I sote soter ma de de Adsor Adsor ció ci ón del del Áci Á cid do Acé A cético tico (C ( C H 3 3C OOH ) So S obr e C ar bón Act Actii vad vado. L ópe ópez V anessa anessa ; R ome omer o J orge org e vlope vlopez21325@gma z21325@g maii l.com; egr oj5000@hot oj5000@ hotma maii l.com Laboratorio de Fisicoquímica, Departamento Departamento de Química. Facultad Química. Facultad Experimental Experimental de Ciencias y Tecnología, Tecnología, Universidad de Carabobo, Naguanagua, Venezuela
RESUMEN El objetivo principal de la presente práctica fue estudiar el fenómeno de adsorción del ácido acético en carbón activo empleando el modelo de Langmuir y determinar el área específica experimental del carbón activo. Para tal fin, se llevó a cabo un procedimiento un procedimiento basado en la preparación pr eparación de diferentes disoluciones disoluciones de ácido acético a diferentes concentraciones. Dichas disoluciones se mezclaron con carbón activado, se dejaron en reposo en un tiempo aproximado de 4 horas y se sometieron a un proceso un proceso de filtrado. La concentración de equilibrio de ácido acético se determinó mediante una titulación con NaOH. Los resultados muestran que la isoterma adsorción experimental de ácido acético en carbón activo sigue un comportamiento similar a una isoterma del del tipo I y los datos se ajustan a la ecuación ecuación de Langmuir. El área área específica del carbón activo fue .
INTRODUCCIÓN La adsorción es el enriquecimiento de un componente, en la interface con otra parte del sistema al que pertenece, respecto a su interior [1]. La sustancia adsorbida se denomina adsorbato mientras que la fase sobre la que ocurre el fenómeno se denomina adsorbente. Existen dos tipos de adsorción las cuales son la adsorción física o fisiadsorción y la adsorción química o quimioadsorción. Los átomos y moléculas se pueden unir a la superficie de dos maneras. maneras. En la fisiadsorción se se produce una interacción de Van der Waals entre el adsorbato y el sustrato, las interacciones de Van der Waals son de largo alcance, pero son débiles, de manera que la energía desprendida cuando una molécula se fisioadsorbe es del mismo orden de magnitud que la entalpia de condensación. Esta energía puede ser absorbida en forma de vibración de la red y disipada como calor, de manera que la partícula que va rebotando sobre la l a superficie perderá gradualmente su energía y finalmente se adsorberá en un proceso denominado acomodación, en este tipo de adsorción se conserva la identidad de la molécula adsorbida, aunque puede estar un poco distorsionada por la presencia de la superficie. En la quimioadsorción las moléculas o átomos se unen a la superficie formando un enlace
químico, normalmente covalente, teniendo a buscar posiciones que maximicen su número de coordinación con el sustrato, las entalpias de quimioadsorción son mucho mayores que las de fisiadsorción. La distancia entre la superficie superficie y el átomo más cercano del adsorbato es menor que en fisiadsorción. Una molécula adsorbida químicamente se puede disociar ante la demanda de valencias no saturadas de los átomos de superficiales [2]. La cantidad de material adsorbido en un sistema depende de la temperatura y la presión o concentración del adsorbato. Si la temperatura se mantiene constante durante el experimento, el grado de adsorción puede estudiarse como función de la presión o concentración. En 1916 Langmuir desarrollo un modelo simple para tratar de predecir el grado de adsorción de gas sobre una superficie como como función función del fluido, en este modelo se supone que: El adsorbato forma una capa monomolecular sobre la superficie. 2) Todos los sitios de la superficie son equivalentes. 3) No hay interacción entre las partículas adsorbidas. 4) Las moléculas adsorbidas no tienen movimiento sobre sobre la superficie. 1)
En el modelo de Langmuir se proponen el siguiente esquema dinámico para expresar la adsorción:
/
+ ⇌ Los procesos de adsorción y desorción se caracterizan por las constantes de rapidez de adsorción y desorción y respectivamente. Si se define la variable como la fracción de la superficie cubierta o grado de recubrimiento y se asume que la rapidez de adsorción es proporcional a la concentración del soluto en solución y al área descubierta del adsorbente.
/
= ( ) = 1
[1] Durante la desorción, la rapidez del proceso / debe ser entonces proporcional recubrimiento de la superficie
al
= ( ) =
grado
de
[2]
En el equilibrio dinámico la rapidez de ambos procesos se iguala ( ) de donde resulta que:
=
= 1+
[3]
La ecuación [3] se conoce como isoterma de Langmuir, donde , es la constante de equilibrio cuyo valor es fijo a una T y P dadas. Como la adsorción es un proceso exotérmico, el incremento de temperatura favorece la desorción del adsorbato y q disminuye si se mantiene la presión constante. En algunos sistemas la fisiadsorción es el proceso dominante a bajas temperaturas, mientras la adsorción química se manifiesta a altas temperaturas. Si suponemos que es la máxima cantidad de adsorbato que se puede adsorber en un gramo de carbón activado, el grado de recubrimiento , resulta ser.
cociente como función de la concentración de equilibrio C debe dar una línea recta de pendiente y ordenada al origen . Si se conoce el área que ocupa cada molécula de ácido acético sobre la superficie del adsorbente es posible calcular el área específica del carbón activado (el área específica es el área superficial total de un gramo de adsorbente). Se sugiere asumir un área −9 por cada molécula adsorbida (Shoemaker, 1972) [3].
1/
1/
10 m 21 Å
METODOLOGÍA Se prepararon diferentes soluciones de ácido acético con concentraciones de 0.0134, 0.0268, 0.0536, 0,0803, 0,1071 M. A partir de la madre 0.1339M. Se pesaron cantidades de carbono activado (0,5000g aproximadamente) y se mezclaron con cada una de las soluciones preparadas anteriormente. Se dejó una solución, sin adicionar carbón activado para emplearlo como blanco. Estas soluciones se mantuvieron en reposo aproximadamente 4 horas. Posteriormente se filtraron cada una de las soluciones desechando los primeros 10 ml del filtrado como precaución contra la adsorción del ácido en el papel de filtro. Y se valoraron con NaOH por duplicado, también se valoró el blanco.
= /
TABLAS DE DATOS Tabla N°1. Concentraciones iniciales de las disoluciones de ácido acético y masa de carbón activa para cada sistema de estudio. Sistema
N θ = Nax
[4]
En estas condiciones la isoterma de Langmuir se expresa como:
= 1+ Y re-arreglando queda:
= + 1
[5] [6]
Si el sistema sigue el comportamiento descrito por la isoterma de Langmuir, la gráfica del
= 2.1 ×
1 2 3 4 5 6(blanco)
Concentración inicial (Mol/L) 0,1071 0,0803 0,0536 0,0268 0,0134 0,1339
Masa de carbón activo g (±0,0001)g 0,4952 0,5016 0,5059 0,5053 0,5011 ------
Tabla 2. Titulación de las disoluciones de ácido acético en equilibrio Sistema 1 2 3
Volumen de NaOH (±0,05)mL 20,20 20,40 14,60 14,70 9,30
Gráfica de Freundlich y = 0.5278x + 2.6026 R² = 0.9871
9,50 4,10 4,10 2,40 2,40 3,00 3,10
4 5 6 (blanco)
3.0000
) q ( g o L
2.0000 1.0000
-2.5
-2
-1.5
-1
0.0000 -0.5 0
Log([CH3CCOH])
Tabla N°3. Datos y resultados de la determinación del número de moles de ácido acético absorbidos sobre el carbón activado
moles [CH3COOH] [CH3COOH] que moles Sistemas Mol/L Mol/L quedan adsorbidos (ni) 1 2 3 4 5
0,0887 0,0896 0,0641 0,0645 0,0408 0,0417 0,0180 0,0180 0,0105 0,0105
Ni (mo)l
[CH3COOH]/Ni
0,0891
0,0045
0,00090
0,00182
49,04
0,0643
0,0032
0,00080
0,00160
40,27
0,0413
0,0021
0,00061
0,00121
33,97
0,0180
0,0009
0,00044
0,00087
20,72
0,0105
0,0011
0,00029
0,00057
18,50
DISCUSIÓN Y RESULTADOS El fenómeno de adsorción se estudió empleando disoluciones acuosas de ácido acético a concentraciones iniciales diferentes y usando como adsorbato el carbón activo. El proceso de adsorción, en este caso, se puede expresar mediante la siguiente reacción de equilibrio:
+3 ⇌3 Tabla N°4. Nmáximo y área específica de absorción. Nmax mol/g (±0,0002)
2
As (±24)m /g
0,0025 321
Donde corresponde a una superficie de carbón activo desocupada y la especie representa a una molécula de ácido acético (CH3COOH) adsorbida o un sitio ocupado sobre la superficie del carbón activo .
3
Grafica de Langmuir i 60.00 N / ] 40.00 H O O20.00 C 3 H 0.00 C [
y = 394.08x + 14.904 R² = 0.9839
CONCLUSIONES
0.0000 0.0200 0.0400 0.0600 0.0800 0.1000 [CH3COOH]
Figura 1: Isoterma de Langmuir para la absorción de ácido acético sobre carbón activado
La adsorción del ácido acético en carbón activo aumenta a medida que se incrementa la concentración de la disolución de ácido acético.
BIBLIOGRAFÍA [1] Levine, Ira N., Fisicoquímica. Volumen 1. 5ta Edición. Editorial Mc Graw Hill. Madrid. 2002. Páginas: 483-487 [2] Shoemaker, (1972). D.F., Experiments in Physical Chemistry, Mc-Graw Hill. Paginas: 333-337 [3] Atkins, P. and De Paula J. (2006). Atkin's Physical Chemistry. Eight edition. Oxford University Press. UK. páginas. 917, 918
