LABORATORIO DE FISICOQUIMICA II

ADSORCION

I. Objetivos Estudiar la adsorción del soluto de una solución acuosa sobre la superficie de un sólido y

la aplicación de la isoterma de Freundlich. Analizar la interacción superficial del carbón activado con el acido acético, y como varia la

adsorción con la variación de la concentración del acido a temperatura constante.

II. Fundamento Teórico

AdsorciónLa adsorción es un proceso por el cual átomos, iones o moléculas son atrapadas o retenidas en la superficie de un material, en contraposición a la absorción, que es un fenómeno de volumen.En química, la adsorción de una sustancia es su acumulación en una determinada superficie interfacial entre dos fases. El resultado es la formación de una película líquida o gaseosa en la superficie de un cuerpo sólido o líquido.Considérese una superficie limpia expuesta a una atmósfera gaseosa. En el interior del material, todos los enlaces químicos (ya sean iónicos, covalentes o metálicos) de los átomos constituyentes están satisfechos. En cambio, por definición la superficie representa una discontinuidad de esos enlaces. Para esos enlaces incompletos, es energéticamente favorable el reaccionar con lo que se encuentre disponible, y por ello se produce de forma espontánea.La naturaleza exacta del enlace depende de las particularidades de los especímenes implicados, pero el material adsorbido es generalmente clasificado como fisisorbido o quimisorbido.La cantidad de material que se acumula depende del equilibrio dinámico que se alcanza entre la tasa a la cual el material se adsorbe a la superficie y la tasa a la cual se evapora, y que normalmente dependen de forma importante de la temperatura. Cuanto mayor sea la tasa de adsorción y menor la de desorción, mayor será la fracción de la superficie disponible que será cubierta por material adsorbido en el equilibrio.Para estos procesos, resultan interesantes materiales con una gran superficie interna, (y por lo tanto poco volumen) ya sea en polvo o granular, como el carbón activo, y llevan asociados otros fenómenos de transporte de material, como el macro transporte y micro transporte de los reactantes.Las características principales de la adsorción son: 1º.- La adsorción es altamente selectiva. La cantidad adsorbida depende en gran medida de la naturaleza y del tratamiento previo al que se haya sometido a la superficie del adsorbente, así como de la naturaleza de la sustancia adsorbida. Al aumentar la superficie de adsorbente y la concentración de adsorbato, aumenta la cantidad adsorbida.2º.- Es un proceso rápido cuya velocidad aumenta cuando aumenta la temperatura, pero desciende cuando aumenta la cantidad adsorbida.3º.- Es un proceso espontáneo, es decir, que ð G es negativa, y en general está asociada con un aumento en el orden del adsorbato, lo que significa que ð S es negativa, por lo cual, y de acuerdo con la ecuación ð G = ð H - Tð S, es generalmente exotérmica, lo que quiere decir que ð H es negativo. El cambio en la entalpía cuando un mol de adsorbato es adsorbido por la cantidad apropiada del adsorbente se conoce como la entalpía de adsorción.

Fisisorción Es la forma más simple de adsorción, y es debida a débiles fuerzas atractivas, generalmente fuerzas de Van der Waals (véase fuerzas dispersivas). Dado que estas fuerzas son omnipresentes, resulta que rápidamente cualquier superficie limpia expuesta al ambiente acumula una capa de material fisisorbido.

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Quimisorción Es ocurre cuando un enlace químico, definido en este caso como un intercambio de electrones, se forma. El grado de intercambio y lo simétrico que sea dependen de los materiales involucrados. A menudo hay un paralelismo con las situaciones encontradas en química de coordinación. La quimisorción es particularmente importante en la catálisis heterogénea, la forma más común en la industria, donde un catalizador sólido interacciona con un flujo gaseoso, el reactante o los reactantes, en lo que se denomina reacción en lecho fluido. La adsorción del reactante por la superficie del catalizador crea un enlace químico, alterando la densidad electrónica alrededor de la molécula reactante y permitiendo reacciones que normalmente no se producirían en otras circunstancias. La corrosión es un ejemplo de ello.

Descripción de la adsorción: Las moléculas en fase de gas o de líquido serán unidas físicamente a una superficie, en este caso la superficie es de carbón activo. El proceso de la adsorción ocurre en tres pasos:Macro transporte: Movimiento del material orgánico a través del sistema de macro-poros del carbón activo (macro-poros > 50nm) Micro transporte: Movimiento del material orgánico a través del sistema de micro-poros del carbón activo (microporo < 2nm; meso-poro 2-50nm) Absorción: Adhesión física del material orgánico a la superficie del carbón activo en los meso-poros y micro-poros del carbón activoEl nivel de actividad de la adsorción depende de la concentración de la sustancia en el agua, la temperatura y la polaridad de la sustancia. Una sustancia polar (= soluble en agua) no puede ser eliminada o es malamente eliminada por el carbón activo, una sustancia no polar puede ser totalmente eliminada por el carbón activo. Cada clase de carbón tiene su propia isoterma de adsorción (véase la figura 1) y en el campo del tratamiento de aguas esta isoterma viene definida por la función de Freundlich.Función de Freundlich:

x/m= sustancia adsorbida por gramo de carbón activoCe= diferencia de concentración (entre antes y después)Kf, n = constantes específicasLa segunda curva del carbón activo (figura 2) muestra el agotamiento del filtro. Normalmente nosotros colocamos las unidades depuradoras-UV después de la columna de carbón activo.

Son muchos los tipos de adsorción existentes (sólido-gas, sólido-líquido, líquido-gas..), pero esta práctica se ceñirá al estudio de la adsorción sólido-líquido. Los sólidos son capaces de adsorber uno o más componentes de una mezcla líquida, o bien el soluto o el disolvente de una solución.La adsorción sobre los sólidos se clasifica en: adsorción física y adsorción química ésta generalmente tiene lugar en reacciones catalíticas y por su naturaleza química es irreversible. "En la adsorción física, las moléculas del gas se mantienen unidas a la superficie del sólido por medio de las fuerzas de Van der Walls relativamente débiles. En la quimisorción, se produce una reacción química en la superficie del sólido, y el gas se mantiene unido a la misma a través de enlaces químicos relativamente fuertes."

ACIDO ACETICO CH3COOH

Masa molecular: 60.1

TIPOS DE PELIGROS/ SINTOMAS PREVENCION

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PELIGRO/ EXPOSICION

AGUDOS

INCENDIO

Inflamable. El calentamiento intenso puede producir aumento de la presión con riesgo de estallido.

Evitar llama abierta, NO producir chispas y NO fumar.

EXPLOSION

Por encima de 39°C: pueden formarse mezclas explosivas vapor/aire.

Por encima de 39°C: sistema cerrado, ventilación y equipo eléctrico a prueba de explosiones.

INHALACION

Dolor de garganta, tos, jadeo, dificultad respiratoria. (síntomas de efectos no inmediatos: véanse Notas).

Ventilación, extracción localizada o protección respiratoria.

PIELEnrojecimiento, dolor, graves quemaduras cutáneas.

Guantes protectores, traje de protección.

OJOS

Dolor, enrojecimiento, visión borrosa, quemaduras profundas graves.

Pantalla facial.

INGESTION

Dolor de garganta, sensación de quemazón del tracto digestivo, dolor abdominal, vómitos, diarrea.

No comer, beber ni fumar durante el trabajo.

DERRAMAS Y FUGAS ALMACENAMIENTO

Recoger el líquido procedente de una fuga en recipientes herméticos, neutralizar con precaución el líquido derramado con carbonato sódico, sólo bajo la responsabilidad de un experto o eliminar el residuo con agua abundante (protección personal adicional: traje de protección completa incluyendo equipo autónomo de repiración).

A prueba de incendio. Separado de oxidantes, bases. Mantener en lugar frío; mantener en una habitación bien ventilada. Separado de alimentos y piensos.

ACIDO ACETICO

D ESTADO FISICO; ASPECTO RIESGO DE INHALACION

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ATOS

IMPORTANTES

Líquido incoloro, con olor acre.

PELIGROS QUIMICOSLa sustancia es moderadamente ácida. Reacciona violentamente con oxidantes tales como trióxido de cromo y permanganato potásico. Reacciona violentamente con bases fuertes. Ataca muchos metales formando gas combustible (Hidrógeno).

LIMITES DE EXPOSICIONTLV: 10 ppm; 25 mg/m3 (como TWA); 15 ppm; 37 mg/m3 (como STEL) (ACGIH 1990-1991)VIAS DE EXPOSICIONLa sustancia se puede absorber por inhalación del vapor y por ingestión.

En la evaporación de esta sustancia a 20°C se puede alcanzar bastante rápidamente una concentración nociva en el aire.

EFECTOS DE EXPOSICION DE CORTA DURACIONCorrosivo. La sustancia es muy corrosiva para los ojos, la piel y el tracto respiratorio. La inhalación del vapor puede originar edema pulmonar (véanse Notas). Corrosivo por ingestión.

EFECTOS DE EXPOSICION PROLONGADA O REPETIDAEl contacto prolongado o repetido con la piel puede producir dermatitis.

PROPIEDADESFISICAS

Punto de ebullición: 118°CPunto de fusión: 16°CDensidad relativa (agua = 1): 1.05Solubilidad en agua: misciblePresión de vapor, kPa a 20°C: 1.6

Densidad relativa de vapor (aire = 1): 2.07Punto de inflamación: 39°CTemperatura de autoignición: 427°CLímites de explosividad, % en volumen en el aire: 4.0-17

III.Materiales 04 erlenmeyer de 400ml 04 tapones de jebe o de corcho 04 piezas de parafilm Probeta de 100ml Fiola de 250ml 04 embudos Papel de filtro 06 erlenmeyer de 125ml Pipeta volumétrica de 10ml Propipeta Bureta de 50ml Pinza Piceta de agua destilada de 500ml Carbón activado en polvo, Acido acético (CH3COOH) y NaOH

IV.Procedimiento

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Lavar y secar los cuatros erlenmeyer de 400ml, y agregar en cada uno de los solución a acido acético a diferentes concentraciones: 0.7, 0.35, 0.175, 0.0875 M.

Luego extraemos 10ml. de cada matraz y lo colocamos en un matraz de 125ml con dos gotas de fenolftaleína y procedemos a titular con NaOH hasta que se vea una coloración rosa.

Después le agregamos a cada matraz de 400ml. 1gr. aproximadamente de carbón activado, lo tapamos y agitamos durante 15minutos.

Después de haber dejado reposar pasamos a filtrar; luego extraemos una muestra de 10ml. y lo procedemos a titular con 2 gotas de fenolftaleína y NaOH.

Luego de obtener el volumen en los dos casos, es decir antes y después de agregar el carbón activado compararemos estos valores

V. DatosDatos Experimentales:

# MatrazMasa de

Carbón (g)Volumen de NaOH

(ml) InicioVolumen de NaOH

(ml) Final

1 0.5062 36.1 362 0.5072 17.8 17.63 0.5085 9.1 8.74 0.5075 4.5 4.0

Estandarización:Masa de phtalato acido de potasio = 0.5024gVolumen de NaOH = 11.5mlM de phtalato acido de potasio = 204.23g/mol.

VI. Tratamiento de DatosAntes de realizar los cálculos respectivos de laboratorio, previamente hallaremos la concentración real del NaOH que utilizaremos para hallar las concentraciones de acido

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acético iniciales y finales. Para eso estandarizaremos el NaOH con una masa definida de phtalato acido de potasio, mediante la siguiente ecuación:

#moles de NaOH = #moles de phtalato

#moles de phtalato = masa / peso molecular = 0.5024g / 204.23 g/mol#moles de phtalato = 2.46x10-3

#moles de NaOH = concentración x Volumen Utilizado = Con. NaOH (M) x 0.0115L.

Conc. NaOH = 2.46x10-3 / 0.0115L.Conc. NaOH = 0.214M

Hallada la verdadera concentración de NaOH procederemos a calcular las concentraciones iniciales y finales den cada caso del acido acético, mediante la siguiente expresión:

#Eq- base = #Eq-acido(N x V) base = (N x V) acido

Para cada caso se extrajo una muestra de 10ml de acido acético y se neutralizo con un volumen definido de NaOH con concentración ya hallada en presencia de fenoltaleína, y hallaremos la normalidad del acido que en este caso es igual a la molaridad ya que Q es igual a 1.

Matraz Nº1:0.214 x 36.1 = N x 10 N = M = 0.7725 Molar (inicial)0.214 x 36.0 = N x 10N = M = 0.7704 Molar (final)

Matraz Nº2:0.214 x 17.8 = N x 10 N = M = 0.3809 Molar (inicial)0.214 x 17.6 = N x 10N = M = 0.3766 Molar (final)

Matraz Nº3:0.214 x 9.1 = N x 10 N = M = 0.1947 Molar (inicial)0.214 x 8.7 = N x 10N = M = 0.18618 Molar (final)

Matraz Nº4:0.214 x 4.5 = N x 10 N = M = 0.0963 Molar (inicial)0.214 x 4.0 = N x 10N = M = 0.0856 Molar (final)

Obtenemos el siguiente cuadro:

# Matraz Conc. Inicial de Acido Acético (M)

Conc. Final de Acido Acético (M)

1 0.7725 0.77042 0.3809 0.3766

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3 0.1947 0.18624 0.0963 0.0856

La diferencia en la concentración indica que una parte del acido acético fue adsorbido por el carbón activado, ahora hallaremos la masa adsorbida.Debido a que se extrajo el mismo volumen al inicio y al final de la titulación para cada caso entonces solo restaríamos las concentraciones y multiplicaríamos por el volumen de la muestra que fue 0.01L, así tendríamos las moles adsorbidas para 10ml, pero el volumen total fue 140ml, de manera que multiplicaríamos por 14 y obtendríamos las moles totales; multiplicando por el peso molecular del acido finalmente obtendríamos la masa total de acido adsorbida.

Masa adsorbida = Δ Con. (moles/L) x Volumen (L) x 14 x M (g/mol)

Entonces para cada caso tenemos:Matraz Nº1:Masa adsorbida 1 = 2.1x10-3 x 0.01 x 14 x 60 = 0.01764 gramos

Matraz Nº2:Masa adsorbida 1 = 4.3x10-3 x 0.01 x 14 x 60 = 0.03612 gramos

Matraz Nº3:Masa adsorbida 1 = 8.5x10-3 x 0.01 x 14 x 60 = 0.0714 gramos

Matraz Nº4:Masa adsorbida 1 = 10.7x10-3 x 0.01 x 14 x 60 = 0.08988 gramos

Conocidas las masas de acido acético adsorbida procederemos a calcular la relación de masa adsorbida por masa de adsorbente:

Caso 1:x/m = 0.01764 / 0.5062 = 0.0348

Caso 2:x/m = 0.03612 / 0.5072 = 0.0712

Caso 3:x/m = 0.0714 / 0.5085 = 0.1404

Caso 4:x/m = 0.08988 / 0.5075 = 0.1771

Ordenamos los resultados en el siguiente cuadro:

# Matraz x/m Conc. final (equilibrio)1 0.0348 0.77042 0.0712 0.37663 0.1404 0.18624 0.1771 0.0856

1. Con los datos obtenidos en la practica de laboratorio, obtuvimos el siguiente cuadro de resultados:

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2. De la ecuación de las isotermas de Freundlich, usando el método de mínimos cuadrados determinar las constantes k y b.

Presentamos la ecuación de la isoterma de Freundlich:x/m = k C b

Linealizando la ecuación obtenemos la siguiente expresión:

Log(x/m) = log K + b logC Del siguiente cuadro de datos:

Donde log(x/m) viene a ser los Y y logC viene a ser los X, ajustamos los puntos por el método de los mínimos cuadros, y obtenemos la siguiente grafica:

I soterma de Freundlich

y = -0,7583x - 1,4952

-1,6

-1,4

-1,2

-1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0

-1,2 -1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0

Log C

Log

(x/m

)

Por medio de Excel se hizo un ajuste y obtuvimos la siguiente ecuación:Y = -1.4952 -0.7583X

Igualando los términos con la primera ecuación dada hallamos las constantes de la ecuación:Log K = -1.4952 K = 0.03197b = -0.7583

# Matraz

Masa de Carbón

(g)

Conc. Inicial

HAc (M)

Conc. Final HAc (M)

Masa carbón

absorbido (g)

x/mLog

(x/m)Log C

1 0.5062 0.7725 0.7704 0.01764 0.0348 -1.4584 -0.1133

2 0.5072 0.3809 0.3766 0.03612 0.0712 -1.1475 -0.4241

3 0.5085 0.1947 0.1862 0.07140 0.1404 -0.8526 -0.7300

4 0.5075 0.0963 0.0856 0.08988 0.1771 -0.7518 -1.0675

Log (x/m)

Log C

-1.4584 -0.1133-1.1475 -0.4241-0.8526 -0.7300-0.7518 -1.0675

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3. A partir del coeficiente de regresión, vea si es posible replantear (2).Vemos que al hacerle ajuste mínimo cuadrático para hallar las constantes, el coeficiente de regresión calculado es de R=0.9494, un valor bastante aceptable, lo que nos lleva a decir que la ecuación no necesita ser replanteada para que mejore.

VII. Observaciones y discusión de resultados Notamos como el volumen de NaOH al titular varia para cada solución y también antes

y después de agregarle el carbón activado. La agitación no debe ser tan vigorosa. Es necesario ser precisos en la titulación para poder notar la diferencia entre los

volúmenes antes y después de agregar el carbón activado. El absorbente empleado fue carbón activado en polvo, ya que el empleo de carbón

granulado presenta interferencia como: El área superficial es menor comparada con el área de carbón en polvo. La pulverización sufrida por el carbón granulado a causa de la continua agitación

requerida en el ensayo de adsorción. Para resultados mas precisos se emplea un mayor tiempo; ya que el tiempo

transcurrido mientras se agitaba no fue el suficiente para que alcance el equilibrio; eso se puede observar en los resultados obtenidos.

Para aplicar la isoterma de Freundlich, debemos mantener la temperatura constante.

VIII. Conclusiones La cantidad de acido acético adsorbida según los cálculos aumenta con la disminución

de la concentración de la sustancia disuelta, hasta un valor definido de saturación, lo cual según la parte teórica debería aumentar con un aumento de la concentración.

La adsorción de solutos es selectiva ya que solo el soluto o su solvente son adsorbidos por el sólido, pero rara vez ambos.

Según los cálculos, la absorción del acetato era de manera proporcional, pero en el último punto esto varia, tal vez en ese punto no se determino correctamente la masa de acetato adsorbida.

IX. Anexos

(Lo adjuntamos al final del informe)

X. Bibliografía

Atkins, P. W.; Fisicoquímica, 3ra Edición, Editorial Addison Wesley Longman, USA, 1996.

CASTELLAN, Gilbert W.; Fisicoquímica; Editorial Addison Wesley Longman; Segunda Edición; México; 1987; Pág.: 455-457.

LEVINE, Irán; Fisicoquímica; Mc. Graw Hill; Interamericana de España; 4ta Edición; Volumen 1; 1996; Pág.: 379-385.

PERRY, John; Manual del Ingeniero Químico;; Editorial Hispano Americana; México; 1966; Pág.: 1383-1387.

www.lenntech.com/espanol/adsorcion.htm

www.fquim.unam.mx/sitio/edquim/84/84-saber.pdf

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catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lic/ponce_o_e/capitulo_4.html