Universidad Tecnolgica Nacional Facultad Regional Rosario

Ctedra de Ing. De las Reacciones

Trabajo practico N 2: Adsorcin de Acido Actico en Carbn Activado

Ing. Roque Masciarelli - Ing Silvia Stancich - Ing. Stoppani Fernando

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OBJETIVO

Determinar la constante de equilibrio de adsorcin de un lquido sobre un slido a una temperatura dada y el volumen de la monocapa. Tambin se desea calcular el rea efectiva del carbn activado.

FUNDAMENTOS

La adsorcin por un slido es la captacin de molculas de la fase gaseosa o de una solucin por la superficie del slido. El trmino superficie incluye tanto las superficies geomtricas externas como la superficie interna de los capilares, las grietas y los intersticios. En toda adsorcin hay un adsorbente (slido) que es la superficie y un adsorbato que es la sustancia adsorbida (lquido/gas). La teora de Langmuir para la adsorcin se basa en las siguientes hiptesis:

La adsorcin ocurre solamente en una monocapa No existe ningn tipo de interaccin entre las molculas adsorbidas La superficie es completamente homognea, o sea, no hay centros activos preferenciales Se llega a un equilibrio dinmico adsorcin-desorcin Se considera que el nico componente adsorbido es el soluto

Al poner en contacto un slido con una solucin lquida, a temperatura constante, se verifica: Velocidad de adsorcin = kads . CA (1 - ) Velocidad de desorcin = kdes .

Dnde: Kads y Kdes son las constantes de adsorcin y desorcin respectivamente CA es la concentracin de cido actico en la solucin en contacto con el carbn activado es la fraccin de la superficie total del carbn activado cubierta (1 ) es la fraccin de la superficie total del carbn activado descubierta

Por lo tanto podemos decir que la velocidad de adsorcin es proporcional a la concentracin de A y a la fraccin de rea descubierta (1 - ). En tanto que la velocidad de desorcin, es proporcional a la porcin de rea cubierta ().Supondremos que el solvente de la solucin no ser adsorbido por el slido. Cuando el sistema solucin-slido, alcance el equilibrio dinmico, la fraccin de rea cubierta permanecer constante, aunque se contine verificando el proceso de adsorcin-desorcin.

*. . (1 )

A deseqVel adsorcin Vel desorcin K C K

ad= = (1)

2

Trabajando se llega a: *

*1

eq

eq

A ads

A des

K C Kdonde K

C K K = =

+

Definiendo a N moles soluto adsorbido gramo de adsorbente=

Si toda la superficie del slido estuviese cubierta se alcanzara Nmax, en funcin del cual podemos definir la fraccin de rea cubierta como:

*

*

max max 1

eq

eq

Aeq eq

A

K CN N

N N C K = =

+

Reordenando *

max

*1

eq

eq

A

eq

A

K C NN

C K=

+ (2)

La ecuacin (2) representa lo que se conoce como isoterma de Langmuir. Se puede trabajar algebraicamente para expresar la isoterma de la forma:

{ {{

* *

max max

1 1eq eqA A

eq

xm hy

C C

N N K N= +

14243 (3)

Si el sistema sigue el comportamiento descripto por la isoterma de Langmuir, la grfica de (y vs x)

debe dar una lnea recta de pendiente max

1

Ny ordenada al origen

max

1

K N.

A partir de la diferencia de concentraciones inicial (CA0) y final o de equilibrio ( *eqA

C ), el volumen de disolucin utilizado (Vo) y la masa de slido empleado (mc) se puede calcular el nmero de moles de soluto adsorbidos por gramo de adsorbente (N), a la temperatura de la experiencia:

( )*0 eqo A Aeq

c

V C CN

m

= eq

moles soluto adsorbidoN

gramo de adsorbente =

A partir de Nmax podemos calcular el volumen de la monocapa segn:

max. Am

A

N MV

=

(4) Donde:

MA es la masa molar de cido actico A la densidad del cido actico puro a la temperatura de la experiencia Vm volumen de soluto adsorbido por unidad de masa de carbn activado

3

Siendo las unidades:

.

m

moles soluto adsorbido masa soluto

masa slido adsorbente mol soluto vol soluto adsorbidoV

masa slido adsorbentemasa soluto

vol soluto

= =

A veces suele ser de inters determinar lo que sucede en la superficie del adsorbente, conociendo el valor de la extensin de su superficie. La mayor parte de los slidos que se utilizan son irregulares y es un buen parmetro de comparacin entre dos adsorbentes poder determinar el rea especfica de los mismos. Para este clculo solo se necesita conocer el rea que ocupa cada molcula de cido actico sobre la superficie del carbn activado. El rea total por gramo de carbn activado se calcula segn:

OMxEsp

NNA = (5) Donde:

AEsp es rea especfica NMx es nmero mximo de moles adsorbidos NO es el nmero de Avogadro es el rea de la molcula de cido actico

DROGAS

Soluciones de cido actico 0,01 0,02 0,04 0,06 0,08 y 0,1 M, (100 cm3 de c/u por comisin)

Carbn activado. Solucin de Na(OH) 0,05 N para titular (300 ml por grupo)

MATERIALES DE LABORATORIO

Pera de aspiracin Erlenmeyers de 150 ml aprox. (6) Bureta Soporte universal Embudo para bureta

Vidrio reloj Papel de filtro Refrigerante Piseta

Papel de aluminio o nylon. Banditas elsticas. (en caso de no disponer de erlenmeyers con cuello esmerilado y tapa)

1

TCNICA OPERATORIA

Pesar 6 porciones de aprox. 1 g de C activado. Tomar 100 cm3 de cada una de las soluciones de cido actico y colocar una parte en un erlenmeyer, agregar una de las porciones de carbn activado, y utilizar el resto de los 100 cm3 para recoger los restos de carbn activado que hayan quedado en el vidrio reloj e incorporarlos al erlenmeyer. Tapar utilizando el papel de aluminio y las banditas elsticas. Dejar reposar 24 hs., tiempo en el cual se supone que se ha alcanzado el estado de equilibrio. Tomar la temperatura ambiente; sta ser la temperatura en el equilibrio. Filtrar el contenido de cada erlenmeyer. Para esta operacin se debe tener en cuenta que el papel de filtro es tambin un adsorbente del soluto, as como tambin parte del solvente puede quedar retenido en el filtro lo cual modifica la concentracin de la solucin. Este error se puede eliminar desechando los primeros 10 ml de filtrado. Tomar una alcuota del filtrado y titular para evaluar CA en cada caso. Si se desea estudiar la influencia de la temperatura, colocar en bao termostatizado, los erlenmeyers con cuello esmerilado para adaptar refrigerante a reflujo, y repetir las operaciones anteriores.

CLCULOS Y RESULTADOS

1. Correccin de la concentracin por variacin en el volumen: Es necesario corregir la concentracin de la solucin titulada, debido a que el volumen de la solucin de cido actico vara a medida que este es adsorbido por el carbn activado, para que los resultados de las titulaciones en el laboratorio se correspondan con los valores reales. Al considerar la solucin inicial, se tiene que est formada tanto por molculas de solvente (agua), y soluto (cido actico). El soluto se encuentra distribuido uniformemente en todo en solvente (solucin homognea), pero una representacin esquemtica de dicha solucin inicial puede darse como la figura 1.a. Una vez alcanzado el equilibrio el volumen de la solucin se redujo en una cierta cantidad, ya que ahora parte del soluto ha dejado la misma para adherirse al carbn activado. La situacin en el equilibrio se puede representar por la figura 1.b. La diferencia entre el volumen inicial VO y el volumen final V viene dado por:

( )A

AEqOO

MAmolesAmolesVV =

Donde: MA y A son la masa molar de A y la densidad de A en estado puro. Adems se sabe que:

VCAmolesyVCAmoles AEqEqOAOO ==

2

Reemplazando estas expresiones en la ecuacin anterior y reordenando se llega a:

A

AAEq

A

AAO

OM

C

MC

V

V

=

1

1

En las determinaciones realizadas en el laboratorio la concentracin de cido actico en el

equilibrio viene dada por: VAmolesC EqAEq = pero se necesita saber OEqAEq VAmolesC = ,

debido que V es un volumen desconocido y VO si es conocido. La concentracin corregida por volumen viene dada entonces por la siguiente expresin:

A

AAEq

A

AAO

AEq

O

Eq

O

AEqAEq MC

MC

CV

V

V

Amoles

V

VCC

===

1

1*

2. Completar las siguientes tablas: La densidad de cido actico puro en funcin de la temperatura viene dado por la siguiente expresin, cuando T esta en C y A en gr/ml:

39293 10.0,210.8,510.1229,10724,1)( TTTTA

+=

Temp. (C) Vol. Ac. Actico (lts) 0.1 Densidad de HAc

Normalidad Na(OH) Peso Molecular HAc 60.032

cido Actico Na(OH) titulacin (ml) CAo

(Mol / l) Muestra p/titular

(ml)

Carb. Act. (gr)

1 2 prom

CAeq (mol / l)

C*Aeq (mol / l) Neq C

*

Aeq/Neq

Sol 1 Sol 2 Sol 3 Sol 4

3. Graficar la isoterma de adsorcin representando por la ecuacin (3) 4. Regresionar los valores y calcular con los datos de pendiente y ordenada al origen

Nmax y K. 5. Calcular el volumen de la monocapa segn (4). 6. Calcular el rea especifica segn (5) Nota: La entrega del informe debe ir acompaada de conclusiones.