PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚFACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍA

Laboratorio 2 de Físico-Química

SÉTIMA PRÁCTICAPROCESOS DE ADSORCIÓN EN SOLUCIÓN

Fecha del experimento: 26 de Octubre

Integrantes: Código:

- Brenda D’Acunha 20067205- Carla Sánchez 20072193

2010

1. OBJETIVOS:

Estudio del fenómeno de adsorción de moléculas de ácido acético acuoso sobre la superficie de carbón activado a temperatura y presión constantes.Graficar y comparar los datos experimentales utilizando las ecuaciones de Langmuir y Freundlich.

2. MARCO TEÓRICO:

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 sub-superficial. La sustancia que se concentra en la superficie o se adsorbe se llama "adsorbato" y la fase adsorbente se llama "adsorbente".

La adsorción de una especie química presente en la solución del suelo (adsorbato) por los constituyentes de la fase sólida del suelo (adsorbente) ocurre debido a las interacciones entre la superficie activa de las partículas sólidas y el adsorbato. La cantidad adsorbida de una determinada especie depende no sólo de la composición del suelo sino también de la especie química de la que se trata y de su concentración en la solución.

Tanto experimental como teóricamente, la descripción cuantitativa más conveniente de un fenómeno de adsorción en equilibrio hace uso de relaciones a temperatura constante (isotermas). Si se adsorbe un soluto sobre una superficie, la isoterma de adsorción es una función del tipo nads=f t (C), donde nads representa la cantidad de adsorbato presente en la interfase en equilibrio con una concentración C del mismo adsorbato en una disolución a una temperatura dada.

Para el caso de adsorción en disolución, se tienen 2 principales clases de isotermas:

La isoterma de Langmuir tiende a un límite de adsorción, que podemos interpretar en términos de recubrimiento completo de la superficie por una cantidad nmáx de adsorbato (límite de monocapa).

Este tipo de isoterma es típica de superficies homogéneas. La isoterma de Langmuir tiene la forma:

θ= kc1+kc

Donde θ es la fracción de la superficie sólida cubierta por las moléculas adsorbidas y k es una constante a temperatura constante.

θ= NN m

Donde N es el número de moles adsorbidas por gramo de sólido para un soluto en equilibrio de concentración c y Nm es el número de moles por gramo que son necesarios para formar una monocapa. Ordenando la ecuación obtenemos:

cN

= cN m

+ 1k Nm

De esta manera, podemos reajustar la ecuación de Langmuir a una ecuación lineal, al graficar C vs C/N

Para el caso de superficies heterogéneas, la isoterma de adsorción no presenta un límite claro de adsorción en monocapa. Se trata de la isoterma de Freundlich. En particular, la

adsorción de moléculas pequeñas sobre carbón activado es un fenómeno intermedio entre una isoterma de Langmuir y Freundlich.

La ecuación general de la isoterma de Freundlich es:

y=k c1/nDonde K y n son constantes empíricas. Esta ecuación, para poder obtener una ecuación lineal, podemos utilizarla de forma logarítmica:

log y=log k+ 1nlog c

3. PROCEDIMIENTO:

3.1.Preparación de NaOH

3.2.Preparación de las soluciones y valoración

Preparar 250mL de NaOH 1M

Valorar el NaOH con biftalato de potasio.

Preparar 500mL de ácido acético 0.15M y valorar con NaOH

valorado anteriormente

Preparar en 6 fiolas 100mL de soluciones

de 0.12M, 0.09M, 0.06M, 0.03M y

0.015M

Colocar aprox. 1g de carbón activado en matraces limpios,

secos y numerados.

Agregar a los matraces 100mL de

una solución de ácido acético de

diferentes concentraciones. A uno agregar 100mL

de agua.Colocar en un termostato a 25°C por 2h. Agitando periódicamente.

Filtrar cada una de las soluciones con

papel filtro, desechar los primeros 10mL

de la solución.

Tomar alícuotas de las soluciones y

valorarlas con NaOH

4. DATOS :

Tabla 1. Estandarización de NaOH con Biftalato de potasio

Ensayo Peso de Biftalato (g)

Volumen de NaOH(mL)

Concentración de NaOH (M)

1 2.0308 10.2 0.982 2.0251 10.3 0.975

Concentración de NaOH = 0.98M

Tabla 2. Pesos de carbón activado utilizados para cada matraz

# de frasco Peso (g)1 1.01312 1.00043 1.00824 1.00395 1.00456 1.00807 1.0040

Tabla 3. Estandarización de ácido acético 0.15M

Se tomó una alícuota de 10mL de ácido acético 0.15M para la estandarización de ambos ensayos:

Ensayo Volumen gastado de NaOH (mL)

Concentración de CH3COOH (M)

1 1.60 0.1512 1.55 0.1535

Concentración de CH3COOH = 0.152M

Tabla 4. Concentración de las soluciones de ácido acético antes del proceso de adsorción

# de matraz Concentración (mol/L)1 0.1522 0.123 0.094 0.065 0.036 0.015

7 (agua) -

Tabla 5. Estandarización de cada una de las soluciones después del proceso de adsorción

# de matraz Volumen gastado de NaOH (mL)

Concentración de CH3COOH

Ensayo 1 Ensayo 21 1.34 1.38 0.1322 1.10 1.12 0.1083 0.82 0.80 0.0794 0.58 0.56 0.0555 0.22 0.24 0.0226 0.10 0.10 0.0098

7 (agua) 0.01 0.01 -

Tabla 6. Comparación de los valores de concentración de ácido acético antes y después de la adsorción con carbón activado

# de matraz [CH3COOH]INICIAL [CH3COOH]FINAL

1 0.152 0.1322 0.12 0.1083 0.09 0.0794 0.06 0.0505 0.03 0.0226 0.015 0.00987 - -

5. CÁLCULOS Y RESULTADOS:

A partir de los datos de concentración inicial y final de las soluciones de ácido acético, es posible calcular la cantidad de moles y gramos de ácido acético adsorbidos por gramo de carbón. Para esto, es necesario hallar, primero, el número de moles adsorbidas:

nNaOH=nCH 3COOH

nantesde adsorción−ndespués deadsorción=nadsorb idas

Tabla 7. Moles y gramos de ácido acético adsorbidos por acción del carbón activado

# de matraz

Moles antes de adsorción

Moles después de adsorción

Moles adsorbidas

Moles ads. por g. de carbón

g. ads. por g de carbón

1 0.0152 0.0132 2x10-3 1.97x10-3 0.11822 0.012 0.0108 1.2x10-3 1.19x10-3 0.07143 0.009 0.0079 1.1x10-3 1.09x10-3 0.06544 0.006 0.0050 9.99x10-4 9.96x10-4 0.05985 0.003 0.0022 8x10-4 7.96x10-4 0.04776 0.0015 0.00098 5.2x10-4 5.16x10-4 0.0309

Tabla 8. Isoterma de Langmuir

cN

= cN m

+ 1k Nm

# de matraz c N cN

1 0.132 1.97x10-3 76.00502 0.108 1.19x10-3 90.75633 0.079 1.09x10-3 72.47704 0.050 9.96x10-4 50.20085 0.022 7.96x10-4 27.63826 0.0098 5.16x10-4 18.9922

Donde:C= concentración de ácido en el equilibrioN= Moles adsorbidas de ácido por g de carbón

Gráfica 1. Isoterma de Langmuir

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.140

20

40

60

80

100

f(x) = 500.875310254735 x + 21.053112608317R² = 0.769213024386774

Isoterma de Langmuir

c

c/N

Tabla 9. Isoterma de Freundlich

logy=logk+ 1nlogc

# de matraz y Log y c Log c1 0.1182 -0.927 0.132 -0.8792 0.0714 -1.146 0.108 -0.9663 0.0654 -1.184 0.079 -1.1024 0.0598 -1.223 0.050 -1.3015 0.0477 -1.321 0.022 -1.6576 0.0309 -1.510 0.0098 -2.008

Donde:Y= g de ácido adsorbidos por g de carbónC= concentración de ácido en el equilibrio

Gráfica 2. Isoterma de Freundlich

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14

-1.6

-1.4-1.2

-1-0.8-0.6

-0.4-0.2

0

f(x) = 3.75544020076317 x − 1.46936340541098R² = 0.87793127644393

Isoterma de Freundlich

Log c

Log

y

6. DISCUSIÓN DE RESULTADOS:

Es posible ver que sí ocurrió una adsorción de las moléculas de ácido acético sobre la superficie de carbón activado, ya que la molaridad, para todas las soluciones, fue menor a la medida inicialmente.

En este caso, la adsorción que se dio fue una Fisisorción, ya que entre las moléculas de ácido acético y carbón activado no hay formación de enlace, pues no se modifica la estructura del ácido acético, sino que se dan interacciones de diferente tipo (iónicas, de van der waals…) entre el ácido y el carbón.

Se observa además, que a medida que aumenta la concentración de las soluciones, aumenta la cantidad de soluto adsorbida por el carbón.

Para determinar a qué ecuación se ajustan más los datos obtenidos durante la práctica se realizaron dos gráficos: una de Log y vs. Log C y otra de C/N vs C. La gráfica que presente una mayor tendencia a la línea recta es la que se ajusta más a una ecuación determinada. En este caso en particular, los datos quedaron mejor representados con la ecuación de Freundlich, ya que el ajuste a la recta fue mejor. (R2= 0.8779 para Freundlich y R2= 0.7692 para Langmuir).

Una posible explicación para estos resultados es que la isoterma de Langmuir dice que sólo es posible usar si la adsorción ocurre en una monocapa, cuando la superficie es

homogénea. Esto es falso porque la mayoría de las superficies de los sólidos no son uniformes y la velocidad de adsorción depende de la posición de la molécula adsorbida. Además, La fuerza entre las moléculas adsorbidas adyacentes es con frecuencia apreciable.

Algunas posibles fuentes de error se deben sobre todo a que el sistema pudo no haber llegado al equilibrio. El tiempo que se dejó reaccionar fue de 2 horas, y se tenía que agitar cada 15 minutos para que la mezcla homogenice.

Otra fuente de error, es que se asume que el carbón activado sólo tiene interacciones con el ácido, más no con el agua, cuando en realidad también se dan interacciones entre el carbón y el agua. Es por esto que antes de hacer el experimento, es necesario que el carbón se encuentre bien seco. El carbón activado también pudo adsorber agua al momento de ser pesado y colocado en los matraces, de manera que se altera su capacidad de adsorción al ácido acético.

7. CONCLUSIONES:

- El tipo de adsorción realizada durante la práctica fue de tipo Fisisorción, debido a que no hubo reacción química entre los reactivos utilizados, es decir, no hubo formación de enlaces.

- En este caso, se encontró que la isoterma de Freundlich era una mejor aproximación al valor real que la de Langmuir, debido al ajuste de mínimos cuadrados.

- Para tener buenos resultados, es necesario un tiempo óptimo de reacción y agitar los matraces regularmente para que el sistema llegue al equilibrio.

- A mayor concentración en las soluciones, mayor será la cantidad de soluto adsorbida cuando se mantiene la cantidad de adsorbente constante.

- La concentración de soluto en equilibrio por número de gramos adsorbidos por gramo de adsorbente. (C/Y), disminuye a medida que aumenta la concentración en equilibrio.

8. BIBLIOGRAFÍA:

LEVINE. I, Físico Química, cuarta edición, volumen 1, editorial Mc Graw Hill, 1996 SHOEMAKER, D.P., GARLAND C.W. y J.W. NIBLER. Experiments in Physical Chemistry. Sexta

edición. New York: Addison-Wesley, 1996. LAIDLER, Keith James. Físico-química. México, D.F.: Compañía Editorial Continental,

1997. Procesos de adsorción. En: http://www.agua.uji.es/pdf/leccionHQ17.pdf. Búsqueda

realizada el día 01 de noviembre de 2010. Químicas de superficie: Adsorción. En:

http://www.unioviedo.es/QFAnalitica/trans/ExpquimDimas/PRACT_12_Adsorcion.pdf. Búsqueda realizada el día 01 de noviembre de 2010.