Adsorptsiooni uurimine lahuse ja õhu piirpinnal (4)

Materjaliteaduse instituut TTÜ Füüsikalise keemia õppetool Töö 1 Töö pealkiri ADSORPTSIOONI UURIMINE LAHUSE JA ÕHU PIIRPINNAL nr (KK) Üliõpilane MIHKEL HEINMAA Õpperühm YAGB41 Töö teostatud 21/02/2011 Arvestatud
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, mõõtekolvid mahuga 50 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 p÷ hineb eeldusel, et tilk rebitakse lahti kapillaari küljest, kui tilga kaal P saab v÷rdseks pindpinevusj÷uga F. Esimeses lähenduses v÷ib lugeda, et , kus r on stalagmomeetri kapillaari raadius, - pindpinevus. Täpsemal s määramisel tuleb arvestada, et tilga katkemine toimub tilga kaelas, mille raadius erineb kapillaari omast. Seega tuleb raadiust r korrutada parandusteguriga k, mis s÷ltub suhtest Vtilk/r3 , kus Vtilk on tilga ruumala. Pindpinevuse määramiseks t÷mmatakse uuritav vedelik kummiballooni abil stalagmomeetrisse, nii et nivoo oleks k÷rgemal 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 l÷petades suurima kontsentratsiooniga lahusega. Korrektsete tulemuste saamiseks peab tilkade moodustumine olema piisavalt aeglane (2-3 tilka minutis ).
TEOREETILISED PÕHJENDUSED. 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 r on vedeliku tihedus, g - raskuskiirendus . Tilga eraldumise momendil P = F ehk
M÷÷tmised sooritatakse ühe ja sama stalagmomeetri abil ka mingi tuntud pindpinevusega vedeliku (vesi) suhtes ja uuritava lahuse pindpinevus arvutatakse v÷rrandite suhtest:
ja
kus x on uuritav lahus. Siit saame, et
Lahjade vesilahuste korral v÷ib lugeda, et x = H2O = 1 v÷ rrand lihtsustub:
Vee pindpinevus leitakse juhendi lisas olevast tabelist vastavalt katsetemperatuurile.
2 KATSETULEMUSED
Enamik arvutusi on tehtud MS Exceli keskkonnas ja arvutuskäik pole üksikjuhtudel välja toodud. Uuritav aine on iso- butanool 1) Arvutan pindpinevuse igale kontsentratsioonile Pindpinevus arvutatud valemiga (1)
Katse temperatuur: 25oC Lahuse Tilkade arv n kontsentratsioon I II III Katsete Pindpinevus c, mol/l katse katse katse keskmine , mJ/m2 Võrdlusl. H2O 45 45 44 44,67 (71,97) 1 105 110 107 107,33 29,95 0,5 93 85 88 88,67 36,26 0,25 73 73 75 73,67 43,64 0,125 62 61 62 61,67 52,13 0,0625 53 58 57 56,00 57,40
2) Koostan pindpinevuse isotermi =f(c), millele tõmban neljal suvaliselt valitud kontsentratsioonil puutujad. Iga puutuja abil leian ordinaattelje lõigu pikkusega Z.
3 Kusjuures . Valitud kontsentratsioonidel leitud Z väärtused asendatakse Gibbsi adsorptsiooniisotermi võrrandisse . Väärtused on kantud järgnevasse tabelisse ja joonistatud adsorptsiooniisoterm =f(c)
Kontsentratsioon Z Z Pindliig c, mol/l 1/c mJ/m2 J/m2 , mol/m2 1/ 0,22 4,55 8,3 0,0083 3,33x10-6 300311,76 0,30 3,33 10,1 0,0101 4,10x10-6 244166,52 0,44 2,27 10,5 0, 0105 4,23x10-6 236495,51 0,62 1,61 10,3 0,0103 4,17x10-6 239765,03 R, J/(mol K) 8,314 T, K 298
3) Joonestan graafiku 1/=f(1/c), millest leian adsorptsiooni suuruse max pinna maksimaalselt täitumisel. Selleks kasutan Langmuiri võrrandit teisendatud kujul .
Graafikult on leida, et max = (195000)-1 = 5,13x10-6 mol/m2.
4 4) Leitud max alusel arvutan molekuli pindala adsorptsioonikihis S0 ja adsorptsioonikihi paksuse l0, mis vastab molekuli paksusele . Ühe molekuli ristlõikepindala pindkihis:
Adsorptsioonikihi paksuse, mis vastab molekuli pikkusele, saan seosest:
5) Leian isobutanooli arvutusliku pikkuse, võttes kõigi sidemete vaheliseks nurgaks 109 o.
JÄRELDUSED
Arvutuslik pikkus ja eksperimentaalne pikkus erinevad 0,521-0,473=0,048 nm võrra. Erinevus on tegelikult üsna väike (ühe C-C sideme pikkus on 0,15 nm). Ma usun, et säärane mitteühtivus on tulnud sellest, et eksperimentaalse katse metoodika ei tundu olevat just kõige täpsem. Olen üsna kindel, et vead tulid sisse ka tilkade arvu lugemisel, kuna need lihtsalt tulid liiga kiiresti. Üldiselt arvan, et katse on kordaläinud, sest vastus tuli ju ikkagi samas suurusjärgus.
5