ISOTERMAS DE ADSORCIN DE SOLUTOS

I. RESUMENEl objetivo de la prctica fue determinar la isoterma para la adsorcin de acetona con carbn activado a partir de soluciones acuosas y obtener las constantes para la isoterma de Freundlich.

El laboratorio se encontr a las siguientes condiciones ambientales, a una temperatura de 23C, un porcentaje de humedad de 97% y una presin de 756 mmHg.

El trabajo consiste, primero en preparar una solucin 0.2 M de acetona, usando 3 mL de acetona QP. A partir de esta solucin preparar 200 mL de soluciones 0.05, 0.02 y 0.005M. Luego valoramos la solucin de Iodo aproximadamente 0.1N con la solucin de tiosulfato de sodio. Luego se proceden a titular las soluciones de acetona preparadas usando el volumen indicado en la tabla 1. Dicha valoracin se hace por retroceso.En la segunda parte, se proceder a filtrar estas soluciones de acetona agregando a cada una de ella aproximadamente 1g de carbn activado (lo ms exacto posible).

Se obtuvieron los siguientes resultados: los pesos adsorbidos de acetona en cada solucin fueron (X): 0.0038, 0.0062, 0.0056, 0.0013g para el grupo 1 y 0.0052, 0.0055, 0.0056, 0.0014g para el grupo 2; los pesos de carbn activado que se pesaron fueron (m): 1.0021, 1.0068, 1.0006, 1.0030g para el grupo 1 y 1.0025, 1.0012, 1.0040, 1.0001g para el grupo 2. Para el grupo 1 las concentraciones finales fueron (C): 0.1903, 0.0427, 0.0143, 0.0041M. Para el grupo 1 las concentraciones finales fueron (C): 0.1748, 0.0454, 0.0146, 0.0036M.

II. OBJETIVOS Trazar la isoterma para la adsorcin de acetona con carbn activado a partir de soluciones acuosas y obtener las constantes para la isoterma de Freundlich.

III. FUNDAMENTO TERICO

a) Adsorcin: La adsorcin es un fenmeno de superficie, por el cual el material adsorbido (adsorbato), se adhiere a la superficie de un slido (adsorbente), debido a la existencia de fuerzas superficiales no compensadas, ya que las molculas superficiales del slido estn retenidas por un lado al resto del mismo, originndose una energa superficial que permita la adhesin de molculas extraas.Para la adsorcin de gases por slidos se ha determinado 2 tipos de adsorcin: Adsorcin Fsica o de Van der Waals: Los colores de adsorcin son el orden de 10000 caloras, es reversible, el equilibrio de adsorcin se alcanza con rapidez y las fuerzas que ligan al adsorbato con el adsorbente son del tipo de Van der Waals. Adsorcin Qumica o Activada: Los calores de adsorcin son del orden de 20000 a 100000 caloras, es menos reversible, las fuerzas que actan son similares a los enlaces qumicos, por lo que en ella se considera la formacin de un compuesto superficial.La cantidad de gas adsorbido depende del adsorbente, adsorbato, rea superficial, temperatura y presin del gas.

b) Adsorcin de solutos desde soluciones: En trminos generales esta adsorcin presenta las mismas caractersticas que la se gases: Selectividad: Se presenta adsorcin del soluto o del solvente pero raras veces de ambos. Unas sustancias son mejor adsorbidas que otras, la mayora de las sustancias adsorbe preferentemente a iones de carga opuesta a la suya, y dbilmente a los no electrolitos; las magnitudes de adsorcin de electrolitos depende de la concentracin y pH de la solucin. El carbn vegetal es el nico material comn que presenta un comportamiento prcticamente independiente de la carga elctrica del material adsorbido, generalmente ste adsorbe mejor a los no electrolitos. Variacin inversa con la temperatura. Variacin directa con la complejidad de la molcula del adsorbato.

c) Isotermas de adsorcin: Son grficos donde se puede apreciar la relacin entre la cantidad de sustancia adsorbida por gramo de adsorbente y la concentracin o presin de equilibrio del adsorbato.En la adsorcin de gases por slidos se han encontrado cinco tipos de isotermas. Para la adsorcin desde soluciones se encuentra que generalmente la cantidad adsorbida aumenta con la concentracin de la sustancias disuelta hasta un valor definido de saturacin. Para este tipo de isotermas se han formulado las ecuaciones:

Ecuacin de Freundlich: Es una ecuacin emprica de la forma:

Dnde:: Masa de sustancia adsorbida por unidad de masa o de rea de adsorbente.: Concentracin de equilibrio de la solucin.: Constantes empricas que dependen del adsorbato, del adsorbente, de la temperatura y del solvente.Para obtener las constantes y se puede tomar logaritmos a ambos miembros de la ecuacin lo que dar una representacin grfica lineal:

Ecuacin de Langmuir: Se basa en la consideracin terica de que la adsorcin se ejecuta en capas monomoleculares, lo que origina que a medida que se lleva a cabo la adsorcin, sta solo pueda proseguir en sitios desocupados de la superficie del adsorbente. Para adsorcin desde soluciones esta ecuacin toma la forma:

Donde y son constantes. La ecuacin de Langmuir puede adoptar la forma lineal:

IV. DETALLES EXPERIMENTALES

4.1.- MATERIALES Y REACTIVOS

MATERIALES: Erlenmeyer con tapn, fiola de 500mL, fiolas de 100mL, embudos de vstago largo, un porta embudos, vasos de 250mL y 100mL, bureta, pipetas, termmetros, probetas y tubos de base plana.

REACTIVOS: Carbn activado, tierra activada, cido actico, aceite neutralizado, cido sulfrico, fenolftalena, biftalato de potasio, papel de filtro, solucin de NaOH0,1N.

4.2.- PROCEDIMIENTO

4.2.1.- Preparacin de soluciones de acetona:Lavamos y secamos fiolas, y luego preparamos 250mL de acetona 0,2M. A partir de esta solucin preparamos 200mL de soluciones 0,05, 0,02, y 0.005M.

4.2.2.- Valoracin de soluciones: a) Solucin de 0.1N de Iodo.- Tomamos 10mL de la solucin de Iodo en un Erlenmeyer de 100mL y diluimos hasta unos 20mL, aadimos 5mL de H2SO4 6N y valoramos inmediatamente con la solucin de Tiosulfato de sodio hasta que la coloracin tenga un tono de amarillo pajizo, luego de esto aadimos 5mL de indicador de almidn y continuamos la valoracin hasta que la coloracin cambie de azul oscuro a incolora. Calculamos la normalidad de esta solucin.

b) Soluciones de acetona.-Estas soluciones las valoramos por retroceso.Medimos con pipeta volumtrica el volumen de la solucin de acetona y de agua destilada indicada en la tabla N1, en un Erlenmeyer con tapa, con una probeta se aade 25mL de NaOH 1N y con pipeta volumtrica el volumen de la solucin de iodo correspondiente, agitamos vigorosamente durante 30s y dejamos reposar 10min. Agregamos 30mL de la solucin de H2SO4 1N y valoramos de inmediato con la solucin de tiosulfato. Cuando la solucin tome coloracin amarillo pajizo, aadimos 5mL de la solucin de almidn y continuamos valorando hasta que el color sea igual al de la solucin antes de agregar el iodo (amarillo claro). Durante este proceso mantuvimos el Erlenmeyer tapado para evitar evaporaciones. Repetimos para cada una de las soluciones de acetona indicada en la tabla N 1.

4.2.3.- Adsorcin a) En un matraz seco con tapa, medimos con pipeta 100 mL de la solucin de acetona, aadimos 1g exactamente pesado de carbn activado, agitamos durante 2min y filtramos inmediatamente en un embudo adaptado a un Erlenmeyer seco, con tapn de corcho , tapamos el embudo con una luna de reloj durante la filtracin. Descartamos los 10mL iniciales del filtrado para endulzar con la solucin filtrada el Erlenmeyer. b) Valoramos los filtrados igual que en 4.2.2, usamos para esto los mismos volmenes de la tabla N 1.

TABLA N 1VALORACIN DE SOLUCIONES DE ACETONA Solucin N M (mol/l)Vol. de solucin de acetona (mL)Vol. de agua (mL)Vol. de solucin de iodo (mL)

10.2002840

20.05010040

30.02010020

40.0051005

V. CLCULOS5.1. Concentracin de solucionesa) Calcule la concentracin de la solucin de iodo a partir de la valoracin con tiosulfato.GRUPO 1: Datos:

Hallemos la normalidad del I2

GRUPO 2: Datos:

Hallemos la normalidad del I2

b) Soluciones de acetonac) Calcule el # de equivalentes de iodo que han reaccionado con la acetona restando el # de equivalentes de iodo valorados del # de equivalentes de iodo colocados.

Para la solucin N 1 (sin carbn)Datos:

Hallemos el # de equivalentes de iodo que han reaccionado con la acetona

As calculamos para las dems soluciones sin carbn y con carbn, los resultados lo mostramos en la tabla siguiente:GRUPO 1Tabla 5.1 Solucin(mL)

114.5 2.6755*10-3

29.3 3.2007*10-3

38.5 1.4337*10-3

41.4 3.761*10-4

Tabla 5.2 Solucin(mL)

118.42.2816*10-3

215.62.5644*10-3

3128.58*10-4

42.72.448*10-4

GRUPO 2Tabla 5.3Solucin(mL)

115.52.63*10-3

29.03.29*10-3

36.3 1.46*10-3

41.6 3.63*10-4

Tabla 5.4Solucin(mL)

120.82.0992*10-3

214.62.7254*10-3

312.18.779*10-4

43.02.22*10-4

d) Calcule el peso de la acetona presente en la solucin, sabiendo que 1eq de iodo reacciona con 9.67 g de acetonaPara la solucin N 1 (sin carbn)

As calculamos para las dems soluciones sin carbn y con carbn, los resultados lo mostramos en la tabla siguiente:

GRUPO1 Tabla 5.5Solucin(g)

10.0259

20.0310

30.0139

40.0036

Tabla 5.6Solucin(g)

10.0221

20.0248

30.0083

40.0024

GRUPO 2 Tabla 5.7Solucin(g)

10.0254

20.0318

30.0141

40.0035

Tabla 5.8Solucin(g)

10.0203

20.0264

30.0085

40.0021

e) Con el peso anterior y el volumen de acetona valorado, determine la molaridad de la solucin.

Para la solucin N 1 (sin carbn)

As calculamos para las dems soluciones sin carbn y con carbn, los resultados lo mostramos en la tabla siguiente:

GRUPO 1 Tabla 5.9SolucinM(mol/litro)

10.2230

20.0534

30.0239

40.0063

Tabla 5.10 SolucinM(mol/litro)

10.1903

20.0427

30.0143

40.0041

GRUPO 2 Tabla 5.11 SolucinM(mol/litro)

10.2193

20.0548

30.0243

40.00603

Tabla 5.12 SolucinM(mol/litro)

10.1748

20.0454

30.0146

40.0036

5.2. Isotermas de solucin

a) Determine el peso (X) de acetona adsorbida en cada solucin, mediante la expresin:

Dnde:

Para la solucin N1

As hallamos para las dems soluciones, los resultados lo mostramos en la tabla siguiente:GRUPO 1 Tabla 5.13 SolucinX(g)

10.0038

20.0062

30.0056

40.0013

GRUPO 2 Tabla 5.14 SolucinX(g)

10.0052

20.0055

30.0056

40.0014

b) Calcule el peso adsorbido por gramo de adsorbente (X/m)Para la solucin N1

As hallamos para las dems soluciones, los resultados lo mostramos en la tabla siguiente:

GRUPO 1 Tabla 5.15 Solucin(g)

11.00210.0038

21.00680.0062

31.00060.0056

41.00300.0013

GRUPO 2 Tabla 5.16 Solucin(g)

11.00250.0052

21.00120.0055

31.00400.0056

41.00010.0014

c) Represente la isoterma de adsorcin de Freundlich (X/m) vs. C. .Analice dicho grafico

GRUPO 1 Tabla 5.17CX/m

0.19030.0038

0.04270.0062

0.01430.0056

0.00410.0013

GRUPO 2 Tabla 5.18 CX/m

0.17480.0052

0.04540.0055

0.01460.0056

0.00360.0014

Grfica 5.1. X/m vs C

Grfica 5.2. X/m vs C

d) Para obtener las constantes K y n para la ecuacin, grafique log(X/m) vs log C. Reporte la ecuacin de la recta

GRUPO 1 Tabla 5.19 Log(C)Log(X/m)

-0,7206-2,4202

-1,3696-2,2076

-1,8447-2,2518

-2,3872-2,8860

GRUPO 2 Tabla 5.20 Log(C)Log(X/m)

-0,7574-2,2840

-1,3429-2,2596

-1,8356-2,2518

-2,4437-2,8539

Grfica 5.3. Log(X/m) vs log(C)

Comparando con la ecuacin

Grfica 5.4. Log(X/m) vs log(C)

Comparando con la ecuacin

VI. CONCLUSIONES

Para el grupo 1 los pesos adsorbidos de acetona en cada solucin fueron (X): 0.0038, 0.0062, 0.0056, 0.0013g. Para el grupo 2 los pesos adsorbidos de acetona en cada solucin fueron (X): 0.0052, 0.0055, 0.0056, 0.0014g. Para el grupo 1 las concentraciones finales fueron (C): 0.1903, 0.0427, 0.0143, 0.0041M. Para el grupo 1 las concentraciones finales fueron (C): 0.1748, 0.0454, 0.0146, 0.0036M. Para el grupo 1 los pesos de carbn activado que se pesaron fueron (m): 1.0021, 1.0068, 1.0006, 1.0030g. Para el grupo 1 los pesos de carbn activado que se pesaron fueron (m): 1.0025, 1.0012, 1.0040, 1.0001g.

VII. DISCUSIN DE RESULTADOS

Las constantes de la ecuacin de Freundlich se obtienen al graficar log (X/m) vs. Log C, el valor de la interseccin de la recta con el eje Y viene a ser log de K, siendo log K =, la pendiente de la recta da como resultado el valor de la constante n=; obtenindose finalmente la ecuacin de Freundlich.

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Los errores cometidos en la prctica se ven reflejados en el clculo de la pendiente, podra ser consecuencia de la adsorcin incompleta hecha por el carbn al soluto, es decir se debi agitar con ms fuerza y continuidad para que toda la superficie del carbn adsorba la acetona.

Se pudo haber debido tambin a la no adecuada valoracin especialmente en la parte de valoracin de los filtrados debido a que no pudimos observar el punto de equivalencia en la valoracin con las respectivas soluciones de tiosulfato de sodio, el mal estado del papel de filtro. Fueron los factores determinantes para los errores en la realizacin de nuestra prctica.

De la grfica 5.1 se puede observar que la cantidad absorbida aumenta con la concentracin de la sustancia disuelta, hasta un valor definido de saturacin, este comportamiento tambin se observan en los gases por lo que da un mejor comportamiento con la ecuacin de Freundlich.

VIII. CUESTIONARIO

1. Qu aplicaciones tiene la adsorcin? En la eliminacin de gases txicos mediante la mscara de gas, y de malos olores en los sistemas de acondicionamiento de aire. En la produccin de vacos elevados. En la decoloracin de soluciones. En el proceso de teido que en buena parte es un proceso de adsorcin en la fibra. En anlisis qumico para la adsorcin de sustancias extraas sobre la superficie de los precipitados. En la produccin de espumas. Al ser absorbidas ciertas sustancias en la intersuperficie lquido-gas, forman una pelcula dura y coherente del lquido entorno a las burbujas de gas, ya que no escapan tan fcilmente.

Figura 8.1. Sistema de adsorcin

1. Por qu es ms confiable la isoterma de Langmuir, a altas presiones de gas, para la adsorcin qumica que para la adsorcin fsica?De acuerdo con Langmuir sobre la estructura de una superficie slida; un tomo, in molcula en la superficie de un cristal tiene una fuerza atractiva que se extiende en el espacio por una distancia comparable al dimetro de una molcula, por lo cual es capaz de sostener por adsorcin una capa monomolecular de la sustancia extraa sobre la superficie del cristal. Como en la adsorcin qumica solo se adsorbe una capa de molculas sobre la superficie del slido debido a que las fuerzas qumicas decrecen muy rpidamente con la distancia.

Figura 8.2. Isotermas de Langmuir

2. Qu diferencia existe entre la quimisorcin y la fisisorcin?La fisisorcin se presenta en todas las sustancias. Las molculas adsorbidas se adhieren a la superficie del adsorbente mediante el mismo tipo de fuerzas que existen en las molculas de los gases a altas presiones o fuerzas de Van der Waals. Se caracteriza por su calor de adsorcin relativamente bajo, que es del mismo orden que los valores de vaporizacin, lo cual indicara que las fuerzas que retienen las molculas adsorbidas en la superficie del slido, son anlogas a las fuerzas de cohesin de las molculas en el estado lquido. La adsorcin ocurre en capa multimoleculares, a temperaturas bajas.La quimisorcin comprende fuerzas de interaccin de naturaleza qumica entre el gas y el adsorbente y es de carcter muy especfico. En la adsorcin qumica solo se absorbe una capa de molculas sobre la superficie es decir es monomolecular. El calor de adsorcin qumica es mucho ms grande, se produce en casos limitados y a altas temperaturas.

Figura 8.3. Isotermas de quimisorcin y fisisorcin