INFORME-14-FISICOQUÍMICA A-II.pdf

INFORME N 14 - ADSORCIÓN º

LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA A - II

Tabla de contenido .......................................................................................................... ......................................................... ..................... 2 RESUMEN ...................................................................... ..................................................................................................... .................................................. ...............3 INTRODUCCIÓN .................................................................. ..................................................................................................... ................................4 FUNDAMENTO FUNDAMENTO TEÓRICO T EÓRICO ..................................................................... ........................................................................................... .....................7 DETALLES EXPERIMENTALES EXPERIMENTALES ...................................................................... ........................................................................................................ ............................................. ......... 7 IV.I MATERIALES: .................................................................... ......................................................................................................... ............................................. .........7 IV.II REACTIVOS: ..................................................................... IV.II PROCEDIMIENT PROCEDIMIENTO O EXPERIMENTAL....... EXPERIMENTAL.......................................... ....................................................................... ............................................. .........7 IV.II.I. Adsorción de ácido acético sobre carbón activado ................................................................ 7 IV.II.II. Adsorción Química. Purificación del aceite con tierra activada............................................. 8 .................................... 8 TABULACIÓN DE DATOS Y RESULTADOS EXPERIMENTALES .................................... ......................................................¡Error! ¡Error! Marcador no definido. EJEMPLOS DE CÁLCULOS ...................................................... ...................................................................... 11 ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS .................................................................... ........................................................................ 12 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...................................................................... Conclusiones Conclusiones::.................................................................... ....................................................................................................... ...................................................... ................... 12 Recomendacio Recomendaciones: nes:.................................................................. ..................................................................................................... ................................................ ............. 12 ....................................................................................................... ................................................ .............12 BIBLIOGRAFÍA .................................................................... ........................................................................................................ ............................................................ ........................ 13 ANEXOS....................................................................

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

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RESUMEN El objetivo del experimento es hacer un estudio de la adsorción de un soluto sobre la superficie de un sólido poroso. En la cual se empleó el ácido acético como solvente y carbón activado como soluto (sólido poroso) Las condiciones del laboratorio fueron de: presión (760 mmHg), temperatura (22°C) y Humedad relativa relativa (96%); la absorbancia absorbancia se basa basa en la tendencia tendencia de un componente del sistema a concentrarse en la interfase, donde la composición interfacial es diferente a las composiciones correspondientes al seno de las fases. Como dato importante se tiene las constantes empíricas (k y n) que dependen del adsorbato y del absorbente de las las cuales se tuvo como resultado kexp=0.060 y n exp= 0.2032 y haciendo la comparación comparación respectiva con su valor teórico t eórico que son 0.160 y 0.431 respectivamente respectivamente se obtuvo un porcentaje de error de 62.5% y 52.85 % para el k y n respectivamente









INTRODUCCIÓN La adsorción es un proceso mediante el cual se extrae materia de una fase y se concentra sobre la superficie de otra fase (generalmente sólida). Por ello se considera como un fenómeno subsuperficial. subsuperficial. La sustancia sust ancia que se concentra en la superficie o se adsorbe se llama "adsorbato" y la fase adsorbente se llama "adsorbente". Por contra, la absorción es un proceso en el cual las moléculas o átomos de una fase interpenetran casi uniformemente uniformemente en los de otra fase constituyéndose una "solución" con esta segunda. segunda. El proceso de cambio iónico supone un intercambio de una sustancia o ión por otra sobre la superficie del sólido. El E l término adsorción incluye la adsorción y la absorción conjuntamente, siendo una expresión general para un proceso en el cual un componente se mueve desde una fase para acumularse en otra, principalmente principalmente en los casos en que la segunda fase es sólida. La principal distinción entre sorción (adsorción y absorción) absorción) y cambio iónico es que las ecuaciones que describen la sorción consideran solamente una especie química, de manera que la distribución del soluto entre la disolución y el sólido responde a una relación simple, lineal o no. Las ecuaciones para el cambio iónico tienen en cuenta todos los iones que compiten por los lugares de intercambio. En general, la adsorción desde una disolución a un sólido ocurre como consecuencia del carácter liofóbico (no afinidad) del soluto respecto al disolvente particular, o debido a una afinidad elevada del soluto por el sólido o por una acción combinada de estas dos fuerzas. El grado de solubilida so lubilidadd de una sustancia disuelta es el factor más importante para determinar la intensidad de la primera de las fuerzas impulsoras. Cuanta mayor atracción tiene una sustancia por el disolvente menos posibilidad tiene de trasladarse a la interfase para ser adsorbida. La sorción y el cambio iónico son procesos de gran interés en hidrogeoquímica ya que regulan de manera notable el transporte de contaminantes contaminantes químicos en acuíferos y suelos. Las aplicaciones aplicaciones que tiene la adsorción están basadas basadas en su mayoría en el interés analítico, analítico, por ejemplo ejemplo lo encontramos en los convertidores catalíticos de los automóviles, donde los contaminantes se adsorben sobre catalizadores de Pt/Pd. Incluso a nivel biológico, el primer paso en el proceso proceso de catálisis enzimática es la adsorción adsorción del sustrato sobre la superficie superficie de la enzima que se encuentra en suspensión coloidal (Atkins, 1991; Greenwood, 1984; Snyder, 1995; West, 1956). En cromatografía de líquidos y gases la adsorción se utiliza para separar los componentes de una mezcla. Esta separación se basa en los diferentes grados de interacción interacción de cada compuesto compuesto con co n el adsorbente.









FUNDAMENTO TEÓRICO

Adsorción La adsorción puede definirse como como la tendencia de un componente componente del sistema a concentrarse concentrarse en la interfase, donde la composición interfacial es diferente a las composiciones correspondientes al seno de las fases . Es un fenómeno fisicoquímico de gran importancia, debido a sus aplicaciones múltiples en la industria química y en el laboratorio. En particular, resulta fundamental en procesos químicos que son acelerados por la presencia de catalizadores cuyo estado de agregación es distinto al de los reactivos. Este tipo de catálisis heterogénea se utiliza en procesos como la pirólisis del petróleo, el proceso Haber para la síntesis de amoniaco amoniaco (catalizador de Fe), la fabricación fabricación de ácido sulfúrico (con V2O5 ) y nítrico (con Pt/Rh), la hidrogenación catalítica de aceites y grasas (con Pt/Pd), y muchos más. El mismo principio está detrás del funcionamiento de filtros de uso doméstico e industrial, desde el extractor de la cocina hasta las mascarillas antigases (Christian, 1994; Glasstone, 1968). La adsorción de gases sobre carbón de madera fue observada por primera vez por C. W. Scheele (químico sueco, descubridor del cloro) en 1773, aunque los primeros estudios sistemáticos fueron realizados por T. de Saussure en 1814. La adsorción de sustancias en disolución se conoce por lo menos desde 1785, por los trabajos de T. Lowitz (Glasstone, 1968). Durante la adsorción de un gas o de un soluto en disolución, disolución, sus partículas part ículas se acumulan sobre sobre la superficie de otro ot ro material. La sustancia que se adsorbe se denomina adsorbato adsorbato y el material sobre el que lo hace es el adsorbente (el proceso pro ceso inverso a la adsorción se conoce como desorción). La adsorción se distingue de la absorción en que esta última implica la acumulación de la sustancia absorbida en todo el volumen del absorbente, no solamente en su superficie. En general se identifican dos tipos básicos de adsorción: la adsorción física, o fisiadsorción y la adsorción química, o quimiadsorción. La diferencia entre ellas radica en el tipo de interacciones entre el adsorbente y el adsorbato. En la adsorción física las interacciones predominantes son de tipo van der Waals, mientras que en la adsorción química las interacciones semejan enlaces químicos. Esto da lugar a entalpías de adsorción muy diferentes:









adsorción química hace que el proceso sea más selectivo, es decir, que dependa marcadamente de la naturaleza de las sustancias involucradas. El helio, por ejemplo, no se adsorbe químicamente sobre una superficie ya que no forma enlaces ni compuestos. Es común que la interacción química entre el adsorbente y el adsorbato produzca cambios en la estructura de los compuestos involucrados. Esto puede modificar su reactividad y de ello depende la capacidad catalítica del adsorbente. La cantidad de material adsorbido en un sistema depende de la temperatura y la presión o la concentración del adsorbato. Si la temperatura se mantiene constante durante el experimento, el grado de adsorción puede estudiarse como función de la presión o la concentración y generar así lo que se conoce como la isoterma de adsorción (figura 1). Una etapa importante en las reacciones que implican a catalizadores solidos es la absorción de uno o más de los reactantes en la superficie sólida. Primero, suponemos que las partículas adsorbidas en la superficie no cambian sus enlaces internos, un proceso denominado fisisorción. Existe un equilibrio dinámico entre las especies libres y adsorbidas en la superficie o adsorbato y se puede obtener información mirando la cinética de la adsorción y desorción en la superficie estudiando este equilibrio en función de la presión de reactante sobre la superficie del catalizador. Un parámetro crítico para evaluar la adsorción en la superficie es la fracción de cobertura definida como

de sitios de adsorción ocupados  = Número Número total de sitios de adsorción La Figura 2 da una ilustración de una superficie con una serie de sitios de adsorción. Las moléculas de reactante (esferas oscuras) pueden existir existir o en fase gas o adsorbidas en uno de estos sitios. La fracción de cobertura es simplemente la fracción de sitios de adsorción ocupados. La fracción de cobertura se puede definir tambien como  = Vadsorbida /Vm donde Vadsorbida es el volumen de adsorbato a una presión dada y Vm es el volumen de adsorbato en el límite de alta presión correspondiente a la Fig 2: lustración de la fracción de cobertura monocapa. Los estudios de la cobertura , La superficie adsorción implican la medida de la extensión de (paralelogramo) contiene una serie de la adsorción o en función de la presión del gas sitios de adsorción (círculos gris claro). reactante a una temperatura especifica. La variación de con la presión a temperatura fija se llama isoterma de adsorción . El modelo cinético más simple que describe el proceso de adsorción se conoce como el modelo de Langmuir, en el que se describe la adsorción por el siguiente mecanismo: …… (1)









1. Adsorción se completa una vez que se ha logrado la cobertura de la monocapa. 2. Todos los sitios de adsorción son equivalentes equivalentes y la superficie es uniforme. 3. La adsorción y desorción son procesos no cooperativos. La ocupación de los sitios de adsorción no afecta a la probabilidad de adsorción o desorción de los sitios adyacentes. Con estas aproximaciones, la velocidad de cambio depende de la la constante de velocidad de absorción, ka, de la presión de reactivo, P , y del número de sitios vacantes, que es igual al número total de sitios sit ios de absorción, N , veces la fracción de sitios que están abiertos (1-  ): ….. (2)

El cambio correspondiente de debido a la desorción está relacionado con la constante de velocidad de desorción, kd , y el número de sitios de adsorción ocupados, N  , como sigue. …… (3)

En el equilibrio, el cambio de la fracción de cobertura con el tiempo es igual a cero, con lo que .....(4)

Donde K es la constante de equilibrio definida como ka/kd . la Ecuacion (19.83) es la ecuación de la isoterma de Langmuir . La Figura 19.11 presenta isotermas de Langmuir para varios valores de ka/kd

Fig. 3: Isotermas de Langmuir para un intervalo de ka/kd .











DETALLES EXPERIMENTALES

IV.I MATERIALES: 

Erlenmeyers con tapón, fiola de 1L, fiolas de 100mL, embudos, porta embudos, vasos de 250mL y 100Ml, bureta, pipetas, termómetro, erlenmeyers, erlenmeyers, probetas, tubos de base plana.

IV.II REACTIVOS: 

Carbón activado, tierra activada, ácido acético, aceite aceite neutralizado, fenolftaleína, solución de NaOH≈0.1N. biftalato de potasio, potasio, papel filtro, solución

IV.II PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

IV.II.I. Adsorción de ácido acético sobre carbón activado



Lavamos y secamos 6 erlenmeyers en la estufa, luego se preparó 0.5L de ácido acético 0.15 N. N. a partir de de ésta solución solución se preparó preparó 100 mL de soluciones soluciones 0.12, 0.09, 0.06, 0.03 y 0.015 N, paralelamente se pesó 6 porciones de ≈ o.5000 g



aproximadamente aproximadamente de carbón activad act ivado. o. Se colocó en un erlenmeyer erlenmeyer una porción de carbón activado y se vertió vertió con pipeta volumétrica de 50 mL de la soluci so lución ón de ácido acético 0.15 N. se repitió r epitió







INFORME N 14 - ADSORCIÓN


º

IV.II.II. Adsorción Química. Purificación del aceite con tierra t ierra activada

Se lavó y secó 4 vasos de 250 mL, luego se midió con probeta seca 20 mL de aceite neutralizado neutraliz ado y se vertió en cada uno de los vaso, vaso, se calentó el aceite hasta alcanzar una temperatura Tº y luego se agregó 0.2 gramos de tierra activada, se mezcló y agitó vigorosamente por un espacio de 5 minutos manteniendo la temperatura constante, constante, luego se filtró en caliente, haciendo haciendo uso de un papel filtro adecuado. Se repitió todo el procedimiento para cada una de las otras tres muestras del mismo aceite, variando la temperatura como se nos indicó. Se tomó un tubo de 1.5 Cm de muestra sin tratar que nos sirvió como muestra patrón, en los otros tubos se tomó la muestra filtrada de cada una de las temperaturas, se envolvió envolvió con un papel blanco la parte inferior de dos tubos para hacer la comparación colorimétrica entre el patrón y las otras muestras, se midió la altura exacta entre los dos tubos observados.





TABULACIÓN DE DATOS Y RESULTADOS EXPERIMENTALES



TABLA N° 1: Condiciones experimentales experimentales de laboratorio. Temperatura (°C) 22



TABLA N° 2: Datos

Presión (mmHg)

Porcentaje de humedad relativa

756

92%

experimentales.

Tabla N° 2.1: Estandarización Estandarización del NaOH= 0.1 con biftalato de potasio









º

0.5009 0.5008 0.5001

4 5 6

0.090 0.120 0.150

Tabla 2.3: Estandarización del CH 3COOH antes y después de la agitación Nteór. HAc (N)

Antes de la agitacion agitacio n

Después de la agitación agitació n

0.015

V HAc (mL) 8

Vgast. NaOH(mL) 1.2

[ ]inic HAc(N) 0.0151

V HAc (mL) 10

Vgast. NaOH(mL) 0.8

[ ] eq HAc(N) 0.0081

0.030

4.5

1.25

0.0280

10

2.25

0.0227

0.060

3.5

1.95

0.0562

10

5.1

0.05146

0.090

3.5

2.9

0.0863

10

7.9

0.0797

0.120 0.150

2 4.5

2.35 6.35

0.1186 0.1424

10 10

10.3 13.2

0.1039 0.13319

Tabla 2.3: determinación de los gramos de HAc adsorbidos (x) y los gramos adsorbidos por gramos de HAc de carbón activado (x/m). Muestra 1 2 3 4 5 6

[ ]teór. HAc (N) 0.015 0.030 0.060 0.090 0.120 0.150

Tabla 2.4: Adsorción Química

[ ]inic HAc(N) 0.0151 0.0280 0.0562 0.0863 0.1186 0.1424

[ ] eq HAc(N) 0.0081 0.0227 0.05146 0.0797 0.1039 0.13319

X(g)

x/m

0.0210 0.0159 0.0142 0.0117 0.0441 0.0276

0.0419 0.0317 0.0283 0.0234 0.0881 0.0551









º

Constantes empíricas de la isoterma de Freundlich K 0.160

n





0.431

TABLA N° 4: Resultados y % de errores del trabajo de laboratorio.

(ó)

()

%

k

0.160

0.060

n

0.431

0.2032

62.5% por defecto 52.85% por defecto

Tabla Nº5 :

Datos para la gráfica 

Gráfica N°1:   [ ]eq

  /

  [ ]eq

0.0419

0.0081

0.0317

0.0227

0.0283

0.05146

0.0234

0.0797









º

-1.3778

-2.0915

-1.4989

-1.6439

-1.5482

-1.2885

-1.6308

-1.0985

-1.0550

-0.9834

-1.2588

-0.8755

  C1

  

0.8824

50

0.5357

60

0.3061

70

0.2586

80

Gráfica N°3:   1

ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 

Al calcular el %error de la constante empírica (k) nos dio un valor de 62.5%, por defecto defecto las posibles causas de error se deben principalmente a que no fue del todo la agitación ya que por momentos se agitaba más rápido.











CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Conclusiones:









Es necesario hacer más corridas experimentales para poder tener datos más confiables. Con los datos obtenidos se puede llegar a creer que ninguno de los modelos, Langmuir y Freundlich, sirve para estos tipos de carbón activado. Según la isoterma de Langmuir se podría pensar que el carbón activado de plátano adsorbe más que el vegetal. Pero al ver la gráfica 3 es claro que ambos tienen un desempeño similar. El área específica calculada no es un valor confiable puesto que no hay más experimentos que que corroboren el valor valor de n máximo máximo obtenido y además el modelo no se ajustó.

Recomendaciones: 



Hay que lavar muy bien el carbón activado después de activar con el ácido clorhídrico para que este acido no vaya a afectar los valores obtenidos en las titulaciones posteriores. Hacer por lo menos dos veces las l as corridas experimentales para tener más certeza de









º

ANEXOS Gráficos en excel



Gráfica N°1:   [ ]eq



Isoterma de Freundlich 0,14 y = 1,0429x + 0,0198

0,12 0,1 0,08

Series1

0,06

Lineal (Series1)

m / x

Lineal (Series1)

0,04

Lineal (Series1)

0,02 0 0

0,02

0,04

0,06 Ceq

  

0,08

0,1









º

T vs C1 90 80 70 60 50 T 40 30 20 10 0

y = -43,177x + 86,403

Series1 Lineal (Series1) Lineal (Series1)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

C1

CUESTIONARIO 1. ¿Por qué es más confiable la isoterma de adsorción de Langmuir, a altas presiones de gas, para la adsorción química que para la adsorción física? La isoterma de Langmuir es uno de los modelos fenomenológicos más poderosos y descriptivos del proceso de adsorción. adsorción. En el caso de superficies









La posible relación entre la carga superficial de un material de implante y la trombosis intravascular durante mucho tiempo ha sido explorado. Con el fin de caracterizar el efecto del potencial de las interacciones proteína de la superficie, las mediciones elipsométricas han llevado a cabo in situ para determinar la conformación y absorbancia de fibrinógeno, γ -globulina y albúmina de suero adsorbido en platino y germanio para una gama de potenciales impuestas. La absorbancia de las tres proteínas se mantuvo sin cambios desde el valor potencial de reposo como el potencial pot encial aplicado aplicado se hizo más anódica hasta que se alcanzó el potencial aparición. La desorción, como resultado de cambios en el potencial aplicado, no se observó para cualquier proteína prot eína estudiada. La conformaci co nformación ón adsorbida de las tres t res proteínas cambia de manera reversible a potenciales moderadam moderadamente ente catódica como se indica, por ejemplo, por un fuerte aumento de la extensión a -0,2 V / SCE. La extensión disminuyó a medida que el potencial impuesta convirtió progresivamente anódico. Se encontró Germanio ser inadecuado para estos estudios elipsométricas debido a ataque químico de la superficie por el 0,15 M medio medio de inmersión NaCl

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