Adsorcion Parte Teorica.docx

RESUMEN La práctica experimental realizada fue de “isotermas de adsorción”, donde las condiciones de laboratorio fueron de presión de 756 mmHg, temperatura 23°C y humedad relativa de 92%. En esta experiencia se pesa 0.5 g. de carbón activado y se preparan diferentes diluciones de ácido acético, de la cual determinamos su concentración. Para la valoración de las soluciones de ácido acético se tomaron los volúmenes de NaOH que se obtuvo de la titulación y se produjo al diluir con agua y así variar la concentración del ácido acético. Una vez que se terminó este procedimiento con las diluciones se agregó un peso determinado de carbón activado para cada caso, se agitó, se dejó reposar y luego se filtró, descartando por precaución los primeros 10ml iniciales del filtrado, luego, el filtrado restante se valoró de la misma manera que las diluciones de acetona anteriores. Al realizar nuestros cálculos obtuvimos los gramos de acetona adsorbidos por el carbón activado, también se obtuvo la ecuación de Freundlich, al graficar (X/m) vs. C, obteniéndose los valores de K= y n= Como se mencionó anteriormente una buena recomendación para la prueba experimental es de descartar los primero 10 ml iniciales del filtrado, para obtener mejores resultados en los datos experimentales.

INTRODUCCIÓN La adsorción puede definirse como la tendencia de un componente del sistema a concentrarse en la interfase, donde la composición interfacial es diferente a las composiciones correspondientes al seno de las fases. La adsorción se utiliza para eliminar de forma individual los componentes de una mezcla gaseosa o líquida. El componente a separar se liga de forma física o química a una superficie sólida. El componente eliminado por adsorción de una mezcla gaseosa o líquida puede ser el producto deseado, pero también una impureza. Este último es el caso, por ejemplo, de la depuración de gases residuales. Hay una clara diferencia entre el fenómeno de adsorción y el de absorción, en el segundo existe una penetración física de una fase en la otra; sin embargo es factible que ambos sucedan simultáneamente, y en este caso puede ser muy difícil separar los efectos de ambos fenómenos, inclusive un fenómeno puede afectar al otro. El fenómeno de adsorción es de particular relevancia en la ciencia de los coloides y superficies. El proceso de adsorción de átomos y moléculas en las interfases, es una de las principales formas en que las interfases de alta energía pueden modificarse para disminuir la energía total del sistema. Las operaciones de adsorción son utilizadas en la obtención de varios tipos de productos biotecnológicos como aminoácidos, antibióticos, vitaminas y proteínas. Otras aplicaciones en las que se emplea éste proceso de adsorción como separación son: purificación de agua, tratamiento de aguas residuales, quitar olores, sabores o colores no deseados por ejemplo en aceites, jarabes de azúcar, en la deshumidificación de gasolinas, o en el secado de aire.

I.

PRINCIPIOS TEÓRICOS

ADSORCIÓN La adsorción es el fenómeno de concentración de una especie química en una interfase. El término adsorción tiene un significado en ocasiones estructural y en otro dinámico (proceso de adsorción). El estudio y determinación de la adsorción está relacionado con múltiples aplicaciones: la catálisis heterogénea, la preparación de nuevos materiales, la nanotecnología, los procesos electroquímicos, los análisis cromatográficos, el tratamiento de residuos contaminados, etc. La especie química que resulta adsorbida sobre la superficie de un material recibe el nombre de adsorbato. Para el caso de la adsorción sobre superficies sólidas, el sólido recibe el nombre de substrato. Fíjate en el esquema para la adsorción sólido-gas:

Como ejemplo de substrato, el carbón activo encuentra diversas aplicaciones gracias a su habilidad para adsorber casi todo tipo de sustancias orgánicas. Su capacidad de adsorción se extiende también a los metales y sus iones, de modo que los carbones activos también se emplean como soportes de metales catalíticos o electroactivos (baterías). El proceso inverso de la adsorción se denomina desorción ISOTERMAS DE ADSORCIÓN EN LA INTERFASE SÓLIDO-LÍQUIDO Tanto experimental como teóricamente, la descripción cuantitativa más conveniente de un fenómeno de adsorción en equilibrio hace uso de relaciones a T constante (isotermas). Para el caso de la adsorción de un soluto sobre una superficie, una isoterma de adsorción es una función del tipo nads =f T (C) , donde nads representa genéricamente la cantidad de adsorbato presente en la interfase en equilibrio con una concentración C del adsorbato en la disolución a una temperatura dada. Las isotermas de adsorción son útiles para obtener otras propiedades termodinámicas y/o el área superficial del substrato (véase más adelante)

Figura 1. Para el caso de adsorción en disolución, las dos principales clases de isotermas de adsorción están representadas esquemáticamente en la Figura 1. La isoterma de

Langmuir tiende a un límite de adsorción, que podemos interpretar en términos de un recubrimiento completo de la superficie por una cantidad nmax de adsorbato (límite de monocapa). Este tipo de isoterma es típico de superficies homogéneas. Para el caso de las superficies heterogéneas, la isoterma de adsorción no presenta un límite claro de adsorción en monocapa. Se trata de una isoterma de Freundlich. En particular, la adsorción de moléculas pequeñas sobre carbón activo (una superficie bastante homogénea) es un fenómeno intermedio entre la isoterma de Langmuir y la de Freundlich. Isoterma de Freundlich.

1. Aunque esta isoterma tiene un origen empírico, puede demostrarse teóricamente considerando que la magnitud del calor de adsorción varía exponencialmente con el recubrimiento de la superficie. 2. En esta isoterma no hay un recubrimiento límite ni se propone una adsorción monomolecular, sino multimolecular. 3. A presiones moderadamente bajas la dependencia de la cantidad adsorbida con la presión presenta un comportamiento tipo: del

Isoterma de Langmuir

1. Langmuir intenta explicar la isoterma, como una adsorción en monocapa (monomolecular) en la cual gracias al equilibrio adsorción-desorción no hay formación de monocapas. 2. El límite de capacidad del adsorbente es cuando la monocapa está completa (región asintótica en la gráfica). 3. La velocidad de adsorción es proporcional a la P y a la fracción de superficie NO cubierta

4. En tanto de

la

que la velocidad de desorción solo depende fracción de superficie cubierta

5. En el equilibrio de adsorción – desorción se tiene que (va = vd)

6. Si despejamos la fracción de superficie cubierta (θ); dividimos entre kd y definiendo

7. A presiones bajas la cantidad adsorbida es directamente proporcional a la presión

8. A presiones altas en cambio se alcanza el límite de la capacidad del adsorbente (monocapa completa)

9. A presiones intermedias la cantidad adsorbida depende del coeficiente de adsorción o constante de equilibrio (b) y por tanto también de la temperatura.

10. La limitante más importante de la isoterma de Langmuir es que supone que el calor de adsorción (∆Hads) es independiente del recubrimiento de la superficie.

II.

DETALLES EXPERIMENTALES PARTE EXPERIMENTAL:

a) Materiales:

-

Erlenmeyers

-

Pipetas

-

Buretas

-

Vasos

-

Fiolas

-

Embudos

-

Papel de filtro

-

Soporte

-

Bagueta

-

Termómetro

-

Cocinilla

b) Reactivos: -

NaOH 0.1N

-

Ácido acético 0.15 N

-

Agua destiada

-

Carbón activado

Procedimiento:





Pesar 6 veces aproximadamente 0.5 g de carbón activado, rotular los pesos exactos de cada peso y tener en cuenta el orden

Dilución del Ácido acético de 0.15 N   







Preparar aproximadamente 0.5L de ácido acético 0.15N. A partir de la solución preparada, preparar 100 mL de soluciones de ácido acético a 0.12N ,0.09N, 0.06N, 0.03N y 0.015N. En un matraz Erlenmeyer colocar una porción de 0.5 g de carbón activado y luego vierta con pipeta volúmetrica 50 mL de la solución de acido acético 0.15 N. Repita el procedimiento para las soluciones preparadas, Enumere y tape los matraces. Agitar durante 15 minutos periódicamente y dejar en reposo por 45 minutos. Durante el tiempo de reposo valore las 6 soluciones de HAc, usando solución valorada de 0.1 N. Use biftalato ácido de potasio para valorar la soda y en todos los casos fenolftaleína como indicador. Despues del tiempo indicado, mida la temperatura a la cual se ha realizado la adsorción. Filtre el contenido de los matraces, desechando los primeros 10 mL de filtrado, ya que pasan empobrecidos en ácido por la adsorción extra del papel. Valore porciones adecuadas de cada filtrado con la soda.

NOTA: Durante el proceso se debe de tratar de mantener el erlenmeyer tapado para evitar evaporaciones.

III.

CONCLUSIONES 

Experimentalmente se logró determinar los valores de las constantes empíricas (n y K) por medio de la ecuación de la recta siendo estos y respectivamente.

IV.

RECOMENDACIONES  Lavar y secar todo el material antes de comenzar a preparar las soluciones, para evitar la contaminación de las mismas.  No regresar el carbón activado no utilizado al recipiente de donde fue tomado ya que podría contaminar toda la muestra. El carbón activado no utilizado debe desecharse.  Pesar el carbón activado lo más exacto posible, para que así se puedan establecer las comparaciones pertinentes  Agitar las muestras el mismo tiempo de duración, para poder establecerse comparaciones.

V.

BIBLIOGRAFÍA Gilbert Castellán. Fisicoquímica http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/Unidad3.Fenomenossuperficiales. Adsorcion_23226.pdf http://www.geocities.ws/chex88chex/labfisicoquimica/Adsorcion.pdf http://navarrof.orgfree.com/Docencia/FQaplicada/UT3/MaterialAdsorcion.pdf

VI.

ANEXOS CUESTIONARIO

1. ¿Qué aplicación tiene la adsorción? Una de las aplicaciones más conocidas de la adsorción en el mundo industrial, es la extracción de humedad del aire comprimido. Se consigue haciendo pasar el aire comprimido a través de un lecho de alúmina activa u otros materiales con efecto de adsorción a la molécula de agua. La saturación del lecho se consigue sometiendo a presión el gas o aire, así la molécula de agua es adsorbida por la molécula del lecho, hasta su saturación. La regeneración del lecho, se consigue soltando al exterior este aire comprimido y haciendo pasar una corriente de aire pre secado a través del lecho. Lo habitual es encontrar secadores de adsorción en forma de dos columnas y mientras una adsorbe, la otra es regenerada por el mismo aire seco de la columna anterior. Este sistema se conoce como “pressure swing” o PSA. 2. ¿Por qué es más confiable la isoterma de adsorción de Langmuir, a altas presiones de gas, para la adsorción química que para la adsorción física? 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:  

 



es una interacción débil. 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. La molécula fisisorbida mantiene su identidad ya que la energía es insuficiente para romper el enlace aunque su geometría puede estar distorsionada. 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. 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:  

se trata de una interacción más fuerte que la fisisorción. 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 = - (100500) 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 ∆G<0 y dado que la libertad de traslación del adsorbato se reduce, ∆S es menor que cero y necesariamente ∆H debe ser menor que cero. Puede haber

excepciones si el adsorbato se disocia y/o tiene una movilidad elevada sobre la superficie. Ejemplo: el H2 se adsorbe endotérmicamente sobre vidrio ya que aumenta la entropía H2 (g) ↔ 2H(vid) ∆S>0 





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

3. ¿Qué diferencia existe entre la quimisorción y la fisisorción? La quimisorción ocurre cuando un enlace químico, definido en este caso como un intercambio de electrones, se forma. El grado de intercambio y lo simétrico que sea dependen de los materiales involucrados. A menudo hay un paralelismo con las situaciones encontradas en química de coordinación. La quimisorción es particularmente importante en la catálisis heterogénea, la forma más común en la industria, donde un catalizador sólido interacciona con un flujo gaseoso, el reactivo o los reactivos, en lo que se denomina reacción en lecho fluido. La adsorción del reactivo por la superficie del catalizador crea un enlace químico, alterando la densidad electrónica alrededor de la molécula reactiva y permitiendo reacciones que normalmente no se producirían en otras circunstancias. La corrosión es un ejemplo de ello. La fisisorción es la forma más simple de adsorción, y es debida a débiles fuerzas atractivas, generalmente fuerzas de Van der Waals (véase fuerzas dispersivas). Dado que estas fuerzas son omnipresentes, resulta que rápidamente cualquier superficie limpia expuesta al ambiente acumula una capa de material fisisorbido.