UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELAFACULTAD DE CIENCIASESCUELA DE QUIMICALaboratorio Integrado de Fisicoqumica

PRCTICA N 6Bloque CINETICAAdsorcin de Soluciones- Isotermas de Langmuir

Profesor:Carlos LandaetaHctor Franco

Grupo #7:Rosbely Riquelme C.I: 18.141.147 Orlando Medina C.I: 14200648

Caracas, Agosto 2010.Resumen e Introduccin

La adsorcin es un fenmeno fisicoqumico de gran importancia, debido a sus aplicaciones mltiples en la industria qumica y en el laboratorio. En particular, resulta fundamental en procesos qumicos que son acelerados por la presencia de catalizadores cuyo estado de agregacin es distinto al de los reactivos.

En general se identifican dos tipos bsicos de adsorcin: la adsorcin fsica, o fisiadsorcin y la adsorcin qumica, o quimiadsorcin. La diferencia entre ellas radica en el tipo de interacciones entre el adsorbente y el adsorbato. En la adsorcin fsica las interacciones predominantes son de tipo Van der Waals, mientras que en la adsorcin qumica las interacciones semejan enlaces qumicos. Esto da lugar a entalpas de adsorcin muy diferentes: alrededor de -20 kJ/mol para la fisiadsorcin y cerca de -200 kJ/mol para la quimiadsorcin. La formacin de enlaces durante la adsorcin qumica hace que el proceso sea ms selectivo, es decir, que dependa marcadamente de la naturaleza de las sustancias involucradas. El helio, por ejemplo, no se adsorbe qumicamente sobre una superficie ya que no forma enlaces ni compuestos. Es comn que la interaccin qumica entre el adsorbente y el adsorbato produzca cambios en la estructura de los compuestos involucrados. Esto puede modificar su reactividad y de ello depende la capacidad cataltica del adsorbente. La cantidad de material adsorbido en un sistema depende de la temperatura y la concentracin (o presin en el caso de gases) del adsorbato. Si la temperatura se mantiene constante durante el experimento, el grado de adsorcin puede estudiarse como funcin de la presin o la concentracin y generar as lo que se conoce como la isoterma de adsorcin

Isotermas: En 1916, Langmuir desarroll un modelo simple para tratar de predecir el grado de adsorcin de un gas sobre una superficie como funcin de la presin del fluido, que es igualmente aplicable a la adsorcin de un soluto en disolucin. En este modelo se supone que:1) El adsorbato forma una capa mono-molecular sobre la superficie2) Todos los sitios de la superficie son equivalentes3) No hay interaccin entre las partculas adsorbidas4) Las molculas adsorbidas no tienen movimiento sobre la superficie.

En el modelo de Langmuir, se propone el siguiente esquema dinmico para representar la adsorcin:

Donde A simboliza al adsorbato gaseoso, S al adsorbente slido, y AS al complejo adsorbente-adsorbato. Los procesos de adsorcin y desorcin estn caracterizados por el valor de las constantes de rapidez ka y kd, respectivamente.

Los experimentos que con ms frecuencia se realizan, consisten en la medida de la relacin entre: Cantidad de liquido o gas absorbido/ cantidad de Absorbente

Una de las tcnicas ms sencillas para analizar el grado de adsorcin de un material sobre un adsorbente consiste en trabajar con disoluciones del adsorbato a diferentes concentraciones. El problema se reduce entonces a comparar la concentracin del soluto antes y despus de llegar al equilibrio con el adsorbente. Estas concentraciones se pueden determinar de varias maneras: las ms comunes son la titulacin y la espectrofotometra.

Experimentalmente en esta prctica, se determinar el rea especfica de un slido mediante la isoterma de adsorcin de acido actico. Se estudiar la adsorcin sobre carbn vegetal de un soluto en disolucin acuosa, la relacin existente de acido actico absorbido por carbn activado y la Concentracin de equilibrio del acido actico en la fase acuosa y se determinar el rea superficial del carbn activado mediante la isoterma de Langmuir.

Asi entonces se mide el volumen de absorbato por una cantidad de absorbente o la variacin del peso que experimenta el absorbente cuando ha estado en contacto con el absorbado.

Resultados y Discusin de Resultados

A continuacin se presentan los resultados obtenidos.

Inicialmente, se coloc el carbn en una mufla por una hora a 300C, para activarlo.

Posteriormente se pes alrededor de 1 gramo de carbn activado en 6 fiolas distintas y se agregaron distintas cantidades de cido actico 0,4 M y agua destilada como disolvente, tal como indica la Tabla I, hasta llegar a un volumen final de 50 mL.

Se procedi a agitar las fiolas durante 1 hora, y luego se filtr cuidadosamente para que no pasara carbn al filtrado. Se tomaron por duplicado alcuotas de la solucin filtrada de 10 mL para la primera, segunda, tercera y cuarta fiola, y alcuotas de 20 mL, para las restantes, y se titularon con NaOH (0,11 0,01) M, que fue previamente estandarizado usando ftalato cido de potasio Tabla VI.

Tabla I: Cantidades de reactivos aadidos a cada fiola

FiolaMasa Carbn Activado (g)VolumenCH3COOH (mL)Volumen deH2O Destilada (mL)

11,002050-

21,00922525

31,00981535

41,00757,542,5

51,00484,046

61,00642,048

Conocida la concentracin del cido actico inicial se puede conocer los moles colocados en cada fiola, que son indicados en la Tabla II.

Tabla II: Concentracin y moles iniciales de de cido actico colocados en cada fiola

Fiola[CH3COOH] (M)nCH3COOH iniciales (moles)

10,4000,0200

20,2000,0100

30,1200,0060

40,0600,0030

50,0320,0016

60,0160,0008

Tabla III: Volumen de NaOH (0,110,01) M consumido, concentracin final de cido actico, moles del mismo y moles adsorbidos.

FiolaVNaOH (mL)[CH3COOH]equilibrio (M)nCH3COOH equilibrio (moles)nadsorbidos (moles)

122.723.10,24970,25410,0024970,0025410,0175030,017459

219,520,00,21450,22000,0021450,0022000,0078550,007800

310,410,50,11440,11550,0011440,0011550,0048560,004845

43,83,80,04180,04180,0004180,0004180,0025820,002582

54,64,50,02530,02480,0005060,0004950,0010940,001105

62,62,70,01430,01490,0002860,0002970,0005140,000503

Se tomaron dos rplicas de cada solucin y se tomo el promedio de moles absorbidos y promedio de moles inciales para poder as trabajar con el resto de los datos experimentales. Se representaron los promedios en la Tabla IV

Tabla IV: Promedios demoles absorbidos y concentracin de acido actico en el equilibrio.

Fiolanadsorbidos (moles)Promedio[CH3COOH]equilibrio (M)Promedio

10,01748100,251900

20,00782750,217250

30,00485050,114950

40,00258200,041800

50,00109950,025025

60,00050850,014575

El nmero de moles adsorbido por unidad de masa del carbn activado es reflejado en la Tabla V.

Tabla V: Moles adsorbidos por gramo de carbn activado

FiolaGramos de Carbn activado(gr)NCH3COOH (moles/g)[CH3COOH]equilibrio (M)

11,00200,01744610,251900

21,00920,00775610,217250

31,00980,00480340,114950

41,00750,00256280,041800

51,00480,00109420,025025

61,00640,00050530,014575

A partir de esta tabla es posible construir la isoterma de adsorcin presentada en el grfico 1, la cual presenta un Nm, es decir la cantidad mxima de adsorbato que puede ser adsorbido por gramo de adsorbente, este Nm arroj un valor de 0,00104536 moles/g.

(n es usado para designar a los moles adsorbidos mientras que N es utilizada para los moles adsorbidos por gramo de carbn activado)

A partir de esta tabla es posible construir la isoterma de adsorcin presentada en el grfico 1, la cual presenta un Nm, es decir la cantidad mxima de adsorbato que puede ser adsorbido por gramo de adsorbente, este Nm arroj un valor de 0,0174461 moles/g.

Si el sistema sigue el comportamiento descrito por la isoterma de Langmuir, la grfica del cociente C/N como funcin de la concentracin de equilibrio C (GRAFICO I) debe dar una lnea recta de pendiente 1/Nm y ordenada al origen 1/KN. En efecto, se obtuvo una lnea recta, y con los datos de la regresin lineal se obtuvo el valor de la pendiente y del punto de corte con el eje y. Con el valor de la pendiente de la recta obtenida, es posible calcular el valor de Nm, el cual arroja un valor de 0,01081081 el cual es muy parecido al valor encontrado por el punto de mxima saturacin en la isoterma de Langmuir.

Si se conoce el rea que ocupa cada molcula de cido actico sobre la superficie del adsorbente es posible calcular el rea especfica del carbn activado (el rea especfica es el rea superficial total de un gramo de adsorbente). Se sugiere asumir un rea = 2.1 10-19 m2 (21 2) por cada molcula adsorbida. El rea total por gramo se calcula como A = Nm. N0. , donde N0 es el nmero de Avogadro. En nuestro experimento obtuvimos un rea especfica de 2205.53 m2/g.

La mayor o menor utilidad de un determinado sustrato a la hora de llevar a cabo un proceso dado de adsorcin, el cual puede ser una actividad cataltica, de desecacin, de eliminacin de humos u otros contaminantes, se determina apelando al concepto de rea superficial; esto es, al rea de la superficie disponible por el slido para que tenga lugar la adsorcin. En particular, son determinantes las relaciones rea superficial/(volumen de sustrato) y rea superficial/(masa de sustrato). Como el rea superficial depende no slo de las caractersticas geomtricas del adsorbato (esto es, de la forma y nmero de partculas en que se encuentre dividido) sino tambin del tipo de interaccin entre adsorbato y sustrato (es decir, de la mayor o menor afinidad entre ellos), el rea superficial de un sustrato es funcin de la situacin de adsorcin particular. Para la determinacin del rea superficial de un sustrato en una situacin particular resulta til conseguir un recubrimiento completo de ste.

Tabla VI: Estandarizacin de NaOH utilizando Ftalato cido de Potasio como estndar primario

Gramos Ftalato (gr)V NaOH (mL)FMIF

0,510022,71,1001351660,1100135170,01069535

0,509522,91,0894578540,1089457850,01040809

0,510323,01,0864242740,1086424270,01028935

0,509623,51,0618502780,1061850280,00963502

M promedioIF promedio

0,110,01

Tabla VII: Cociente C/N

FiolaMoles Adsorbidos/ g carbon activado (C/N)M EquilibrioCociente C/N

10,01744610,25190034,4387506435559

20,00775610,21725028,0100542957522

30,00480340,11495023,9308339346459

40,00256280,04180016,3104182804028

50,00109420,02502522,8695952705775

60,00050530,0145758,84617502458210

GRAFICO I

GRAFICO II

Conclusiones

Aunque en general el mtodo descrito introduce cierta incertidumbre en la determinacin de N, debido a que la diferencia Cinicial - Cequilibrio es muy pequea, los resultados a los que da lugar permiten analizar la dependencia del grado de adsorcin de un material con su concentracin y los alcances del modelo de Langmuir para representar su comportamiento.A medida que aumenta la concentracin del cido actico (adsorbato) aumenta la relacin entre la cantidad adsorbida por gramo de carbono.El carbn activado pulverizado proporciona datos de adsorcin de manera eficiente y en un corto tiempo, debido a la velocidad por llegar al equilibrio.Debido a la isoterma de adsorcin aqu observada, es claro determinar que el tipo de adsorcin que se presenta en el sistema cido actico carbn activado es qumica

Bibliografa

Atkins, P.W., Fisicoqumica, 3a edicin, Addison-Wesley Iberoamericana, EUA, 1991. Gua del Laboratorio de Fisicoqumica Fusionado, Escuela de Qumica, Facultad de Ciencias, UCV. CASTELLAN, Gilbert W. Fisicoqumica.