ΤΕΧΝΙΚΗ ΧΗΜΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ 5 ο ΕΞΑΜΗΝΟ

Transcript

1 ΤΕΧΝΙΚΗ ΧΗΜΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ 5 ο ΕΞΑΜΗΝΟ Μελέτη της κινητικής αποχρωματισμού πρότυπων διαλυμάτων αζωχρωμάτων μέσω της καταλυτικής διάσπασης υπεροξειδίου του υδρογόνου σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου

2 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Συχνά στα βιομηχανικά υγρά απόβλητα συνυπάρχουν οργανικές ουσίες μη βιολογικής προέλευσης, οι οποίες ονομάζονται ξενοβιοτικά. Μεταξύ αυτών περιλαμβάνονται ενώσεις με χρωμοφόρες ομάδες που χρησιμοποιούνται για βαφές υλικών στις βιομηχανίες υφαντουργίας, δέρματος, τροφίμων και χάρτου. Οι ενώσεις αυτές όταν διατίθενται στο περιβάλλον προκαλούν ρύπανση και θεωρούνται τοξικές για τους βιολογικούς οργανισμούς, αν και υπάρχουν μικροβιακοί οργανισμοί ανεκτικοί στην παρουσία τους. Για την επεξεργασία τέτοιων αποβλήτων με στόχο την μείωση του οργανικού φορτίου και τον αποχρωματισμό χρησιμοποιούνται διάφορες χημικές οξειδωτικές διεργασίες, μία εκ των οποίων είναι η οξείδωση με το αντιδραστήριο Fenton. ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΙΟ FENTON Το αντιδραστήριο Fenton είναι ένα διάλυμα που περιέχει ιόντα δισθενούς σιδήρου και υπεροξείδιο του υδρογόνου. Ο σίδηρος παίζει το ρόλο του ομογενούς καταλύτη που διασπά το οξειδωτικό υπεροξείδιο του υδρογόνου σε ρίζες υδροξυλίου (ΟΗ ) και υδροπεροξυλίου (ΗΟ 2 ). Οι ρίζες είναι πολύ δραστικές αλλά ασταθείς ομάδες που επιτίθενται στην οργανική ουσία και την οξειδώνουν. Οι βασικές αντιδράσεις είναι οι ακόλουθες: Fe 2+ + H 2 O 2 Fe 3+ + OH + OH - (1) Fe 3+ + H 2 O 2 Fe 2+ + HO 2 + H + (2) OH + H 2 O 2 HO 2 + H 2 O (3) Ρίζες + Οργανικά Προϊόντα διάσπασης (4) Ο ρόλος του σιδήρου είναι διττός: α) διασπά το υπεροξείδιο του υδρογόνου μέσω των αντιδράσεων οξειδοαναγωγής (1) και (2), και β) συμμετέχει ως καταλύτης στις αντιδράσεις τύπου (4). Εκτός από το σίδηρο, άλλα στοιχεία μετάπτωσης όπως ο χαλκός έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με H 2 O 2 για την οξείδωση οργανικών ρύπων. Αν και οι μηχανισμοί δράσης είναι διαφορετικοί απ αυτούς του σιδήρου, ο χαλκός παρουσιάζει καλή ενεργότητα ως καταλύτης. 2

3 ΑΖΩΧΡΩΜΑΤΑ Μία από τις πολλές οικογένειες χρωστικών ουσιών είναι και αυτή των αζωχρωμάτων, στα οποία η παρουσία του δεσμού Ν=Ν είναι η χρωμοφόρος ομάδα. Χρωστικές, όπως το κόκκινο, το πορτοκαλί, το κίτρινο και το μπλε ανήκουν στην ομάδα αυτή. Στην άσκηση θα μελετηθεί η χρωστική Orange II με τα εξής χαρακτηριστικά: Orange II Μοριακός τύπος: C 16 H 11 N 2 NaO 4 S Μοριακό Βάρος: 350 g/gmol Διαλυτότητα στο νερό: Μεγάλη ΣΤΟΧΟΙ ΤΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ Στην άσκηση θα μελετηθούν τα παρακάτω: 1) Μελέτη επίδρασης συνθηκών λειτουργίας στο βαθμό αποχρωματισμού πρότυπου διαλύματος της χρωστικής Orange II (θερμοκρασία, συγκέντρωση καταλύτη, συγκέντρωση υπεροξειδίου, ταχύτητα ανάδευσης) για το σύστημα Fe(II)/H 2 O 2. Προσδιορισμός τάξης και σταθεράς ταχύτητας αντίδρασης. 2) Διάσπαση με χρήση Cu(II)/H 2 O 2 και σύγκριση με Fe(II)/H 2 O 2. 3

4 1 ο ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΠΟΧΡΩΜΑΤΙΣΜΟΣ ΤΟΣ ORANGE II ΜΕ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΙΟ FENTON 1) ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΒΑΘΜΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ( I ) FENTON Πειραματική διαδικασία Για την εκτέλεση του πειράματος, χρειάζονται τα παρακάτω διαλύματα: (Α) Διάλυμα 350 ml Orange II συγκέντρωσης 30 ppm. (Β) Διάλυμα που να περιέχει 0.01 g FeSO 4.7H 2 O σε 50 ml νερό. Μετράμε την απορρόφηση του διαλύματος (Α) στα 485 nm και στη συνέχεια προσθέτουμε με την πιπέτα 0,1 ml διαλύματος H 2 O 2 (35% v/v) αναδεύοντας στα 90 rpm. Προσθέτουμε το διάλυμα (Β) και αμέσως θέτουμε το χρονόμετρο σε λειτουργία (χρόνος μηδέν). Η αρχική συγκέντρωση της χρωστικής στο χρόνο μηδέν υπολογίζεται από την απορρόφηση του διαλύματος (Α) πολλαπλασιασμένη με συντελεστή Στη συνέχεια, παίρνουμε δείγματα 2-3 ml από το δοχείο αντίδρασης σε τακτά χρονικά διαστήματα (π.χ. 5, 10, 20, 30, 40, 50 και 60 min) και μετράμε τη συγκέντρωση της χρωστικής ουσίας και του H 2 O 2. 1) Υπολογίστε τη συγκέντρωση ιόντων σιδήρου στο διάλυμα 400 ml στο δοχείο αντίδρασης. Το μοριακό βάρος του FeSO 4.7H 2 O είναι 278 g/gmol και το ατομικό βάρος του σιδήρου είναι 56 g/gmol. 2) Υπολογίστε τη συγκέντρωση H 2 O 2 στο διάλυμα 400 ml στο δοχείο αντίδρασης. Για τους υπολογισμούς θεωρείστε ότι η πυκνότητα του διαλύματος H 2 O 2 (35% v/v) είναι 1. 3) Εξηγείστε γιατί η αρχική συγκέντρωση της χρωστικής (χρόνος μηδέν) στο δοχείο αντίδρασης δεν μπορεί να μετρηθεί απευθείας αλλά πρέπει να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας το συντελεστή διόρθωσης. 4) Σε διάγραμμα σχεδιάστε την μεταβολή της απορρόφησης της χρωστικής, με το χρόνο του πειράματος. 4

5 5) Από τα πειραματικά δεδομένα συγκέντρωσης-χρόνου, εκτιμήστε την τάξη της αντίδρασης ως προς τη συγκέντρωση της χρωστικής. 2) ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗΣ H 2 O 2 & ΣΙΔΗΡΟΥ ΣΤΟ ΒΑΘΜΟ ΑΠΟΧΡΩΜΑΤΙΣΜΟΥ Επαναλάβατε δύο φορές την πειραματική διαδικασία όπως ακριβώς περιγράφεται στο ( I ) αλλά με τις εξής διαφορές: ( II ) Την πρώτη φορά προσθέτοντας την μισή ποσότητα H 2 O 2. ( III ) Τη δεύτερη φορά προσθέτοντας το ένα δεύτερο της ποσότητας σιδήρου. 1) Σε διάγραμμα σχεδιάστε την μεταβολή της απορρόφησης της χρωστικής με το χρόνο του πειράματος για τις δύο περιπτώσεις. 2) Συγκρίνετε και σχολιάστε τα αποτελέσματα με αυτά του (I). 5

6 2 ο ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ 1) ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΣΤΟ ΒΑΘΜΟ ΑΠΟΧΡΩΜΑΤΙΣΜΟΥ Επαναλάβατε την πειραματική διαδικασία όπως ακριβώς περιγράφεται στο (1) αλλά σε θερμοκρασία 50 C. Το δοχείο αντίδρασης θα τοποθετηθεί σε εστία θέρμανσης (hot plate). 1) Σε διάγραμμα σχεδιάστε την μεταβολή της απορρόφησης της χρωστικής με το χρόνο του πειράματος. 2) Συγκρίνετε και σχολιάστε τα αποτελέσματα με αυτά του (I). 2) ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΑΝΑΔΕΥΣΗΣ ΣΤΟ ΒΑΘΜΟ ΑΠΟΧΡΩΜΑΤΙΣΜΟΥ Επαναλάβατε την πειραματική διαδικασία όπως ακριβώς περιγράφεται στο (1) αλλά χωρίς ανάδευση. 1) Σε διάγραμμα σχεδιάστε την μεταβολή της απορρόφησης της χρωστικής με το χρόνο του πειράματος. 2) Συγκρίνετε και σχολιάστε τα αποτελέσματα με αυτά του (I). 6

7 3) ΑΠΟΧΡΩΜΑΤΙΣΜΟΣ ΤΟΣ ORANGE II ΜΕ ΙΟΝΤΩΝ ΧΑΛΚΟΥ ΚΑΙ H 2 O 2 ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΒΑΘΜΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ Πειραματική διαδικασία Για την εκτέλεση του πειράματος, χρειάζονται τα παρακάτω διαλύματα: (Α) Διάλυμα 350 ml Orange II συγκέντρωσης 30 ppm. (Β) Διάλυμα που να περιέχει 0.01 g CuSO 4.5H 2 O σε 50 ml νερό. Μετράμε την απορρόφηση του διαλύματος (Α) στα 485 nm και στη συνέχεια προσθέτουμε με την πιπέτα 0,1 ml διαλύματος H 2 O 2 (35% v/v) αναδεύοντας στα 90 rpm. Προσθέτουμε το διάλυμα (Β) και αμέσως θέτουμε το χρονόμετρο σε λειτουργία (χρόνος μηδέν). Στη συνέχεια, παίρνουμε δείγματα 2-3 ml από το δοχείο αντίδρασης σε τακτά χρονικά διαστήματα (π.χ. 5, 10, 20, 30, 40, 50,70 και 80 min) και μετράμε τη συγκέντρωση της χρωστικής ουσίας και του H 2 O 2. 1) Υπολογίστε τη συγκέντρωση ιόντων χαλκού στο διάλυμα 400 ml στο δοχείο αντίδρασης. Το μοριακό βάρος του CuSO 4.5H 2 O είναι 250 g/gmol και το ατομικό βάρος του χαλκού είναι 63.5 g/gmol. 2) Σε διάγραμμα σχεδιάστε την μεταβολή της απορρόφησης της χρωστικής με το χρόνο του πειράματος. 3) Σχολιάστε τα αποτελέσματα και συγκρίνετε με αυτά για το αντιδραστήριο Fenton. 4) Από τα πειραματικά δεδομένα συγκέντρωσης-χρόνου, εκτιμήστε την τάξη της αντίδρασης ως προς τη συγκέντρωση της χρωστικής. 7

8 ΟΜΑΔΑ 1 o εργαστήριο 2 ο εργαστήριο ποτήρι min FENTON (I) FENTON (II) FENTON (III) FENTON (I) ΘΕΡΜΑΙΝΟΜΕΝΟ ΑΝΑΔΕΥΟΜΕΝΟ FENTON (I) ΧΩΡΙΣ ΑΝΑΔΕΥΣΗ ΙΟΝΤΩΝ ΧΑΛΚΟΥ ΚΑΙ H 2 O 2 Η 2 Ο 2 ( ml) : FeSO 4.7H 2 O (gr) : CuSO 2.5H 2 O (gr) : ΓΕΝΙΚΕΣ ΟΔΗΓΙΕΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΔΙΕΞΑΓΩΓΗ ΤΩΝ ΑΣΚΗΣΕΩΝ: ΑΠΟΥΣΙΕΣ: Το εργαστήριο Χημικών Διεργασιών αποτελείται από δύο ασκήσεις. Απουσίες δεν δικαιολογούνται. Σε περίπτωση ανάγκης, εάν υπάρξει απουσία, θα γίνουν αναπληρώσεις είτε κατόπιν συνεννόησης με την υπεύθυνη του εργαστηρίου ( με άλλη ομάδα ), είτε την εβδομάδα μετά το τέλος των εργαστηρίων. Υπεύθυνη Εργαστηρίου για τις Ασκήσεις 1 & 2 : Σαρίκα Ροίκα Γραφείο : Κ3. Ι12 sroika@isc.tuc.gr τηλ. (28210) 37818, fax (28210) τηλ. εργαστηρίου: (28210)