ADSORCION DE SOLUCIONES

Steffany N. Osto F.1Laboratorio de Fisicoqumica. Departamento de Qumica. Facultad Experimental de Ciencias y Tecnologa. Universidad de Carabobo. Brbula, Venezuela. ostosteffany@gmail.com1

RESUMEN El objetivo principal de esta experiencia fue determinar el tipo de adsorcin que tiene lugar para un electrolito dbil, as como tambin que teora describe mejor este comportamiento. Se estudi el proceso de adsorcin del cido actico diluido por contacto con carbn activado en polvo. Para ello, se emplearon disoluciones de cido actico a cinco concentraciones diferentes y se mantuvo en contacto con el carbn activado durante cinco das. Luego se titul cada solucin con NaOH a 0,0494 M, usando fenolftalena como indicador. Entre los resultados ms destacados se tienen: la semejanza de la isoterma experimental con la propuesta por Freundlich, a causa de interacciones slo del tipo fsica y la alta rea especfica del carbn activado, debido a su alta porosidad. Se pudo concluir, que se presenciaron slo interacciones fsicas entre el cido actico y el carbn activado, debido a que fue notable la discrepancia entre la isoterma experimental con la propuesta por Langmuir, que se refiere a una adsorcin qumica formando una monocapa y que el rea especfica del carbn correspondi a lo reportado bibliogrficamente.

Osto S.: ADSORCIN DE SOLUCIONES

Palabras claves: cido actico, isoterma, carbn activado.

I. INTRODUCCIN

La adsorcin es el fenmeno de concentracin de una especie qumica en una interfase. El trmino adsorcin tiene un significado en ocasiones estructural y en otro dinmico (proceso de adsorcin). La especie qumica que resulta adsorbida sobre la superficie de un material recibe el nombre de adsorbato. Para el caso de la adsorcin sobre superficies slidas, el slido recibe el nombre de substrato [1].

Tanto experimental como tericamente, la descripcin cuantitativa ms conveniente de un fenmeno de adsorcin en equilibrio hace uso de relaciones a T constante (isotermas). Para el caso de la adsorcin de un soluto sobre una superficie, una isoterma de adsorcin es una funcin del tipo n f C ads T, donde nads representa genricamente la cantidad de adsorbato presente en la interfase en equilibrio con una concentracin C del adsorbato en la disolucin a una temperatura dada. Las isotermas de adsorcin son tiles para obtener otras propiedades termodinmicas y/o el rea superficial del substrato [1].

La presente prctica se direccion a estudiar el fenmeno de adsorcin sobre disoluciones de un electrolito dbil (cido actico), fungiendo ste como adsorbato y empleando al carbn activado como especie absorbente. A partir de los resultados de este anlisis, se logr determinar tanto el rea especfica del absorbente como la constante asociada al proceso de adsorcin.

II. MODELO DE CLCULO

II.A. ISOTERMA DE LANGMUIR

Primero, vamos a deducir una relacin del tipo n f C s T para la adsorcin en monocapa sin ms que suponer que la superficie del substrato es homognea y que la Hads es constante y no vara con el grado de recubrimiento. En estas condiciones, un equilibrio de adsorcin qumica puede tratarse de modo anlogo a un equilibrio qumico en un sistema homogneo [1]. Por ejemplo, la adsorcin de cido actico en disoluciones acuosas por carbn activo (C) implica el siguiente equilibrio:

donde k1 y k2 son las constantes cinticas de los procesos de adsorcin y desorcin, respectivamente, y C representa un centro activo en la superficie del substrato capaz de dar adsorcin con una molcula de cido actico. Suponiendo que:

a) la velocidad de adsorcin vads es proporcional a la concentracin de soluto (cido actico, en este experimento) y al nmero de centros activos libres (nmax-nads)

b) la velocidad de desorcin vdes es proporcional al nmero de molculas adsorbidas nads, se pueden plantear las siguientes ecuaciones cinticas empricas: (1)

(2)(

En estas ecuaciones cinticas, C representa la concentracin de soluto, nads es la cantidad de cido actico adsorbido y nmax es el valor mximo de cantidad adsorbida. La condicin de equilibrio vads= vdes, conduce a una expresin para el grado de recubrimiento, conocida como la isoterma de Langmuir:

(4)

donde b puede interpretarse como la constante de equilibrio del proceso de adsorcin a una temperatura dada y est relacionada con la energa libre de Gibbs de adsorcin.

El grado de recubrimiento se reescribe como: (5)

donde w es la masa de substrato (carbn activo). As, el cociente n w ads expresa los moles de soluto adsorbidos por unidad de masa de substrato. Adems, se reajusta la ecuacin de Langmuir a una forma lineal:(6)

donde , Co= concentracin de cido actico inicial y C= concentracin de cido actico obtenido de la titulacin con NaOH [1].

II.B. ISOTERMA DE FREUNDLICH

(3)

Una de las isotermas empricas ms utilizadas es la propuesta por Freundlich a finales del siglo XIX [2]: (7)

Se puede derivar tericamente una expresin de este tipo suponiendo que la superficie contiene diferentes tipos de centros de adsorcin. Los parmetros de ajuste k y n (normalmente entre 1 y 10) son constantes. Se pueden obtener del ajuste lineal de la expresin en forma logartmica:(8)

donde K representa la constante asociada al proceso de adsorcin [2].

II.C. REA ESPECFICA DEL CARBN ACTIVADO

Para la determinacin del rea especfica del carbn activado, se consider a que el rea que ocupa cada molcula de cido actico sobre la superficie del carbn es de =2,1x10-19m2. Con esto se puede aplicar la siguiente ecuacin [1]:

(9)

donde NA=6,022X1023.

III. MATERIALES Y MTODOS

Se preparacin de una serie de disoluciones de cido actico con concentraciones conocidas a las que se le aadi carbn activado y se dejaron reposar por cinco das. Una vez alcanzado el equilibrio de adsorcin, se valoraron las disoluciones de cido actico con NaOH(aq) e indicador qumico fenolftalena. Despus de conocer la concentracin de cido en equilibrio con el cido adsorbido, se determinaron los moles de actico adsorbido por gramo de substrato. Finalmente, el tratamiento de los datos obtenidos condujo a los parmetros de la isoterma, el rea especfica del carbn activado y la constante asociada par dicha adsorcin. Los datos y resultados se detallan en las Tablas N1 y N2 y se representan en las Fig. N1, N2, y N4.

Tabla N1: Datos recopilados para el estudio de adsorcin de cido actico sobre el carbn activado, empleando una titulacin cido-base con NaOH a 0,0494 M

Co (mol/L)C (CC)mol/Lw (m0,0001)g nads (mol/g)w/nadsnads/w1/CLog nadsLog C

0,120,09030,00020,50082,96740,16875,92538,33330,4724-0,9208

0,090,06770,00140,50002,23220,22394,464411,11110,3487-1,0458

0,060,04220,00030,51791,71190,30193,311216,66670,2342-1,2218

0,030,02040,00090,50150,95940,52271,913033,3333-0,0180-1,5228

0,0150,00560,00090,50280,93890,53541,867566,6667-0,0273-1,8239

Tabla N2: rea especfica del carbn activado y la constante de equilibrio del proceso de adsorcin

rea especfica del carbn activado (m2/g)Constante de equilibrio de adsorcin

6,93E+059,0844

Fig. N1: Isoterma Experimental

Fig. N2: Isotermas de adsorcin de Langmuir y Freundlich tericas [1]

Fig. N3: Ajuste de isoterma experimental segn Freundlichh

Fig. N4: Ajuste de isoterma experimental segn Langmuir

VI. DISCUSIN DE RESULTADOS

En el estudio realizado, se logr comparar el comportamiento obtenido de la interaccin del cido actico con el carbn activado, siendo ste la especie absorbente y el electrolito dbil el absorbato; tanto por la isoterma de Langmuir como por la isoterma de Freundlichh. De acuerdo a los resultados representados, cabe destacar que si se contrasta la isoterma experimental (vase Fig. N1) con las isotermas tericas de Langmuir y Freundlichh, es notoria la discrepancia que existe entre la curva emprica y la propuesta por Langmuir, resultando lo opuesto con la propuesta de Freundlichh. Esto se debe a que en el primer caso, la suposicin principal de esa propuesta es que la adsorcin ocurre formando una monocapa, describiendo este proceso como una quimisorcin donde se produce una reaccin superficial entre el absorbato y el absorbente; sin embargo, el cido actico y el carbn activado no efectan interacciones qumicas (reaccin qumica) entre s, ya que el primero se caracteriza por formacin de enlaces de hidrogeno con su entorno acuoso mientras que el segundo solo soporta fuerzas de Van der Waals [2,3]. Con esto, se concluye que el resultado obtenido correspondi afirmativamente con lo descrito bibliogrficamente. Para el segundo caso, lo observado experimentalmente coincidi con lo observado experimentalmente (vase Fig. N1 y N2), a esto se le atribuye el hecho que esta propuesta enmarca como supuestos que la adsorcin resulta formado multicapas, considerando la heterogeneidad de la superficie, en la que no hay interaccin con una superficie especfica y que solo involucra interacciones dbiles del tipo Van der Waals; es decir, nicamente ocurre acercamiento fsico entre el absorbato y el absorbente [2,3,4,5]. Estos resultados se confirman grficamente al realizar el ajuste de la isoterma experimental segn Langmuir y segn Freundlichh, resultndose una mejor correlacin lineal para el segundo caso (vase Fig. N3 y 4).

Al determinar el rea especfica del carbn activado (vase Tabla N2), result incluirse en el rango correspondiente a este tipo de material (500 m2/g en adelante). Cabe destacar, que este material posee una alta microporosidad, lo cual se corresponde a una estructura con una gran cantidad de recovecos y de grietas observadas a travs de un microscopio electrnico; a niveles ms bajos se encuentran zonas donde hay pequeas superficies planas tipografito, separadas solamente por algunosnanmetros. Debido a que ste posee partculas muy finas mejora el acceso al rea superficial y aumenta la tasa de cintica de adsorcin [6]. Describiendo esto perfectamente, el valor elevado obtenido de la constante de adsorcin del sistema estudiado, el cual oscila de 1 a 10 [6] (vase Tabla N2).

V. CONCLUSIONES

La propuesta de isoterma de adsorcin que ms se ajust al sistema en estudio fue la de Freundlichh.

El rea especfica del carbn activado correspondi resulto ser elevada a causa de su alta microporosidad

La constante asociada al proceso de adsorcin resulto ser la esperada, debido a que la alta porosidad del carbn activado produce una tasa cintica elevada.

VI. BIBLIOGRAFA

[1]https://sisoyyomismo.files.wordpress.com/2013/04/isoterma-adsorcic3b3n.pdf

[2]http://www.uv.es/tunon/pdf_doc/Superficies_Slidas_A.pdf

[3]http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/Unidad3Adsorcion_19664.pdf

[4]http://www.agua.uji.es/pdf/leccionHQ17.pdf

[5]http://www.agua.uji.es/pdf/leccionHQ17.pdf

[6]http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/20980/Capitulo1.pdf