Adsorptsiooni uurimine lahuse ja õhu piirpinnal (0)

TTÜ
Materjaliteaduse instituut
füüsikalise keemia õppetool
Töö nr 1k
Adsorptsiooni uurimine lahuse ja õhu piirpinnal
Üliõpilase nimi:
Õpperühm: KATB41
Töö teostamise
kuupäev: 19.02.2014
Kontrollitud:
Arvestatud:
Joonis 1. Stalagmomeeter
Töö eesmärk
Määrata pindaktiivse aine vesilahuse pindpidevus sõltuvalt lahuse kontsentratsioonist. Pindpidevuse isotermist leida adsorptsiooni isoterm. Adsorptsiooni isotermist arvutada pindala ja pikkus monomolekulaarses kihis.
Töövahendid
Stalagmomeeter (joonis 1), mōōtkolvid mahuga 25(50) ml, pipetid
Töö käik ja teoreetilised alused
Vastavalt juhendajalt saadud tööülesandele valmistasin pindaktiivse aine vesilahused . Pindpidevuse määrasin stalagmomeetriga tilkade lugemise meetodil. Meetod põhineb eeldusel , et tilk rebitakse lahti kapillaari küljest, kui tilga kaal P saab võrdseks pindpidevusjõuga F.
Esimeses lähenduses vōib lugeda, et
F = 2r
kus r on stalagmomeetri kapillaari raadius,
 - pindpinevus .
Täpsemal  määramisel tuleb arvestada, et tilga katkemine toimub tilga kaelas, mille raadius erineb kapillaari omast. Seega tuleb raadiust r korrutada parandusteguriga k, mis sõltub suhtest Vtilk/r3 , kus Vtilk on tilga ruumala. Katseliselt on näidatud , et see tegur muutub vähe isegi tilga ruumala tuhandekordsel muutumisel.
Pindpinevuse määramiseks tõmmatakse uuritav vedelik kummiballooni abil stalagmomeetrisse, nii et nivoo oleks kõrgemal ülemisest märgist A stalagmomeetri kaelal . Seejärel eemaldatakse kummiballoon ja lastakse vedelik tilkuda alla pandud keeduklaasi. Loendatakse vedeliku tilkade arv vedeliku nivoo langemisel stalagmomeetri ülemisest märgist A alumise märgini B. Katset korratakse iga lahusega vähemalt 3 korda, alustades määramist destilleeritud veega ja lõpetades suurima kontsentratsiooniga lahusega. Korrektsete tulemuste saamiseks peab tilkade moodustumine olema piisavalt aeglane (2-3 tilka minutis).
Kui stalagmomeetri ülemise ja alumise märgi vaheline ruumala on V ja tilkade arv selles n, siis ühe tilga ruumala on V/n ja tilga kaal
kus  on vedeliku tihedus,
g - raskuskiirendus .
Tilga eraldumise momendil P = F ehk
Mõõtmised sooritatakse ühe ja sama stalagmomeetri abil ka mingi tuntud pindpinevusega vedeliku (vee) suhtes ja uuritava lahuse pindpinevus arvutatakse võrrandite suhtest:
ja
kus x on uuritav lahus.
Siit saame, et
( I, 1)
Lahjade vesilahuste korral võib lugeda, et , ja võrrand lihtsustub:
( I, 2 )
Vee pindpinevus leitakse juhendi lisas olevast tabelist vastavalt katsetemperatuurile.
Katseandmed ja arvutused:
Uuritav lahus on propanooli vesilahus kontsentratsiooniga 1 M
Katseandmete põhjal :
1) Arvutatakse uuritava lahuse pindpinevus (mJ/m2) erinevatel kontsentratsioonidel
Vee pindpidevus on 72,75
Leian pindpidevused:
69,29
Lahuse kontsentratsioon c
mol/l
Tilkade arv
Pindpinevus 
mJ/m2
I katse
II katse
III katse
Keskmine
Vesi H2O
41
40
39
40
72,75
0,03125
42
42
42
69,29
0,0625
43
43
43
67,67
0,125
46
46
46
63,26
0,25
51
51
51
57,06
0,5
58
58
58
50.17
1
69
69
69
42,17
2) Koostatakse pindpinevuse isoterm  = f(c), millele tõmmatakse neljal -viiel kontsentratsioonil puutujad (mitte tingimata katsepunktides). Iga puutuja abil saab leida ordinaattelje lõigu pikkusega Z (joonis 2), kusjuures
Z =  c
Pindpinevuse isoterm
Z avaldatakse pindpinevuse ühikutes.
Valitud kontsentratsioonidel leitud Z väärtused asendatakse Gibbsi adsorptsiooniisotermi võrrandisse
 =  ( I, 3 )
ja määratakse  = Z/RT. Saadud pindliia  väärtused kantakse tabelisse 2 ja joonistatakse adsorptsiooniisoterm  = f(c) (joonis 2).
R= 8,314 J/(mol K)
T= 293 K
Kontsentratsioon c mol/l
1/c
Z mJ/m2
Z J/m2
Pindliig  mol/m2
1/
0,03125
32
2
0,002
8,21 * 10-7
1218026,8
0,125
8
7
0,007
2,87 * 10-6
348432,1
0,25
4
8
0,008
3,28 * 10-6
304878,0
0,5
2
10
0,01
4,11 * 10-6
243309,0
Tabel 2
Adsorptsiooni isoterm
Joonis 2
3) Joonestatakse graafik
=f(1/c), millest leitakse adsorptsiooni suurus max pinna maksimaalsel täitumisel (joonis 3). Selleks kasutatakse Langmuiri võrrandit
 = max ( I, 4)
teisendatud kujul
( I, 5)
Joonisel 3 on esitatud pindliia pöördväärtuse sõltuvus kontsentratsiooni pöördväärtusest.
Joonis 3
Joonis 3 abil leian adsorptsiooni suuruse Гmax pinna maksimaalsel täitumisel. Kuna joonisel on toodud ka selle graafiku funktsioon, siis selle põhjal:
Гmax =
mol/m2
Leitud Гmax-i alusel leian molekuli pindala S0 adsorptsioonikihis ja kihi paksuse l0.
S0 =
= 2,46*10-19 m2
l0 = =
5,04 * 10-10 m
M = 60,10 g/mol
0,804 g/cm3 = 804000 g/m3
Võrdluseks leian ka molekuli pikkuse ka keskmiste sideme pikkuste kaudu.
L0= [L(O-H) + L(O-C) + L(C-C) + 2L(C-H)]* sin = (0,1+0,14+2*0,15+0,1)*0,814 =0,521 nm = 5,21 * 10-10m
Kokkuvõte
Antud töös oli vaja uurida adsorptsiooni lahuse ja õhu piirpinnal.
Selle jaoks tuli läbi viia katse erineva kontsentratsiooniga lahustega stalagmomeetri abil. Katse tulemuste alusel sai välja arvutada pindpinevuse väärtused ning joonestada pindpinevuse isoterm, mille järgi sai leida adsorptsiooni isotermi .
Jooniste abiga oli võimalik näha, kuidas adsorptsioon sõltub lahuse kontsentratsioonist. Lõpuks tuli arvutada ka molekuli pindala adsorptsioonikihis ja adsorptsioonikihi paksus, mis vastab molekuli pikkusele.
Viimast tuli võrrelda arvutusliku molekuli pikkusega, mis on saadud sidemete keskmiste pikkuste alusel. Katse tulemusena sain molekuli pikkuseks l0=5,04 * 10-10 m ja arvutuslikult l0=5,21 * 10-10m.
Tulemused on üsna sarnased, viga on umbes 3%. Sellest võin järeldada, et katse õnnestus.