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UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DEL AMBIENTE FACULTAD DE QUÍMICA Y BIOLOGÍA

Fisicoquímica 2 Ingeniería en Química

“Adsorción de ácido acético sobre carbón vegetal a partir de soluciones acuosas.”

jueves, 9 de octubre del 2014

Laboratorio 2

Integrantes: - Adriana Vera Hott, Ing Civil Química - Susana Jamett Giese, Ing Civil Química - Victor Smith Romero. Ing Civil Química - Ricardo Torres, Ing Civil Química

Grupo 4 Profesor: Juan Silva

1

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Fisicoquímica 2 Ingeniería en Química

INTRODUCCIÓN: Para poder comprender y modelar los temas tratados en este laboratorio se partirá dando énfasis a palabras de interés. Probablemente se conozcan palabras como adsorción y absorción pero no se conozcan con exactitud sus diferencias. Caracterización del carbón vegetal activado:(1) Composición aproximada:

75-80% en carbono 5–10% en cenizas 60% en oxígeno 0,5% en hidrógeno

Aplicaciones del carbón activado: principalmente de filtrado, sobre todo para el filtrado o depuración de aguas servidas, aire, entre otros. Características que posee para el filtrado: posee una alta superficie interna lo que conjugado con su alta porosidad y la distribución en tamaño de estos le permite tener una elevada capacidad de eliminación de sustancias. Por otra parte posee unabaja selectividad de retención, siendo una especie de adsorbente “universal”. No obstante, por su naturaleza apolar y por el tipo de fuerzas implicadas en el proceso de adsorción, retendrá preferentemente moléculas apolares y de alto volumen molecular (hidrocarburos, fenoles, colorantes...), mientras que sustancias como nitrógeno, oxígeno y agua prácticamente no son retenidas por el carbón a temperatura ambiente. Diferencia de Adsorción con Absorción. Adsorción:la retención de sustancias (átomos, iones, moléculas) se lleva a cabo únicamente en la superficie del material que adsorbe o retiene. Es el caso de adsorción de una tinta sobre una superficie metálica. Absorción:En la absorción la retención de sustancias se lleva a cabo en el volumen del material absorbente. Es el caso de absorción de un gas (por ejemplo CO2) en agua. El proceso de adsorción es importante en muchos procesos presentes en la industria química, tales como: decolorante en la industria del azúcar (año 1794), 2

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máscaras con filtro de carbón activo para evitar la inhalación de partículas de mercurio (año 1872), creación de pastillas de carbón para tratamiento estomacal, adsorción de benzotiazolespor medio de carbón activado entre otras. Existen dos tipos de adsorción: 1) Adsorción química: Se produce por la unión del adsorbato al solido a través de enlaces químicos relativamente fuertes. Este tipo de adsorción es importante en procesos de catálisis heterogénea. Dado que implica la formación de un enlace entre adsorbato y el adsorbente, el proceso se detiene tras la formación de una monocapa sobre la superficie. Aunque sólo una capa puede estar quimisorbida. 2) Adsorción física: Se produce por la interacción física entre adsorbente y adsorbato.Las moléculas se mantienen unidas sin perder su identidad ya que la energía es insuficiente para romper sus enlaces, la adsorción física ocurre por distintos sucesos tales como: fuerzas de Van der Waals (tipo dipolo-dipolo, dipolo-dipolo inducido o fuerzas de dispersión).Este tipo de adsorción corresponde a la forma más simple y se produce por débiles fuerzas atractivas. La fisisorción se produce en multicapas. En este laboratorio se estudiará la adsorción de ácido acético por parte de carbón vegetal. Para lograr esto se debe tener en cuenta que la cantidad adsorbida por gramo de solido depende de diversos factores tales como: el área específica del sólido, la concentración en equilibrio del soluto en solución o de la presión en el caso de adsorción en fase gaseosa, de la temperatura y de las moléculas implicadas. De este modo, al realizar mediciones a temperatura constante se puede obtener un gráfico de N número de moles adsorbidos por gramo de sólido, en función de la concentración de soluto en equilibrio , donde la curva que forma dicha gráfica corresponde a la isoterma de adsorción. Existen distintos modelos de isotermas de adsorción. En esta experiencia se utilizarán las isotermas de: Langmuir y Freundlich.A su vez, se intentará determinar qué tipo de adsorción ocurre. Isoterma de adsorción de Langmuir:

(1)

La isoterma de Langmuir se basa en supuestos como: a) Es del tipo quimisorción, con formación de una monocapa de moléculas o átomos sobre la superficie sólida. 3

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b) La adsorción es localizada y específica. c) El calor de adsorción es independiente del recubrimiento de la superficie. (1) Donde: θ: fracción de superficie cubierta por la monocapa. K: constante a temperatura constante (2) N: número de moles adsorbidos por gramo de sólido para un soluto en equilibrio de concentración. Nmax: número de moles de soluto por gramo de sólido capaz de formar una monocapa. Al sustituir y ordenar se obtiene:

Si la isoterma de Langmuir describe adecuadamente la adsorción, la grafica será una recta con pendiente. Isoterma de adsorción de Freundlich:

(1)

Este tipo de comportamiento se encuentra en la adsorción de materiales a concentraciones relativamente bajas (o bajas presiones en el caso de gases), sobre materiales sólidos. a) Es un proceso de quimisorción a nivel de monocapa. b) Se aplica a fases líquidas y gaseosas en contacto con materiales sólidos. (3) Donde: N: moles adsorbidos por gramo de sólido. K y n: constantes.

OBJETIVOS: 4

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1.- Determinar la isoterma de adsorción del ácido acético sobre carbón vegetal en dispersiones acuosas. 2.- Hacer una comparación entre la isoterma de Freundlich y Langmuir con los datos obtenidos, y determinar a cual se adaptan mejor los resultados a obtenidos.

MATERIALES Y REACTIVOS -

Carbón vegetal Solución 0.5 M de ácido acético Solución 0,1 M de NaOH Fenolftaleína Matraz Erlenmeyer Probeta Vaso precipitado Embudo Papel filtro

METODOLOGÍA Se realizaron 6 soluciones de acido acético y agua en un matraz (como se muestra en la tabla 1) Erlenmeyer que contenía 2 gr de carbón vegetal aprox. Se cierra el matraz con un papel filtro para luego agitarlo durante 30 min. Pasados los 30 min se filtran las 6 soluciones para obtener de la muestra 1 a la 4 10 ml y de la 5 a la 6 25 ml. Obtenidas las soluciones filtradas se les pone 3 gotas de fenoftaleina y se procede a valorar con NaOH.

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RESULTADOS Y DISCUSION:

Resultados Tabla 1. Valores de la cantidad de carbón en cada matraz, concentración inicial de ácido antes de iniciada la adsorción , y la concentración en equilibrio después de la titulación , con su gasto respectivo de hidróxido de sodio. Matraz

Cantidad de Carbón vegetal (gr.)

Concentración inicial HAc (M)

Volumen de NaOH gastado (mL )

concentracion final HAc (M)

1

2,09

0,5

43,7

0,437

2

2,07

0,4

34,6

0,346

3

2,05

0,3

24,5

0,245

4

2,00

0,2

40,3

0,1612

5

2,03

0,1

17,7

0,0708

6

2,05

0,05

6,6

0,0264

Tabla 2.Titulacion de HAc (5 ml )a partir de NaOH. Concentración HAc (M) 0,5

Volumen de NaOH gastado (mL ) 25,8

concentración HAc (M) al ser titulado. 0,516

Recordar que las últimas tres soluciones (matraz 4, 5 y 6) se titularon para una cantidad de 25 ml y a 10 ml como en los demás casos. Calculo de moles HAc : Moles iniciales = Moles finales + Moles adsorbidos N : son los moles adsorbidos por gramo de carbón Ce: concentración de HAc en M (concentración final)

Tabla3. Moles calculados al inicio y después de la reacción , y la cantidad de acido acético adsorbida por gramo de carbón vegetal para 10 ml de solución. 6

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Moles iníciales de Hac.

Ce( Moles finales Hac.)

0.005 0.004 0.003 0.002 0.001 0.0005

4.37*10-3 3.46*10-3 2.45*10-3 1.612*10-3 7.08*10-4 2.64*10-4

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Moles adsorbidos Hac. 6.3*10-4 5.4*10-4 5.5*10-4 3.88*10-4 2.92*10-4 2.36*10-4

N (Moles ads / gr carbón) 3.014*10-3 2.60*10-3 2.68*10-3 1.94*10-3 1.44*10-3 1.15*10-3

X(Ce) 0,00437 0,00346 0,00245 0,001612 0,000708 0,000264

Y(N) 0,003014 0,00260 0,00268 0,00194 0,00144 0,00115

N (M ads / gr carbon)

N vs Ce

Serie 1, 0.00437, 0.003014 Serie 1, 0.00245, Serie 1, 0.00346, 0.00268 0.0026 Serie 1, 0.001612, 0.00194

Serie 1, 0.000708, Serie 1, 0.00144 0.000264, 0.00115

Ce (M) Ilustración 1 grafico N v/s Ce

Al realizarse un ajuste lineal se tiene que: R2= 0,9205 a=0,449 b=0,0012

Isoterma de Langmuir: Tabla 4. Concentración de solución (final , cantidad de acido acético adsorbida por gramo de carbón vegetal y relación entre estas componentes (división).

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Matraz

Ce (M)

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N (M/gr carbón )

Ce / N

1

0,437

3.014*10-3

144,990

2

0,346

2.60*10-3

133,077

3

0,245

2.68*10-3

91,418

4

0,1612

1.94*10-3

83,093

5

0,0708

1.44*10-3

49,166

6

0,0264

1.15*10-3

22,956

Y(Ce/N) 144,990 133,077 91,418 83,093 49,166 22,956

Ce/N v/s Ce

Serie 1, 0.00437, 144.99 Serie 1, 0.00346, 133.077

Ce/N (gr de carbon)

X(Ce) 0,00437 0,00346 0,00245 0,001612 0,000708 0,000264

Serie 1, 0.00245, 91.418 Serie 1, 0.001612, 83.093 Serie 1, 0.000708, 49.166 Serie 1, 0.000264, 22.956 Ce (M)

Ilustración 2 grafico Isoterma de Langmuir

Al realizarse un ajuste lineal se tiene que: R2=0,96722 a=29058,711 b=25,148 Por lo tanto Nm= 3,4413*10-5

,

K=1155,507

Isoterma de Freundlich 8

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Log(N)=Log(K) + n*Log(Ce)

Tabla 5. Concentración de solución (final), cantidad de acido acético adsorbida por gramo de carbón vegetal y relación entre estas componentes (división). Matraz

Concentración HAc (M)

N (M/gr carbón )

Log Ce

Log N

1

0,437

3.014*10-3

-0,35952

-2,52086

2

0,346

2.60*10-3

-0,46092

-2,58503

3

0,245

2.68*10-3

-0,61083

-2,57186

4

0,1612

1.94*10-3

-0,79263

-2,71219

5

0,0708

1.44*10-3

-1,14996

-2,84164

6

0,0264

1.15*10-3

-1,57839

-2,93930

X Log(Ce) -0,35952 -0,46092 -0,61083 -0,79263

Y Log(N) -2,52086 -2,58503 -2,57186 -2,71219 9

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-2,84164 -2,93930

LogN v/s Log Ce

Log N

-1,14996 -1,57839

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Serie 1, -0.35952, 2.52086 Serie 1, -0.46092,Serie - 1, -0.61083, 2.57186 2.58503 Serie 1, -0.79263, 2.71219 Serie 1, -1.14996, 2.84164

Log Ce

Serie 1, -1.57839, 2.9393

Ilustración 3 Isoterma Freunlich

Al realizarse un ajuste lineal se tiene que: r2=0,964 a=0,3540 b=-2,4029 Por lo tanto n= 0,3540 , K=3,9546*10-3

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Discusión Al realizar un análisis a los resultados obtenidos se puede deducir que la relación que mejor se adapta corresponde a la relación obtenida en la isoterma de adsorción de Langmuir, ya que en este caso presenta resultados más ideales al realizarse el ajuste, con un R2=0,96722; aun así cabe destacar que la diferencia entre los R2 obtenidos es mínima, obteniéndose en la relación de isoterma de adsorción de Freundlich un r2=0,964. En cuanto a qué tipo de fuerzas son las responsables de la adsorción del ácido acético sobre el carbón activado se dirá el carbón no reacciona con el agua, ya que esta es una molécula polar, pero sí tiene una baja capacidad de retención hacia este tipo de moléculas (polares), por otra parte el carbón logra atraer al ácido acético, el cual tiene un carácter polar, reteniéndolo en su superficie a través de quimisorción, es decir, ocurrirá por la unión del adsorbato al solido (enlaces químicos fuertes), produciéndose una isoterma de adsorción de Langmuir. Además se distingue que a medida que la concentración de acido acético disminuye, los moles adsorbidos por gramo de adsorbente también lo hace (principio de Le Chatelier). Estas fuerzas mencionadas anteriormente no serán iguales en toda la superficie del sólido, debido a que el carbón activado presenta irregularidades en su superficie ya que posee una gran cantidad de micro poros. Luego si el área ocupada por una molécula de ácido acético es aproximadamente de 21 Å 2, podemos calcular el área ocupada por una molécula de carbón de la siguiente manera. A = NmNo σ10-20 A = 3,4413*10-5 *6,02*1023 * 21 Å 2*10-20 A= 4,3505 Å 2 Sea A : área ocupada por una molécula de carbón En cuanto a las fuentes de errores se pueden distinguir dos, los errores humanos, como el mal uso de instrumentos, poca precisión, mala lectura de los datos, etc; los errores instrumentales, en los cuales se destaca en este experimento la irregularidad de la superficie del carbón ( superficie porosa), la cual afecta en la recopilación de datos experimentales. Los errores instrumentales no pueden ser corregidos, todo instrumento tiene un rango de error, por ellos es que siempre estarán presentes. Respecto a los reactante debemos indicar que el hidróxido no es un patrón primario, ya que es una sustancia que reacciona con agua por su naturaleza higroscópica, por tal es muy importante el proceso de estandarización con el ftalato de sodio, como también la obtención de la concentración de acido 11

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solo, en la primera titulación, nos permiten reducir los errores en los cálculos finales y comenzar de manera correcta la experiencia frente a los resultados que pudiéramos obtener. Pero por otra parte los errores humanos si pueden ser corregidos, ya sea mediante buenas prácticas , el estudio previo de lo que se va a realizar o mediante un buen uso de instructivos, etc; todo con el fin de evitar y disminuir errores.

CONCLUSION Finalizando la experiencia, podemos decir fehacientemente que se logro el objetivo a cabalidad, hemos modelado los resultados según las isotermas propuestas, donde Langmuir fue la isoterma que mejor linealidad mostro al momento de ajustar la curva, con el R2 más cercano a 1 que la modelación ofrecida por Freundlich, como ahondamos en la discusión. Respecto a los procedimientos en el laboratorio, se aprendió de manera satisfactoria la titulación, lo cual fue fundamental para obtener resultados que nos permitieran una modelación de los datos obtenidos en el laboratorio, versus las formulas provistas por la bibliografía. Con todo lo mencionado anteriormente, hemos visto, medido y propuesto el modelo de adsorción según el modelo de Langmuir, de manera correcta según nuestros datos respecto al acido acético en carbón vegetal dentro del laboratorio. BIBLIOGRAFÍA 1.- Guía practica N°2 de Laboratorio fisicoquímica II, “Adsorcion de acido acético sobre carbón vegetal a partir de soluciones acuosas”, Profesor Aldo Saavedra

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