Adsorcion de Acido Acetico en Carbon Activado

7/25/2019 Adsorcion de Acido Acetico en Carbon Activado

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Qumica de Superficies: Adsorcin

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EXPERIMENTACIN

EN QUMICAEUITIG

INGENIERO TCNICO EN QUMICA INDUSTRIAL PRCTICA N 12

Apell idos y Nombre: Grupo: .

Apell idos y Nombre: Pareja: .

Qumica de Superficies:Adsorcin de cido Actico sobre Carbn Activo

OBJETIVOS:Adquisicin y comprensin de algunos conceptos ligados a la Qumicade Superficies: adsorcin e isotermas de adsorcin. Determinacin experimental delrea superf icialde una muestra de carbn activo.

MATERIAL REACTIVOS

1 bureta de 50 mL NaOH 1.0 M

1 pipeta de 10 mL cido Act ico 0.5 M

2 probetas de 100 mL Carbn vegetal activo (charcoal)

2 vasos de precipitados de 100 mL Fenolftalena

1 vaso de precipitados de 250 mL

6 matraces Erlenmeyer de 250 mL con tapn

2 matraces Erlenmeyer de 100 mL

Cuentagotas, varilla, embudo y pera de pipetas.

Papel de filtro Albet-135.

AdsorcinLa adsorcin es el fenmeno de concentracin de una especie qumica en una interfase.El trmino adsorcin tiene un significado en ocasiones estructural y en otras dinmico(proceso de adsorcin). El estudio y determinacin de la adsorcin est relacionado conmltiples aplicaciones: la catlisis heterognea, la preparacin de nuevos materiales, lananotecnologa, los procesos electroqumicos, los anlisis cromatogrficos, el tratamientode residuos contaminados, etc. En realidad, en la era de la microelectrnica ynanotecnologa, la Qumica de Superficies es un rea interdisciplinar que contribuye acasi todos los avances tecnolgicos.


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Experimentacin en Qumica

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Buena parte de los avances en Qumicade Superficies tienen su base en ladeterminacin estructural de lassuperficies a escala atmica mediante

tcnicas de microscopa de fuerzaatmica o efecto tnel. En la imagen seilustra un detalle a escala atmica de lasuperficie de carbn graftico.

La especie qumica que resulta adsorbidasobre la superficie de un material recibe elnombre de adsorbato . Para el caso de laadsorcin sobre superficies slidas, elslido recibe el nombre de substrato. Elproceso inverso de la adsorcin se

denomina desorcin. Fjate en elesquema adjunto que representa laadsorcin slido-gas.

Un excelente ejemplo de substrato es el carbn activo, que encuentra diversasaplicaciones gracias a su habilidad para adsorber casi todo tipo de sustancias orgnicas.Su capacidad de adsorcin se extiende tambin a los metales y sus iones, de modo quelos carbones activos tambin se emplean como soportes de metales catalticos oelectroactivos (bateras).

Termodinmica de la AdsorcinLa adsorcin de un gas sobre una superficie es siempre un proceso exotrmico. Endisolucin, tambin es frecuente (aunque no siempre) que la adsorcin de un soluto seaexotrmica. Dado que Gads< 0 para que el proceso sea espontneo y que en general laadsorcin de un soluto o un gas sobre una superficie implica Sads< 0, entonces, se tieneque Hads < 0 en fase gas. As, se dice que las interacciones atractivas substrato-adsorbato son la fuerza termodinmica de la adsorcin. Demuestra el carcter exotrmico de Hads a partir de la definicin de funcin de

Gibbs. Por qu es razonable suponer que Sads< 0?

A partir de la relacin Gads=Hads TSads, cul es el efecto de la temperatura sobrela Adsorcin? Es ms favorable la adsorcin a bajas o altas temperaturas?

En esta prctica vas a estudiar cuantitativamenteel fenmeno de adsorcin en una interfase Slido-Lquido.

Substrato

Adsorbato

S + A(g)

adsorcin

desorcinS A

(ads)

Complejo

Substrato-AdsorbatoInterfase

Slido-Gas

Substrato

Adsorbato

S + A(g)

adsorcin

desorcinS A

(ads)S + A

(g)

adsorcin

desorcinS A

(ads)

Complejo

Substrato-Adsorbato

Complejo

Substrato-AdsorbatoInterfase

Slido-Gas

Interfase

Slido-Gas


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Isotermas de Adsorcinen la Interfase Slido-Lquido

Tanto experimental como tericamente, la descripcin cuantitativa ms conveniente de unfenmeno de adsorcin en equilibrio hace uso de relaciones a T constante(isotermas). Si se adsorbe un soluto sobre una superficie, la isoterma de adsorcin es unafuncin del tipo ( )Cfn Tads = , donde nads representa genricamente la cantidad de

adsorbato presente en la interfase en equilibrio con una concentracin C del mismoadsorbato en una disolucin a una temperatura dada. Las isotermas de adsorcin sontiles para obtener otras propiedades termodinmicas y/o el rea superficial delsubstrato.

Para el caso de adsorcin endisolucin,las dos principalesclases de isotermas deadsorcin estn representadas

esquemticamente en la Figura1. La isoterma de Langmuirtiende a un lmite de adsorcin,que podemos interpretar entrminos de un recubrimientocompleto de la superficie poruna cantidad nmaxde adsorbato(lmite de monocapa).Este tipo de isoterma es tpica de superficies homogneas. Para el caso de lassuperficies heterogneas, la isoterma de adsorcin no presenta un lmite claro deadsorcin en monocapa. Se trata de una isoterma de Freundlich. En particular, la

adsorcin molculas pequeas sobre carbn activo (una superficie bastante homognea)es un fenmeno intermedio entre la isoterma de Langmuir y la de Freundlich.

Isoterma de LangmuirPor su sencillez, su fcil deduccin y su utilidad para determinar el rea superficialdelmaterial, en esta prctica vas a ajustar los datos experimentales con una ecuacin de laisoterma de Langmuir.

Primero, vamos a deducir una relacin del tipo ( )n f Cs T= para la adsorcin en

monocapa sin ms que suponer que la superficie del substrato es homogneay que laHads es constante y no vara con el grado de recubrimiento. En estas condiciones, un

equilibrio de adsorcin qumica puede tratarse de modo anlogo a un equilibrio qumicoen un sistema homogneo. Por ejemplo, la adsorcin de cido actico en disolucionesacuosas por carbn activo (C) implica el siguiente equilibrio:

C

+ CH3COOH(aq) C

CH3COOH(ads)

kads

kdescarbn donde kads y kdes son las constantes cinticas de los procesos de adsorcin ydesorcin,respectivamente, y Crepresenta un centro activo en la superficie del carbnactivo capaz de dar adsorcin con una molcula de cido actico.

c/csat

nads

0 1

c/csat

nads

0 1

Langmuir Freundlich

Superficies Homogneas Superficies Heterogneas


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Suponiendo que:

a) la velocidad de adsorcin vads es proporcional a la concentracin de soluto (cidoactico, en nuestro experimento) y al nmero de centros activos libres (nmax-nads)

b) la velocidad de desorcin vdes es proporcional al nmero de molculas adsorbidas

nads.

podemos plantear las siguientes ecuaciones cinticas empricas:( )ads max ads

des a

a

e

ds

dsd sv

C n

k

v k n

n

=

=

(1)

En estas ecuaciones cinticas, C representa la concentracin de soluto, nads es lacantidad de cido actico adsorbido y nmaxes el valor mximo de cantidad adsorbida.

La condicin de equilibrio vads= vdes, nos conduce a una expresin para el grado derecubrimiento

max

ads

nn

= ,conocida como la isoterma de Langmuir:

donde adsdes

kb

k= puede interpretarse como la constante de equilibrio del proceso de

adsorcin a una temperatura dada y est relacionada con la energa libre de Gibbs deadsorcin.

Cul es el comportamiento lmite de la isoterma de Langmuir (ecuacin (2)) cuandoC y C 0? Represntalo grficamente.

vads=v

des( )ads max ads des adsk n n C k n =

= nads/nmax

(1 )ads desk C k =

1

ads

max

n bC

n bC = = +

Ecuacin de la Isoterma (2)

( ) ln

adseq

des

ads

kb K

k

G Langmuir RT b

=

=

Significado Termodinmico de b

vads=v

des( )

ads max ads des adsk n n C k n =

= nads/nmax

(1 )ads des

k C k =

1

ads

max

n bC

n bC = = +

Ecuacin de la Isoterma (2)

( ) ln

adseq

des

ads

kb K

k

G Langmuir RT b

=

=

Significado Termodinmico de b


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La finalidad del experimento de adsorcin consistir en determinar algunos pares depuntos (nads, C) de la isoterma de adsorcin del cido actico sobre carbn activo atemperatura ambiente. A partir de los datos experimentales, realizars un ajuste pormnimos cuadrados que te permitir conocer los parmetros de la isoterma (en realidad, elajuste lo har un programa informtico). Para ello, es conveniente re-escribir el grado derecubrimiento como:

( )( )wn

wn

max

ads=

donde w es la masa de substrato (carbn activo). As, el cociente ( )wnads expresa losmoles de soluto adsorbidos por unidad de masa de substrato. Adems, se reajusta laecuacin de Langmuir a una forma lineal:

Cbn

w

n

w

n

w

maxmaxads

1

+

=

(3)

siendo w la masa de substrato. El proceso de ajuste lineal por mnimos cuadrados de wns frente a 1Cte permitir obtener los dos parmetros de la isoterma, nmaxy b.

Deduce la expresin (3) a partir de (2).

Activacin del Carbn.Antes de realizar un experimento de adsorcin concarbn activo (polvo de carbn finamente dividido)es necesario activar la muestra de carbn a tratar.Sin embargo, para agilizar la ejecucin delexperimento, la activacin del carbn activo ha sidorealizada con anterioridad por los profesores. Elprocedimiento de activacin del carbn es porcalentamiento en la estufa (200 C durante 1.5 horas).

Carbn Activo

Gel de Slice

H2O(g), CO2(g), etc.

desecadorPosteriormente, el carbn activado se guarda en un desecador con gel de slice parapreservar perfectamente sus propiedades. Explica en trminos de adsorcin/desorcin cul puede ser la finalidad del pre-

tratamiento trmico al que se somete al carbn activo.

Por qu es necesario mantener el carbn activo en el desecador?


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Determinacin Experimental de la IsotermaEn esencia, la estrategia experimental consta de las siguientes etapas

a) Preparacin de una serie de disoluciones de cido actico con concentracionesconocidas a las que aadirs carbn activo que se mantendr en suspensin y sobrecuya superficie tendr lugar el fenmeno de adsorcin.

b) Una vez alcanzado el equilibrio de adsorcin (dejar pasar un tiempo), valorars lasdisoluciones de cido actico con NaOH(aq)e indicador qumico fenolftalena.

c) Una vez conocida la concentracin de cido en equilibrio con el cido adsorbidocalculars los moles de actico adsorbido por gramo de substrato

d) Finalmente, el tratamiento de los datos te conducir a los parmetros de la isoterma.

Pasos concretos a ejecutar:1) Realiza una valoracin de 10.0 mL de cido actico 0.5 Mutilizando el NaOH 1.0 M

como agente valorante. Los pasos a tomar son:-Lava la bureta con una pequea porcin de NaOH(aq).

-Pipetea 10 mL exactos de CH3COOH y recgelos en el matraz erlenmeyer de 100mL. Aade dos gotas de indicador fenolftalena.

VeNaOH (punto final) = mL

Concentracin Exacta de CH3COOH = .

2) Prepara las muestras de carbn activo . Pesa, cuidadosamente, seis muestras de2.00 gramos de carbn activo y utilizando los matraces Erlemenyer numeradostpalos posteriormente. Anota el peso exacto de cada muestra en la Tabla dedatos.

ATENCIN: MANEJA CON MUCHO CUIDADO EL CARBN ACTIVODISPENSA EL SLIDO EN EL ERLENMEYER EVITANDO

QUE SE ADHIERA EN EL CUELLO DEL MATRAZ.

3) Utilizando probetas distintas, mide consecutivamente los volmenes de cidoactico 0.5 M y agua destilada indicados en la siguiente Tabla. Aade estas

cantidades en los correspondientes matraces Erlenmeyer con carbn activo.Matraz N 1 2 3 4 5 6

wCarbn (g)

Agua(mL) 0 20 40 60 80 90

CH3COOH (mL) 100 80 60 40 20 10

[CH3COOH] inicial

UNA VEZ PREPARADAS LAS MEZCLAS MANTNLASEN AGITACIN DURANTE UNA HORA


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Para qu agitar los matraces con las mezclas?

Calcula la molaridad inicial de cido actico en cada mezcla, [CH3COOH]inicial, ycompleta la anterior Tabla. Crees qu ser razonable la aproximacin de volmenesaditivos? Discute este aspecto con tus profesores.

4) Para determinar la concentracin de CH3COOH una vez alcanzado el equilibrio de

adsorcin sigue los siguientes pasos:- Filtra por gravedad aproximadamente 20 mL de la disolucin 1.- Recoge exactamente 10 mL de la disolucin filtrada en la probeta con lapipeta y dispnsalos en el matraz Erlenmeyer para valoraciones. Aade dos gotasde fenolftalena.- Averigua la concentracin de cido actico en equilibrio con el carbn activo([CH3COOH]equilibrio) por valoracin con NaOH(aq).- Repite estos pasos con las disoluciones 2-6.- Realizada la primera valoracin de todas las disoluciones, repite el proceso defiltrado y valoracin de una segunda porcin de 10 mL de cada una de ellas.

Matraz N 1 2 3 4 5 6

1aValoracin VeNaOH (mL)

2aValoracin VeNaOH (mL)

[CH3COOH]equilibrio

A la vista de los resultados de las valoraciones, se puede asegurar que se ha

alcanzado el equilibrio de adsorcin satisfactoriamente en todos los experimentos?


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Tratamiento de los Resultados Experimentales.Una vez completados todos los experimentos, es el momento de reunir los datosobtenidos y obtener por simples clculos estequiomtricos, la cantidad de cido actidoadsorbido por unidad de masa de carbn activo. Completa la siguiente Tabla:

Matraz N 1 2 3 4 5 6

wmasa de Carbn (g)

[CH3COOH] iniciales

Moles Iniciales de actico

en disolucin

C=[CH3COOH]equilibrio

Moles Finales de actico

en disolucin

nads=Moles de actico

Adsorbido

nads/w

Posteriormente, representa grficamente la isoterma de adsorcin experimental a

temperatura ambiente en forma de wnads

frente a C. Asimismo, para el examen de laisoterma de Langmuir, debes representar grficamente

adsnw frente a 1C y obtener

mediante ajuste los dos parmetros de la isoterma, nmaxy b(Ecuacin 3).

LAS GRFICAS Y EL AJUSTE SE HARN MEDIANTE ORDENADOR.CONSULTA CON LOS PROFESORES ANTES DE UTILIZAR EL ORDENADOR

El tipo de grficas resultantes se muestran a continuacin.

( )Cfn Tads=

Cbn

wn

wnw

maxmaxads

1

+=

Isoterma de Adsorcin de Actico sobre C activo

0.0000

0.0005

0.0010

0.0015

0.0020

0.0025

0.0030

0.0035

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50

[actico] mol/L

nads / w mol/g

Aju ste L ineal Isot erma d e Lang mui r

y = 11.187x + 314.64

R2= 0.9563

200

300

400

500

600

700

800

900

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

1/[CH3COOH] L/mol

w/nads g/mol


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Crees que tus datos experimentales se ajustan satisfactoriamente a la formafuncional de la isoterma de Langmuir? Justifica tu respuesta basndote en el valor delparmetroR2(coeficiente de correlacin) que se obtiene del ajuste.

A partir de la ecuacin lineal de ajuste proporcionada por el ordenador, qu valorestienen los parmetros de la isoterma w/nmax y b?

rea Superfic ial:El rea superficial,

, es un parmetro bsico para estimar la actividad superficialde un material. No obstante, debido al carcter irregular de las superficies slidas aescala microscpica, el rea superficial de un slido es una magnitud fsica elusiva, muydifcil de definir sin apelar a un procedimiento de medida. Por ejemplo, el recubrimientocompleto de una superficie slida por un adsorbato dado, es un mtodo particular paraobtener escalas relativas de reas superficiales. Si ( )N es el nmero de molculas conrea molecular necesarias para recubrir la superficie de un slido, entonces ( ) =N es una medida del rea superficial del slido.

Fjate en las situaciones esquemticas Ay Bque representan una superficie cubiertapor una monocapa de molculas de adsorbato. Cmo variarn los valores de medidos en las situaciones A y B? Cul de ellos ser ms exacto?

A B

El parmetro nmax/wde la isoterma de Langmuir (considerado en nuestro caso particularcomo el nmero de moles de CH3COOH requerido para recubrir un gramo de la muestrade carbn activo) puede ser til para estimar el rea superficial del substrato por unidad

de masa como ANw

n

= max , donde NA, y son el nmero de Avogadro y el rea

molecular del adsorbato, respectivamente.


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Est claro que necesitas estimar el rea molecular del adsorbato . Existen variasalternativas para estimar el valor de . Por ejemplo, supn que una molcula deactico se asemeja a un discocon rea = r2, donde rsera un radio molecular. Apartir de los datos contenidos en la siguiente tabla, debes proponer un valor para elradio molecular del cido actico. Discute las posibles alternativas con tus profesores.

Todos los datos estn en (1 = 10-10m)cido Actico Molcula

Disco Radios Atmicos(van der Waals)

C 1.5

O 1.4

= r2

O

O

H H

H H1.20

1.351.51

0.97

1.10

r

H 1.2

Calcula finalmente el rea superficial de 1 gramo de carbn activo haciendo uso del

valor de que has determinado. Recuerda que ANw

n

=

max . Da el resultado en

m2/g y comenta los resultados. (DATONA= 6.02213671023mol-1)

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