Completed calculations section for copper solution (excluding evaluating
authorSam W <sw104@users.noreply.github.com>
Thu, 15 Mar 2018 20:43:48 +0000 (20:43 +0000)
committerSam W <sw104@users.noreply.github.com>
Thu, 15 Mar 2018 20:43:48 +0000 (20:43 +0000)
random error in exchange percentage) in project.

project/project.pdf
project/project.tex

index d641a59e8944c55fd893546d3dff04705d05e14e..6c4efb15337f337b66561160bc8d2dfa1b177786 100644 (file)
Binary files a/project/project.pdf and b/project/project.pdf differ
index dd63933e8cdb4660b8e87b55fd4b55a77b8ddd4e..f52a882a6b72a2f863fe1d8f2cd505520ab7ed0c 100644 (file)
 \setcounter{secnumdepth}{4} %Label paragraphs as subsubsubsections.
 \setcounter{tocdepth}{4}    %Treat paragraphs as sections in table of contents.
 
+%Allow manual adding of very large brackets.
+\makeatletter
+\newcommand{\vast}{\bBigg@{5}}
+\makeatother
+
 %Document Headings.
 \begin{document}
 \title{Investigation on the Effect of the Cation Counterion used on the Ion Exchange Efficiency with HZSM-5}
@@ -130,14 +135,48 @@ After one week the zeolite had settled in the bottom of the solutions. The clear
     \end{tabular}
 \end{table}
 
+\section{Calculations}
+
+\subsection{Calculation of Maximum Theoretical Number of Ion Exchanges}
+The \ce{SiO2}/\ce{Al2O3} ratio in the zeolite used was $23$. In this ratio there are two \ce{Al} atoms per \ce{Si}, so $\ce{Si}/\ce{Al} = \frac{23}{2} = 11.5$.
+
+Using the unit cell general formula (equation \ref{eq:unit-cell}) letting the \ce{Si}/\ce{Al} ratio be $r$ and with $n$ being the number of aluminium atoms per unit cell:
+\begin{gather*}
+    r = \frac{\text{Number of \ce{Si} per unit cell}}{\text{Number of \ce{Al} per unit cell}} = \frac{96 - n}{n} \\
+    n r + n = 96 \\
+    \therefore n = \frac{96}{r + 1}
+\end{gather*}
+
+Hence for $r = 11.5$ there are $n = \frac{96}{11.5 + 1} = 7.68$ \ce{Al} per unit cell. Letting $q$ be the cation charge and $x$ be the number of water molecules for unit cell:
+
+\begin{align*}
+    Mr_{\text{unit cell}} = \frac{7.68}{q} Mr_{\text{cation}} &+ (11.5(26.982)+ (96-7.68)(28.085) +  192(15.999) \\
+            &+ x(2(1.008) + 15.999)) \si{\gram\per\mole} \\
+        = \frac{7.68}{q} Mr_{\text{cation}} &+ \SI{5759.4692}{\gram\per\mole} + x(\SI{450.375}{\gram\per\mole})
+\end{align*}
+
+Thus for HZSM-5 where the cation is \ce{H+} and $x \approx 25$~\autocite{donder06}.
+\begin{equation}\label{eq:hzsm-5-mr}
+\begin{split}
+    Mr_{\text{HZSM-5 unit cell}} &= \frac{7.68}{1} \times \SI{1.008}{\gram\per\mole} + (5759.49692 + 25(450.375)) \text{ \si{\gram\per\mole}} \\
+        &= \SI{6217.6134}{\gram\per\mole}
+\end{split}
+\end{equation}
+
+Let: $q$ be the cation charge; $n_{\text{max. cation}}$ be the theoretical maximum amount of cation which can be exchanged and $n_{\text{cation}}$, $m_{\text{cation}}$ and $Mr_{\text{cation}}$ be the actual amount, mass and $Mr$ of the cation exchanged respectively.
 
-%\begin{align*}
-%    m_{\text{\ce{CuSO4.5H2O}}} &= \SI{0.5014}{\gram} \\
-%    n_{\text{\ce{CuSO4.5H2O}}} &= \frac{\SI{0.5014}{\gram}}{(63.546 + 32.066 + 4(15.999) + 5(2(1.008) + 15.999)) \text{ \si{\gram\per\mole}}} \\
-%        &= \frac{\SI{0.5014}{\gram}}{\SI{249.677}{\gram\per\mole}} = \SI{2.008e-3}{\mole} \\
-%    [\ce{CuSO4}] &= \SI{0.04016}{\mole\per\deci\metre\cubed} \\
-%\end{align*}
+\begin{align} 
+    n_{\text{HZSM-5 unit cell}} &= \frac{m_{\text{HZSM-5}}}{Mr_{\text{HZSM-5 unit cell}}} \nonumber \\
+    n_{\text{max. cation}} &= \frac{7.68}{q} n_{\text{HZSM-5 unit cell}} \nonumber \\
+        &= \frac{7.68}{q} \frac{m_{\text{HZSM-5}}}{Mr_{\text{HZSM-5 unit cell}}} \nonumber \\
+%
+    \si{\percent} \text{ Exchanged} &= \frac{n_{\text{cation}}}{n_{\text{max. cation}}} \times \SI{100}{\percent} \nonumber \\
+    \label{eq:cation-percent-exchanged}
+    &= \frac{q Mr_{\text{HZSM-5 unit cell}} n_{\text{cation}}}{7.68 m_{\text{HZSM-5}}} \times \SI{100}{\percent}
+\end{align}
 
+\subsection{Calculations for Copper Solution}
+\subsubsection{Determination of Molar Extinction Coefficient}
 Let $V_{\ce{Cu}_\text{std.}}$ be the volume and $[\ce{CuSO4}]_\text{std.}$ be the concentration of the standard \ce{Cu^{2+}} solution.
 \begin{align}
     n_{\ce{CuSO4}} &= \frac{m_{\ce{CuSO4.5H2O}}}{Mr_{\ce{CuSO4.5H2O}}} \nonumber \\
@@ -171,8 +210,7 @@ This hence gives:
         &=  \frac{0.484 \times \SI{50.00e-3}{\deci\metre\cubed} \times \SI{249.677}{\gram\per\mole}}{\SI{1.0}{\centi\metre} \times \SI{0.5014}{\gram}} = \SI{12.05}{\deci\metre\cubed\per\mole\per\centi\metre}
 \end{align}
 
-%TODO: Look up (and compare to) literature value.
-
+\subsubsection{Determination of Percentage of \ce{Cu^2+} Exchanged Compared to the Theoretical Maximum}
 By rearranging the Beer-Lambert Law (equation \ref{eq:beer-lambert}) for concentration: 
 
 \begin{equation} \label{eq:beer-lambert-c}
@@ -199,78 +237,87 @@ Using equations \ref{eq:[cuso4]-std} and \ref{eq:n_cu-prod-final} to determine t
 \begin{align}
     n_{\ce{Cu}_\text{ex.}} &= [\ce{CuSO4}]V_{\ce{Cu}_\text{react.}} - n_{\ce{Cu}_\text{prod.}} \nonumber\\
        % \label{
-        &= \frac{m_{\ce{CuSO4.5H2O}} V_{\ce{Cu}_\text{react.}}}{V_{\ce{Cu}_\text{std.}} Mr_{\ce{CuSO4.5H2O}}} - \frac{A_{\ce{Cu}_\text{prod.}} V_{\ce{Cu}_\text{prod.}} m_{\ce{CuSO4.5H2O}}}{A_{\ce{Cu}_\text{std.}} V_{\ce{Cu}_\text{std.}} Mr_{\ce{CuSO4.5H2O}}}
+        &= \frac{m_{\ce{CuSO4.5H2O}} V_{\ce{Cu}_\text{react.}}}{V_{\ce{Cu}_\text{std.}} Mr_{\ce{CuSO4.5H2O}}} - \frac{A_{\ce{Cu}_\text{prod.}} V_{\ce{Cu}_\text{prod.}} m_{\ce{CuSO4.5H2O}}}{A_{\ce{Cu}_\text{std.}} V_{\ce{Cu}_\text{std.}} Mr_{\ce{CuSO4.5H2O}}} \nonumber \\
+        \label{eq:cu-exchanged}
+        &= \frac{m_{\ce{CuSO4.5H2O}} \left(A_{\ce{Cu}_\text{std.}} V_{\ce{Cu}_\text{react.}} - A_{\ce{Cu}_\text{prod.}} V_{\ce{Cu}_\text{prod.}} \right)}{A_{\ce{Cu}_\text{std.}} V_{\ce{Cu}_\text{std.}} Mr_{\ce{CuSO4.5H2O}}}
 \end{align}
 
-Substitutiong equation ... into equation \ref{eq:cation-percent-exchanged} and setting $q = 2$ hence gives:
-
-%TODO: Continue from here.
+Substituting equation \ref{eq:cu-exchanged} into equation \ref{eq:cation-percent-exchanged} and setting $q = 2$ hence gives:
 
-\begin{equation} \label{eq:cu-exchanged}
-    \si{\percent} \text{ \ce{Cu^{2+}} Exchanged} = \frac{2 Mr_{\text{HZSM-5 unit cell}} A_{\ce{Cu}_\text{prod.}} V_{\ce{Cu}_\text{prod.}} m_{\ce{CuSO4.5H2O}}}{7.68 m_{\text{HZSM-5}} A_{\ce{Cu}_\text{std.}} V_{\ce{Cu}_\text{std.}} Mr_{\ce{CuSO4.5H2O}}} \times \SI{100}{\percent}
+\begin{equation} \label{eq:cu-percent-exchanged}
+    \si{\percent} \text{ \ce{Cu^{2+}} Exchanged} = \frac{2 Mr_{\text{HZSM-5 unit cell}} m_{\ce{CuSO4.5H2O}} \left(A_{\ce{Cu}_\text{std.}} V_{\ce{Cu}_\text{react.}} - A_{\ce{Cu}_\text{prod.}} V_{\ce{Cu}_\text{prod.}} \right)}{7.68 m_{\text{HZSM-5}} A_{\ce{Cu}_\text{std.}} V_{\ce{Cu}_\text{std.}} Mr_{\ce{CuSO4.5H2O}}} \times \SI{100}{\percent}
 \end{equation}
 
-Using \ref{eq:cu-exchanged} with:
+Using \ref{eq:cu-percent-exchanged} with:
 
-%TODO: Add uncertainties to these values.
+%TODO: Look up uncertainty in absorbance value for spectrophotometer and that for relative atomic masses.
 \begin{align*}
     Mr_{\text{HZSM-5 unit cell}} &= \SI{6217.6134}{\gram\per\mole} \text{ from equation \ref{eq:hzsm-5-mr}} \\
+    m_{\ce{CuSO4.5H2O}} &= \SI{0.5014 \pm 0.00005}{\gram} \text{ from table \ref{tbl:masses}} \\
+    A_{\ce{Cu}_\text{std.}} &= \num{0.484} \text{ from table \ref{tbl:absorbance}} \\
+    V_{\ce{Cu}_\text{react.}} &= \SI{20.00 \pm 0.06 e-3}{\deci\metre\cubed} \\
     A_{\ce{Cu}_\text{prod.}} &= \num{0.110} \text{ from table \ref{tbl:absorbance}} \\
     V_{\ce{Cu}_\text{prod.}} &= \SI{100.00 \pm 0.20 e-3}{\deci\metre\cubed} \\
-    m_{\ce{CuSO4.5H2O}} &= \SI{0.5014 \pm 0.00005}{\gram} \text{ from table \ref{tbl:masses}} \\
     m_{\text{HZSM-5}} &= \SI{0.4810 \pm 0.00005}{\gram} \text{ from table \ref{tbl:masses}} \\
-    A_{\ce{Cu}_\text{std.}} &= \num{0.484} \text{ from table \ref{tbl:absorbance}} \\
     V_{\ce{Cu}_\text{std.}} &= \SI{50.00 \pm 0.06 e-3}{\deci\metre\cubed} \\
     Mr_{\ce{CuSO4.5H2O}} &= \SI{249.577}{\gram\per\mole} \text{ from equation \ref{eq:molar-extinction-calc}}
 \end{align*}
 
-%TODO: Put numbers above into calculation and write below:
-\begin{displaymath}
-    \si{\percent} \text{ \ce{Cu^{2+}} Exchanged} = \frac{2 \times \SI{6217.6134}{\gram\per\mole} \times \SI{0.00}{\mole} }{7.68 \times \SI{0.4810}{\gram}} \times \SI{100}{\percent} = \SI{0.00}{\percent}
-\end{displaymath}
-
-%TODO: Error propagation.
-%TODO: Look up uncertainty in absorbance value for spectrophotometer.
-
-\subsection{Calculations}
-
-\subsubsection{Calculation of Maximum Theoretical Number of Ion Exchanges}
-The \ce{SiO2}/\ce{Al2O3} ratio in the zeolite used was $23$. In this ratio there are two \ce{Al} atoms per \ce{Si}, so $\ce{Si}/\ce{Al} = \frac{23}{2} = 11.5$.
-
-Using the unit cell general formula (equation \ref{eq:unit-cell}) letting the \ce{Si}/\ce{Al} ratio be $r$ and with $n$ being the number of aluminium atoms per unit cell:
-\begin{gather*}
-    r = \frac{\text{Number of \ce{Si} per unit cell}}{\text{Number of \ce{Al} per unit cell}} = \frac{96 - n}{n} \\
-    n r + n = 96 \\
-    \therefore n = \frac{96}{r + 1}
-\end{gather*}
-
-Hence for $r = 11.5$ there are $n = \frac{96}{11.5 + 1} = 7.68$ \ce{Al} per unit cell. Letting $q$ be the cation charge and $x$ be the number of water molecules for unit cell:
-
 \begin{align*}
-    Mr_{\text{unit cell}} = \frac{7.68}{q} Mr_{\text{cation}} &+ (11.5(26.982)+ (96-7.68)(28.085) +  192(15.999) \\
-            &+ x(2(1.008) + 15.999)) \si{\gram\per\mole} \\
-        = \frac{7.68}{q} Mr_{\text{cation}} &+ \SI{5759.4692}{\gram\per\mole} + x(\SI{450.375}{\gram\per\mole})
+    \begin{split}
+        \si{\percent} \text{ \ce{Cu^{2+}} Exchanged} &= \frac{2 \times \SI{6217.6134}{\gram\per\mole} \times \SI{0.50140}{\gram}\left(0.484 \times 20.00 - 0.110 \times 100.00\right)\num{e-3} \text{ \si{\deci\metre\cubed}}}{7.68 \times \SI{0.4810}{\gram} \times 0.484 \times \SI{50.00e-3}{\deci\metre\cubed} \times \SI{249.577}{\gram\per\mole}} \\
+        &\text{ } \times \SI{100}{\percent}
+    \end{split} \\
+     &= \SI{-18}{\percent}
 \end{align*}
 
-Thus for HZSM-5 where the cation is \ce{H+} and $x \approx 25$~\autocite{donder06}.
-\begin{equation}\label{eq:hzsm-5-mr}
+\subsubsection{Error Propagation}
+Let the percentage of \ce{Cu^2+} exchanged be $v_{\ce{Cu}}$ in the error propagation below:
+
+\begin{equation}
+\label{eq:cu-error-propagation}
 \begin{split}
-    Mr_{\text{HZSM-5 unit cell}} &= \frac{7.68}{1} \times \SI{1.008}{\gram\per\mole} + (5759.49692 + 25(450.375)) \text{ \si{\gram\per\mole}} \\
-        &= \SI{6217.6134}{\gram\per\mole}
+        \delta v_{\ce{Cu}} = &v_{\ce{Cu}}
+    \vast( %Manually putting in large brackets for square root.
+        \left(\frac{\delta Mr_{\text{HZSM-5 unit cell}}}{Mr_{\text{HZSM-5 unit cell}}}\right)^2
+        + \left(\frac{\delta m_{\ce{CuSO4.5H2O}}}{m_{\ce{CuSO4.5H2O}}}\right)^2 \\
+        %New Line
+        &+ \frac{
+            A_{\ce{Cu}_\text{std.}}^2 V_{\ce{Cu}_\text{react.}}^2
+            \left(
+                \left(\frac{\delta A_{\ce{Cu}_\text{std.}}}{A_{\ce{Cu}_\text{std.}}}\right)^2
+                + \left(\frac{\delta V_{\ce{Cu}_\text{react.}}}{V_{\ce{Cu}_\text{react.}}}\right)^2
+            \right)
+             + A_{\ce{Cu}_\text{std.}}^2 V_{\ce{Cu}_\text{react.}}^2
+            \left(
+                \left(\frac{\delta A_{\ce{Cu}_\text{prod.}}}{A_{\ce{Cu}_\text{prod.}}}\right)^2
+                + \left(\frac{\delta V_{\ce{Cu}_\text{prod.}}}{V_{\ce{Cu}_\text{prod.}}}\right)^2
+            \right)
+        }
+        {
+            \left(
+                A_{\ce{Cu}_\text{std.}} V_{\ce{Cu}_\text{react.}} - A_{\ce{Cu}_\text{prod.}} V_{\ce{Cu}_\text{prod.}}
+            \right)^2
+        } \\
+        %New Line.
+        &+ \left(\frac{\delta m_{\text{HZSM-5}}}{m_{\text{HZSM-5}}}\right)^2
+        + \left(\frac{\delta A_{\ce{Cu}_\text{std.}}}{A_{\ce{Cu}_\text{std.}}}\right)^2
+        + \left(\frac{\delta V_{\ce{Cu}_\text{std.}}}{V_{\ce{Cu}_\text{std.}}}\right)^2
+        + \left(\frac{\delta Mr_{\ce{CuSO4.5H2O}}}{Mr_{\ce{CuSO4.5H2O}}}\right)^2
+    \vast)^{1/2}
 \end{split}
 \end{equation}
 
-Let: $q$ be the cation charge; $n_{\text{max. cation}}$ be the theoretical maximum amount of cation which can be exchanged and $n_{\text{cation}}$, $m_{\text{cation}}$ and $Mr_{\text{cation}}$ be the actual amount, mass and $Mr$ of the cation exchanged respectively.
+%TODO: Substitute uncertainties into equation.
+Substituting values into equation \ref{eq:cu-error-propagation} thus yields:
 
-\begin{align} 
-    n_{\text{HZSM-5 unit cell}} &= \frac{m_{\text{HZSM-5}}}{Mr_{\text{HZSM-5 unit cell}}} \nonumber \\
-    n_{\text{max. cation}} &= \frac{7.68}{q} n_{\text{HZSM-5 unit cell}} \nonumber \\
-        &= \frac{7.68}{q} \frac{m_{\text{HZSM-5}}}{Mr_{\text{HZSM-5 unit cell}}} \nonumber \\
-%
-    \si{\percent} \text{ Exchanged} &= \frac{n_{\text{cation}}}{n_{\text{max. cation}}} \times \SI{100}{\percent} \nonumber \\
-    \label{eq:cation-percent-exchanged}
-    &= \frac{q Mr_{\text{HZSM-5 unit cell}} n_{\text{cation}}}{7.68 m_{\text{HZSM-5}}} \times \SI{100}{\percent}
-\end{align}
+\begin{displaymath}
+    \delta v_{\ce{Cu}} = \pm \SI{0.00}{\percent}
+\end{displaymath}
+
+So the percentage of \ce{Cu^2+} exchanged is \SI{-18 \pm 0.00}{\percent}.
+
+\subsection{Calculation of Ion-Exchange Efficiency for Zinc Solution}
 
 
 %Over 100% exchange is possible e.g. due to formation of oxide species phyllosilicate outside zeolite e.t.c. influence on cobalt salt precursers on cobalt speciation and catalytic properties of H-ZSM-5 modified ... mhamdi
@@ -278,14 +325,6 @@ Let: $q$ be the cation charge; $n_{\text{max. cation}}$ be the theoretical maxim
 %TODO: Subsubsub section package?
 %\subsubsubsection{Copper}
 
-\paragraph{Copper}
-
-
-
-\subsection{Copper}
-
-For zeolite:
-
 
 \section{Analysis}
 %TODO: Compared molar extinction coefficient value to literature value.