CURSO DE LICENCIATURA EM QUÍMICA

RELATÓRIO DE FÍSICO-QUÍMICA EXPERIMENTAL:

ADSORÇÃO

IFRJ – CAMPUS DUQUE DE CAXIAS

2º SEMESTRE/2012

1. Introdução

O fenômeno da adsorção é conhecido desde o século XVIII, quando se

observou que certa espécie de carvão retinha em seus poros grandes

quantidades de vapor d água, o qual era liberado quando submetido ao

aquecimento. Atualmente, a adsorção é aplicada em processos de purificação

e separação, apresentando-se como uma alternativa importante e

economicamente viável em muitos casos. Adsorção é o termo utilizado para

descrever o fenômeno no qual moléculas que estão presentes em um fluido,

líquido ou gasoso, concentram-se espontaneamente sobre uma superfície

sólida. Geralmente, a adsorção parece ocorrer como um resultado de forças

não balanceadas na superfície do sólido e que atraem as moléculas de um

fluido em contato por um tempo finito. É um dos fenômenos de transporte e a

transferência de massa se dá quando existe uma superfície de contato entre

um sólido e um gás ou um líquido e a concentração de determinado

componente deste gás ou deste líquido é maior nesta superfície do que no

interior do gás ou do líquido. Desta forma, a adsorção está intimamente ligada

à tensão superficial das soluções e a intensidade deste fenômeno depende da

temperatura, da natureza e a concentração da substância adsorvida (o

adsorbato), da natureza e estado de agregação do adsorvente (o sólido

finamente dividido) e do fluido em contato com o adsorvente (o adsortivo).

Quando um sistema é constituído por duas fases, uma condensada e

outra líquida ou em solução e as duas estiverem em contato, geralmente há um

aumento ou diminuição da concentração do soluto na interface. Este fenômeno

é denominado adsorção. Há dois tipos principais de adsorção sobre sólidos:

adsorção química e adsorção física. Na adsorção física as moléculas fixam-se

na superfície do adsorvente utilizando as forças de van der Waals podendo

formar várias camadas, enquanto que na adsorção química há uma reação

química entre as moléculas da fase condensada e as da solução através das

valências livres dessas moléculas. Para se construir uma isoterma de adsorção

coloca-se em contato a solução contendo o componente a ser adsorvido em

diferentes concentrações iniciais e em temperatura constante até o equilíbrio,

determinando-se assim a quantidade de material adsorvido. No processo de

adsorção, o pH, a temperatura e o tipo de material adsorvente são parâmetros

que influenciam na forma da isoterma. O comportamento gráfico das isotermas

pode apresentar-se de várias formas, fornecendo informações importantes

sobre o modelo matemático que o representa. Os modelos de isoterma de

Langmuir e de Freundlich são os mais comumente utilizados na literatura.

O modelo de isoterma de Langmuir assume que todas as forças que

atuam na adsorção são similares em natureza àquelas que envolvem uma

reação química e que a sorção se resume em uma única camada de moléculas

da substância sobre a superfície das partículas sólidas. A expressão linear de

Langmuir é:

Ce/qe = 1/Qo.b + Ce/Qo

sendo Ce a concentração do metal no equilíbrio (mg.L-1), qe a quantidade

adsorvida (mg.g-1), Qo (mg.g-1) e b (L.mg-1) constantes relacionadas com a

capacidade de adsorção máxima e energia de adsorção, respectivamente.

O gráfico linear Ce/qe versus Ce confirma a validade do modelo de

Langmuir para o processo. A equação de reta obtida apresenta coeficiente

angular correspondente a 1/Q0 e coeficiente linear correspondente a 1/Q0b. A

característica essencial da isoterma pode ser expressa pela constante

adimensional chamada parâmetro de equilíbrio, a qual é definida por:

RL= 1/1+ bCe

sendo Ce a concentração inicial do surfactante mais alta em (mg.L-1) e b a

constante de Langmuir. O valor de RL entre 0 e 1 indica adsorção favorável.

O modelo de isoterma de Freundlich considera que a adsorção ocorre

em multicamadas e é útil para descrever a adsorção em superfícies altamente

heterogêneas. A forma linear da Equação de Freundlich é dada pela equação:

log qe = log Kf + 1/n log Ce

sendo Kf (mg.g-1) e n constantes relacionadas com a capacidade de adsorção.

Os valores de Kf e n podem ser obtidos pela intersecção e inclinação do gráfico

linear de log qe versus log Ce. O valor de n entre 2 e 10 indica adsorção

favorável.

2. Objetivo

A prática realizada teve como principal objetivo estudar a adsorção do

ácido acético sobre o carvão vegetal, no intuito de traçar o gráfico das

isotermas de Freundlich e Langmuir e determinar o valor das constantes de

adsorção.

3. Materiais e Métodos

a. Materiais

6 erlenmeyers

Pipetas de 5mL

2 buretas

2 balões volumétricos

Placa de agitação com temperatura controlada

b. Reagentes

Solução de ácido acético 0,1M

Solução de hidróxido de sódio 0,1M

Carvão ativo

c. Procedimento Experimental

Preparou-se uma solução de ácido acético 1 M. Essa solução foi diluída

em seis balões de 100 mL originando, novas concentrações variando de 0,2M

à 0,04M conforme descreve a tabela a seguir:

Amostra 1 2 3 4 5 6

Ácido acético 1M (mL) 20 16 12 8 6 4

Concentração (M) 0,2 0,16 0,12 0,08 0,06 0,04

Pesou-se 1,23 g de carvão ativado no erlenmeyer, em seguida transferiu-

se a solução de acido acético (0,2 M). Em seguida colocou-se sob agitação por

aproximados 5 minutos e centrifugou-se. Retirou-se um alíquota de 5 mL do

sobrenadante, adicionou-se a um bécher colocando-se mais 45 mL de água

destilada e titulou-se com hidróxido de sódio 1 M, previamente preparado,

utilizando como indicador a fenolftaleína (2 gotas). O mesmo procedimento foi

realizado com as amostras 2, 3, 4, 5 e 6. Os valores encontrados foram

anotados.

4. Resultados e Discussões

Abaixo segue os dados obtidos na titulação com NaOH, que permitiu

encontrar a massa de ácido acético (X) adsorvida no carvão vegetal.

Amostra [HAc]i

Mi HAc

(mg)

VNaOH 0.1M

(mL)[HAc]f

Mf HAc

(mg)

Concentração no equilíbrio Ce

(mg/L)

Mi – Mf

X (mg)

1 0.2 1201.0 0.90 0.0018 108.09 1080.9 1092.910

2 0.16 960.8 0.90 0.0018 108.09 1080.9 852.710

3 0.12 720.6 0.50 0.0010 60.05 600.5 660.550

4 0.08 480.4 0.60 0.0012 72.06 720.6 408.340

5 0.06 360.3 0.40 0.0008 48.04 480.4 312.260

6 0.04 240.2 0.35 0.0007 42.035 420.4 198.165

Após obtenção da massa adsorvida foi possível calcular o logaritmo da

razão entre a massa adsorvida (X) e a massa de carvão (m) e o logaritmo da

concentração em equilíbrio de ácido acético.

Amostra X (mg) m (g) X/m log (X/m) log Ce

1 1092.910 1.23 888.54 2.948679288 3.033785517

2 852.710 1.23 693.26 2.840896245 3.033785517

3 660.550 1.23 537.03 2.730000585 2.778513012

4 408.340 1.23 331.98 2.521116813 2.857694258

5 312.260 1.23 253.87 2.404611244 2.681602999

6 198.165 1.23 161.11 2.20712184 2.623611052

A fim de se plotar a isoterma de Freundlich, utilizou-se os logaritmos

calculados na tabela acima.

Gráfico 1 – Isoterma de Freundlich

Utilizando o coeficiente angular obtido por meio da isoterma podem-se

calcular os valores das constantes. No modelo de Freundlich, K é a constante

de Freundlich, que representa a capacidade de adsorção e n é uma constante

que descreve a intensidade de adsorção (adimensional), adsorvente/adsorvato.

Com base na equação:

Calculou-se as constantes de Freundlich (n e K) e como o coeficiente angular é

igual a (1/n), tem-se, n = 1/a, n = 0,683 e b = log K , K = 0,0286 mg/g.

A isoterma de Langmuir pode ser validada plotando o gráfico linear

Ce/(X/m) versus Ce, onde a equação de reta obtida apresenta coeficiente

angular correspondente a 1/Qo e coeficiente linear correspondente a 1/Qob.

Concentração no equilíbrio Ce (mg/L)

Ce/(X/m)

1080.9 1.216483516

1080.9 1.55915493

600.5 1.118181818

720.6 2.170588235

480.4 1.892307692

420.4 2.609090909

Gráfico 2 – Isoterma de Langmuir

Como 1/Qo = - 0,0011 e 1/Qob = 2,5897, tem-se: Qo sendo a capacidade

de adsorção máxima de acido acético no carvão ativado e b a energia de

adsorção, no entanto os valores obtidos na equação da reta não nos permite

efetuar o cálculo das constantes.

Caso os valores acima tivessem sido calculados seria possível calcular RL

para saber se a isoterma de Langmuir indica adsorção favorável. Calculando-

se o valor de n pela isoterma de Freundlich tem-se que valores entre 2 e 10

indica adsorção favorável, dessa forma tem-se que a isoterma de Freundlich

não é favorável. Já pelos dados obtidos dos coeficientes de correlação das

retas de adsorção, ou seja, da regressão linear da curva que foram: pela

Isoterma de Langmuir = 0,3276 e pela isoterma de Freundlich = 0,8202, tem-se

que o modelo de isoterma de Freundlich é mais adequado para escrever os

dados de adsorção, indicando que a adsorção do acido acético no carvão ativo

ocorre em multicamadas.

Com base nos valores experimentais e nos gráficos de isotermas de

adsorção, verifica-se que a capacidade de adsorção do carvão ativado

aumenta com o aumento das concentrações do ácido acético em solução,

entretanto, de modo geral o aumento não é proporcional devido a saturação do

adsorvente.

5. Conclusão

O experimento proporcionou verificar a influência da concentração no

processo de adsorção sobre o carvão ativado por meio de isotermas de

adsorção, no entanto, acredita-se que os valores obtidos de n e K não

correspondam à realidade e que os valores de Qo e b não possam ter sido

calculados, devido a erros de procedimento, tal como: o tempo necessário para

que ocorresse a adsorção, esse parâmetro não foi respeitado em virtude do

tempo de realização da prática.

Além da concentração, outros parâmetros influem o processo de

adsorção, tais como: o pH, a temperatura e, principalmente, o tipo de

adsorvente alterando a forma da isoterma.

6. Referência Bibliográfica

ALCÂNTARA M.A.K.; CAMARGO, O.A. Isotermas de adsorção de Freundlich para o crômio (III) em latossolos. Scientia Agricola. vol.58 no.3 Piracicaba July/Sept. 2001

ATKINS, P.; PAULA, J. Físico-Química. 8. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008

TAGLIAFERRO, G.V. et al. Adsorção de chumbo, cádmio e prata em óxido de nióbio (V) hidratado preparado pelo método da precipitação em solução homogênea. Química Nova, Vol. 34, No. 1, 101-105, 2011.