UNIVERSIDADE EDUARDO MONDLANE FACULDADE DE CIÊNCIAS UÍMICA DEPARTAMENTO DE Q UÍMICA
Disciplina:
PRÁTICAS LABORATORIAIS (RAMO DE Q UÍMICA UÍMICA INORGÂNICA E Q UÍMICA UÍMICA FÍSICA) TRABALHO LABORATORIAL Nº 3
FENÓMENOS SUPERFICIAIS E ADSORÇÃO
Tema:
Estudo de Adsorção das Soluções Aquosas de Ácido Acético Sobre o Carvão Activado pelo Método de Titulação
Discentes:
CONDOEIRA, SILVA BENEDITO
Docentes:
Prof . Doutora TATIANA KOULESHOVA
a
dr. FRANCISCO M. F. MALEIANE
1
MAPUTO, OUTUBRO DE 2011
INTRODUÇÃO TEÓRIC A adsorção é a acumulação preferencial de um ou mais componentes do sistema na camada interfacial. A concentração na interface de uma substância adsorvida é diferente da sua concentração no interior da fase. No processo de adsorção as moléculas presentes na fase fluida são atraídas para a zona interfacial devido à existência de forças atractivas não compensadas na superfície o adsorvente. Para compensar estas forças residuais, sólidos e líquidos retêm em suas supe fícies gases, vapores e substâncias dissolvid s [1]. Existem dois tipos princip is de adsorção: física e química. A adsorção física é nãoespecífica, rápida e reversí el. O adsorvato encontra-se ligado à sup rfície somente por forças de van-der-Waals (forças dipolo-dipolo e forças de polarização, nvolvendo dipolos induzidos). A adsorção química é específica e envolve a formação de um composto bidimensional [2]. A adsorção pode ser avalia a quantitativamente por meio de isotermas, representadas por equações que relacionam directamente o volume adsorvido em função a concentração do adsorvato, sendo as mais tilizadas no estudo da adsorção as isotermas de Langmuir, Freundlich e Brunauer, E mett, Teller (BET). A Isoterma de Freu dlich admite uma distribuição logarítmica de sítios activos, constituindo um tratamento til quando não há interacção entre as molécula do adsorvato. Este modelo é expresso pela quação 1 abaixo:
Equação 1: Equação de Freundli h
Onde: x é a massa da substância adsorvida, m é a massa do adsor ente sólido, c é a concentração da solução e
e n são constantes. Ao traçar um gráfico do valor de (adsorção
medida) em função do logaritmo da concentração, obtém-se uma recta, isto é, uma isoterma de adsorção [3].
2
Este trabalho faz a aplicação de uma isoterma de adsorção, mais concretamente a isoterma de Freundlich, no estudo da adsorção do ácido acético sobre carvão activado em função da concentração do mesmo ácido.
2. Objectivo do Trabalho
Estudo quantitativo de processo de adsorção sobre o carvão activado
3. Materiais e Reagentes Tabela 1: materiais e reagentes
Materiais
Reagentes
Balança analítica
Triturador
CH3COOH(aq.) 0,5M
Papel de filtro
5 Erlenmeyers
KOH(aq.) 0,1M
Pipeta graduada
5 copos de 100mL
Carvão Activado
Uma bureta de 50mL
Espátula
Fenoftaleína
4. Procedimentos 1) Pesou-se, numa balança, 1g de carvão activado e introduziu-se em a amostra em cada um dos 5 copos de 100mL. 2) Em cada um dos 5 copos adicionou-se a solução de ácido acético (0,5M), conforme a tabela 1, acrescentou-se o volume com água destilada e homogeneizou-se. 3) Transferiu-se essas soluções para cada um dos 5 erlenmeyers e deixou-se realizar o processo de adsorção durante 40 min, tendo-se agitado o conteúdo dos recipientes em cada 5 min. 4) Passados os 40 min, filtrou-se o conteúdo dos recipientes e voltou-se novamente a transferir as soluções para os respectivos erlenmeyers. Adicionou-se depois para cada recipiente 3 gotas de fenoftaleína. Encheu-se a bureta com a solução de KOH e titulou-se. Os volumes de KOH gastos durante as titulações estão indicados na tabela 2.
3
Observações: passados os primeiros 10 minutos do processo de adsorção (ponto 3) a solução do ácido acético tomou a coloração do carvão activado.
5. Tratamento dos Resultados Experimentais 1) Cálculo das concentrações de ácido acético nos 5 recipientes antes da adsorção:
).() ( ) = ( ()
Onde: V(inicial) – volume inicial da solução de AcH, estão indicados na tabela 2; V(inicial) – volume do copo de medição (100mL) 2) Cálculo das concentrações de ácido acético nos 5 recipientes depois da adsorção:
() . () ( ) = () Onde:
V(KOH) – volume de KOH gastos na titulação; V(amostra) indicado na tabela 2.
3) Cálculo dos valores de adsorção:
= = − Onde: C inicial – concentração de ácido acético antes de contactar com adsorvente; Cfinal – concentração de AcH depois de equilíbrio de adsorção; V – volume de solução, onde ocorre o processo de adsorção (mL); m – massa de adsorvente em gramas. Com base nos valores obtidos, através da aplicação das fórmulas dadas acima, preencheu-se a tabela 2 e construiu-se os gráficos de isotermas de adsorção em coordenadas a – C (gráfico 4
1) e em coordenadas
− (gráfico 2). Através destes gráficos, determinou-se as
constantes da equação de Freundlich.
Nota: Para os cálculos das concentrações finais e da adsorção as unidades dos volumes V(amostra) e V(KOH) foram reduzidas à litro (L), de modo que todos parâmetros tivessem o mesmo sistema de unidade. (As concentrações de AcH e KOH estão dados em mol/L)
5
6. Resultados e Discussão Tabela 2:
dados iniciais e os resultados experimentais
N
M(c.a.) em gramas
Vi (AcH de 0,5M) (mL)
C(inicial de AcH)
V(amostra) mL
V(KOH), mL
C(final de AcH)
log C
a
log a
1
1,00
2
0,02
10
0,80
0,008
- 2,097
0,492
- 0,308
2
1,00
5
0,05
10
2,00
0,020
- 1,699
0,480
- 0,319
3
1,00
10
0,10
5
2,70
0,054
- 1,268
0,446
- 0,351
4
1,00
25
0,25
5
8,70
0,174
- 0.759
0,326
- 0,487
5
1,00
50
0,50
2
9,90
0,495
- 0,305
0,005
- 2,301
Onde: N – número número de recipientes M(c.a.) – massa de carvão activado (amostra) Vi (AcH a 0,5M) – Volume (mL) inicial das soluções de ácido acético de concentração 0,5 (mol/L) C(inicila de AcH) – Concentração inicial das soluções de ácido acético (antes da adsorção), C inicial (mol/L) V(amostra) – volume da amostra tomados em cada um dos 5 recipientes para a titulação. V(KOH), mL – volumes de KOH gastos nas titulações depois da adsorção adsorção das amostras C(final de AcH) – concentração de ácido acético depois da adsorção, C final (mol/L)
6
7. Gráficos de Isotermas de Adsorção L 0,6 m / l o 0,5 m ( a 0,4
0,3
y = -Série1 x + 0,5 R² =Linear 1 (Série1)
0,2 0,1 0 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0, 5
0,6
C (final de AcH)
Gráfico 1: Isoterma de adsorção de Freundlich para adsorção de ácido acético em carvão activado
log a
0
7. Gráficos de Isotermas de Adsorção L 0,6 m / l o 0,5 m ( a 0,4
0,3
y = -Série1 x + 0,5 R² =Linear 1 (Série1)
0,2 0,1 0 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0, 5
0,6
C (final de AcH)
Gráfico 1: Isoterma de adsorção de Freundlich para adsorção de ácido acético em carvão activado
0
log a
-0,5 -1
y = - 0,932x - 1,895 a R²log = 0,590
-1,5 -2 -2,5 -2,5
-2
-1,5
-1
-0,5
0
log C Gráfico 2: Isoterma de adsorção de Freundlich para adsorção de ácido acético em carvão activado
No modelo de Freundlich, representado pela Equação 1, K é a constante de Freundlich, que representa a capacidade de adsorção e n é uma constante que descreve a intensidade de adsorção (adimensional), adsorvente/adsorvato, sendo favorável para valores de n na faixa de 1 a 10. Utilizando o coeficiente angular obtido por meio da isoterma (nos dois gráficos), podem-se calcular os valores das constantes, de modo que para um dado ponto (poderia ser
7
para qualquer ponto da curva obtida, mas esses especificamente estão exactamente contidos nas rectas traçadas), isto é, a = 0,054 e C = 0,446, e log a = - 0,308 e log C = - 2,097. Com base na relação: = . , determinou-se as constantes de Freundlich (n e K) para os dois gráficos, entretanto sabe-se da equação 1 que o coeficiente angular (m) das rectas são
iguais a , deste modo, = , assim tem-se: Tabela 3: constantes de Freundlich
Constantes
Gráfico 1
Gráfico 2
n
1,00
1,07
K
0,12
0,13
Com base nos valores experimentais e nos gráficos de isotermas de adsorção, verifica-se que a capacidade de adsorção do carvão activado diminui com o tempo e com o aumento das concentrações iniciais do ácido acético em solução, entretanto, estes comportamentos são esperados uma vez que o processo de adsorção é exotérmico e um aumento da força motriz permite que mais moléculas do soluto passe da fase líquida para a superfície do sólido. Contudo, em soluções, a solubilidade do adsorvato no solvente também deve ser levada em consideração. Sabe-se que a capacidade de adsorção de um determinado adsorvente é maior quanto menor for a solubilidade do adsorvato no meio.
8. Conclusão Com base no objectivo, foi-nos possível neste trabalho fazer o estudo quantitativo de processo de adsorção sobre o carvão activado por meio de isotermas de adsorção, mais especificamente isotermas de Freundlich, entretanto, foi eficaz para analisar a capacidade de adsorção do ácido acético pelo carvão activado com base nas determinações das constantes de isoterma de adsorção de Freundlich, n e K.
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9. Referências Bibliográficas [1] DE FREITAS, Alessandra Ferraiolo; (2005); Estudo da Adsorção de Ácidos Carboxílicos
em
Diferentes
Materiais
Adsorventes;
disponível
em:
http://www.ufrrj.br/posgrad/cpeq/paginas/docs_teses_dissert/dissertacoes_docs_200 5/alessandra.pdf ; acesso no dia 20 de Outubro de 2011. [2] Anónimo;
Isoterma
de
Adsorção ; disponível
em:
http://w3.ufsm.br/juca/adsorcao.pdf ; acesso no dia 20 de Outubro de 2011. [3] MACHADO, Raquel Cardoso; (2010); Isotermas de Adsorção: Estudo da Adsorção do Ácido Acético sobre o Carvão Vegetal em Função da Concentração do Ácido;
disponível
em:
https://ebah-
files.s3.amazonaws.com/ABAAABXecAK?Expires=1319198299&AWSAccessKeyI d=AKIAIII5BVM6PM2O7MPA&Signature=PNVNYjMYMekJZ%2FcBAzrN9HPP tNk%3D;; acesso no dia 20 de Outubro de 2011. tNk%3D
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