INFORME N° 7: ISOTERMAS DE ADSORCIÓN
MARIA ANGELICA COGOLLO LOPEZ
KATIUSKA ANGULO TORDECILLA
YUMIRIS MURILLO PATERNINA
Presentado a:
DAIRO PEREZ SOTELO ING. QUIMICO
UNIVERSIDAD DE CORDOBA
FACULTAD DE CIENCIAS BASICAS
QUIMICA
SEMESTRE VII
MONTERIA
2013
INFORME N°7: ISOTERMAS DE ADSORCIÓN
RESUMEN EJECUTIVO
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".
Los experimentos sobre adsorción, que con más frecuencia se realizan, consisten en la medida de la relación entre la cantidad de gas o líquido adsorbido, sobre una determinada cantidad de adsorbente. Estas medidas se realizaran a una temperatura constante y los resultados se representan gráficamente en las llamadas Isotermas de Adsorción. Lo que se mide experimentalmente es el volumen del líquido o gas adsorbido por una cantidad de adsorbente, o la variación del peso que experimenta el adsorbente cuando ha estado en contacto con el adsorvato.
La práctica denominada "Isotermas de Adsorción" tiene como objetivos Estudiar la adsorción sobre el carbón vegetal (activado), de un soluto en disolución acuosa; determinar la relación existente 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 carbón vegetal (activado) aplicando las isotermas Langmuir.
Para cumplir con los objetivos previamente expuestos se realizara la parte experimental "Determinación de la Isoterma de Adsorción", de la cual se obtendrán los datos y valores correspondientes para la realización de las graficas respectivas.
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL: Estudiar la adsorción de ácido acético en carbón y determinar el área superficial del carbón activado mediante la isoterma de adsorción.
OBJETIVO ESPECÍFICO:
Estudiar la adsorción sobre carbón (activado) de un soluto en disolución acuosa.
Determinar 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.
FUNDAMENTOS TEORICOS
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 ó humedad relativa.
El término de sorción, se usa para relacionar el comportamiento de un producto, dependiendo de su contenido inicial de humedad, el cual perderá o ganará (adsorber) agua durante el proceso de equilibrio con la atmosfera que rodea al producto.
La isoterma de sorción de agua relaciona, a una temperatura constante, el contenido de húmedad con la actividad termodinámica del agua en el producto, en un intervalo dado de humedad o actividad. Es interesante recordar que en el equilibrio de la actividad de agua es igual a la humedad relativa del aire que rodea al producto a una temperatura determinada.
Se puede graficar el contenido de agua (humedad) vs. Aw ó HR y dicha gráfica toma el nombre de isotermas de absorción y desorción.
La isoterma de sorción del agua, es una forma adecuada de analizar el grado de interacción del agua con el sustrato. Normalmente se puede dividir en tres intervalos en función de la Aw:
Zona A. Agua fuertemente ligada correspondiente a una Aw de 0.2-0.3 ó inferior: el agua se encuentra en forma monomolecular, que se desarrolla cuando una fracción de agua presente interacciona con la superficie del alimento.
Zona B: Agua moderadamente ligada ( Aw= 0.3-0.7) : es la más interesante, corresponde a multicapas de agua y presenta características muy particulares. Es una zona en la que un pequeño cambio en el contenido acuoso se traduce en grandes variaciones de los valores de su actividad.
Zona C: Agua poco ligada: correspondiente a una Aw de 0.7-0.8 y superior: el alimento presenta actividades bastantes próximas a la del agua pura. Se elimina con facilidad llegando sólo a un valor de 0.8 y es la responsable de cualquier tipo de reacción y crecimiento microbiano.
Figura 12: Isoterma de sorción de agua y sus zonas A,B yC. Fuente: Bello, José: Ciencia Bromatológica. Principios generales de los alimentos. 2008, editorial Díaz de Santos, Brasil.
Existen diversos modelos matemáticos, teóricos, semiempìricos y empíricos para la predicción y el ajuste de datos experimentales de sorción de humedad en función de la actividad de agua. La bondad de los ajustes depende de la naturaleza de los alimentos, el rango de actividad de agua y otros parámetros experimentales.
Una de las primeras isotermas de sorción desarrolladas fue la del BET (Brunauer- Emett- Teller), la cual es válida para los valores bajos de actividad de agua.
El conocimiento de las isotermas de sorción de un alimento es esencial para poder determinar su Aw, conociendo su contenido de humedad.
8.2 Isoterma de adsorción:
Hace referencia al comportamiento de alimentos deshidratados almacenados a una HR atmosférica alta, tienden a ganar agua para equilibrar las presiones de vapor de agua tanto del alimento como de la atmósfera.
Isoterma de desorción: Hace referencia al comportamiento de los alimentos hidratados con Aw bajas y %HR bajas. Es la gráfica para alimentos que sufren pérdida de agua para equilibrarse con el las presiones de vapor de la atmósfera.
Badui, Slavador, presenta este tipo de gráficas llamadas Isotermas de sorción nos muestra la actividad acuosa de un alimento en función del contenido de agua del mismo, a determinada temperatura. Las isotermas indican la cantidad de agua retenida por un alimento en función de la HR de la atmósfera que lo rodea bajo condiciones de equilibrio a una temperatura constante[2]. Ver figura 13.
Figura 13. Isotermas de adsorción y desorción
En cada punto, la ordenada (eje x) indica la actividad del agua del alimento en equilibrio con las presiones de vapor de agua del alimento y la atmósfera a temperatura constante. En el eje de las abscisas (eje y) el contenido de agua del alimento, gramos de agua / 100 gramos de materia seca.
El fenómeno de histéresis en las isotermas desorción: Las curvas de adsorción y desorción no son superponibles, significa que los fenómenos de ganar o perder humedad no son reversibles en el alimento, la no "coincidencia" en ganar y perder agua sobre la isoterma se denomina histéresis.
Los valores de humedad obtenidos de la curva de desorción son en teoría ligeramente superiores a los obtenidos en la curva de adsorción. Este fenómeno se denomina Histéresis. La histéresis puede ser explicada por la desnaturalización que puede ocurrir durante la desnaturalización que puede ocurrir durante la desorción de las proteínas, o la concentración de solutos en el alimento. Las proteínas desnaturalizadas reducen su capacidad de retención de agua una vez han sufrido fenómenos de desorción.
Figura 14: Predicción del comportamiento de un alimento en función de sus procesos de hidratación y desecación. Fuente: Bello, José (2008). Ciencia Bromatológica. Principios generales de los alimentos. Brasil: editorial Díaz de Santos, Brasil
Para Bello, José en la figura 14, se aprecia muy raras veces las isotermas de un proceso de hidratación (fenómenos de adsorción) coinciden en su representación gráfica con las isotermas de los procesos de desecación (fenómenos de desorción). Esto significa que uno y otro proceso siguen caminos diferentes en los alimentos. Es decir, en esta zona de la isoterma, ambos procesos no son reversibles. Estas curvas de histéresis, pueden variar ampliamente para los diversos alimentos y, a menudo, alimentos idénticos pueden presentar patrones de isotermas diferentes cuando cambia la temperatura. Esta diversidad puede ser interpretada como una consecuencia de la variabilidad que acompaña a la concentración de los componentes químicos de los alimentos, así como a la incidencia de algunos cambios producidos en los factores de porosidad capilar, que caracteriza a cada alimento.
Como consecuencia de estos fenómenos de histéresis puede ocurrir que para un mismo contenido acuoso del alimento, su actividad de agua sea muy diferente, según ser esté considerando la hidratación del producto o la desecación del mismo, pues en la zona intermedia de actividades, la isoterma sigue caminos diferentes. De aquí su importancia en la repercusión de la tecnología de alimentos, donde este fenómeno alcanza un gran interés de tipo práctico. Así, una vez conocidas las isotermas que caracterizan los procesos de hidratación y desecación para la elaboración de un alimento concreto, es posible hacer predicciones acerca de su comportamiento, tanto en el tratamiento tecnológico como en su conservación.
Explicando la grafica 14, cuando un alimento se ha deshidratado hasta un contenido acuoso de Ho, su situación en la isoterma corresponde al punto A, con una actividad acuosa Aw1. Si por diferentes causas pierde agua, como puede ocurrir en un mal almacenamiento o un control incorrecto en su proceso de desecación, al hidratarlo de nuevo para que alcance el contenido acuoso adecuado para su comercialización (Ho), en este caso, su situación sobre la isoterma corresponde al punto A2, que tiene una actividad de agua Aw2, que resulta mayor que la del punto A1. Por consiguiente, debido al fenómeno de histéresis, un alimento que ha tenido que ser rehidratado después de una desecación, contiene para un mismo nivel acuso una disponibilidad de agua bastante mayor (Aw2), que implica graves inconvenientes porque significa una mayor facilidad para que se pueda alterar.
HIPOTESIS
Para determinar la adsorción del ácido acético, en soluciones acuosas a distintas concentraciones, por el carbón activado se utiliza un método muy Sencillo. A partir de las cantidades de soluto adsorbido, la cantidad de adsorbente y la variación de concentración de las soluciones se logran determinar el tipo de adsorción que se presenta en el experimento y se construyen las isotermas de adsorción de Langmuir., a fin de determinar el tipo de isoterma que caracteriza este fenómeno.
MODELOS MAEMATICOS
La isoterma de adsorción de Freundlich:
Modelo de Langmuir tiene el siguiente esquema dinámico para representar la adsorción:
A(g) + S(s) AS
CX=1Nb+CN
DISEÑO DE LA PRÁCTICA
VARIABLES Y PARÁMETROS
Para el desarrollo de esta práctica se tuvieron en cuenta las siguientes variables:
Temperatura
Volumen
Masa
Entre los parámetros tenemos la presión atmosférica estándar.
ELECCIÓN DEL SISTEMA
Se trabajara un sistema donde se determinara la adsorción sobre el carbón vegetal de un soluto en disolución acuosa, donde el ácido acético adsorbido por el carbón activado y la concentración del equilibrio del acido acético, definirá el área superficial del carbón activado mediante una isoterma de adsorción de Langmuir.
HOJA DE DATOS
Tabla 1: datos principales tomados para cada erlenmeyer.
MASA DE CARBÓN ACTIVADO (g)
VOLUMEN DE CH3COOH (mL)
VOLUMEN DE H2O (mL)
VOLUMEN DE NaOH GASTADO (mL)
1,0020
50
--
22.7
23.1
1,0092
25
25
19.5
20.0
1,0098
15
35
10.4
10.5
1,0075
7,5
42,5
3.8
3.8
1,0048
4
46
4.6
4.5
1,0064
2
48
2.6
2.7
Tabla 2: concentración CH3COOH para cada erlenmeyers
MASA DE CARBÓN ACTIVADO (g)
CH3COOH [M]
n CH3COOH (mol)
1,0020
0.400
0.0200
1,0092
0.200
0.0100
1,0098
0.120
0.0060
1,0075
0,060
0.0030
1,0048
0.032
0.0016
1,0064
0.016
0.0008
EQUIPO Y MATERIALES
Bureta 50ml
6 embudos
12 erlenmeyer 125ml
Pipeta 10ml
Soporte universal
Gradilla
Tapones
Espátula
Pera
Papel filtro
Reactivo
Carbón activado
Ácido acético 0.4M
NaOH 0.1M
Fenolftaleína
NaOH
Fórmula: NaOH
Masa molar: 39,997 g/mol
Densidad: 2,13 g/cm³
Punto de fusión: 318 °C
Punto de ebullición: 1.388 °C
CH3COOH
Estado de agregación: líquido
Apariencia: incoloro o cristales (no inodoro)
Densidad: 1049 kg/m3; 1,049 g/cm3
Masa molar: 60.05 g/mol
Punto de fusión: 290 K (17 °C)
Punto de ebullición: 391,2 K (118 °C)
DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
Se pesó 1g de carbón activado para 6 erlenmeyers, Se agregó diferentes volúmenes de ácido acético y se completan hasta 50ml con agua destilada. Luego se agitaron por aproximadamente una hora los 6 erlenmeyers juntos. Finalmente filtramos las seis soluciones y tomamos 10ml de la 1 y 2, 20ml de 3 y 4, y 40ml de 5 y 6, para titular con NaOH 0,1M.
REALIZACION DE LA PRÁCTICA
OBSERVACIONES
A medida que transcurría el procedimiento se tuvieron las siguientes observaciones:
Las soluciones siempre presentaban el carbón activado insoluble en ellas, sobre nadante a pesar de la agitación pero al titular nos dabamos cuenta que se gastaba más volumen de NaOH del que se esperaba.
A medida que bajaba la concentración el volumen de titulante era menor y la concentración después de la adsorción por ende también.
RESULTADOS
Tabla n°3: concentración y moles en el equilibrio y moles adsorbidas.
VOLUMEN DE NaOH GASTADO (mL)
CH3COOH [M] equi.
n CH3COOH eq.(mol)
n CH3COOH adso. (mol)
22.7
23.1
0.2497
0.2541
0.002497
0.002541
0.0175
0.0174
19.5
20.0
0.2145
0.2200
0.002145
0.002200
0.0078
0.0078
10.4
10.5
0.1144
0.1155
0.001144
0.001155
0.0048
0.0048
3.8
3.8
0.0418
0.0418
0.000418
0.000418
0.0026
0.0026
4.6
4.5
0.0253
0.0248
0.000506
0.000495
0.0011
0.0011
2.6
2.7
0.0143
0.0149
0.000286
0.000297
0.0005
0.0005
Tabla n°4: concentración de acido acético y factor C/X
Moles Ad. / gcar. Ad (C/N)
CH3COOH [M]
C/X
0.017
0.25
34.4
0.007
0.21
28.0
0.004
0.11
23.9
0.002
0,04
16.3
0.001
0.02
22.9
0.0005
0.01
8.8
GRAFICA C/N Vs C
DISCUSION Y CONCLUSIONES
Aunque en general el método descrito introduce cierta incertidumbre en la determinación de X, debido a que la diferencia Cinicial – Cfinal es muy pequeña, los resultados a los que da lugar permiten analizar las dependencias del grado de absorción de un material con su concentración y los alcances del modelo de Langmuir para representar su comportamiento.
A medida que aumenta la concentración del ácido acético aumenta la relación entre la cantidad adsorbida por gramo de carbón. El carbón activado proporciona datos de manera eficiente y en tiempo corto en comparación con otros materiales, debido a su velocidad de llegar al equilibrio.
Debido a la isoterma de absorción aquí observada, es claro determinar que el tipo de adsorción que se presenta en el ácido acético- carbón activado es química.
SUGERENCIAS
Se debe tener cuidado a la hora de pesar el carbón activado, 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.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFIA
SKOOG, D.; WEST, D. y HOLLER, F. (1995). "Química Analítica", McGraw Hill. Sexta Edición. Págs. 308-316.
SMITH, J.; VAN NESS, H. (1997) "Introducción a la Termodinámica en Ingeniería química" Quinta Edición. McGraw Hill. México
TREYBAL. "Transferencia de masa".
y = 75,793x + 14,299
[CH3COOH] (mol/L)
C/X (L/g)
