Versuch 5: Adsorption von Essigsäure an Aktivkohle

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1 Versuch 5: Adsorption von Essigsäure an Aktivkohle Aufgabenstellung Es ist die Adsorption von Essigsäure an Aktivkohle quantitativ zu untersuchen und 1) der Verlauf der Adsorptionsisotheren nach Freundlich in a) einfacher For b) logarithischer For c) reziproker For nach Languir graphisch darzustellen 2) die Konstanten a und n in der Freundlich- bzw. A und B in der Languir- Adsorptionsisothere zu bestien. 3) Es ist die Reversibilität der Adsorption von Essigsäure an Aktivkohle zu prüfen. 4) Es ist die Gültigkeit der Adsorptionsisothere nach Freundlich und Languir zu diskutieren Theorie An der Grenze zwischen zwei Phasen bildet sich ein Übergangsgebiet aus, das sogenannte Phasengrenzgebiet, dessen Zusaensetzung it der Zusaensetzung i Innern der beiden Phasen nicht identisch ist. Reichert sich die Zwischenphase infolge der Wirkung von Grenzflächenkräften it eine Stoff über seine Konzentration innerhalb der Phase an, so nennt an eine derartige Ansalung Adsorption. Adsorption tritt fast ier bei Berührung von Gasen oder Lösungen it einer festen Phase auf. Sie hängt von der Oberfläche der festen Phase ab; starke Adsorption zeigen Stoffe it großer Oberfläche (Tierkohle, Kaolin, kolloidale Suspensionen). Die auf die Oberflächeneinheit entfallende Menge des adsorbierenden Stoffes hängt, wenn wir Flüssigkeiten betrachten, von der Konzentration der Lösung ab. Es liegt ein Gleichgewichtszustand vor, der bei gegebener Teperatur durch die sogenannte Adsorptionsisothere beschreibbar ist. 1

2 Die quantitativen Beziehungen des Adsorptionsvorgangs lassen sich innerhalb eines weiten Konzentrationsbereichs oft durch die von Freundlich epirisch gefundene Adsorptionsisothere darstellen.: = acn (1) in logarithischer Schreibweise ergibt sich: lg = lg a+ nlg c (1a) it = gesate adsorbierte Menge eines Stoffes c = Konzentration der Lösung, aus der adsorbiert wird = Masse des Adsorbens a, n = epirische Konstanten Eine theoretische Ableitung der Adsorptionsisotheren wurde von Languir aufgrund olekularkinetischer Vorstellungen unter der Voraussetzung gegeben, daß der adsorbierte Stoff an der Oberfläche des Adsorbens nur eine onoolekulare Schicht bildet. Ac = (2) 1 + Bc A,B = Konstanten Versuchsdurchführung Zunächst stellt an durch Verdünnen von etwa 96%-iger Essigsäure jeweils 0 l folgender Konzentrationen her ( in l-Standkolben). Kolben Nr n (ol/l) Jeder Kolben wird it 3g Aktivkohle versetzt und während der nächsten 3 Stunden alle 10 Minuten kräftig geschüttelt. Danach wird abfiltriert, wobei die ersten 5l nicht zu verwenden sind. Zwei Proben it jeweils 25 l des Filtrats werden gegen 1n bzw. 0.1 n NaOH titriert (Indikator: Phenolphthalein). 2

3 Der Kolben Nr.1 stellt eine Blindprobe dar, durch welche an die Basizität der Aktivkohle (falls vorhanden) feststellt. Dazu gibt an 3g Aktivkohle in 100l Wasser und behandelt diese Probe wie alle anderen Proben weiter. Titriert wird hier it 0.02n Essigsäure und die dabei erittelte Basizität wird als Korrekturfaktor berücksichtigt. Die Ergebnisse bitte in Tabellenfor angeben. Reversibilität Die Reversibilität der Adsorption läßt sich z.b. durch Konzentrationserniedrigung nachweisen, denn das dadurch gestörte Gleichgewicht (durch Zugabe von Wasser) kann nur dadurch wieder hergestellt werden, wenn ein Teil des absorbierten Stoffes wieder in Lösung geht. Die Überprüfung der Reversibilität kann z. B. nach folgende Schea durchgeführt werden: Kolben Nr. 1 2 Anfangsenge 0.16n AcOH (l) zugesetztes Wasser (l) zugesetzte Kohle (g) nach de Schütteln zugesetztes Wasser (l) Verbrauch an 0.1n NaOH Fragen: 1. In welchen Bereichen sind die Adsorptionsisotheren nach Languir und Freundlich gültig? 2. Kann an unter bestiten Voraussetzungen aus der Languir- die Freundlich- Adsorptionsisothere ableiten? 3. Waru spielt Aktivkohle bei sehr vielen katalytischen Prozessen eine so große Rolle? 4. Welche Aussagen können Sie über die Beschaffenheit der Aktivkohle achen, wenn nach der Behandlung von Aktivkohle it dest. Wasser eine basische Reaktion auftritt? 5. Welche Adsorptionsisotheren kennen sie noch und welche Rolle spielen sie z.b. i Bereich der heterogenen Katalyse? (Stichwort: BET-Isothere) 6. Was ist Kapillarkondensation? 7. Mit Hilfe welcher Methoden kann an die Adsorptionsenthalpie essen? 3

4 Literatur Zusatzliteratur: 1. Lehrbücher: J. Hagen, Technische Katalyse; Eine Einführung, VCH-Verlag Weinhei (1996), Kapitel 1.1/1.2 H.D. Dörfler, Grenzflächen- und Kolloidcheie, VCH-Verlag Weinhei (1994), Kapitel 4.4 Ulrich-Jost, Kurzes Lehrbuch der physikalischen Cheie, Auflage, S.76 (1963) 2. Artikel G. Ertl, Eleentarschritte bei der heterogenen Katalyse, Angew. Che. 102 (1990) S.T. Oyaa, G.A. Soorjai, Hoogeneous, Heterogeneous, and Enzyatic Catalysis, J. Che. Educ. 65 (1988) R. Schlögl, Heterogene Katalyse- Ier noch Kunst oder schon Wissenschaft?, Angew. Che. 105 (1993) M.D. Merchan, F. Salvador, Theroprograed Desorption, J. Che. Educ. 12 (1994) 1085 D.G. Duff, S.M.C. Ross, D.H. Vaughan, Adsorption fro Solution- An Eperient to Illustrate the Languir Adsorption Isother, J. Che. Educ. 65 (1988) 815 J. Falbe, H. Bahrann, Hoogene Katalyse in der Technik, Cheie in unserer Zeit 15 (1981), 37 weiterführende Literatur: J.M. Thoas, W.J. Thoas, Principles and Practice of Heterogeneous Catalysis, VCH-Verlag Weinhei, 1. Auflage, (1997) G.A. Soorjai, Introduction to Surface Cheistry and Catalysis, Wiley & Sons NY, 1. Auflage, (1994) 4

5 V5: Adsorption von Essigsäure an Aktivkohle Meßprotokoll Gruppe Nr. : Naen: Datu: Steilbrustflasche Einwaage Aktivkohle [g] c HOAc soll [ol l -1 ] c NaOH -Titer [ol l -1 ] c HOAc -Titer [ol l -1 ] 0.1 vor Adsorption Verbrauch NaOH [l] Mittelwert: c HOAc ist [ol l -1 ] HOAc [g/100l] nach Adsorption Verbrauch NaOH [l] Verbrauch HOAc [l] Mittelwert: Blindwert HOAc [g] nicht ads. HOAc [g] adsorbierte HOAc [g] Belegungsgrad / Ergebnisse: Konstanten der Freundlich-Isothere: a = b= Konstanten der Languir-Isothere: A= B= = acn Ac = 1+ Bc 5

6 Physikalisch Cheisches Grundpraktiku Versuch 5 Adsorptionsisotheren Adsorption von Essigsäure an Kohle