KK 1, Adsorptsiooni määramine lahuse ja õhu piirpinnal (1)

TTÜ
Materjaliteaduse instituut
Füüsikalise keemia õppetool
Töö nr. KK1
Töö pealkiri: Adsorptsiooni uurimine lahuse ja õhu piirpinnal
Üliõpilase nimi ja eesnimi :
Õpperühm:
Töö teostamise
kuupäev:
Kontrollitud:
Arvestatud:
Joonis 1. Stalagmomeeter

Töö ülesanne

Ülesandeks on määrata pindaktiivse aine vesilahuse pindpinevus sõltuvalt lahuse kontsentratsioonist. Pindpinevuse isotermist tuleb leida adsorptsiooni isoterm ning adsorptsiooni isotermist omakorda tuleb arvutada molekuli pindala ja pikkus monomolekulaarses kihis.
Minul tuli valmistada butanooli vesilahus kontsentratsiooniga 0,4 M ja sellest 5 järjestikust lahjendust 1:2, seejäre mõõta lahuste pindpinevused stalagmomeetri abil.

Katse käik

Valmistasin butanooli 0,4 M vesilahused (pindaktiivne aine), igal kontsentratsioonil 25-50 mL. Selleks tegin kontsentratsioonide arvutuse ja esitasin selle õppejõule eelnevalt.
Pindpinevuse mõõtsin stalagmomeetriga tilkade lugemise meetodil.
Tõmbasin uuritava lahuse kummiballooni abil stalagmomeetrisse, nii et nivoo oli kõrgemal ülemisest märgist A stalagmomeetri kaelal . Eemaldasin kummiballooni ja lasin vedelikul tilkuda keeduklaasi. Samal ajal lugesin tilkade arvu ülemisest märgist A kuni alumise märgini B. Märkisin selle tabelisse. Kordasin katset iga lahusega vähemalt kaks korda, vajadusel ka kolm korda. Määramist alustasin destilleeritud veest ning lõpetasin suurima kontsentratsiooniga lahusega.

Teoreetiline põhjendus ja valemid

Stalagmomeetriga tilkade lugemise meetod põhineb eeldusel , et tilk rebitakse lahti kapillaari küljest, kui tilga kaal P saab võrdseks pindpinevusjõuga F. Esimeses lähenduses võib seega arvestada, et , kus r on stalagmomeetri kapillaari raadius ja σ on pindpinevus.
Täpsemal σ määramisel tuleb arvestada, et tilga katkemine toimub tilga kaelas, mille raadius erineb kapillaari omast.
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 ρ – vedeliku tihedus ja g – raskuskiirendus .
Tilga eraldumise momendil P=F ehk
Mõõtmised sooritatakse sama stalagmomeetriga ka mingi tuntud pindpinevusega vedeliku (selle katse puhul vee) suhtes ja uuritava lahuse pindpinevus arvutatakse võrrandite suhtest :
ja ,kus x – uuritav lahus.
Siit saame, et
Lahjade vesilahuste korral võib lugeda, et , ja võrrand lihtsustub:

Katseandmed ja arvutused

Tuleb valmistada 50 mL 0,4 M butanooli lahust:
M=74,12 g/mol ρ=0,810 g/cm3 VL=50 mL CM=0,4 M
Butanooli moolide arv lahuses:
Butanooli mass lahuses:
Propanooli maht:
Katse temperatuur: T=20⁰C
Vee pindpinevus: σ=72,75 mJ/m2

Arvutasin uuritava lahuse pindpinevuse (mJ/m2) erinevatel kontsentratsioonidel:
Lahuse kontsentratsioon c
mol/l
Tilkade arv
Pindpinevus σ
mJ/m2
I katse
II katse
III katse
Keskmine
H2O
41
41
41
72, 7500
0,0125
44
44
44
67,7898
0,025
46
45
45
45,33
65,7960
0,05
49
49
49
60,8724
0,1
55
55
55
54,2318
0,2
65
66
65
65,33
45,6543
0,4
82
81
81
81,33
36,6732

Koostsin pindepinevuse isotermi σ=f(c), millele tõmbasin neljal kontsentratsioonil puutujad. Iga puutuja abil tegin kindlaks ordinaattelje lõigu pikkusega Z, kusjuures , Z avaldasin pindpinevuse ühikutes.
Joonis 2. Pindpinevuse isoterm koos valitud kontsentratsioonidel tõmmatud puutujatega
(Graafikul on musta paksu joonega pindpinevuse isoterm, värviliste joontega on tõmmatud puutujad kontsentratsioonidel 0,08; 0,1; 0,16; 0,2 ja 0,3)
Valitud kontsentratsioonidel leitud Z väärtused asendasin Gibbsi adsorptsiooniisotermi võrrandisse
ja määrasin . Saadud pindliia Γ väärtused kandsin tabelisse ja joonistasin adsorptsiooniisotermi Γ=f(c).
Temperatuur: T=293,15 K (t=20⁰C)
Kontsentratsioon c
mol/l
1/c
Z
J/m2
Pindliig Γ
mol/m2
1/Γ
0,08
12,50
0,00960
3,9389*10-6
253880,11
0,1
10,00
0,01020
4,1850*10-6
238945,99
0,16
6,25
0,01220
5,0056*10-6
199774,52
0,2
5,00
0,01240
5,0877*10-6
196552,35
0,3
3,33
0,01270
5,2108*10-6
191909,38
Joonis 3. Adsorptsiooni isoterm

Joonestasin graafiku 1/Γ=f(1/c), millest leidsin adsorptsiooni suuruse Γmax pinna maksimaalsel täitumisel. Selleks kasutasin Langmuiri võrrandit , teisendatud kujul
Graafikult saan, et 1/Γmax=161480

Leitud Γmax alusel arvutasin molekuli pindala adsorptsioonikihis S0 ja adsorptsioonikihi paksuse l0, mis vastab molekuli pikkusele. Kui 1 m2 pinnal adsorbeerub Γmax mooli ainet, siis molekulide arv pinnaühikul on ΓmaxNA ja ühe molekuli ristlõikepindala pindkihis on: , kus NA = 6,02* 1023 mol-1.
Adsorptsioonikihi paksuse, mis vastab molekuli pikkusele, saab seosest , kus M on aine molaarmass g/mol.
NB! ρ – aine tihedus g/m3 (see on mittesüsteemne ühik) ja l0 on adsorptsioonikihi paksus m;

Võrdlesin saadud l0 väärtust molekuli arvutusliku pikkusega, mis on saadud sidemete keskmiste pikkuste alusel. Arvutustes on kõigi sidemetevaheliste nurkade suuruseks loetud 109⁰.

Järeldus

Näen, et mida suurem on lahuse kontsentratsioon, seda suurem on pindpinevus.
Punktis 5) leitud l0 ja graafikult leitud ning arvutatud l0 punktis 4) erinevad üksteisest, kuid mitte nii palju, et saaks öelda, et katse ei tulnud üldse välja, langevad samasse suurusjärku.
Katseviga : .
Selline katseviga võis tulla tilkade valest lugemisest , kuid tõenäolisemalt pigem graafikult andmete ebaõigest lugemisest, puutujad võisid olla tõmmatud ebamääraselt.