Isotermas de Adsorcion

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOSFacultad de Química e Ingeniería Química

Laboratorio de Fisicoquímica II

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS(Universidad del Perú, Decana de América)

FACULTAD DE QUÍMICA E INGENIERÍA QUÍMICADEPARTAMENTO ACADÉMICO DE FISICOQUÍMICA


ISOTERMAS DE ADSORCIÓN DE SOLUTOS

PROFESOR: PANTOJA CADILLO

ALUMNOS: CRISTHIAN ANDRÉ FUENTES VIDEIRA 13070174

DIEGO ARMANDO MONTENEGRO ATUNCA 13070046

FRANKLIN CCOYLLO CCANTO 13070164

Fecha de realización de la práctica: 17 – junio - 2015

Fecha de entrega del informe: 24– junio - 2015

CIUDAD UNIVERSITARIA

2015



TABLA DE CONTENIDO

I. RESUMEN

II. OBJETIVOS

III. FUNDAMENTO TEÓRICO

IV. MATERIALES Y REACTIVOS

V. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

VI. RESULTADOS

VII. CALCULOS

VIII. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

IX. CONCLUSIONES

X. CUESTIONARIO



I. Resumen

II. Objetivos

Trazar la isoterma para la adsorción de acetona con carbón activado a partir de soluciones acuosas y obtener las constantes para la isoterma de Freundlich.



III. PRINCIPIOS TEÓRICOS

Adsorción: La adsorción es un fenómeno de superficie, por el cual el material

absorbido, (absorbato) se adhiere a la superficie de un solido (absorbente), debido

a la existencia de fuerzas superficiales no compensadas, ya que las moléculas

superficiales del solido están retenidas por un lado al resto del mismo,

originándose una energía superficial que permita la adhesión de moléculas

extrañas.

Para la adsorción de gases por solidos se ha determinado 2 tipos de adsorción:

- Adsorcion Fisica o de Van der Walls . Los calores de adsorción son del

orden de 10000 calorias, es reversible, el equilibrio de adsorción se alcanza

con rapidez y las fuerzas que ligan al absorbato con el absorbente son del

tipo de Van der Walls.

- Adsorcion química o activada. Los calores de adsorción son el orden de

20000 a 100000 cal, es menos reversible, las fuerzas que actúan son

similares a los enlaces químicos, por lo que en ella se considera la

formación de un compuesto superficial.

La cantidad de gas absorbida depende del absorbente , absorbato, área

superficial, temperatura y presión del gas.

Adsorcion de solutos desde soluciones: En términos gen erales esta adsorción

presenta las mismas características que la de gases:

- Selectividad: Se presenta adsorción del soluto del solvente pero raras

veces de ambos. Unas sustancias son mejor absorbidas que otras, la

mayoría de las sustancias absorbe preferentemente a iones de carga



opuesta a la suya, y débilmente a los no electrolitos; las magnitudes de

adsorción de electrolitos depende de la concentración y el pH de la

solución. El carbón vegetal es el único material común que presenta un

comportamiento prácticamente independientemente de la carga eléctrica

del material absorbido, generalmente este adsorbe mejor a los no

electrolitos.

- Variacion inversa con la temperatura.

- Variacion directa con la complejidad de la molecula del absorbato.

Isoterma de adsorción: Son graficos donde se puede apreciar la relación entre la

cantidad de sustancia absorbida por gramo de absorbente y la concentración o

presión de equilibrio del absorbato.

En la adsorción de gases por solidos se han encontrado cinco tipos de isotermas.

Para la adsorción desde soluciones se encuentra que generalmente la cantidad

absorbida aumenta con la concentración de la sustancia disuelta hasta un valor

definido de saturación. Para este tipo de isotermas se han formulado la

ecuaciones:

- Ecuacion de Freundlich: Es una ecuación empírica de la forma:

x/m=KCn

Donde:

X/m: Masa de sustancia absorbida por unidad de masa o de área de

adsorbente.

C: Concentracion de equilibrio de la solución.



K,n: Constantes empíricas que dependen del absorbato, del adsurbente,

de la temperatura y del solvente.

Para obtener las Ctes, K y n se puede tomar logaritmos a ambos miembros

de la Ec. (1) lo que dara una representación gráfica lineal:

Log (x/m)= LogK + nLogC

- Ecuacion de Langmuir: Se basa en la consideración teorica de que la

adsorción se ejecuta en capas monomoleculares , lo que origina que a

medida que se lleva a cabo la adsorción , ésta solo pueda proseguir en

sitios desocupados de la superficie del absorbente. Para absorción desde

soluciones esta ecuación toma la forma:

xm

= aC(1+bC)

Donde a y b son constantes. La Ec. De Langmuir pede adoptar la forma lineal:

Cx /m

=1a+ baC

III. MATERIALES Y REACTIVOS

Erlenmeyer, pipetas, buretas, vasos, fiolas, embudos, papel de filtro, soporte, baguetes, termómetro, cocinilla.

Solución 0.1 N de yodo, solución valorada 0.1 N de tiosulfato de sodio, NaOH 1N, H2SO4 1N y 6N, acetona, carbón activado

IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL



4.3. ADSORCION

A) En un matraz seco de tapa esmerilada, mida con pipeta 100 mL de la solución de acetona, añada 1g exactamente pesado de carbón

activado, agite durante 2minutos y filtre inmediatamente en un embudo adaptado a un Erlenmeyer seco, con tapón de corcho, tape el embudo con luna de reloj durante la filtración. Descarte los 10 mL

iniciales de filtrado. Mida la temperatura del sistema.

b) Valore los filtrados igual que en 3.2 B), usando para ello lo mismos volúmenes de la tabla Nº 1 que usará para las

correspondientes soluciones originales



4.1.- PREPARACIÓN DE SOLUCIONES.-

A) Prepare una solución 0.2 M de acetona, midiendo en una fiola 200 mL de agua destilada

y agregando 3 mL de acetona QP (solución 1)

B) Prepare 200 mL de soluciones 0.05; 0.02; 0.005 M de acetona a partir de la solución 1



4.2 VALORACIÓN DE SOLUCIONES

A) Solucion de 0.1 aprox de iodo ...se toman 10ml de solucion de iodo se diluye hasta 20 ml aprox se añaden 5

ml de H2SO4 6N y valoramos inmediatamente con la solucion de tiosulfato de sodio hasta coloracion amarillo pajiizo, agregar indicador de almidon y seguir valorando

hasta desaparicion del color azul

B) soluciones de acetona ... las soluciones se valoraran por retroceso . se midieron con pipeta volumetrica cierto

volumen de sol de acetona segun la tabla N1 ..se agregan 25ml de NaOH ..agite vigorosamente durante 30 segundos y deje en reposo durante 10 minutos. Cuando la solución tome coloración amarillo pajizo, Repita con

todas las soluciones de acetona usando para cada una de ellas los volúmenes indicados de la Tabla Nº1



V. RESULTADOS

TABLA 5.1 CONDICIONES DEL LABORATORIO

TABLA 5.2 VALORACION DE LA SOLUCION DE YODO

N. Iodo Vol. de sol. Iodo (ml)

Vol. de Na2S2O3

(ml)N. Na2S2O3

0.1035 10 10.25 0.1010

TABLA 5.3 VALORACIÓN DE LA SOLUCIÓN DE ACETONA

Solución de acetona M(mol/L)

Volumen de acetona (ml)

Volumen de agua (ml)

Volumen de yodo (ml)

Volumen de Na2S2O3

gastado (ml)0.200 2 8 40 14.50.050 10 0 40 9.30.020 10 0 20 8.50.005 10 0 5 1.4

TABLA 5.4 VALORACIÓN DE LA SOLUCION DE ACETONA FILTRADA LUEGO DE LA ADSORCIÓN CON CARBON ACTIVADO

Solución de Volumen de Volumen de Volumen de Peso carbón Volumen de

P (mmHg) 756

T (°C) 23

% Humedad Relativa 96



acetona acetona (ml) agua (ml) Yodo (ml) activado (g) Na2S2O3

gastado(ml)0.200 2 8 40 1.000 18.40.050 10 0 40 1.000 15.60.020 10 0 20 1.000 120.005 10 0 5 1.000 2.7

TABLA 5.5 CÁLCULO DE LOS # eq-g DE I2 POR RETROCESO

#eq-I2 #eq-Na2S2O3 #eqRXN I2#eq-I2x9.67g

AcetonaAcetona

mlAcetona mol / L

0.00414 0.00146 0.00268 0.0259 2 0.22270.00414 0.00094 0.00320 0.0310 10 0.05330.00207 0.00086 0.00121 0.0117 10 0.02020.00052 0.00014 0.00038 0.0036 10 0.0063

TABLA 5.6 CÁLCULO DE LOS # EQ-G DE I2 POR RETROCESO DE LA SOLUCIÓN FILTRADA

Solución filtrada

#eq-I2 #eq-Na2S2O3 #eqRXN I2#eq-I2x9.67g

AcetonaAcetona ml

Acetona mol / L

0.00414 0.00186 0.00228 0.02206 2 0.18990.00414 0.00158 0.00256 0.02480 10 0.04270.00207 0.00121 0.00086 0.00830 10 0.01430.00052 0.00027 0.00024 0.00237 10 0.0041

Tabla 5.7 CALCULO DE x/m

Xmasa de carbón

X/m



0.1905 1.002 0.19010.0615 1.007 0.06110.0342 1.001 0.03420.0127 1.003 0.0127

TABLA 5.6 C versus X/m

Grafico 1 CONCENTRACIÓN C VS X/M

0.000 0.020 0.040 0.060 0.080 0.100 0.120 0.140 0.160 0.180 0.2000.0000.0200.0400.0600.0800.1000.1200.1400.1600.1800.200

Isoterma de adsorción de Freundlich

Concentración

x/m

TABLA 5.7 log(C) y log(X/m)

C X/m0.190 0.1900.043 0.0610.014 0.0340.004 0.013



Acetona mol / L

log(C) X/m log(X/m)

0.189936915 -0.72 0.190051542 -0.72

0.042695847 -1.37 0.061114631 -1.21

0.014285227 -1.85 0.034162952 -1.47

0.004075785 -2.39 0.012658734 -1.90

Grafico 2 log(C) vs log(X/m)

-2.60 -2.40 -2.20 -2.00 -1.80 -1.60 -1.40 -1.20 -1.00 -0.80 -0.60

-2.00

-1.80

-1.60

-1.40

-1.20

-1.00

-0.80

-0.60

-0.40

-0.20

0.00

f(x) = 0.691915035097063 x − 0.23051197435471

log(X/m)=nlog(C) + log(K)

log( C )

log(

X/m

)

VI. EJEMPLO DE CÁLCULOS



Calculo de la Concentración de soluciones.

a) Calculamos la concentración de la solución de iodo a partir de la valoración con tiosulfato.

(N x V)I2 = (N x V) Na2S2O3

Se tiene: Vg Na2S2O3 = 10.25ml. N Na2S2O3 = 0.1010 V I2 = 10 ml.

Se tiene por tal: N I2 = 0.1010 X 10.25/10 N I2 = 0,1035 NSe obtuvo una normalidad de 0.1035 para la solución de iodo.

b) Solución de la Acetona.

- Calculamos el # de equivalentes de iodo que han reaccionado con la acetona restando el # de equivalente de iodo colocados del # de equivalentes del iodo valorados.

Para 2 ml de acetona aproximadamente 0.2N Volumen del iodo colocados: 0.04 LVolumen de Na2 S2O3 (al valorar): 14.5x10-3 L

#Eq I2 Rx = # Eq colocados -#Eq Valorados#Eq I2 Rx = 0,04 Lx 0.1035 N – 0.1010 N x 12.5 x 10-3 L#Eq I2 Rx = 0.00268

De la misma forma se hacen para las demás concentraciones ( 0.05, 0.02 y 0.005), con carbón y sin carbón.

Calculo del peso de la acetona presente en la solución sabiendo que 1 eq de iodo reacciona con 9.67 g de acetona.

1 EQ I2 --------------------9,67 CH3COCH3

0.00268 ---------------------- X g

X = 0.0259g.De la misma forma se hacen para las demás equivalentes, con carbón y sin carbón,



Con el peso anterior y el volumen de la solución de acetona valorado, determine la molaridad de la solución.

M = W acetona/ PF acetona = 0.0259/58.08 = 0.2227mol/l V (L) 2 x 10-3

De la misma forma se hacen para las demás, con carbón (C) y sin carbón (C0), ver tablas 5.3 y 5.4.

Repetimos el cálculo para las soluciones originales (C0) y para todos los filtrados (C)

Isotermas de absorción.

a) Determine el peso (X) de acetona absorbida en cada solución, mediante la expresión:

Dónde: Co = concentración. Inicial C = concentración. en el equilibrio. P. M = Peso molecular de la acetona = 58.08g/mol V = volumen de la solución de acetona.

Para la 1º muestra se tiene: x = (0.2227 – 0.1899) (58.08) (100ml) x = 0.1901g.

Los gramos de acetona adsorbidos de las demás muestras fueron hallados de la misma manera, mayor información en la Tabla 5.5.

b) Calculamos el peso absorbido por gramo de absorbente (X/m).

Se tiene para la 1º muestra:

De la misma forma se halló los gramos de acetona adsorbidos por gramo de

Xm

= WacetonaadsorbidaWdecarbon activado

Xm

=0.1905g1.0021g

=0.1901

X=(C0−C )P .MxV



carbón para cada muestra , los cuales se pueden apreciar en la Tabla 5.6.

c) Para obtener las constantes. K y n para la ecuación, grafique Log(X/m) vs Log C.

Haciendo uso de regresión calculada en Excel se halla los valores de n Y el log (K)Obteniéndose por comparación

n=0.6919

Log (k)= -0.2305

K=0.58817

Por lo tanto la ecuación queda de la forma:

Xm

=K Cn

VII. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Xm

=0.58817C0.6919



VIII. CONCLUSIÓN

-Se llegó a trazar la isoterma de adsorción y por regresión en Excel se obtuvo los valores de n=0.6919, log (k)=-0.2305 y k=0.58817 que forman parte de la ecuación de Freundlich.



IX. CUESTIONARIO

1. ¿Qué aplicaciones tiene la adsorción?

En la industria son innumerables los procesos en los que la adsorción es fundamental para la culminación de diferentes etapas y eventual realización de muchos productos. Entre muchos de ellos cabe mencionar la decoloración del azúcar. La refinación de azúcar consta de un proceso en el que se suele utilizar un filtro de huesos carbonizados o carbón activado el cual decolora el azúcar para hacerlo blanco mediante un proceso de absorción. Aunque los filtros de hueso son utilizados por algunas de las principales compañías azucareras, no son usados para producir todo el azúcar refinado. Las refinerías de azúcar de remolacha nunca usan filtros de huesos en su proceso porque este tipo de azúcar no requiere un procedimiento extensivo de decoloración pero casi todas las refinerías de azúcar de caña requieren el uso de un filtro específico para decolorar el azúcar y absorber los materiales inorgánicos. Este proceso de blanqueado sucede hacia el final del proceso de refinado del azúcar. (1)Otro proceso industrial en el que la absorción se hace presente es en la refinación de aceites.Las grasas y los aceites de uso comercial en alimentos provienen de diferentes fuentes, después de procesos para extracción de los tejidos adiposos de animales y 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 y sustancias que produzcan mal olor y sabor. El aceite neutro y lavado se decolora añadiendo tierras adsorbentes (arcillosa o silícea). Las arcillas son tratadas con ácido clorhídrico o sulfúrico diluidas. A veces se utilizan mezclas de tierras y carbón activado (5-10%) para obtener mejores resultados. El aceite decolorado se filtra mediante filtro prensa y la tierra usada se desecha.(2)Aunque los procesos anteriormente mencionados son de la industria alimenticia es importante destacar que en la industria ambiental la adsorción cumple un papel importante como lo es en el tratamiento de aguas. Elevadas concentraciones de nitrógeno en efluentes pueden ocasionar serios problemas ambientales; como reducción de la concentración de oxigeno disuelto en aguas, toxicidad en la vida acuática, peligro en la salud pública y disminución del potencial de reutilización del agua residual. Por esto se busca bajar la concentración de N-amoniacal del agua residual por medio de u proceso de adsorción y de nitrificación biológica, utilizando zeolita



natural clinoptilolita como agente adsorbente y microorganismos anammóxicos presentes en lodos activados.

2. ¿Porque es mas confiable la isoterma de absorción de Langmuir, a altas presiones gas, para la adsorción química que para la adsorción física?

De acuerdo con Langmuir sobre la estructura de una superficie sólida un átomo, ión ó molécula en la superficie de un cristal tiene una fuerza atractiva que se extiende en el espacio por una distancia comparable al diámetro de una molécula , por lo cual es capaz de sostener por adsorción una capa monomolecular de la sustancia extraña sobre la superficie del cristal. Como en la adsorción química solo se adsorbe una capa de moléculas sobre la superficie del sólido debido a que las fuerzas químicas decrecen muy rápidamente con la distancia.

3. ¿ Qué diferencia existe entre la quimisorcion y la fisisorcion?

Adsorción física o fisisorción: las moléculas del gas se mantienen unidas a la superficie del sólido por medio de fuerzas de Van der Waals (interacciones dipolares, dispersión y/o inducción).

Este hecho define todas las características propias de la fisisorción:

i) es una interacción débil.

ii) Es un proceso exotérmico (las fuerzas de van der Waals son atractivas) en el que los calores liberados, ∆Hads (aprox. 20-40 kJ/mol) son semejantes a las entalpías de condensación de la sustancia adsorbida. La energía liberada es adsorbida en forma de vibración por la red del sólido y ∆H°ads se puede medir por el aumento de temperatura de la muestra.

iii) La molécula fisisorbida mantiene su identidad ya que la energía es insuficiente para romper el enlace aunque su geometría puede estar distorsionada.

iv) La fisisorción es un proceso no especifico ya que las fuerzas que intervienen no lo son y no existe una selectividad marcada entre adsorbato y adsorbente. En general, los gases muy polarizables son adsorbidos más fácilmente.

v) La fisisorción se produce en multicapas. Sobre una capa de gas fisisorbida puede adsorberse otra. La ∆Hads para la primera capa viene determinada por las fuerzas entre adsorbente (M) y adsorbato (A), mientras que la ∆Hads para las



capas siguientes depende de las interacciones A-A y por tanto es similar a la entalpía de condensación.

Adsorción química o quimisorción: fue propuesta por Langmuir en 1916. En este caso las moléculas de gas se mantienen unidas a la superficie formando un enlace químico fuerte.

Este hecho define las características propias de la quimisorción:

i) se trata de una interacción más fuerte que la fisisorción.

ii) Las entalpías de quimisorción son mucho mayores que las de fisisorción y del orden de las que se liberan en la formación de enlaces químicos, ∆H°ads = - (100-500) kJ/mol. Si en la quimisorción se produce formación y rotura de enlaces podrían esperarse valores de ∆H°ads tanto positivos como negativos (al igual que en las reacciones químicas ordinarias). Sin embargo, la quimisorción es exotérmica normalmente. La razón es que un proceso espontáneo requiere ∆G0

iii) La quimisorción es específica. Por ejemplo el N2 es quimiadsorbido a temperatura ambiente sobre Fe, W, Ca y Ti, pero no sobre Ni, Zn, Ag, Cu o Pb. El Au(s) quimisorbe O2, C2H2 y CO pero no H2, CO2 o N2.

iv) Dado que implica la formación de un enlace entre adsorbato y el adsorbente, el proceso se detiene tras la formación de una monocapa sobre la superficie. Aunque sólo una capa puede estar quimisorbida puede producirse adsorción física de nuevas capas de adsorbato sobre la primera.

v) En general, la quimisorción implica la rotura y formación de enlaces, por lo que la molécula quimisorbida no mantiene la misma estructura electrónica (enlaces) que en fase gaseosa.



X. Bibliografía

Gaston Pons Muzzo / Fisicoquímica / 1ª Edición ,Editorial Universo, 1969

Paginas 469 – 470-471-472-473-474-475.

Farrington Daniels -Robert A. Alberty / Físico Química / 4º Edición,Compañía Editorial Continental S.A.

Paginas 370 - 377

Isotermas de Adsorcion

Documents

Transcript of Isotermas de Adsorcion