گزارش کار آزمایشگاه شیمی فیزیک

پدیده های سطحی، جذب سطحی از محلول

تاریخ انجام آزمایش : ۱۴۰۰/۲/۱۰
 
ایمان پورمشکی
فاطمه نجفی
 
رشته تحصیلی : مهندسی شیمی
 
استاد : سهیلا صداقتی

۱) مقدمه و هدف

۲)تئوری آزمایش 

۳)کار های آزمایشگاهی

۴)نتایج و بحث 

۵) MSDS

مقدمه و هدف

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:
۱- 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.
۲- جذب شیمیایی به خواص مولکول های جذب شونده و مولکول های سطح جذب کننده بستگی دارد.
۳- خارج کردن کامل مولکول های جذب شده از سطح جذب کننده به سادگی امکان پذیر نیست (پدیده جذب شیمیایی
الزاماً برگشت پذیر نیست.)
۴- جذب شیمیایی معمولا تک لایه است.
خواص جذب فیزیکی:
۱- 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.
۲- جذب فیزیکی می تواند در دماهای پایین یا متوسط برای هر مولکول و بر بروی هر سطح صورت گیرد.
۳-خارج کردن کامل مولکول های جذب شده از سطح ماده جاذب به سادگی امکان پذیر است (پدیده جذب فیزیکی
برگشت پذیر است.)
۴- 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.
(۱)         N=kCa ,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 (۱) 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 ۷۷ کلوین است.
وقتی جذب مولکول های یک گاز یا مایع بر روی سطح یک ماده جامد جاذب از نوع شیمیایی باشد، معمولاً جذب تک
لایهای 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:
سرعت جذب :
k1C(1−θ)
سرعت واجذب:
u2=k2θ
و در حالت تعادل داریم:
u1=u2→k1C(1−θ)=k2θ→k1C(1−θ)k2=θ
که با تعریف ثابت تعادل فرآیند جذب به صورت K=k1/k2 داریم:
KC(1−θ)=θ
بنابراین:

(2)             θ=KC/1+KC
این همدمای جذب لانگمویر است. ثابت تعادل فرآیند، علاوه بر ماهیت ملکول های جذب شونده و نوع سطح جامد، فقط به دما
میتوان نوشت: θ بستگی دارد. بر اساس تعریف

(3)                  θ=N/Nm
که در آن N تعداد مولکول های جذب شده در غلظت تعادلی C به ازای هر گرم جسم جامد و Nm تعداد ملکلول های لازم
از رابطه ی (3) در رابطه (2) و مرتبط θ جهت تشکیل یک لایه کامل به ازای هرگرم جسم جامد میباشد. با قرار دادن مقدار
کردن آن، رابطه ی زیر نتیجه میشود.

(4)               C/N=C/Nm+1/KNm
اگر بتوان همدمای لانگمویر را برای یک پدیده جذب بکار برد، از رسم تغییرات C/N نسبت به C خط مستقیمی حاصل
میشود که ضریب زاویه ای آن 1/1Nm است و عرض از مبدأ آن 1/1kNm است. به عبارت دیگر، میتوان مقادیر Nm و K را
میتوان سطح ویژه ی ،δ بدست آورد و از آنجا با معلوم بودن سطح اشغال شده توسط یک مولکول، یعنی A (بر حسب مترمربع
بر گرم) جسم جامد را به صورت زیر محاسبه کرد.
   (5)                A=Nm×NA×δ×10−20
در این رابطه NA سطح ویژه ی یک مولکول بر حسب آنگستروم مربع است. اگر تعداد مولکول های جذب δ عدد آووگادرو و
شده، یعنی mN ، مستقل از دما باشد (که معمولاً هست)، همدمای جذب(منظور تغییرات C/N نسبت به C ) در دما های مختلف
بایستی تماماً دارای شیب برابر باشند، ولی چون K تابع دماست، معمولاً نا برابری در عرض از مبدأ مشاهده میشود.
به نظر میرسد که برای جذب از محلول های آبی رقیق اسید استیک بر روی زغال فعال شرایط برای یک لایهای بودن
مناسب است و چون اسید استیک و آب به مقدار قابل ملاحظه ای در زغال نفوذ نمیکنند، در این صورت میتوان از جذب عمقی
صرف نظر نمود. در این آزمایش، جذب مولکول های اسید استیک از محلول آبی بر روی سطح کربن فعال مورد بررسی قرار
میگیرد.

روش آزمایش:

تعداد ۶ ارلن مایر را تمیز و خشک میکنیم و آن ها را شماره گذاری میکنیم و به هر کدام مقدار مساوی کربن فعال یا همان زغال اضافه میکنیم.

در هر ارلن مطابق جدول زیر از محلول ۰/۲ مولار استیک اسید میریزیم و مابقی آن تا ۱۰۰ میلی لیتر را با اب پر میکنیم.

 V1 میلی لیتر محلول استیک اسید ۰/۲ مولار و  V2 میلی لیتر آب مقطر میباشد.

درب شش ارلن دیگر را بوسیلهی درپوش لاستیکی با چوب پنبه محکم ببندید و به مدت 45 دقیقه تا یک ساعت محلول
درون آنها را بهم بزنید. بهتر است برای بهم زدن از دستگاه تکان دهنده الکتریکی استفاده کنید. در هر صورت، پس از هم زدن
کامل، ارلن ها زا توسط گیره در یک حمام آبی ℃ 25 قرار دهید و برای رسیدن به تعادل گرمایی به مدت 15 دقیقه صبرکنید.
حال میتوانید به یکی از دو روش زیر آزمایش را ادامه دهید.
الف( کلیه نمونه هارا بر روی کاغذ صافی ریز صاف کنید. چون امکان دارد کاغذ صافی مقداری از اسید را جذب کند، حدود 11
میلی لیتر اول از هر نمونه صاف شده را دور ریخته و بقیه آن را در یک ارلن جمع آوری کنید. با پیپت حباب دار دو نمونه ۱۰
میلی لیتری به دو ارلن 151 میلی لیتری منتقل کنید.
ب( به نوک یک پیپت 25 میلی لیتری یک لوله لاستیکی کوچک که درون آن کمی پشم شیشه وجود دارد، وصل کنید و بدون
آنکه زغال وارد پیپت شود دو نمونه ۱۰ میلی لیتر از هر محلول نمونه برداری کنید.
معمولا روش (الف) ترجیح داده می شود، زیرا دارای دقت بیشتری است.
1 مولار در مجاورت دو یا سه قطره معرف فنول فتالئین تیتر / حال نمونه های برداشته شده را با محلول سدیم هیدروکسید 1
کنید. این تیتراسیون باید برای محلول های صاف شده هر شش ارلن تکرار شده و نتایج تیتراسیون یادداشت شود. چون مقدار
استیک اسید موجود در ارلنهای 5 و 6 کم است برای دقت بیشتر میتوانید از بورت 11 میلی لیتر استفاده کنید.
توصیه میشود به منظور خارج کردن ناخالصی ها، قبل از شروع آزمایش زغال را چند بار شسته و در کوره 121 درجه
قرار دهید تا خشک شود و به صورت زغال فعال درآید. همچنین میتوانید پس از انجام این آزمایش ها، یک نمونه جداگانه که
دارای یک گرم زغال و 111 میلی لیتر آب مقطر است، تهیه کرده و مراحل آزمایش را بر روی آن انجام دهید. آنگاه دو نمونه
1 مولار در مجاورت دو تا سه قطره فنول فتالئین ۱۰ میلی لیتری از محلول صاف شده آن را با محلول سدیم هیدروکسید 1
تیتر کنید. طبیعی است که نتیجه این تیتراسیون باید نشان دهنده عدم حضور اسید در محلول باشد.

محاسبات:

MSDS :

استیک اسید: