Adsorptio ja etikkahapon tarkistaminen
Työn tarkoitus:
Tässä opinpolussa tutustutaan yksikköprosessiin adsorptio ja sekoitus, sekä neutralointi.
1. Menetelmän periaate
Homogeenisessa aineessa molekyyliin vaikuttavat viereisten saman aineen molekyylien veto- ja poistovoimat, joiden vaikutukset kumoavat toisensa. Sen sijaan kahden faasin rajapinnassa olevaan molekyyliin vaikuttavat rajapinnan kummallakin puolen eri molekyylien veto- ja poistovoimat, jotka eivät yleensä kumoa toisiaan. Näistä voimista johtuvat mm. pintajännitysilmiö ja vieraiden aineiden molekyylien kiinnittyminen eli adsorptio rajapintaan. Täten esim. kaasut ja liuoksessa olevat liuenneet aineet adsorboituvat kiinteän aineen pintaan. Sellaisilla huokoisilla aineilla, joilla on suuri pinta, on kyky adsorboida huomattavan suuriakin ainemääriä. Aine adsorboituu yleensä vain yhden tai korkeintaan muutaman molekyylin paksuiseksi kerrokseksi.
Adsorptio noudattaa yleensä Langmuirin adsorptioisotermiä
(x/m) = ( k1 c) / (k2 + c) (1)
Yhtälössä x = adsorboituneen aineen massa [g], m = adsorbenssin massa [g], k1 ja k2 ovat vakioita, c = liuoksessa olevan aineen konsentraatio [mol/dm3] adsorption jälkeen. Jos yhtälössä (1) vaihdetaan osoittaja ja nimittäjä keskenään, saadaan yhtälö muotoon
(m/x) = (k2/k1) (1/c) + (1/k1) (2)
Tämän mukaan pitäisi m/x:n olla 1/c:n lineaarinen funktio.
Jos kokeessa saadut arvot noudattavat Langmuirin adsorptioisotermiä, ts. graafinen esitys antaa tulokseksi suoran viivan, ovat molekyylit adsorboituneet hiilen pinnalle monomolekulaariseksi kerrokseksi ko. konsentraatioalueella.
Lisättäessä liuoksessa olevan aineen konsentraatiota saavuttaa adsorboitunut ainemäärä maksimiarvon adsorbenssin pinnan täyttyessä. Yhtälöstä (2) nähdään, että tämä raja-arvo on (m/x)min = 1/k1, sillä c:n ollessa suuri k2/(k1c) on merkityksettömän pieni. Siten k1 = (x/m)max ilmoittaa adsorboituneen aineen massan, joka riittää peittämään molekyylin vahvuisella kerroksella 1 g:n suuruisen adsorbenssimäärän kokonaispinnan. Kun tunnetaan adsorboituvan aineen molekyylin (tässä työssä etikkahappomolekyylin) poikkileikkauksen pinta-ala (A = 21∙10-20 m2), voidaan edellä mainitun ainemäärän kokonaispinta-ala molekyylin vahvuisena kerroksena laskea, mikä on sama kuin hiiligramman kokonaispinta-ala S:
S = (k1NA A) / M (3)
jossa NA = 6,023∙1023 mol-1 = Avogadron vakio ja M = etikkahapon moolimassa. Adsorbenssin kokonaispinta-ala painoyksikköä kohti, joka voidaan em. tavalla määrittää, on eräs adsorbenssin tehokkuuden mitta.
2. Välineet
Hioksella varustettuja erlenmeyrkolveja, 100 ml
Byretti
Pipettejä
Ravistelija
3. Reagenssit
Hiilijauhe
Etikkahappo
Natriumhydroksidiliuos, 0,1M ja 0,02 M
Fenoliftaleiini
4. Työn suoritus
1) NaOH:n valmistaminen ja tarkistaminen
Laita aluksi noin 1- 1,5 grammaa kaliumvetyftalaattia lasisessa petrimaljassa kuivumaan lämpökaappiin 105oC:een kahden tunnin ajaksi. Kuivausajan jälkeen siirrä petrimalja eksikaattoriin, jossa jauhe pysyy kuivana. Muista merkitä maljaan, mistä aineesta on kyse.
Laske, paljonko tarvitaan kiinteää natriumhydroksidia, jos valmistetaan 250 ml 0,1M NaOH-liuosta. Punnitse tarvittava määrä analyysivaa’ alla ja liuota se 100 ml dekantterilasissa ionivaihdettuun veteen.
Siirrä liuos suppiloa apuna käyttäen 250 ml mittapulloon ja täytä pullo merkkiviivaan saakka ionivaidetulla vedellä. Sulje pullo ja sekoita kääntelemällä. Tee pulloon tarvittavat merkinnät.
Seuraavaksi on tarkoituksena tarkistaa tämän liuoksen väkevyys eli konsentraatio kuivatun kaliumvetyftalaatin (KHC8H4O4) avulla käyttäen indikaattorina fenoliftaleiinia, joka muuttaa väriä liuoksen neutraloitusmispisteessä.
Astiassa tapahtuu seuraava neutraloitusmisreaktio:
NaOH + KHC8H4O4 → KNaC8H4O4 + HOH
Tämän jälkeen punnitse analyysivaa´alla tarkasti 0,3 – 0,35 g (eli merkitset punnitustuloksen muistiin) foliopaperille kaliumvetyftalaattia (KHC8H4O4) ja siirrä punnittu määrä huolellisesti 250 ml:n erlenmeyerkolviin. Lämmitä lämpölevyllä ionivaihdettua vettä 400 ml:n dekantterilasissa ja lisää näin kiehuttamaasi vettä n. 50 ml mittalasilla. Sekoita kunnes suola on liuenut. Jäähdytä liuos huoneenlämpötilaan, apuna voit käyttää kylmää vettä tai jäitä. (HUOM! Ei liian kylmäksi!) Lisää 3 pisaraa fenolftaleiiini-indikaattoriaiuosta.
Täytä 25 ml:n tai 50 ml:n byretti (kiinnitetty statiiviin) valmistamallasi NaOH-liuoksella. Suorita titraus lisäämällä tarkistettavaa NaOH-liuosta byretistä niin kauan, kunnes värinmuutoskohta osoittaa titrauksen päätepisteen (värittömästä → heikosti vaaleanpunaiseksi). ÄLÄ TITRAA YLI ENSIMMÄISEN VÄRINMUUTOSPISTEEN!! Ota ylös byretin kulutuslukema.
Tee määritys vielä kaksi kertaa (RINNAKKAISMÄÄRITYKSET) eli toistat titrauksen uusilla punnituilla kaliumvetyftalaattierillä (KHC8H4O4).
Punnitun kaliumvetyftalaatin ja NaOH-liuoksen kulutuksen avulla lasketaan NaOH-liuoksen tarkka väkevyys eli konsentraatio.
Tee raporttiisi seuraavat merkinnät ja taulukko, jossa esität laskelmat NaOH-liuoksen väkevyyden laskemiseksi
KHC8H4O4 + NaOH → KNaC8H4O4 + H2O
(happo) + (emäs) (suola) + (vesi)
Laske M(KHC8H4O4) = __________________________________ = ___________
m(KHC8H4O4)
|
M(KHC8H4O4)
|
n(KHC8H4O4)
|
n(NaOH)
|
V(NaOH)
|
c(NaOH)
|
||
0,3471
|
204,222
|
0,00169962
|
0,00169962
|
0,0275
|
0,0618044
|
||
0,3043
|
204,222
|
0,00149005
|
0,00149005
|
0,0196
|
0,07602271
|
||
0,3004
|
204,222
|
0,00147095
|
0,00147095
|
0,0178
|
0,08263754
|
||
Keskiarvo
|
0,07348822
|
||||||
2) Etikkahappoliuoksen laimentaminen ja pitoisuuden tarkistaminen NaOH:lla
Seuraavaksi on valmistettava 0,25 M etikkahappoliuos (CH3COOH), jonka pitoisuus tarkistetaan titraamalla se kohdassa 1) tarkistetulla natriumhydroksidiliuoksella (NaOH). Indikaattorina eli värinmuutosaineena käytetään 0,1% fenoliftaleiini-liuosta. Kyseessä on ns. happo-emäs –titraus, jossa suolahappo neutraloidaan emäksisellä NaOH-liuoksella.
Reaktioyhtälö on
CH3COOH + NaOH → CH3COONa + H2O
(happo) (emäs) (suola) + (vesi)
Työn suoritus:
Laske tarvittava väkevän CH3COOH-liuoksen määrä ja tee vaadittu laimennus siten, että laimean 0,25M CH3COOH-liuoksen lopullinen määrä on 100 ml.
Valmistetaan 0,25 M etikkahappoliuosta.
Tarkista ensin väkevän CH3COOH-liuospullon etiketistä tiheys ja väkevyysprosentti:
CH3COOH-liuoksen tiheys рCH3COOH = 1,05 kg/l ja
pullossa ilmoitettu massa-%:96%
CH3COOH:n moolimassa MCH3COOH = 60,05 g/mol
Täten väkevän CH3COOH-liuoksen etikkahapon massa on litrassa:
1,05 kg .1000.(96%/100) = _1,008g
Tämän massa mukainen ainemäärä on
nCH3COOH = 1,008g/(60,05 g/mol) = _16,786mol
eli litrassa tätä väkevää etikkahappoliuosta sen konsentraatio
cCH3COOH = 16,786 mol/l
Laimennuskaava on
c1 * V1 = c2 * V2
missä c1= väkevän liuoksen konsentraatio
c2= halutun laimennoksen konsentraatio
V1= väkevän liuoksen tilavuus
V2= haluttu laimennoksen tilavuus
Väkevän hapon laimentamisessa 100 ml mittapulloon otetaan 1 ml mittapipetillä pullossa olevaa väkevää happoa
V1 = [0,25 (mol/L)*100 ml]/_16,786 (mol/L) = 1,489ml 1,5ml
ja lisätään se 100 ml mittapulloon, joka täytetään merkkiin ionivapaalla vedellä.
Tee tarvittavat merkinnät pulloon!
Täytä byretti tarkistetulla 0,1M NaOH-liuoksella. Mittaa analysoitavaa happoa 5 ml täyspipetillä pumpetin avulla erlenmeyerpulloon ja lisää 3 pisaraa fenoliftaleiiini-indikaattoria. Suorita titraus lisäämällä byretistä tarkistettua NaOH-liuosta niin kauan, kunnes värinmuutoskohta osoittaa titrauksen päätepisteen (värittömästä → vaaleanpunaiseksi). ÄLÄ TITRAA YLI ENSIMMÄISEN VÄRINMUUTOSPISTEEN!!
Ota ylös byretin kulutuslukema. Tee määritys vielä kaksi kertaa (RINNAKKAISMÄÄRITYKSET)
Pipetoidun CH3COOH-liuoksen määrän, NaOH-liuoksen kulutuksen sekä sen pitoisuuden avulla lasketaan CH3COOH-liuoksen tarkka väkevyys eli konsentraatio.
Laadi laboratoriopäiväkirjaan seuraava taulukko, jossa esität laskelmat CH3COOH-liuoksen väkevyyden määrittämisestä.
TAULUKKO
|
||||
V(CH3COOHl)
|
c(NaOH)
|
V(NaOH)
|
n(CH3COOH)
|
c(CH3COOH)= n(CH3COOH)/ V(CH3COOH)
|
0,005
|
0,07348822
|
0,011
|
0,00080837
|
0,161674084
|
0,005
|
0,07348822
|
0,0105
|
0,000771626
|
0,154325262
|
0,005
|
0,07348822
|
0,0104
|
0,000764277
|
0,152855498
|
Keskiarvo
|
0,156284948
|
Kun tarkistukset on tehty:
Punnitaan kuuteen numeroituun, hiokselliseen 100 ml:n erlenmeyeriin kuhunkin 500 mg hiilijauhetta. Ota lukemat muistiin!
Lisätään 50 ml:n byretin avulla erlenmeyereihin puhdasta vettä seuraavasti:
1) 48 ml, 2) 47,5 ml, 3) 47 ml, 4) 46,5 ml, 5) 44 ml ja 6) 40 ml.
Lisätään tarkistettua etikkahappoa erlenmeyereihin seuraavat määrät:
1) 2 ml, 2) 2,5 ml, 3) 3 ml, 4) 3,5 ml, 5) 6 ml ja 6) 10 ml.
Erlenmeyerit suljetaan tulpilla ja niitä ravistellaan noin 30 min ajan.
Ravistelija
Sen jälkeen liuokset 1)-6) suodatetaan ja suodoksista titrataan kaksi kertaa 20 ml:n suuruiset näytteet 0,02 M NaOH-liuoksella. Indikaattorina käytetään fenoliftaleiinia.
5. Tuloksen laskeminen
Kaikki havaintoarvot ilmoitetaan taulukon muodossa (LIITE) ja tulokset lasketaan excel-taulukkolaskentaohjelmalla.
- Tutkitaan noudattaako etikkahapon adsorptio Langmuirin adsorptioisotermiä piirtämällä kuvaaja, jossa on esitetty m/x 1/c:n funktiona. Suoran kulmakertoimesta ja leikkauspisteestä lasketaan vakioiden k1 ja k2 arvot.
- Lasketaan myös hiiligramman kokonaispinta-ala S yhtälön (3) avulla.
Mittaustuloksista tehdään taulukko alla olevan mallin mukaan.
m = hiilijauheen massa (g)
Vetikkahappo = erlenmeyeriin mitattu etikkahapon tilavuus (l)
VNaOH = titrauksessa kulunut NaOH-liuoksen tilavuus, keskiarvo (l)
nalussa = etikkahapon ainemäärä liuoksessa ennen adsorptiota (mol)
clopussa = etikkahapon konsentraatio liuoksessa adsorption jälkeen (mol/l)
nlopussa = etikkahapon ainemäärä liuoksessa adsorption jälkeen (mol) x = adsorboituneen etikkahapon massa (g)
Laskuissa tarvitaan lisäksi:
cNaOH = NaOH-liuoksen konsentraatio (mol/l) cetikkahappo = etikkahappoliuoksen konsentraatio (mol/l)
m (g)
|
V
etikkahappo (l)
|
V
NaOH (l)
|
n
alussa (mol)
|
c
lopussa (mol/l)
|
n
lopussa (mol)
|
x (g)
|
0,5087
|
0,02
|
0,0145
|
0,003125699
|
0,0145
|
0,000725
|
0,144161973
|
0,5461
|
0,025
|
0,015
|
0,003907124
|
0,015
|
0,0009375
|
0,178325903
|
0,5345
|
0,03
|
0,019
|
0,004688548
|
0,019
|
0,001425
|
0,195976084
|
0,5257
|
0,035
|
0,03
|
0,005469973
|
0,03
|
0,002625
|
0,170840639
|
0,5013
|
0,06
|
0,0955
|
0,009377097
|
0,0955
|
0,014325
|
-0,297121582
|
0,5116
|
0,01
|
0,098
|
0,001562849
|
0,098
|
0,00245
|
-0,053273389
|
m/x
|
1/c lopussa (mol/l)-1
|
35,29
|
68,96551724
|
30,62
|
66,66666667
|
27,27
|
52,63157895
|
30,77
|
33,33333333
|
-16,87
|
10,47120419
|
-9,603293682
|
10,20408163
|
Piirretään kuvaaja, jossa m/x on esitetty 1/c:n funktiona. Pisteet ovat suoralla, jos adsorptio noudattaa Langmuirin yhtälöä. Suoran kulmakertoimesta ja leikkauspisteestä voidaan laskea vakiot k1 ja k2.
02
a = suoran kulmakerroin
b = suoran ja y-akselin välinen leikkauspiste
| Lisää kuvateksti |
Lisäksi lasketaan hiiligramman kokonaispinta-ala S.
NA = Avogadron vakio = 6,023* 1023 mol-1
M = etikkahapon moolimassa (g/mol)
Lopputuloksina ilmoitetaan vakiot vakiot k1 ja k2 sekä S.
k1= 23,775 = 0,0421
k2= 0,0430262
k1= 23,775 = 0,0421
k2= 0,0430262
S=(k1 x NA x A/m)= 0,0421 x 6,023 x 1023 x 21 x 10-20 m2 /60,05 =5324,3
