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PRÁCTICA N° 7 ISOTERMA DE ADSORCIÓN

CARLOS ANDRÉS MADERA SARMIENTO TERESA MARTÍNEZ BRAVO HENDERSON OVIEDO VARGAS JUAN JOSÉ MÓRELO MARIA PAULA VELÁZQUEZ

ORIENTADOR

DAIRO PÉREZ SOTELO

UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS PROGRAMA DE QUÍMICA FISICOQUÍMICA III

MONTERÍA- CÓRDOBA 2018

RESUMEN Se llevó a cabo la identificación de isotermas de adsorción sobre un experimento, cuyo fundamento consistió en encontrar una relación entre la cantidad de líquido adsorbido, sobre una determinada cantidad de adsorbente, es decir, la capacidad que tiene el carbón activado de adsorber ácido acético en soluciones acuosas a diferentes concentraciones. Esto permite determinar el tipo de adsorción que se genera y si el adsorbente es el adecuado con respecto al soluto a adsorber. Las medidas se realizaron a una temperatura constante y la preparación de 6 soluciones de ácido acético de 50 mL a distintas concentraciones, a las cuales se les agregó 1 gr de carbón activado, en resumen, se midió experimentalmente el volumen del líquido adsorbido por una cantidad de adsorbente, o la variación del peso que experimento el adsorbente cuando estuvo en contacto con el adsorbato Terminado esto se procedió a filtrar cada solución para luego tomar alícuotas de 5, y 10 mL de cada una y ser tituladas con una solución de NaOH 0,1 M, obteniendo así la concentración residual del ácido acético. Finalmente los resultados obtenidos se representaron de manera gráfica en las llamadas Isotermas de Adsorción. En la práctica denominada isotermas de adsorción se cumplieron objetivos como estudiar la adsorción sobre el carbón activado, de un soluto en disolución acuosa; teniendo en cuenta que la adsorción es un proceso por el cual los átomos en la superficie de un sólido, atraen y retienen moléculas de otros compuestos. Estas fuerzas de atracción son conocidas como “Fuerzas de Van Der Waals”. Otro propósito fundamental fue determinar la relación coexistente de ácido acético adsorbido por carbón activado así como la concentración de equilibrio del ácido acético en la fase acuosa y determinar el área superficial del complejo activo, aplicando las isotermas Langmuir.

OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL. 

Determinación experimental del área superficial existente de una muestra de carbón activado mediante la isoterma de adsorción de Langmuir.

OBJETIVO ESPECÍFICOS. 

Estudiar la adsorción sobre carbón activado de un soluto en disolución acuosa.



Identificar el área superficial del carbón activado, aplicando las Isotermas de Langmuir.



Determinar la relación existente de ácido acético adsorbido por carbón activado y la concentración de equilibrio del ácido en la fase acuosa.

INTRODUCCIÓN Una isoterma es una curva que describe, para una temperatura dada, la relación de equilibrio entre la cantidad de agua del alimento y la presión de vapor o humedad relativa. La adsorción es el fenómeno de concentración de una especie química en una interface. El término adsorción tiene un significado en ocasiones estructural y en otro dinámico (proceso de adsorción). Este tipo de experimentos se realizan a nivel de laboratorio con la finalidad de determinar si un adsorbente es adecuado para separar un soluto, o un gas, específico de una solución determinada. Este proceso se realiza continuamente en la industria farmacéutica, alimenticia, textil, petroquímica porque es importante conocer las características adsorbentes que puedan presentar un material o compuesto específico apuntando a un objetivo determinado (1). El estudio y determinación de la adsorción está relacionado con múltiples aplicaciones: la catálisis heterogénea, la preparación de nuevos materiales, la nanotecnología, los procesos electroquímicos, los análisis cromatográficos, el tratamiento de residuos contaminados, etc. En realidad, en la era de la microelectrónica y nanotecnología, la Química de Superficies es un área interdisciplinar que contribuye a casi todos los avances tecnológicos. La especie química que resulta adsorbida sobre la superficie de un material recibe el nombre de adsorbato. Para el caso de la adsorción sobre superficies sólidas, el sólido recibe el nombre de substrato. Fíjate en el esquema para la adsorción sólido-gas:

Figura N°1 Como ejemplo de substrato, el carbón activo encuentra diversas aplicaciones gracias a su habilidad para adsorber casi todo tipo de sustancias orgánicas. Su capacidad de adsorción se extiende también a los metales y sus iones, de modo que los carbones activos también se emplean como soportes de metales catalíticos o electroactivos (baterías). El proceso inverso de la adsorción se denomina desorción (2).

MARCO TEÓRICO La adsorción de un gas sobre una superficie es siempre un proceso exotérmico. En disolución, también es frecuente (aunque no siempre) que la adsorción de un soluto sea exotérmica. Dado que ΔGads < 0 para que el proceso sea espontáneo y que en general la adsorción de un soluto o un gas sobre una superficie implica ΔSads < 0, entonces, se tiene que ΔHads < 0. Así, se dice que las interacciones atractivas substrato-adsorbato son la fuerza termodinámica de la adsorción. ISOTERMAS DE ADSORCIÓN EN LA INTERFASE SÓLIDO-LÍQUIDO Tanto experimental como teóricamente, la descripción cuantitativa más conveniente de un fenómeno de adsorción en equilibrio hace uso de relaciones a T constante (isotermas). Para el caso de la adsorción de un soluto sobre una superficie, una isoterma de adsorción es una función del tipo nads = fT (C), donde nads representa genéricamente la cantidad de adsorbato presente en la interface en equilibrio con una concentración C del adsorbato en la disolución a una temperatura dada. Las isotermas de adsorción son útiles para obtener otras propiedades termodinámicas y/o el área superficial del substrato (2).

Figura N°2. Para el caso de adsorción en disolución, las dos principales clases de isotermas de adsorción están representadas esquemáticamente en la Figura 2. La isoterma de Langmuir tiende a un límite de adsorción, que podemos interpretar en términos de un recubrimiento completo de la superficie por una cantidad nmax de adsorbato (límite de monocapa). Este tipo de isoterma es típica de superficies homogéneas. Para el caso de las superficies heterogéneas, la isoterma de adsorción no presenta un límite claro de adsorción en monocapa. Se trata de una isoterma de Freundlich. En particular, la adsorción de moléculas pequeñas sobre carbón activo (una superficie bastante homogénea) es un fenómeno intermedio entre la isoterma de Langmuir y la de Freundlich.

ISOTERMA DE LANGMUIR Por su sencillez, su fácil deducción y su utilidad para determinar el área superficial del material, los datos experimentales se ajustaran con una ecuación de la isoterma de Langmuir. Primero, vamos a deducir una relación del tipo ns = fT (C), para la adsorción en monocapa sin más que suponer que la superficie del substrato es homogénea y que la ΔHads es constante y no varía con el grado de recubrimiento. En estas condiciones, un equilibrio de adsorción química puede tratarse de modo análogo a un equilibrio químico en un sistema homogéneo. Por ejemplo, la adsorción de ácido acético en disoluciones acuosas por carbón activo (C) implica el siguiente equilibrio:

Donde k1 y k2 son las constantes cinéticas de los procesos de adsorción y desorción, respectivamente, y C representa un centro activo en la superficie del substrato capaz de dar adsorción con una molécula de ácido acético (3). Suponiendo que: a) la velocidad de adsorción vads es proporcional a la concentración de soluto (ácido acético, en nuestro experimento) y al número de centros activos libres (nmax-nads) b) la velocidad de desorción vdes es proporcional al número de moléculas adsorbidas nads. Podemos plantear las siguientes ecuaciones cinéticas empíricas:

𝑉𝑎𝑑𝑠 = 𝑘1 𝐶 (𝑛𝑚𝑎𝑥 − 𝑛𝑎𝑑𝑠 ) 𝑉𝑑𝑒𝑠 = 𝑘2 𝑛𝑎𝑑𝑠

(1)

En estas ecuaciones cinéticas, C representa la concentración de soluto, nads es la cantidad de ácido acético adsorbido y nmax es el valor máximo de cantidad adsorbida. La condición de equilibrio vads= vdes, nos conduce a una expresión para el grado de recubrimiento

𝜃=

𝑛𝑎𝑑𝑠 𝑛𝑚𝑎𝑥

conocida como la isoterma de Langmuir:

Figura N° 3 Donde 𝑏 =

𝑘1 𝑘2

puede interpretarse como la constante de equilibrio del proceso de adsorción

a una temperatura dada y está relacionada con la energía libre de Gibbs de adsorción (3).

PROCEDIMIENTO: ISOTERMA DE ADSORCIÓN PESAR 1 g de carbón activado en cada uno de los seis Erlenmeyer PREPARAR

Una solución de 100 mL de ácido acético 0.4 M y distribuir de la siguiente forma a manera de dilución. VERTIR 1) 2) 3) 4) 5) 6)

50 mL de solución de ácido acético 0.4 M. 20 mL de solución de ácido acético 0.4 M + 30 mL de H2O 10 mL de solución de ácido acético 0.4 M + 40 mL de H2O 7 mL de solución de ácido acético 0.4 M + 43 mL de H2O 4 mL de solución de ácido acético 0.4 M+ 46 mL de H2O 2 mL de solución de ácido acético 0.4 M + 48 mL de H2O AGITAR

Frecuentemente durante una hora aproximadamente FILTRAR Las soluciones y los filtrados se analizan con NaOH 0.1 M. terminado esto se procedió a titular usando como indicador fenolftaleína. Tomar de cada solución de ácido acético las siguientes proporciones.

Solución 1 2 3 4 5 6

Cantidad (mL) 5 5 10 10 10 10 Tabla N° 1.

CÁLCULOS Y RESULTADOS Erlenmeyer Nº

1 2 3 4 5 6

Masa de Volumen de Volumen de Volumen de carbón Sln CH3COOH NaOH gastado H2O (mL) activado (g) (mL) (L) 1,0054 50 -0.0143 1,0210 20 30 0.0068 1,0345 10 40 0.0067 1,0200 7 43 0.00485 1,0145 4 46 0.00345 1,0091 2 48 0.0016 Tabla 2: datos principales tomados para cada Erlenmeyer.

Concentración de las diferentes soluciones de ácido Acético preparadas, aquí es necesario resaltar que la concentración de la solución de ácido acético al 0.4 M cambiara en el momento que se le adicione agua. (Ver procedimiento). Erlenmeyer Nº 1 2 3 4 5 6

[CH3COOH] (mol/L) 0,4 0,16 0,08 0.056 0.034 0.016 Tabla 3.

a) Concentración de Ácido Acético (mol/L) en equilibrio con el Carbón Activado; Para ello realizaremos los siguientes cálculos previos: 

Para la mezcla N°1 en la titulación.

C ácido. * V ácido = C base * Vbase Moles de ácido = C base * Moles de ácido = 0.1

𝑚𝑜𝑙 𝐿

Vbase ∗ 0.0143 𝐿

Moles de ácido = 0.00143 moles de CH3COOH en una alícuota de 5 mL. Ahora encontramos los moles en los 50 mL de solución.

Moles de ácido = 50 mL solución *

0.00143 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑖𝑑𝑜 5 𝑚𝐿 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛

Moles de ácido = 0.0143 moles de CH3COOH. Ya encontrados los moles procedemos a encontrar la concentración de ácido acético en equilibrio con el carbón activado: [CH3COOH] =

0.0143 moles de CH3COOH. 0.05 𝐿 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛

[CH3COOH] = 0.286 M. Y así de igual manera para las cinco soluciones restantes. Los datos obtenidos se tabularon en la tabla N° 4.

eq.(mol)

𝟏 [ 𝐂𝑯𝟑 𝐂𝐎𝐎𝐇 ]

0,286

0.0143

3.49

2

0,136

0.0068

7.35

3

0,067

0.0033

14.92

4

0,048

0.0024

20.83

5

0,034

0.0017

29.41

6

0.016

0.0008

62.5

Erlenmeyer Nº

[CH3COOH] (mol/L)

1

n CH3COOH

Tabla N° 4. A manera de requisito para los cálculos procedemos a encontrar el volumen de CH3COOH utilizado para preparar cada solución, teniendo en cuenta que la solución inicial de ácido fue de 100 mL a una concentración de 0.4 M antes de empezar a diluir; Para ello realizamos un cálculo previo de acuerdo a la concentración encontrada en la tabla 3. Erlenmeyer Nº 1 2 3 4 5 6

Volumen de CH3COOH (mL) 2.3 1.18 0.64 0.46 0.28 0.14 Tabla N° 5.

b) Moles de Ácido Acético adsorbido por gramo de Carbón Activado. 

Para la mezcla N°1 en la titulación. 𝒎

𝝆=

𝒗

; 𝒎 = 𝝆 ∗ 𝒗 (𝟏)

^

𝒎𝒐𝒍𝒆𝒔 =

𝒎 𝒑𝒎

(𝟐)

Reemplazando (1) en (2) tenemos: 𝑔 𝜌 ∗ 𝑣 1.05 𝑚𝐿 ∗ 2.3 𝑚𝐿 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 = = = 0.04025 Moles de CH3COOH en una alícuota de 5 mL. 𝑔 𝑝𝑚 60 𝑚𝑜𝑙 Ahora encontramos los moles en los 50 mL de solución. Moles de ácido = 50 mL solución *

0.04025 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑖𝑑𝑜 2.3 𝑚𝐿 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛

Moles de ácido = 0.875 moles de CH3COOH. X = moles de CH3COOH adsorbidos por gramo de adsorbente. 𝑋=

moles de C𝐻3 COOH − moles de C𝐻3 COOH (en equilibrio) 𝑔 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑏ó𝑛 𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎𝑑𝑜

𝑋=

0.875 moles − 0.0143moles 𝑚𝑜𝑙 = 0.858 C𝐻3 COOH 1.0054 𝑔 𝑔

Y así de igual manera para las cinco soluciones restantes. Los datos obtenidos se tabularon en la tabla N° 6. X(

Erlenmeyer Nº

𝒎𝒐𝒍 𝒂𝒄𝒊𝒅𝒐 ) 𝒈 𝑨𝒅𝒔𝒐𝒓𝒃𝒆𝒏𝒕𝒆

1

0.858

2

0.850

3

0.842

4

0.855

5

0.860

6

0.866

Tabla N° 6.

c) Grafica.

DISCUSIÓN Un argumento importante, dice que la adsorción llega a un equilibrio en el tiempo de adsorción, lo cual se sabe que no es cierto, por lo tanto se debe tomar en cuenta al momento de atribuir los errores de los resultados. Por otra parte se asume que la temperatura de adsorción es constante, es decir, temperatura ambiente, y gracias a esto se puede asignar los resultados de la adsorción a las isotermas de Langmuir. En el caso de la Isoterma de Langmuir se graficó m/x (gramos de adsorbente por gramos absorbidos) vs 1/C y se obtuvo un ajuste a una recta que arrojó una correlación de 0.823. Para la obtención de la isoterma de Langmuir se ajustaron los valores experimentales arrojados en la experiencia a rectas, para que el ajuste sea adecuado la correlación que se obtiene, es decir, R2, debe ser muy próxima a uno (1). En el experimento realizado sobre la isoterma de adsorción de Langmuir para el ácido acético en el carbón activado, se observó que la cantidad de ácido acético adsorbido disminuía según disminuía la concentración de este en le disolución ácido acético – agua, esto debido a que a mayor concentración de adsorbato mayor será la cantidad de este adsorbida por el absorbente (principio de Le´Chatelier), mas sin embargo, la velocidad de adsorción del carbón activado aumentaba según se diluía el ácido acético esto debido a que al diluirse el adsorbato este disminuye su tensión superficial facilitando así la adsorción. El resultado que se obtuvo permite decir que la superficie del carbón activado es uniforme y que se formó una sola capa de adsorbato durante la adsorción. Este resultado es en su mayoría satisfactorio para la experiencia efectuada, ya que la isoterma de Langmuir, en la mayoría de los casos, es representativa de las adsorciones químicas.

Además, una característica contraria a quimisorcion es la fisiadsorción que consiste es la formación de varias capas de adsorbato sobre la superficie (multicapas), esta diferencia se puede atribuir a que el tiempo de agitación no es suficiente o adecuado para que se alcance el equilibrio necesario y formar las multicapas, por lo que sólo se logró la formación de una capa, es decir solo la quimisorcion. A la hora de pesar el carbón activado se debe tener cuidado, puesto que esto puede influir en el grado de adsorción. También, hay que tener en cuenta la medida de los volúmenes adicionados al momento de preparar las soluciones de ácido acético. No se puede olvidar, la agitación de las soluciones, la cual debe ser homogénea y constante por un tiempo determinado. CONCLUSIONES 

 





La capacidad de un carbón activo para retener una determinada sustancia no solo depende de su área superficial, sino también de la proporción de poros internos que tenga dicho carbón, y del tamaño de los mismos. La adsorción es un fenómeno que ocurre en la superficie, mientras mayor área superficial disponible tenga un sólido, mejor adsorbente podrá ser.. A partir de las cantidades de soluto adsorbido, la cantidad de adsorbente y la variación de concentración de las soluciones se logra determinar el tipo de adsorción que se presentó en el experimento y se construye la isoterma de adsorción de Langmuir siendo el tipo de isoterma que caracteriza este fenómeno. En otro orden de ideas, se puede afirmar que, a pesar de las dificultades que presentó este experimento, la práctica fue exitosa desde el punto de vista de los objetivos planteados. Al realizar la comparación de las Isotermas, se deduce que el mejor ajuste a una recta es el de la Isoterma de Langmuir por lo tanto se puede decir que esta Isoterma representa la adsorción del Ácido Acético por el carbón activado en solución acuosa.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFIA 1) SKOOG, D.; WEST, D. y HOLLER, F. (1995). "Química Analítica", McGraw Hill. Sexta Edición. Págs. 308-316. 2) SMITH, J.; VAN NESS, H. (1997) "Introducción a la Termodinámica en Ingeniería química" Quinta Edición. McGraw Hill. México 3) SKOOG, D.; WEST, D. y HOLLER, F. (1995). “Química Analítica”, McGraw Hill. Sexta Edición. Págs. 308-316. 4) TREYBAL. Transferencia de masa. 1975/lkquimicafisica.ed.