UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR ECUADOR
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA DE INTERFASES NOMBRE: Cristian Cervantes V. FECHA: 08 de enero de 2010 TEMA:
Isotermas de Adsorción OBJETIVO: Determinar la ecuación de la isoterma de Freundlich para la adsorción de ácido cítrico en carbón activado. FUNDAMENTO TEÓRICO: ADSORCIÓN DE SUSTANCIAS EN INTERFASES SÓLIDO-LÍQUIDO La adsorción de sustancias es un fenómeno de superficie que se da en interfases sólido líquido líquido en las cuales el sólido involucrado es un material poroso; estos poros son diminutos, pero en conjunto dan áreas interfaciales enormes que facilitan e intensifican el fenómeno de adsorción, como ejemplo de estos sólidos porosos se pueden citar al carbón activado, las zeolitas, las bentolitas, etc. La adsorción sobre sólidos porosos en interfases S-L tiene la ventaja de que las sustancias adsorbidas pueden ser en la generalidad de los casos de cualquier tipo, no sólo iones o tensoactivos como ocurre en las interfases S-L S-L con sólidos no porosos. Ésta es la razón razón por la cual éste fenómeno fenómeno tiene aplicación entre otras cosas en la remoción de especies disueltas desde una solución puesta en contacto con un sólido poroso.
ISOTERMA DE FREUNDLICH Cualquier tipo de adsorción en sólidos porosos se ve afectada por la temperatura, temperatura, la presión, el pH y el tamaño de partícula. Experimental y matemáticamente matemáticamente el proceso se cuantifica a temperatura constante obteniéndose ecuaciones que describen el proceso a las que se las llama isotermas de adsorción, y en su gran mayoría son empíricas. Las isotermas de Freundlich son ecuaciones empíricas que pueden describir absorciones en mono o multicapas y su forma general es:
Donde:
à
k
à
n
à
masa de adsorbato retenido por unidad
de masa de adsorbente una vez vez que se ha alcanzado la concentración C constante de Freundlich que depende de la temperatura temperatura para cada pareja adsorbente adsorbente adsorbato. constante de origen empírico sin ningún nombre específico
Experimentalmente se determinan las constantes de la isoterma linealizando esta ecuación, llegando a una expresión de la forma:
Donde las constantes se determinan utilizando la pendiente y la ordenada al origen obtenidas de la regresión lineal Una vez conocidas las constantes de Freundlich la ecuación de la isoterma puede servir para cálculos posteriores como por ejemplo la cantidad de adsorbente que se necesitará para que la concentración de un soluto disminuya desde su valor inicial hasta algún otro valor.
PROCEDIMIENTO: - Preparar 1L de solución de NaOH de aproximadamente 1M y normalizarla adecuadamente - Preparar 1L de solución de ácido cítrico aproximadamente 1M y estandarizarla con la solución patrón de sosa usando fenolftaleína como indicador - De la solución estandarizada de ácido cítrico tomar las siguientes alícuotas y aforarlas a 250mL con agua destilada ALÍCUOTA (mL) 250,0 187,5 125,0 62,5 25,0 12,5
-
-
AFORO (mL) 250 250 250 250 250 250
à à à à à à
De las soluciones anteriores tomar una al{icuota de 100mL y colocarla en un erlenmeyer de 250mL con exactamente 3g de carb{on activado y agitar magn{eticamente por aproximadamente 30 minutos. Filtrar todas las suspensiones anteriores y titular con el NaOH los siguientes volúmenes de los filtrados: V FILTRADO (mL) 10 10 25 25 50 50
MATERIALES Y REACTIVOS: - Material de vidrio - Balanza analítica - Papel filtro - Agitador magnético - Soporte universal
-
Ácido cítrico Hidróxido de sodio Fenolftaleína Carbón activado Ftalato Ácido de Potasio Agua destilada Etanol
DATOS EXPERIMENTALES: Tabla 1. Normalización del Hidróxido de Sodio (NaOH) Masa de KHF (g) Volumen de NaOH (mL) Molaridad NaOH (mol/L) a 2,0198 10,00 0,9890 2,0780 10,25 0,9927 2,0594 10,15 0,9935 0,9917 a
Los valores que se muestran fueron calculados con la siguiente fórmula: C NAOH=mKHF/(MKHFxVNAOH)
Tabla 2. Normalización del Ácido Cítrico (H 3A) Volumen de H3A (mL) Volumen de NaOH (mL) Molaridad H3A (mol/L) b 5 16,35 1,0809 5 16,55 1,0942 5 16,45 1,0875 1,0875 b
Los valores que se muestran fueron calculados con la siguiente fórmula: C H3A=vNAOHxcNAOH/(3VH3A)
Tabla 3. Preparación de los estándares de Ácido Cítrico (H 3A) V ALICUOTAS (mL) V AFORO (mL) 250,0 250 187,5 250 125,0 250 62,5 250 25,0 250 12,5 250
Tabla 4. Adsorción de H 3A en Carbón Activado m ADSORBENTE (g) V FILTRADO (mL) V NAOH (mL) 3,0107 10 32,15 2,9638 10 24,05 2,9561 25 38,00 2,9747 25 18,50 2,9990 50 13,85 2,9934 50 6,85
CÁLCULOS: Todos los cálculos que se mostrarán a continuación son tan sólo un ejemplo representativo de los mismos utilizando los valores obtenidos para el tercer estándar (dilución de 125mL de H3A en 2500mL de Agua)
Cálculo de la concentración inicial de las soluciones diluídas de H 3 A (C o ) Co (mol/L) 1,08750 0,81563 0,54375 0,27188 0,10875 0,05438
Cálculo de las concentraciones finales de H3A luego de la adsorción (C) nH3A (mol) 0,01063 0,00795 0,01256 0,00612 0,00458 0,00226
H3A + 3NaOH à Na3A + 3H2O
C (mol/L) 1,06277 0,79501 0,50246 0,24462 0,09157 0,04529
Cálculo de la masa de H3A adsorbida por unidad de adsorbente (q) mH3Ao (g)
mH3Afinal mH3Aads (g)
q
(g)
20,89566 20,42052 0,475137 0,157816 15,67175 15,27569 0,39605 0,133629 10,44783 9,654493 0,793337 0,268373 5,223915 4,700214 0,523701 0,176052 2,089566 1,759404 0,330162 0,110091 1,044783 0,870175 0,174608 0,058331
Isoterma y Linealización de la isoterma para la interfase Carbón Activado Ácido Cítrico Tabla 5. Isoterma y linealización de la isoterma
q
C (mol/L)
ln q
ln C
0,157816
1,06277
/////// c
/////// c
0,133629
0,79501
/////// c
/////// c
0,268373
0,50246
-0,68824
-1,31538
0,176052
0,24462
-1,40805
-1,73698
0,110091
0,09157
-2,39068
-2,20645
0,058331
0,04529
-3,09472
-2,84162
c
Estos valores han sido excluídos debido a que están fuera de relación con el resto de los datos de la isoterma. Para poder observar esta falta de rrelación, se ha incluído estos datos en la gráfica de la isoterma como puntos individuales.
Gráfico 1. Isoterma de Adsorción para la interfase Carbón Activado Ácido Cítricod
q 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0
0,5
1
1,5
C (mol/L) d
Los dos últimos puntos que se muestran en la gráfica han sido incluídos para demostrar la falta de rrelación que exciste entre éstos y el resto de puntos, la misma que obligó a eliminar estos datos de los cálculos
Gráfico 2. Linealización de la Isoterma de Adsorción para la interfase Carbón Activado Ácido Cítrico 0
lnq -4
-3
-2
-1
0
1
-0,5
-1
y = 0,611x - 0,865 R² = 0,982
-1,5
-2
-2,5
-3
lnC
Cálculo de las constantes de Freundlich para la interfase Carbón activo Ácido cítrico (n, k) ECUACIÓN DE LA RECTA ln q = 0,611 ln C 0,865 PENDIENTE (1/n) 0,611603 ORDENADA (ln k) -0,86586 n 1,635048 k 0,420689
Tabla 6. Constantes de Freundlich y Ecuación de la Isoterma de Adsorción para la Interfase Carbón Activado Ácido Cítrico
Constante n
1,6350
Constante k
0,4207
Ecuación de la Isoterma
CONCLUSIONES La ecuación de la isoterma determinada para la adsorción de ácido cítrico en carbón activado fue: . ANEXO
COMPARACIÓN Y ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS POR TODOS LOS GRUPOS DE LABORATORIO Comparando los resultados que obtuvieron los diferentes grupos de laboratorio, se pueden hacer las siguientes consideraciones:
Grafica A1 lnq
Grafica A2 lnq
0 -4
-3
-2
-1
0
0 -4
-3
-2
-1
-0,5
y = 0,6116x - 0,8659 R² = 0,9824
0 -0,5
-1
-1
y = 0,6038x - 1,2932 R² = 0,9978
-1,5
-1,5
-2
-2
-2,5
-2,5
-3
-3
lnC
lnC
n= 1,635048 k= 0,420689
n= 1,656189 k= 0,2744
Grafica A3 lnq
Grafica A4 lnq
0 -4
-3
-2
-1
0
0 -4
-3
-2
-1
0 -0,5
-0,5
-1
y = 0,5302x - 1,2473 R² = 0,947
-1
y = 0,3317x - 2,0342 R² = 0,9946
-1,5
-1,5 -2 -2 -2,5 -2,5
-3
-3
-3,5
lnC
n= 1,886091 k= 0,28727
lnC
n= 3,014826 k= 0,130785
PRIMERO. Los valores de las constantes n y k de la isoterma de adsorción están directamente relacionados con la presición y la exactitud del método respectivamente. Obsérvese que las dos primeras gráficas poseen un factor de correlación bastante aceptable, mientras que en la tercera no es así, y además observe que el valor de la constante n es muy similar entre las dos primeras y diferentes de la tercera. Por otro lado, obsérve también que la pendiente, y por lo tanto la ordenada al origen es similar entre la segunda y tercera gráfica, mientras que son diferentes de la primera, y así mismo sucede con los valores de la constante k. Por lo tanto: Si en el desarrollo de la práctica, los valores obtenidos varían disminuyendo el factor de correlación de la regresión lineal, ésto afecta directamente sobre la presición que posee la pendiente de la recta al cruzar sobre los puntos experimentales, y como la pendiente de la recta está relacionada con la constante n de la isoterma, entonces el valor numérico que se calcule para n tendrá un error significativo debido a la falta de presición de los datos. En cambio, si los datos que se obtienen experimentalmente carecen de exactitud, la recta que resulta termina cortando en el eje de las ordenadas sobre un punto erróneo, y por lo tanto, el valor de la constante k que está directamente relacionada con la ordenada al origen, tendrá un error de exactitud.
SEGUNDO. La temperatura a la que se realiza el experimento influye enormemente con el resultado de la isoterma de adsorción. Grafica A5. Isotermas de Adsorción de los diferentes grupos q
q 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0
0,5
1
1,5
C (mol/L)
q
q
0,4
0,4
0,16
0,35
0,35
0,14
0,3
0,3
0,12
0,25
0,25
0,1
0,2
0,2
0,08
0,15
0,15
0,06
0,1
0,1
0,04
0,05
0,05
0,02
0
0 0
0,5
1
1,5
C (mol/L)
0 0
0,5
1
1,5
0
C (mol/L)
0,5
1
1,5
C (mol/L)
Con el antecedente de que la cuarta gráfica mostrada arriba se la obtuvo realizando el experimento en una locación y un tiempo diferente, con condiciones de temperatura nada comparables, mientras que las tres anteriores se realizaron en un mismo lugar y casi en un mismo tiempo, se establece que ésta diferencia de temperatura es la causante de la enorme variación que se observa en los datos obtenidos. Esta consideración se hace fundamentándose en el hecho de que los datos obtenidos en la cuarta gráfica son totalmente válidos, pues poseen un buen factor de correlación, lo que significa que los valores de las constantes obtenidas no poseen un error significativo que invalide al experimento.
BIBLIOGRAFÍA - FUENTE DESCONOCIDA. Técnica proporcionada por el docente de cátedra
