MSDS/Acetic-acid-1.pdf
سدیم هیدروکسید : https://dl.iranchembook.ir/MSDS/Sodium-hydroxide-1.pdf
استاد : سرکار خانم دکتر صداقتی