FACULTAD FACULTAD DE QUÍMICA, QUÍM ICA, INGENIERIA QUÍMICA E INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL
E.A.P QUÍMICA LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA A II Nº 14
PRÁCTICA DE LABORATORIO LABORATORIO
ADSORCI9N Profesora: Q!". #!$%or Ra&' (ar$!a #)''e*as I+%e*ra+%es: A,a+%o C-a+) L)s (s%a/o 0orar)o: S,a2os 2e 3 a" 5 6" Fe$-a 2e 6r$%)$a: 17 11 14 Fe$-a 2e e+%re*a: 55 11 14 C)2a2 U+)/ers)%ar)a 55 2e +o/)e",re 2e' 5814
RESUMEN El objetivo de esta práctica es hacer un estudio de la adsorción de un soluto sobre la superficie de un sólido poroso. Las condiciones experimentales fueron las siguientes:
Condiciones del laboratorio P(mmHg)
756
T( º C)
23
%HR
96
La práctica se dividió en dos partes: Adsorción física, en la cual se prepararon soluciones de Ac a diferentes concentraciones de forma decreciente. A estas soluciones se les incorporo el carbón activado ! se agitó por espacio de media hora continuamente, al t"rmino se llevó a reposo por dos horas, se filtró ! se valoraron valoraron los filtrados con #a$. Estos datos se trataron para obtener datos de peso del adsorbato absorbido. Estos datos se llevaron a una gráfica, %ue luego se corrigió utili&ando logaritmos. Adsorción %uímica, en al cual cu al se utili&ó '( mL de aceite para cada muestra, estas fueron llevadas a tres temperaturas de forma creciente, ! se les incorporó tierra activada, luego se filtró, ! por m"todo colorim"trico se compararon dichas muestras con un patrón. A las muestras se les fue incorporando más aceite tratado hasta igualar la coloración del tubo patrón. )e tomaron datos de alturas de dichos tubos. Estos datos fueron tratados ! tambi"n se llevaron a una gráfica. *onstantes halladas a partir de la gráfica +adsorción física n
K
(.-''
(.(/-0
En la adsorción %uímica, a ma!or temperatura, menor concentración de materia coloreada en el aceite. 1or lo %ue se le atribu!e una ma!or adsorción.
INTRODUCCIN
La adsorción es un fenómeno fisico%uímico de gran importancia, debido a sus aplicaciones m2ltiples en la 3ndustria %uímica ! en el laboratorio. En particular, resulta fundamental en procesos %uímicos %ue son acelerados por la presencia de catali&adores cu!o estado de agregación es distinto al de los reactivos. La sustancia %ue se adsorbe se denomina adsorbato ! el material sobre el %ue lo hace es el adsorbente +el proceso inverso a la adsorción se conoce como desorción. La adsorción se distingue de la absorción en %ue esta 2ltima implica la acumulación de la sustancia absorbida en todo el volumen del absorbente, no solamente en su superficie.
!RINCI!IOS TERICOS ADSORCIN
4uchos de los procesos industriales %ue tienen lugar actualmente utili&an catali&adores sólidos. En alguna de sus etapas aparece la aproximación de mol"culas en fase gas a la superficie del catali&ador sólido, interaccionan ! se facilita la reacción %uímica. El proceso puede tener varias etapas: • • • • •
5ifusión de reactivos a la superficie activa Adsorción de uno o más reactivos en la superficie 6eacción superficial 5esorción de los productos 5ifusión de los productos
7odas estas etapas pueden limitar la velocidad de la reacción. 8n punto a tener en cuenta es %ue el proceso de adsorción tiene un proceso contrario de desorción, %ue marcará en gran medida la actividad del catali&ador.
Enlace s"#er$icie%&ol'c"la( Las mol"culas pueden enla&arse de dos formas a una superficie:
adsorción física o fisisorción adsorción %uímica o %uimisorción
La adsorci)n $*sica consiste en un enlace d"bil originado por fuer&as de 9an der aals, ! en principio no ha! una redistribución de carga en la mol"cula;átomo ! la superficie. La adsorción %uímica implica un cambio sustancial en la densidad electrónica entre substrato ! adsorbato. La naturale&a del enlace puede ser intermedia entre iónico ! covalente. Cin'tica de adsorci)n La velocidad de adsorción de una mol"cula sobre una superficie tiene la misma forma %ue cual%uier proceso %uímico o cin"tica de una reacción elemental:
+ads - C.
5onde: < es el orden cin"tico, = la constante de velocidad ! * la concentración de gas. La misma ecuación puede escribirse en función de la presión del gas, de forma %ue %uedaría:
+ads -/!. )i la constante = se expresa por la ecuación de Arrhenius, %ueda:
+ads A C. e.#0%Ea1RT2 5onde: Ea es
la energía de activación para la adsorción, ! A,el factor pre > exponencial.
#o obstante, ha! %ue tener en cuenta %ue si la adsorción es la etapa lenta del proceso no se obtendrán buenos resultados en la catálisis. La reacción %uímica suele ser la etapa determinante de la velocidad. 7ambi"n ha! %ue considerar la desorción, !a %ue si es un paso lento se acumulará producto en la superficie del catali&ador ! la reacción no progresará.
Desorci)n )i una especie adsorbida se mantiene a baja temperatura, permanece en este estado, pero si la temperatura aumenta puede ocurrir lo siguiente: • •
la especie se descompone la especie reacciona con otras especies
La cin"tica de desorción sigue la ecuación:
+des -N. 5onde: x es el orden, = la constante ! # la concentración de especies adsorbidas. En forma de ecuación de Arrhenius, la constante = %uedará:
-des A e.#0%Eades 1RT2 5ónde: Eades da la energía de activación para el proceso de desorción.
DETALLES E3!ERIMENTALES MATERIALES • • • • • • • • • • • • •
0 erlenme!ers de -'? mL con tapones de corcho. @iolas de '?(mL @iolas de -(( mL Embudos de vástago corto ! largo ' vasos de (( mL., pipetas de -(mL., ?mL., -mL 1robeta de '?mL 7ermómetro 7ubos de base plana Bradilla Cureta de ?( mL Caguetas, 1orta embudos 1apel de filtro.
REACTI+OS • • • • • • •
Ac. Ac"tico concentrado *arbón activado, agua destilada 7ierra activada Aceite neutrali&ado @enolftaleína Ciftalato de potasio idróxido de sodio.
!ROCEDIMIENTO E3!ERIMENTAL
Adsorci)n $*sica )e lavan ! secan los erlenme!ers, paralelamente se prepara a partir del Ac. Ac"tico concentrado, una solución de Ac de (.-?#, ! a su ve& a partir de esta se preparan soluciones de Ac. 5e (.-', (.(D, (.(, (.(/, (.(-?#. Luego se valoran estas soluciones para corregir su normalidad inclu!endo la solución de (.-?#, con solución de #a$ previamente valorado con el biftalato. A continuación se pesan cantidades determinadas de carbón activado ! se incorporan en erlenme!ers con ?( mL de cada solución preparada +(.-', (.(D, (.(, (.(/, (.(-?# de Ac.. )e colocan en un agitador el"ctrico durante media hora aprox. se deja reposar por dos horas. Al t"rmino de este tiempo se filtran las soluciones ! se valoran nuevamente con #a$.
Adsorci)n 4"*&ica )e calienta, poco a poco, el aceite en un vaso de precipitado de (( mL hasta conseguir la temperatura deseada. )e trabajó con temperaturas de (,F(, 0(, ! D( G* luego se vierte la tierra activada se agita para homogeni&ar ! se mantiene la agitación a esa temperatura por ? minutos. )e repite el procedimiento para todas las temperaturas. Al t"rmino se filtra, ! el aceite filtrado se coloca en los tubos, tambi"n se coloca un poco de aceite ion tratar en otro de los tubos para usarlo como patrón. *ada uno de los tubos se compara con el tubo patrón a la lu& de un fluorescente blanco, ! para igualar la coloración se incorpora más aceite al tubo de la muestra luego se miden las alturas finales.
TA5ULACIN DE DATOS TA5LA N6 7, condiciones del laboratorio !RESI N 0&&892
TEM!ERATUR A 06C2
: 8R
F?
'/
D
TA5LA N6 ;, estandari
estandari
Estandari
Masa de 5i$(@(
+ol"&en Gastado de NaO8
N Estandari
(.'(/ g
-(.- mL
(.(DD(?
+ol"&en de 8Ac
+ol"&en Gastado de NaO8
N Estandari
-( mL
-F.F mL
(.-F/''
Tabla NB, Nor&alidad Estndar de 8Ac =(7; N, =(= N, =( N, =(=B N, =(=7? N( SIN CAR5ONO ACTI+ADO Adsorci)n F*sica Matra< +( (.-? # +- (.-' # +' (.(D # +/ (.( # + (.(/ # +? (.(-? #
+ol( 8Ac 0&L2 -( -( -( -( -( -(
+ol( Gastado NaO8 0&L2 -F.F -'. D.-? ./? /.' -.
N 8Ac Estndar 0Co2 (.-F/'' (.-''0' (.(D(/ (.('0D (.(/-D (.(-?0?
TA5LA N6 H Adsorci)n del cido ac'tico SO5RE EL CAR5N ACTI+ADO Adsorci)n F*sica
≈ 0.15 N
(.?(((
+ol"&en de NaO8 Gastado 0&L2 -?.F
-(
Nor&alidad corre9ida 8Ac 0C2 (.-???
≈ 0.12 N
(.?(((
--
-(
(.-(0D
≈ 0.09 N
(.?(-0
F.0
-(
(.(FF'
≈ 0.06 N
(.?(((
.0
-(
(.(F?
≈ 0.03 N
(.?((
'.?
-(
(.(''
≈ 0.015 N
(.?(((
(.0
-(
(.((FD'
T"bo carb)n actiJado 0Nor&alid 092 ad2
+ol"&en de la &"estra 0&L2
TA5LA N6 ?H Adsorci)n 4"*&ica
9
de
tierra ActiJad a (.'(/(.'(-/ (.'(( (.('(?'
Te&#erat"ra 06C2 ?D 0-
Alt"ra #atr)n 0c&2
Alt"ra de 0c&2
-.D
'.D /.0 ./ ?.-
&"estra
TA5LA N6 H Res"ltados de la adsorci)n del cido ac'tico sobre el carb)n actiJado > #ara la GRKFICA N67
C=
C
carb)n actiJado 0&2
3 092
31&
(.-F/''
(.-???
(.?(((
(.(?'D0
(.-(?D
(.-''0'
(.-(0D
(.?(((
(.(-
(.(0/'0
(.(D(/
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(.(FDD/
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(.(/-D
(.(''
(.?((
(.(-/?
(.(?D--
(.(-?0?
(.((FD'
(.?(((
(.('/FD
(.(F?0
TA5LA N6H DATOS !ARA LA GRKFICA N 6 ;
lo9 C >(.0(0-('(F >(.D'0-'/ >-.--'(?/ >-./''D(0' >-.?0-(/-F >'.-(-'F0'
lo9 031&2 >(.DF0?0(? >-.(FD?D'0 >-.(DF'FFDD >-.--'(>-.'///? >-./''?F?? Donde n =(7;; > @ =(=B7
TA5LA N6 , DATOS DE ADSORCIN QUÍMICA
Alt"ra 02 0c&2
Te&#erat"ra 0=C2
Concentraci)n de &ateria coloreada 0C72
'.D
?-
(.??'
/.0
-
(.?(((
./
D
(.-D
?.-
0-
(./F'?
Alt"ra 02 #atr)n 0c&2
-.D
CKLCULOS GRKFICOS
Gra$i4"e la isoter&a de adsorci)n de Fre"ndlic( GRKFICA N67
C /s ;<"= 0.12 0.1 0.08
;<"
0.06 0.04 0.02 0 0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
C
Gra$i4"e lo90.1&2 Js lo9 C( De la 9r$ica deter&ine @ > n( Co&#are con los Jalores te)ricos(
Lo* C /s Lo* ;<"= -2.2
-2
-1.8
-1.6
-1.4
-1.2
-1
-0.8
0 -0.6 -0.2 -0.4 -0.6
Lo* ;<"=
-0.8
f>= ? 8.57> @ 8.3
-1 -1.2 -1.4
Lo* C GRKFICA N6;
5el gráfico se tiene:
=(;?B. =(=B7 )e sabe %ue:
Log +x;m H nLog* I Log J
*omparando se tiene:
n =(;?B
para la constante J, se tiene: Log J H +>(.0(/-
@ =(7?B ADSORCIN QUÍMICAH
Adsorci)n 4"*&ica a#licada a la #"ri$icaci)n de Aceite con tierra actiJada( a
Calc"lo de la concentraci)n de &ateria coloreada re&anente en los aceites
b Gra$i4"e la concentraci)n relatiJa de &ateria coloreada en $"nci)n de la te&#erat"ra(
C Ma%er)a Co'orea2a /s Te"6era%ra C= 0.7 0.6
f(x) = - 0.01x + 1.09 R² = 0.93
0.5 0.4
C Ma%er)a Co'orea2a
0.3 0.2 0.1 0 45
50
55
60
65
70
75
Te"6era%ra C=
80
85
ANKLISIS DISCUSIN DE RESULTADOS 1ara la adsorción física, en la isoterma de @reundlich a ''G* se observa un punto en la ordenada x;m, %ue se encuentra mu! por encima de los demás puntos, es decir no guarda relación alguna con la isoterma graficada, el motivo de este punto graficado se debe a %ue la adsorción por parte del carbón activado no cumplió la tendencia esperada, debido a %ue una gran cantidad de este carbón activado se depositó en las paredes del matra& debido a una agitación fuerte o a una mala manipulación del agregadoK este punto en particular tambi"n se observó %ue no /m cumple con la tendencia lineal al graficar (¿) log ¿ x
vs
log C
, a diferencia de los
otros cinco puntos %ue si se ajustan a una línea representada con su ecuación lineal como se observa en el gráfico adjunto en el ap"ndice. 1ara la adsorción %uímica se observa la tendencia de la decoloración de la muestra de aceite con achote a medida %ue la temperatura se eleva en presencia de tierra activada, esta tierra presenta una afinidad por el achote en la muestra amarilla donde la presencia de fueras %uímicas de interacción entre el adsorbente ! adsórbalo evidencian la decoloración. 1ara el procedimiento reali&ado cumple la tendencia esperada, donde a ma!or temperatura la decoloración será ma!or.
CONCLUSIONES •
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La concentración inicial ! la concentración en el e%uilibrio de Ac con carbón activado, se calcula mediante la titulación con soda valorada previamente, de manera %ue la normalidad del ácido ac"tico es igual a la molaridad +g;mol, la valoración antes del filtrado es la concentración inicial, ! la valoración despu"s del filtrado es la concentración Ac en el e%uilibrio. La cantidad de Ac adsorbido es la resta de la concentración inicial del Ac ! la concentración el e%uilibrio, para cada solución se puede calcular la cantidad adsorbida de acuerdo a la ecuación +?. El uso de carbón activado es importante para un estudio de adsorción de ácido ac"tico, !a %ue el carbón activado es mucho más eficiente en adsorber electrolitos d"biles. La expresión +x;m determina la cantidad absorbida del ácido ac"tico por gramo de carbón activado, expresión %ue depende en gran magnitud de la concentración del ácido ac"tico. La isoterma de @reundlich, expresa %ue a una temperatura constante de ''G*, la isoterma se incrementa a medida %ue la concentración aumenta del soluto aumenta. Brafica de tipo 3.
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1ara la adsorción física, la adsorción de Ac +soluto, depende de la concentración a la %ue este se encuentre, ! no a la cantidad de carbón activado, pues la superficie del carbón activado será la misma en todos los matraces, ! por lo tanto la adsorción será ma!or cuando la concentración del soluto es ma!or e inversamente con la temperatura. La adsorción %uímica se debe a la interacción entre el adsorbente ! adsorbato +tierra activa ! el aceite neutrali&ado, donde a diferentes temperaturas la decoloración es más notoria a medida %ue la temperatura aumenta. En la adsorción %uímica, el aumento de la temperatura permite una ma!or adsorción por parte de la tierra activada hacia el achiote del aceite neutrali&ado, de manera %ue ocurre una decoloración del aceite.
RECOMENDACIONES •
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Antes se deberá de lavar ! secar adecuadamente los erlenme!er ! vasos, de acuerdo a cada procedimiento indicado. 1reparar adecuadamente las soluciones indicas en el procedimiento, donde los vol2menes indicados deben ser los más exactos posibles utili&ando las pipetas ! las fiolas de cantidades específicas. La cantidad de carbón activado para cada matra& debe ser aproximadamente la misma, de manera %ue la superficie de adsorción para los seis matraces sean las mismas, ! guardar así una relación en cuanto a la concentración del soluto +Ac ! no del carbón activado. Agitar los matraces durante media hora, evitando %ue se deposite cantidades de carbón activado en las paredes del matra&, !a %ue se reducirá la superficie de adsorción o la cantidad absorbida por gramo de carbón activado. Antes de calcular la concentración en el e%uilibrio del Ac, se deberá desechar los primeros -( a -?mL del filtrado, !a %ue pasan empobrecidos en ácido debido a la adsorción del papel.
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Al valorar las soluciones al estadio inicial ! al estado en e%uilibrio, se deberá de valorar previamente la soda con mucha exactitud, !a %ue los cálculos dependen de la soda valorada. 1ara la adsorción %uímica el aceite en cada vaso deberá ser de '(mL, de manera %ue la decoloración se observe detalladamente para cada vaso a su correspondiente temperatura. Al momento de mantener una temperatura constante se debe de agregar reci"n, la tierra activada, con agitación constante para %ue el aceite pase a trav"s de los poros de la tierra activada ! ocurra la adoración del achiote.
5I5LIOGRAFÍA
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4aron )amuel .> 1rutton *arl. @undamentos de fisico%uímica. Editorial Limusa, 4"xico -DD. 1áginas: 0'?> 0//. A7J3#), @3)3*$8M43*A, tercera edición Addison esle!, 1ág. D((>D-/. B3LCE67$ . *A)7ELLA#, segunda edición Addison esle! Longman, 1ág. >?D.
CUESTIONARIO 7( PQ"' a#licaciones tiene la adsorci)n •
•
El carbón de madera puede adsorber grandes cantidades de gases, especialmente los %ue se lic2an fácilmente como el amoniaco, el anhídrido sulfuroso ! el cloro, ! así mismo, retira sustancias colorantes de ciertas soluciones acuosas. $tro es el gel de sílice obtenido mediante la desecación de un precipitado de ácido silícico, se usa en forma particular para remover la humedad del aire en los lugares de conservación de instrumentos delicados. En la industria son innumerables los procesos en los %ue la adsorción es fundamental para la culminación de diferentes etapas ! eventual reali&ación de muchos productos. Entre muchos de ellos cabe mencionar la decoloración del a&2car. La refinación de a&2car consta de un proceso en el %ue se suele utili&ar un filtro de huesos carboni&ados o carbón activado el cual decolora el a&2car para hacerlo blanco mediante un proceso de absorción. Aun%ue los filtro de hueso son utili&ados por algunas de las principales compaNías a&ucareras, no son usados para producir todo el a&2car refinado. Las refinerías de a&2car de remolacha nunca usan filtros de huesos en su proceso por%ue este tipo de a&2car no re%uiere un procedimiento extensivo de decoloración pero casi todas las refinerías de a&2car de caNa re%uieren el uso de un filtro específico para
decolorar el a&2car ! absorber los materiales inorgánicos. Este proceso de blan%ueado sucede hacia el final del proceso de refinado del a&2car.
•
•
$tro proceso industrial en el %ue la absorción se hace presente es en la refinación de aceites. Las grasas ! los aceites de uso comercial en alimentos provienen de diferente s fuentes, despu"s de procesos para extracción de los tejidos adiposos de animales ! los granos de oleaginosas, por medio de prensado o por diferentes solventes se obtiene los aceites de consumo pero es necesario someterle a procesos de adsorción para liberarlos de fosfáticos, ácidos grasos libres, pigmentos ! sustancias %ue produ&can mal olor ! sabor. El aceite neutro ! lavado se decolora aNadiendo tierras adsorbentes +arcillosa o silícea. Las arcillas son tratadas con ácido clorhídrico o sulf2rico diluidas. A veces se utili&an me&clas de tierras ! carbón activado +?>-(O para obtener mejores resultados. El aceite decolorado se filtra mediante filtro prensa ! la tierra usada se desecha.
;( !or4"e es &s con$iable la isoter&a de adsorci)n de Lan9&"ir, a altas #resiones de 9as, #ara la adsorci)n 4"*&ica 4"e #ara la adsorci)n $*sica( En la adsorción física esta aumentara si aumentamos la presión parcial del gas ! para la adsorción %uímica la presión del gas no tiene generalmente el efecto relatado %ue para la adsorción física, más %ue hasta cierto límite %ue corresponde a la saturación de la película monomolecular, por ello es más
confiable la adsorción %uímica !a %ue está casi no se ve afectado por la presión del gas.
B( PQ"' di$erencias e.iste entre la 4"i&isorci)n > la $isisorci)n
Q"i&isorci)n La 4"i&isorci)n ocurre cuando un enlace %uímico, definido en este caso como un intercambio de electrones, se forma. El grado de intercambio ! lo sim"trico %ue sea dependen de los materiales involucrados. A menudo ha! un paralelismo con las situaciones encontradas en %uímica de coordinación. La %uimisorción es particularmente importante en la catálisis heterog"nea, la forma más com2n en la industria, donde un catali&ador sólido interacciona con un flujo gaseoso, el reactante o los reactantes, en lo %ue se denomina reacción en lecho fluido. La adsorción del reactante por la superficie del catali&ador crea un enlace %uímico, alterando la densidad electrónica alrededor de la mol"cula reactante ! permitiendo reacciones %ue normalmente no se producirían en otras circunstancias. La corrosión es un ejemplo de ello.
o o o
*omprende la naturale&a %uímica entre el gas ! el adsorbente. )u calor de absorción es más grande %ue '( Jcal;mol. )e produce en casos limitados.
o o
La presión no tiene casi efecto. La adsorción es característica de la sustancia absorbida ! del adsorbente.
Fisisorción
La $isisorci)n es la forma más simple de adsorción, ! es debida a d"biles fuer&as atractivas, generalmente fuer&as de 9an der aals. 5ado %ue estas fuer&as son omnipresentes, resulta %ue rápidamente cual%uier superficie limpia expuesta al ambiente acumula una capa de material fisisorbido. o o o o
)e presenta en todas las sustancias. )u calor de adsorción es bajo, menos de -( Jcal;mol )e reali&a a temperaturas bajas La adsorción aumenta al aumentar la presión del gas.
