Adsorptsiooni uurimine lahuse ja õhu piirpinnal (0)

TTÜ
Materjaliteaduse instituut
füüsikalise keemia õppetool
Töö nr
1
Töö pealkiri
Adsorptsiooni uurimine lahuse ja õhu piirpinnal
Üliõpilase nimi ja eesnimi
Reimann Liina
Õpperühm
KATB41
Töö teostamise
kuupäev:
18.02.2015
Kontrollitud:
Arvestatud:
Joonis 1. Stalagmomeeter
Töö eesmärk. Määrata pindaktiivse aine vesilahuse pindpinevus sõltuvalt lahuse kontsentratsioonist. Pindpinevuse isotermist leida adsorptsioni isoterm. Adsorptsiooni isotermist arvutada molekuli pindala ja pikkus monomolekulaarses kihis.
Töövahendid. Stalagmomeeter (joonis 1), mōōtkolvid mahuga 25 ml, pipetid.
Töö käik. Vastavalt juhendajalt saadud tööülesandele valmistatakse pindaktiivse aine vesilahused (25-50 ml igal kontsentratsioonil). Teha kontsentratsioonide arvutus ja esitada see juhendajale. Pindpinevus määratakse stalagmomeetriga tilkade lugemise meetodil. Meetod pōhineb eeldusel, et tilk rebitakse lahti kapillaari küljest, kui tilga kaal P saab vōrdseks pindpinevusjōuga 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 (mitte suuga !) 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 ).
Valemid
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 V 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
Lahjade vesilahuste korral võib lugeda, et , ja võrrand lihtsustub:
( 1)
Vee pindpinevus leitakse juhendi lisas olevast tabelist vastavalt katsetemperatuurile.

Katseandmed

Aine: 0,5 M isobutanool, 5 järjestikust 1:2 lahjendust
Arvutused: M( C4H10O )=74,12g/m
φ=0,805 g/cm3
CM=0,5M
Katse temperatuur 25OC
1. Arvutan pindpinevuse igale konsentratsioonile. Pindpinevus on arvutatud valemiga (1)
(Arvutused on tehtud Exceliga, üksikult ei ole välja toodud)
Tabel 1
mol/l
I katse
II katse
III katse
Keskmine
mJ/m2
0.5
78
77
78
77.67
39.840515
0.25
65
65
 
65.00
47.604308
0.125
61
62
61
61.33
50.450217
0.0625
54
56
56
55.33
55.920723
0.03125
49
48
49
48.67
63.581096
0.015625
47
47
 
47.00
65.835745
Vesi
43
43
 
43
71.96
2) Koostan pindpinevuse isoterm  = f(c), millele tōmban neljal kontsentratsioonil puutujad.
Kusjuures Z =  c Valitud kontsentratsioonidel leitud Z väärtused asendan Gibbsi adsorptsiooniisotermi vōrrandisse  =  ja määran  = Z/RT. Saadud pindliia  väärtused kanna tabelisse 2.
Tabel 2
Kontsentratsioon c mol/l
1/c
Z mJ/m2
Z J/m2
Pindliig  mol/m2
1/
0.03
33.3333333
4
0.004
1.61*10-6
619422.8
0.075
13.3333333
11
0.011
4.44*10-6
225244.65
0.14
7.14285714
14
0.014
5.65*10-6
176977.94
0.15
6.66666667
5
0.005
2.02*10-6
495538.24
 
R=8,314 J/mol*K T=298
Järgnevalt on adsorptsiooniisoterm Г=f(c)
3) Joonestan graafiku
= f(1/c), millest leian adsorptsiooni suuruse max pinna maksimaalsel täitumisel. Selleks kasutatakse Langmuiri vōrrandit  = max teisendatud kujul .
Joonise abil leian adsorptsiooni suuruse Гmax pinna maksimaalsel täitumisel. Kuna joonisel on toodud ka selle graafiku funktsioon, siis selle põhjal:
Гmax = mol/m2
4) Leitud max alusel arvutatakse molekuli pindala adsorptsioonikihis S0 ja adsorptsioonikihi paksus lo , mis vastab molekuli pikkusele. Kui 1 m 2 pinnal adsorbeerub max mooli ainet, siis molekulide arv pinnaühikul on max NA ja ühe molekuli ristlōikepindala pindkihis
S0 =
adsorptsioonikihi paksuse, mis vastab molekuli pikkusele, saan seosest: l0 =
M = 74,12 g/mol
ρ= 0,805 g/ cm³ = 805000 g/m3
5) Punktis 4 arvutatud l0 väärtust vōrdlen molekuli arvutusliku pikkusega, mis on saadud sidemete keskmiste pikkuste alusel . Arvutustes loen kōigi sidemetevaheliste nurkade suuruseks 1090.
L0= [L(O-H) + L(O-C) + 2L(C-C) + L(C-H)]* sin = (0,10+0,14+ 0,30+0,10)*0,814 =0,521 nm = 5,21 * 10-10 m
Järeldus
Katse tulemusena sain molekuli pikkuseks l0= 5,21 * 10-10 m ja arvutuslikult l0=3,76*10-10 m. Erinevus arvutusliku ja tegeliku vahel on 1,45*10-10 m ehk 0,145 nm. Erinevus on üsna väike (vastus on samas suurusjärgus), erinevuse suurus on umbes ühe C-C sideme pikkus ehk 0,15 nm. Sarnane viga on tulnud tõenäoliselt sellest, et ei pruukinud tilkade arvusid õigesti lugeda ( tilgad tulid kiiresti). Üldjaos võib öelda, et katse on korda läinud.