Laboratorio De Fisicoquimica Ii Adsorcion

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

ADSORCIÓN 1. OBJETIVOS  Estudiar el fenómeno de adsorción de las moléculas del soluto acido acético de soluciones de diferentes concentraciones sobre la superficie de carbón activado.  Emplear la isoterma de adsorción de Freundlich para describir el comportamiento de la adsorción respecto a la concentración en equilibrio del soluto. 2. FUNDAMENTO TEORICO La adsorción es un proceso mediante el cual se extrae materia de una fase y se concentra sobre la superficie de otra fase (generalmente sólida). Por ello se considera como un fenómeno subsuperficial. La sustancia que se concentra en la superficie o se adsorbe se llama "adsorbato" y la fase adsorbente se llama "adsorbente".

El estudio y determinación de la adsorción está relacionado con múltiples aplicaciones: la catálisis heterogénea, la preparación de nuevos materiales, la nanotecnología, los procesos electroquímicos, los análisis cromatográficos, el tratamiento de residuos contaminados, la Química de Superficies es un área interdisciplinar que contribuye a casi todos los avances tecnológicos. Tipos de adsorción

Cabe distinguir tres tipos de adsorción según que la atracción entre el soluto y el adsorbente sea de tipo eléctrico, de Van der Waals o de naturaleza química.

La adsorción del primer tipo cae de lleno dentro del intercambio iónico y a menudo se le llama adsorción por intercambio, que es un proceso mediante el cual los iones de una sustancia se concentran en una superficie como resultado de la atracción electrostática en los lugares cargados de la superficie.

La adsorción que tiene lugar debido a las fuerzas de Van der Waals se llama generalmente adsorción física. En estos caso, la molécula adsorbida no está fija en un lugar específico de la superficie, sino más bien está libre de trasladarse dentro de la Laboratorio Nº 8 “Adsorción”

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil interfase. Esta adsorción, en general, predomina a temperaturas bajas. La adsorción de la mayoría de las sustancias orgánicas en el agua con carbón activado se considera de naturaleza física.

Fig. Nº 1. Adsorción física debido a las fuerzas de Van der Waals

Si el adsorbato sufre una interacción química con el adsorbente, el fenómeno se llama adsorción química, adsorción activa o quimisorción. Las energías de adsorción son elevadas, del orden de las de un enlace químico, debido a que el adsorbato forma unos enlaces fuertes localizados en los centros activos del adsorbente. Esta adsorción suele estar favorecida a una temperatura elevada. La mayor parte de los fenómenos de adsorción son combinaciones de las tres formas de adsorción y, de hecho, no es fácil distinguir entre adsorción física y química.

Cuadro comparativo de la adsorción física y química

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil Descripción de la adsorción Las moléculas a partir de la fase del gas o del líquido serán unidas de una manera física a una superficie, en este caso la superficie es de carbón activo. El proceso de la adsorción ocurre en tres pasos:   

Macro transporte : El movimiento del material orgánico a través del sistema del macro-poros del carbón activo (macro-poros > 50nm) Micro transporte : El movimiento del material orgánico a través del sistema del micro-poros del carbón activo (microporo < 2nm; meso-poro 2-50nm) Absorción: La adhesión física del material orgánico en la superficie del carbón activo en los meso-poros y micro-poros del carbón activo

Isoterma de adsorción de Freundlich Han sido muchos los intentos para desarrollar ecuaciones que describan las isotermas de adsorción observadas experimentalmente. Entre las expresiones más utilizadas destaca la isoterma de adsorción de Freundlich:

Donde:

x = gramos de soluto adsorbido m = gramos de adsorbente C = concentración de soluto en el equilibrio K,b = constantes características del adsorbente y del soluto a una temperatura dada.

Por consiguiente las representaciones graficas de log (x/m) en función de log (C) deben producir líneas rectas. Esta ecuación no establece un valor limitante, como ocurre con la ecuación de la isoterma de adsorción de Langmuir.

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Fig. Nº 2. Isoterma de adsorción de ácido acético sobre carbón activado Fuente: Revista de la Facultad de Ingeniería Universidad Central de Venezuela “Evaluación de la capacidad de adsorción de desechos agroindustriales para la remoción de ácido acético”

3. PARTE EXPERIMENTAL Materiales, equipos y reactivos:  04 Erlenmeyer de 400 ml

 Pipeta volumétrica de 10 ml

 04 tapones de corcho

 Propipeta

 04 piezas de parafilm

 Bureta 50 ml

 Probeta de 100 ml

 Pinza

 Fiola de 250 ml

 Piceta de agua destilada

 Papel filtro

 Carbon activado en polvo, acido

 06 Erlenmeyer de 125 ml

acético (CH3COOH) y NaOH

Procedimiento experimental: 1. Lavar y secar los 4 erlenmeyer de 400 ml. 2. Con la ayuda de la probeta, en cada matraz de 400 ml añadir 150 ml de solución de acido acético de las siguientes concentraciones: 0.7, 0.35, 0.175, 0.0875 M. Cada concentración se obtendrá a partir de la dilución sucesiva de acido acético 0.7 M.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil 3. De cada erlenmeyer de 400 ml extraer con la pipeta dos muestras de 10 ml cada una y agregar cada muestra en un erlenmeyer de 125 ml respectivamente. Titular cada muestra con hidróxido de sodio 0.2 M en presencia de fenolftaleína. 4. Agregar 1.0 gramo de carbón activado a cada erlenmeyer de 400 ml (quedarían 130 ml de solución de acido acético en cada erlenmeyer), envolver el tapón de corcho con parafilm y tapar los erlenmeyer, agitarlos periódicamente durante 30 minutos. 5. Proceder a filtrar, desechar los primeros 10 ml de cada solución filtrada, como medida de precaución, debido a la adsorción de acido acético por papel filtro. 6. Con la pipeta extraer de cada erlenmeyer de 400 ml dos muestras finales de cada solución y titular con NaOH 0.2M en presencia de fenolftaleína..

4. DATOS 4.1.

DATOS EXPERIMENTALES Tabla N°1: Datos experimentales para las diferentes soluciones de acido acético.

Matraz Nº

1 2 3 4

Masa de carbón (g)

1.0 1.0 1.0 1.0

1º Titulación

2º Titulación

Volumen de NaOH inicial promedio (mL)

4.3 8.6 17.8 34.0

4.3 8.8 ---

4.3 8.7 17.8 34.0

Volumen de NaOH inicial (mL)

Concentra ción inicial teórica de CH3COOH (M)

0.0875 0.1570 0.3500 0.7000

1º Titulación

2º Titulación

Volumen de NaOH final promedio (mL)

3.7 7.9 16.4 32.8

4.0 8.0 16.6 33.1

3.85 7.95 16.50 32.95

Volumen de NaOH final (mL)

Volumen de CH3COOH empleado (mL)

130 130 140 140

4.2. DATOS BIBLIOGRAFICOS  Masa molar del acido acético = 60.05 g /mol  Masa molar del ftalato acido de potasio = 204.23 g/mol

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil 5. TRATAMIENTO DE DATOS Y RESULTADOS 5.1. Estandarización del hidróxido de sodio La concentración del hidróxido de sodio es determinada a partir de la estandarización. La cual se realizó empleando 1.0 g de ftalato acido de potasio (C8H5KO4) disolviéndolo en 20 mL de agua. En el punto final de la titulación se cumple que: (

)

( Siendo

(

)

(

)

)

para ambos: (

) ( )(

(

)

)

El hidróxido de sodio presenta un concentración de 0.1959 M 5.2. Determinación de las concentraciones iniciales y finales soluciones de acido acético.

de las diferentes

Para la mayoría de las muestras de 10 ml de solución de acido acético, se emplea en el cálculo el volumen gastado promedio de hidróxido de sodio. En el punto final de la titulación:

Siendo

para ambos, reemplazando en la ecuación:

Por ejemplo: Reemplazando los datos de la tabla Nº 1 para el primer matraz: Concentración inicial

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil Concentración final

Procediendo de igual manera los matraces restantes, agrupamos los resultados obtenidos en la siguiente tabla: Tabla Nº 2: Concentraciones iniciales y finales de acido acético. Matraz Nº 1 2 3 4

Concentración inicial de (M) 0.0842 0.1704 0.3487 0.6661

Concentración finall de (M) 0.0754 0.1557 0.3232 0.6455

5.3. Determinación de la masa de acido acético adsorbido: (

)

A su vez: Así de la primera muestra tenemos: (

)

Finalmente reemplazando los datos de los siguientes matraces y agrupando los resultados obtenemos la siguiente tabla: Tabla Nº 3: Milimoles y masa de CH3COOH adsorbido Matraz Nº Milimoles de 1 1.144 2 1.911 3 3.570 4 2.884

( )

(mmol) Masa de 0.0687 0.1148 0.2144 0.1732

5.4. Calculo de las constantes características del adsorbente y del soluto. La ecuación general de la isoterma de Freundlich es:

Donde:

x

= gramos de soluto adsorbido (acido acético)

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil m = gramos de adsorbente (carbón activado) C

= concentración de soluto en el equilibrio

K,b = constantes características del adsorbente y del soluto a una temperatura dada.

Considerando la concentración final de las diferentes soluciones de acido acético como la concentración en el equilibrio y aplicando logaritmo a cada miembro de la ecuación de la isoterma de Freundlich, se tiene: ( ) Tabla Nº 4: Cálculos para la obtención de la isoterma de Frendlich Matraz Nº 1 2 3 4

X/m

C (M)

log (x/m)

log C

0.0687 0.1148 0.2144 0.1732

0.0754 0.1557 0.3232 0.6455

-1.1630 -0.9401 -0.6688 -0.7615

-1.1226 -0.8077 -0.4905 -0.1901

0.00 -1.20

-1.00

-0.80

-0.60

-0.40

-0.20

0.00

Log (x/m)

-0.20 -0.40

y = 0,4769x - 0,5721 R² = 0,7754

-0.60

-0.6688 -0.7615 -0.9401

-0.80 -1.00

-1.1630

-1.20

Log (C)

-1.40

Fig. Nº Log(x/m) vs Log (C) Laboratorio Nº 8 “Adsorción”

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil La ecuación de la recta de ajuste es correlación R² = 0,7754, donde:

Y = 0,4769x - 0,5721, con un coeficiente de

La ecuación de Frendlich para la adsorción de acido acético en carbón activado esta expresado por:

6. GRAFICO Grafico Nº 1: Isoterma de adsorción del acido acético en carbón activado (Modelo de Frendlich). 0.25 0.2144 0.2 0.1732 0.15 0.1148

y = 0,2679x0,4769 R² = 0,7754

x/m 0.1 0.0687 0.05

0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Concentracion equilibrio CH3COOH (M) Se observa que el punto del matraz Nº 4 se desvía de la tendencia, como si ocurriera un proceso inverso a la adsorción, lo cual no puede ser posible pues el carbón activado presenta una gran capacidad de adsorción.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil 7. DISCUSION DE RESULTADOS  La adsorción se evidencio mediante la disminución de las concentración de las soluciones al agregar carbón activado, el tiempo trascurrido fue de una hora. Las moléculas de ácido acético quedan adheridas sobre la superficie solida del carbón activado debido a que se generan interacciones tipo Van der Waals (London) que son el origen de la adsorción física, en la cual las moléculas de acido acético no modifican su estructura, no forman enlaces. Al depender la adsorción de las interacciones tipo Van der Waals, la adsorción será mayor cuanto más intensa sea esta, habrá mayor masa adsorbida para moléculas de mayor peso molecular, mayor numero de grupos funcionales tales como enlaces dobles, y de mayor polarizabilidad.  En la grafica Nº 1 se observa que los tres primeros puntos siguen una tendencia creciente, es decir, a medida que aumenta la concentración de las soluciones aumenta la cantidad de acido acético adsorbido por el carbón activado. Las dos variables (x/m y Ceq ) presentan una correlación positiva moderada (R² = 0,7754). El punto correspondiente al matraz Nº 4 de concentración 0.6455 M, posee una masa adsorbida de soluto menor que el correspondiente al matraz Nº 3, producto de un error en la determinación de la concentración inicial de la solución, pues lo recomendable es realizar dos titulaciones para obtener un valor fiable muy cercano a la concentración real de la solución, solo realizo una titulación para los matraces Nº 3 y Nº 4.

8. CONCLUSIONES  Se realizó un estudio de adsorción de ácido acético para el carbón activado es del tipo adsorción física, en la cual se evidenció que la masa adsorbida de soluto aumenta con la concentración de este.  La adsorbabilidad de un compuesto aumenta con mayor peso molecular, mayor numero de grupos funcionales y mayor polarizabilidad de la molécula  Se elaboro la isoterma de adsorción para el carbón activado, determinando que el proceso de adsorción se ajusta al modelo descrito por Freundlich. La ecuación de la isoterma de Freundlich obtenida es x/m = 0,2679 ⋅C0,

4769

, con un factor de

correlación de 0,7754. Laboratorio Nº 8 “Adsorción”

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9. RECOMENDACION  Se recomienda separar siempre dos muestras de cada matraz con solución de acido acético, para efectuar la titulación y determinar la concentración promediando el volumen gastado de hidróxido de sodio para hallar el valor que más se acerque a la concentración real del acido acético. 10. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Textos:  LEVINE. I, Físico Química, cuarta edición, volumen 1, editorial Mc GrawHill, 1996  LAIDLER, Keith James. Físico-química. México, D.F.: Compañía Editorial Continental,1997. Paginas Web:

 http://www.chem.arizona.edu/tpp/adsorcioneq.pdf Consultado el 4 de julio del 2013

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 http://www.geocities.ws/chex88chex/labfisicoquimica/Adsorcion.pdf Consultado el 4 de julio del 2013

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 http://www.swan.ch/GetAttachment.axd?attaName=CC1AC235-1A8F-4C5C-893028922CBBA588 Consultado el 5 de julio del 2013

 http://fagalab.com/Hojas%20de%20Seguridad/ACIDO%20ACETICO%20GLACIA L.pdf Consultado el 5 de julio del 2013

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