UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA

ARMADA UNEFA - NÚCLEO CARABOBO EXTENSIÓN ISABELICA

PERIODO ADMINISTRATIVO: II-2012

FISICOQUIMICA 5S-002-D

TEMA 1.4 FENOMENOS DE ADSORCION

A continuación se presenta las actividades a realizar en relación al siguiente objetivo de

aprendizaje: “Identificar los aspectos fundamentales de la adsorción física y química y aplicación en

procesos catalíticos”

1. vocabulario a dominar:

Se= Superficie especifica = Superficie total del sólido por gramo o área superficial por gramo

N= Nº total de moléculas adsorbidas por gramo de adsorbente

Nm = capacidad especifica de la mono capa = Nº de moléculas adsorbidas que forma una mono

capa completa por gramo de adsorbente.

Φ = centro de adsorción o centro activo: porción de superficie ocupada por una molécula de

adsorbente.

Φ= Se/ Nm

n = número de moles adsorbidos (por gramo de adsorbente)

nm= número de moles adsorbidos que completa la mono capa

m= masa de la especie adsorbida por gramo de adsorbente

m m = capacidad especifica de la mono capa , masa adsorbida necesaria por cubrir con una mono

capa

V= volumen de gas adsorbido. = Volumen que ocuparía el numero de moles de compuesto

adsorbido, si tuviera en comportamiento de gas ideal en Condiciones normales de P= 1 atm y T=273 ª

K

Vm= Volumen de mono capa. Volumen que ocupara el nº de moles de adsórbato necesaria para

formar una mono capa completa, en su forma gaseosa suponiendo un comportamiento ideal en CN

Ө = Fracción molar de centros recubiertos = Nº ocupados / Nº centros total

Ө = N/Nm = n/nm = m/ mm= V/Vm

2. tipos de isotermas de adsorción: según los investigadores Brunauer, Emmett y Teller

(BET), clasifican a la isotermas dependiendo de las fuerzas entre el adsórbato y adsorbente.

TipoI: características de adsorción en superficies micro porosas y no porosas d< 2 nm

Tipo II y III: proceso de adsorción en sólidos macro porosos d > 50 nm o no porosos con

interacciones fuertes y débiles respectivamente

Tipo IV y V: presentan isotermas de adsorción con histéresis y saturaciones a bajas presión,

características de los sólidos meso porosos 2<d<50 nm

Tipo VI: se dan en sistemas de superficies no porosas y muy uniformes

3. Isoterma de Langmuir: Es una relación entre la fracción de recubrimiento y la presión parcial del adsórbato Ecuación de Langmuir: Ө = KP/(1 +

KP) recuerde: Ө = V/Vm

K= constante de equilibrio (dependiente de la temperatura)

P= presión parcial del adsórbato

Ө= Fracción de recubrimiento

4. Tipos de Isotermas de adsorción en superficies sólidas

a.) Isoterma de Freundlich :

b.) Isoterma de Langmuir

c.) Isoterma de BET ( Brunauer _EMMET _ TELLER)

Isoterma de BET:

Es la que se encarga de explicar un modelo para la adsorción en capas múltiples, a partir de ella se

puede determinar el área superficial de los catalizadores

P 1 + (C- 1) P

V (Po – P) Vm.C C.Vm.Po

Donde: po = presión de vapor de equilibrio del liquido

C= una constante para cada temperatura y cada sistema gas -sólido

Vm= volumen de una capa de gas

Numero de moléculas requeridas para cubrir una masa unitaria con una mono capa (Nm) por

unidad de masa de material (m2/g, cm2/g)

Nm= Vm.No .a

V

V= volumen molar en STP (22,4 L) = 22400cm3 = 0,0224 m3/mol

No = numero de avogadro = 6,02x1023 moléculas o átomos

a= área cubierta por una molécula (m2, nm2)

m= pendiente = C-1/ Vm.C ; I = 1/ Vm.C I= interseccion

Vm=1 / I + m

Se grafica p / V(pº-P) en función p/pº

Isoterma de Freundlich: logK= I K= 10-I ; 1/n = m (pendiente)

Se grafica log p/m en función de log P m = masa del adsorbente

Isoterma de Langmuir= Intercepción I= 1/K.b ; 1/b= m (pendiente)

ө = KP

(1+ KP)

p = 1 + P

V KVm Vm

Se grafica p/y en función de P y= masa o volumen del gas adsorbido

Ejercicios de aplicación

1.- Los datos siguientes se refieren a la adsorción del amoniaco por una porción de carbón

activado a 0 º C

P( Torr) 50 100 200 400 600

V ads( cm3) 74 111 147 177 189

a.) calcule la fracción cubierta para cada presión, sabiendo que los datos se adaptan a la isoterma

de Langmuir grafique p/v en función de p

2.- La adsorción del butano sobre un polvo de NiO se midió a 0ª C. Los volúmenes

De butano a STP adsorbidos por gramo de NiO son:

P( kPa) 7,543 11,852 16,448 20,260 22,959

V( cm3/g) 16,46 20,72 24,38 27,13 29,08

a.) Utilizando la isoterma de BET , calcúlese el volumen a STP adsorbidos por gramo

cuando el polvo esta cubierto por una monocapa Po =103,24 kPa

b.) Si el área de la sección transversal de una molécula de butano es 44,6x10 -20 m2 ¿cual es

el área por gramo del polvo?

c.) calcular :ө 1 , ө 2 , ө 3 y ө v a 10 Kpa y 20 Kpa

d.)Utilizando la isoterma de langmuir , calcular ө a 10 kPa y 20 kPa y estímese el área

superficial . Comparándola con el área de b.)

3.- al estudiar una mezcla de 8,01 g de glaucosil con adsorción de N2 a -185ª C , se obtuvieron los

siguientes datos :

P(mmHg) 6 25 140 230 285 320 430 505

V(ads,cm3 61 127 170 197 215 30 277 335

Grafique los datos utilizando la isoterma de Freundlich y determine las constantes K y 1/n

4.- Los datos siguientes se refieren a la adsorción de nitrógeno sobre la muestra de gel de sílice a

77º K

V ads (cm3) 88 110 130 151 169

P ( Torr) 20 55 102 168 228

La presión de saturación Pº = 760 Torr

a.) Aplicando la isoterma de BET calcular el volumen de saturación (Vm)

de la mono capa en CN

b.) Calcúlese el área de la superficie especifica para la muestra de gel de sílice, tomando el área

molecular de Nitrógeno como 16,2x10-20 m2

5.- Una muestra sólida adsorbe 0,44 mg de monóxido de carbono gaseoso (CO (g)) cuando la

presión del gas es 187,51 mmHg, a una temperatura de 300ºK. Cuando la presión del gas de de 22,5

mmHg y la temperatura sigue manteniéndose a 300º K, el catalizador sólido es capaz de adsorber

0,19 mg de gas

a.) Cual será la fracción (ө) de mol ocupada en cada caso

b.) como influye la temperatura en el grado de recubrimiento

c.) cual factor influye en el recubrimiento

NOTA: el problema cumple con la isoterma de Langmuir

6. Considérese la deducción de la isoterma de Langmuir en función de una reacción química entre

el gas y la superficie muestre que si un gas biatómico se adsorbe como átomos en la superficie,

entonces ө = k ½ P1/2 / (1 + k1/2P1/2)

7.- El hexadecadenol, C16H33OH ha sido utilizado para producir películas mono moleculares en

depósitos con el fin de evitar la evaporación del agua. si el área transversal del alcohol en la película

densamente empaquetada es 0,20nm2 ¿ cuanto gramos de alcohol se requieren para cubrir un lago de

unos 40000 m2

8.) El ácido hexadecadenoico (ácido palmitico) ( C15H31COOH) forma mono capa de Langmuir en

la interfase Aire / agua , hecho utilizado desde la antigüedad para amortiguar el oleaje sabiendo que

cada molécula de este ácido graso ocupa un Rea de 18 A2 . calcule su masa , expresada en gramos ,

necesaria para formar una mono capa saturada sobre la superficie de un lago con una extensión de 10

km2

9.) En base a la curva de adsorción de BET , para el nitrógeno a –195,8 °C

La intercepción I= 0,1x10-3 cm-3 , la pendiente de la curva es : m= 1,3x10-3 cm-3

a. calcular el volumen de gas correspondiente a la capa mono molecular por

gramo , sabiendo que los gramos de catalizador ( gel de sílice son 0,6 g)

b. área de la superficie total, sabiendo que el área de una molécula de nitrógeno es

4,35x104

10) Para propósitos de comparación, estime el área superficial del gel de sílice utilizado los datos

de adsorción de oxígeno a-183 ° C. La densidad del oxígeno líquido a –183 °C aparece en las tablas

internacionales de valores críticos como 1,14 g/cm3 datos de la curva : I= 0,4x10-3 cm-3 ; Pendiente =

m= 13,2x10-3 cm-3 expresiones matemáticas: α = 1.09(M/No.ρ)2/3 α =área proyectada por una molécula

en la superficie (cm2) ρ = densidad del oxígeno líquido (g/cm3) M= masa molecular del oxigeno(

g/mol) No= numero de avogadro = 6,02x1023 molécula /mol Vm= 1/(I + m) Vm= Volumen mono

molecular por gramo de catalizador ( g de catalizador 0,6 g)

Numero de moléculas adsorbidas por gramo =Nm= (No/V). α

V= 22400cm3 en CN

Área superficial o superficie total por gramo : Se= Nm.Vm

Bibliografía:

1.- Gilbert . Castellán . “ Fisicoquímica “ 3º Edición

2.- J.M. Smith “ Ingeniería de la cinética Química” 3º Edición

3.- Consuelo Jiménez “ Química físico para ingenieros Químicos” Editorial Universidad

politécnica de Valencia