adsorcion

ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORALFACULTAD DE CIENCIAS NATURALES Y MATEMATICAS

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS QUIMICAS Y AMBIENTALES

OBJETIVOS

Adquirir y comprender los conceptos ligados a la química de superficie, adsorción e isotermas de adsorción.

Determinación experimental de la capacidad de adsorción de una masa determinada del adsorbente.

TEORIA

Dentro del estudio de las propiedades que caracterizan a los sistemas termodinámicos se aborda el concepto de propiedades intensivas y extensivas, siendo las propiedades intensivas aquellas que no dependen de la cantidad de materia, y las extensivas aquellas que dependen de la cantidad de materia.

La densidad es una propiedad intensiva, cuya magnitud en una mezcla líquida varía por lo general en una forma no lineal con su composición. Como ejemplo tenemos que si se deseara preparar 100 cm3 de una bebida alcohólica mezclando 30 cm3 de etanol con 70 cm3 de agua, solamente 97.3 cm3 de mezcla y no con 100 requeridos (volumen ideal).

Esto sucede debido al empaquetamiento molecular de la mezcla cambia con respecto al de los componentes puros, es decir, los volúmenes molares parciales de los componentes puros en una mezcla cambian con la composición debido a que el entorno de cada molécula también lo hace, al variar la composición desde A puro hasta B puro. El volumen molar parcial del componente A en una mezcla binaria se define como:

V A=∂V m

∂V A

AdsorciónLa adsorción es un proceso por el cual átomos, iones o moléculas son atrapados o retenidos en la superficie de un material, en contraposición a la absorción (un fenómeno de volumen), es un proceso en el cual un contaminante soluble (adsorbato) es eliminado de una fase líquida por contacto con una superficie sólida (adsorbente). El proceso inverso a la adsorción se conoce como desorción.

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.

Substrato y adsorbatoEl sólido recibe el nombre de substrato, también denominado como adsorbente. Y el componente que se adsorbe en él se denomina adsorbato. El adsorbente se debería ligar, en lo posible, sólo a un adsorbato, y no los demás componentes de la mezcla a separar.

Otros requisitos que debe cumplir el adsorbente son:

LABORATORIO DE FISICOQUIMICAING. QUIMICA



Una gran superficie específica (gran porosidad) y tener una buena capacidad de regeneración.

Dado que la adsorción se favorece por temperaturas bajas y presiones altas, para la regeneración, es decir, para la desorción, se emplean temperaturas altas y presiones bajas. De este modo, para la regeneración del adsorbente se puede utilizar, por ejemplo, vapor de agua o un gas inerte caliente.

Tipos de adsorción según entre la atracción entre el adsorbato y substrato Adsorción por intercambio. Los iones de la sustancia se concentran en una superficie como

resultado de la atracción electrostática en los lugares cargados de la superficie. Adsorción física. Es debido a las fuerzas de Van del Waals y la molécula adsorbida no está fija

en un lugar específico de la superficie, sino está libre de trasladarse en la interface. Adsorción química. El adsorbato forma enlaces fuertes en los centros activos del adsorbente.

Termodinámica de la adsorciónEl adsorbente dispone de nanoporos, lo que se conoce como centros activos, en los que las fuerzas de enlace entre los átomos no están saturadas. Estos centros activos admiten que se instalen moléculas de naturaleza distinta a la suya, procedentes de un gas en contacto con su superficie. La adsorción es un proceso exotérmico y se produce por tanto de manera espontánea si el adsorbente no se encuentra saturado.

La adsorción de un gas sobre una superficie es siempre un proceso exotérmico. En disoluciones, también es frecuente (aunque no siempre) que la adsorción de un soluto sea exotérmica. Dado que ΔGads< 0, para que el proceso sea espontáneo y que en general la adsorción de un soluto o un gas sobre una superficie implica ΔSads< 0, entonces, se tiene ΔHads< 0 en fase gaseosa. Así, se dice que las interacciones atractivas substrato-adsorbato son la fuerza termodinámica de la adsorción.

Isoterma de adsorciónUna isoterma de adsorción (también llamada isoterma de sorción) describe el equilibrio de la adsorción de un material (adsorbato) en una superficie (de modo más general sobre una superficie límite) a temperatura constante. Representa la cantidad de material unido a la superficie (el sorbato) como una función del material presente en la fase gas o en la disolución. Las isotermas de adsorción se usan con frecuencia como modelos experimentales y se obtienen a partir de datos de medida por medio de análisis de regresión.

Tanto experimental como teóricamente, la descripción cuantitativa más conveniente de un fenómeno de adsorción en equilibrio hace uso de relaciones a temperatura constante. Si se adsorbe un soluto sobre una superficie, la isoterma de adsorción es una función del tipo, n ads =ft(C) donde nads representa genéricamente la cantidad de adsorbato presente en la interfase en equilibrio con una concentración C del mismo adsorbato en una disolución a una temperatura dada. Las isotermas de adsorción son útiles para obtener otras propiedades termodinámica y/o el área superficial del substrato.

MATERIALES Y REACTIVOS




MATERIAL DESCRIPCIÓN CANTIDADBalanza analítica 1

Vaso de precipitación 100ml 1Vaso de precipitación 60 ml 6

Matraz erlenmeyer de 250 ml 6Bureta – 50 ml 1

Soporte universal 1Termómetro 1

Agua destilada 2 LtÁcido acético 0.5 M 250 ml

Hidróxido de sodio 0.25 M 10 gCarbón activado 20 g

Agitador automático 1Papel aluminio N.A

Papel filtro 2Embudo de cristal 2

PROCEDIMIENTO1. Preparar 0,5 L de reactivo titulante NaOH 0,25 M2. Preparar 250 ml del soluto en concentración Ácido acético 0,5 M.3. Utilizando matraces Erlenmeyer de 100 ml, preparar 6 disoluciones del soluto, de 100 ml

en total cada una, a diferentes concentraciones, utilizando el soluto preparado en el paso 2. El patrón de preparación en forma ascendente y en relación de volúmenes, para el soluto con agua es el siguiente:10:90; 20:80; 30:70; 40:60; 50:50; 60:40

4. Agregar 2 gramos del adsorbente (Carbón activado) a cada disolución y tapar con papel aluminio

5. En un dispositivo automático mezclar durante 30 minutos todas las disoluciones.6. Luego del tiempo especificado, filtrar cada una de las disoluciones con un papel filtro y

embudo. 7. Mediante algún método analítico (Volumetría), determinar las nuevas concentraciones del

adsorbato en las disoluciones.8. Elaborar una tabla de datos

CALCULOS Y RESULTADOS Con la tabla de datos, investigar la forma en que se pueden graficar los datos obtenidos,

en una curva que puede relacionar la concentración final del sorbato en la fase líquida versus la cantidad adsorbida por masa de adsorbente, etc; masa en el equilibrio de sorbato en la fase líquida versus masa adsorbida en el adsorbente, etc…. Presentar la curva en un gráfico de Excel.

Tabla 1. Datos del titulante y del adsorbente




Matraz N° 1 2 3 4 5 6

NaOH 0,25M (ml) 4.1 7.7 10.9 15.6 20.6 22.65

Masa de carbón activado, w (g)

2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00

Tabla 2. Resultados del adsorbatoMatraz N° 1 2 3 4 5 6Cantidad añadida de CH3COOH (ml) (0,5M) 10 20 30 40 50 60

Masa inicial del CH3COOH en solución

CH3COOH (Mo, molar)

CH3COOH (Meq, molar)

CH3COOH (M ads, molar)

Moles de CH3COOH adsorbidas

Masa de CH3COOH adsorbidas




Mo: Concentración inicial de ácido acéticoMeq: Concentración de equilibrio de ácido acéticoMads: Concentración adsorbida de ácido acéticow: Masa en gramos del substrato (carbón activado)

Tabla 3. Datos para graficar isoterma de adsorción

experimental

Tabla 4. Datos para graficar isoterma de

adsorción de Langmuir

Concentración (M) nads/w (1/M) w/nads


adsorcion

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