Práctica 8 Adsorción 1

PRÁCTICA 8: ADSORCIÓN I: ESTUDIO DE
LA ADSORCIÓN SÓLIDO SOLUCIÓN
8.1 INTRODUCCIÓN
La experiencia muestra que al ponerse en contacto un sólido con un líquido o con
un gas, se lleva a cabo una acumulación parcial de las moléculas del gas o del
líquido sobre la superficie del sólido. En algunos casos la sustancia penetra en el
sólido y se distribuye por todo su volumen, a este fenómeno se le llama absorción.
En los casos en que las moléculas del gas o del líquido quedan sólo en la superficie
del sólido, el fenómeno recibe el nombre de adsorción.
La fase sobre la que se efectúa la adsorción recibe el nombre de adsorbente y la
sustancia depositada se llama adsorbato.
El fenómeno de adsorción se lleva a cabo no sólo en la superficie de los sólidos,
también en la interfase de sistemas heterogéneos (gas-sólido, líquido-gas, líquidosólido o líquido-líquido), en estas interfases existirá un aumento de concentración
de la sustancia disuelta, en comparación con la concentración de la misma en los
volúmenes de las fases homogéneas.
En general, se llama adsorción: a la acumulación de cualquier sustancia en una
superficie. La experiencia muestra también, que la cantidad de sustancia adsorbida,
depende de la presión del gas o la concentración de la sustancia en el líquido y, al
variar la presión, concentración y temperatura.
FUERZAS QUE INTERVIENEN EN LA ADSORCIÓN
La naturaleza de las fuerzas que actúan entre las moléculas adsorbidas y el
adsorbente pueden ser diferentes. Si la interacción entre las moléculas adsorbidas
y la superficie está condicionada por fuerzas de Van der Waals, entonces esta
interacción va a ser débil y el tiempo que permanezca la molécula en la superficie
será muy pequeño, a tal adsorción se le llama adsorción física (Cuadro 8.1).
Si la interacción entre las moléculas y la superficie se efectúa por medio de los
electrones de valencia de las moléculas y el sólido, entonces la interacción va a ser
mucho más intensa. En algunos casos la interacción es tan grande que se puede
hablar de la formación de nuevos compuestos (Cuadro 8.1).
52
Adsorción física
(Fisisorción)
Interacciones débiles adsorbatoadsorbente, del tipo Van der Waals,
dipolo-dipolo, puentesde hidrógeno.
Adsorción reversible.
Formación de mono o multicapas.
Entalpía de adsorción generalmente
negativa (exotérmica).
Entalpía de adsorción baja:
H = 1- 10 kcal/mol
Ejemplos de Fisisorción.
Adsorción de:
 Vapor de agua sobre silica gel.
 Gases como CO2, CO, N2, Ar, Ne,
sobre carbón activado.
 Vapores de disolventes sobre
carbón activado.
 Vapor de agua sobre vidrios,
espejos.
Adsorción química
(Quimisorción)
Enlaces fuertes adsorbato-adsorbente,
del tipo covalente (se forma un nuevo
compuesto).
Generalmente irreversible.
Formación de monocapas.
Entalpía de adsorción negativa o
positiva (puede ser endo o
exotérmica).
Entalpía de adsorción elevada:
H = 50 - 100 kcal/mol
Ejemplos de Quimisorción.
 Formación de óxidos, por la
reacción de oxígeno con la
superficie de materiales de fierro,
cobre, wolframio.
 Reacciones específicas de catálisis.
 Reacciones covalentes para
inmovilizar enzimas.
Cuadro 8.1 Clasificación de la adsorción con base en el tipo de interacción
adsorbato-adsorbente
ISOTERMAS DE ADSORCIÓN
Experimentalmente se puede determinar la cantidad de sustancia adsorbida al
establecerse el equilibrio dinámico de adsorción. La gráfica que describe la cantidad
de sustancia a adsorbida en función de la presión P (para gases) o de la
concentración C (para soluciones), a temperatura constante, después de
establecerse el equilibrio recibe el nombre de ISOTERMA DE ADSORCION.
En la figura 8.1 se muestran los tres tipos de isotermas experimentales que más
comúnmente se obtienen.
La forma de la isoterma depende de muchos factores tales como: la estructura de
la superficie, la intensidad del campo de fuerzas en ésta, la naturaleza de las
moléculas que se adsorben, su interacción mutua, la temperatura.
53
T = constante
a
a
a
am
am
PóC
Tipo I
Isoterma monomolecular
o de Langmuir.
Existe gran afinidad
adsorbato-adsorbente
PóC
PóC
Tipo II
Isoterma polimolecular o
de B.E.T.
Adsorción en multicapas
Tipo III
Isoterma típica cuando
existe baja interacción
adsorbato-adsorbente
Figura 8.1 Isotermas experimentales que se obtienen fecuentemente
Donde:
a (g/g): Peso de sustancia adsorbida por gramo de adsorbente.
P (atm) ó C (mol/l): Concentración de la sustancia en solución en el equilibrio.
am = adsorción máxima o de monocapa.
La dependencia de las
isotermas con la temperatura,
se observa en la figura 8.2
Figura 8.2 Isotermas de adsorción de CO sobre carbón,
a diferentes temperaturas
54
MODELO DE ADSORCIÓN DE HENRY
En la actualidad existen diferentes modelos de adsorción. Uno de las más simples
es el de Henry quien hizo las siguientes consideraciones acerca de cómo se efectúa
la adsorción:
Consideraciones:
a
 Temperatura constante.
 Superficie lisa y homogénea.
 Superficie “infinita” (adsorción sin
restricciones).
 No existen interacciones entre las
moléculas adsorbidas, sólo
adsorbato-adsorbente.
P
Figura 8.3 Isoterma de Henry.
El modelo de Henry, establece que la adsorción a, es directamente proporcional
a la concentración del soluto. Este modelo ajusta la primera parte de una isoterma
experimental del Tipo I o del Tipo II, y por tanto, sólo se aplica a muy bajas
concentraciones.
Ecuación de la isoterma de Henry:
a = KP ----------- (1)
MODELO DE ADSORCIÓN DE LANGMUIR
El modelo de Langmuir describe la isoterma del Tipo I.
Ecuación linealizada de Langmuir:
P
a

1
P
. . . . . . .. . . (2)

amK am
Donde:
a = cantidad de soluto adsorbida.
P ó C = presión ó concentración del adsorbato.
K = constante de Langmuir.
am = adsorción máxima (monocapa).
55
Consideraciones:
 Temperatura constante.
 Adsorción localizada
(adsorción sólo en sitios
activos de la superficie).
 La superficie es homogénea
y se forma una monocapa.
 La energía de adsorción es
la misma para todos los
sitios de adsorción.
 Sólo existen interacciones
adsorbato-adsorbente
 La adsorción máxima (am)
indica la máxima capacidad
de adsorción (saturación
monomolecular del
adsorbente).
P/a
B
A
1
amK
1
am
P
Figura 8.4 Isoterma linealizada de
Langmuir.
ISOTERMA DE ADSORCIÓN DE FREUNDLICH
En los casos en que no es posible limitarse a las aproximaciones que se hicieron
en el modelo de Langmuir, se utilizan ecuaciones empíricas como la de Freundlich,
la cual se propuso como una generalización de los datos experimentales.
Consideraciones:
log a
A = log m
B = 1/n
log P
 Temperatura constante.
 Superficie rugosa
(microporosa).
 Distribución
exponencial de la
energía de los sitios de
adsorción.
 No supone la formación
de una monocapa,
predice una adsorción
exponencial.
Figura 8.5 Isoterma linealizada de Freundlich.
56
La isoterma de Freundlich describe la isoterma del Tipo I, pero no predice la
adsorción máxima am y, presenta desviaciones a valores elevados de adsorción.
Ecuación de Freundlich:
a = m·P1/n . . . . . . . . . (3)
Ecuación linealizada de Freundlich:
log a  log m 
1
log P -------------(4)
n
Donde:
a = cantidad de soluto adsorbida.
P ó C = presión ó concentración del adsorbato.
1/n = constante empírica que representa la velocidad de saturación del
adsorbato.
m = constante empírica que indica la capacidad de adsorción y la afinidad del
adsorbato por el adsorbente
ANOMALÍAS DE LAS ISOTERMAS DE ADSORCIÓN
En la fig.8.6 se presentan algunas de las isotermas que se pueden obtener
experimentalmente:
a
3
2
3’
1
5
C
4
8.6 Anomalías de las isotermas de
adsorción.
1. Aspecto común de las
isotermas de adsorción.
2. Isoterma que responde a una
adsorción polimolecular o a una
condensación capilar.
3. Isoterma de adsorción ideal de
Henry.
3’. Isoterma de absorción en el
volumen.
4. Existe una adsorción preferente
de disolvente lo que puede
resultar en que Cf sea mayor
que Ci.
5. Isoterma obtenida como
resultado de cálculos
incorrectos, que se efectúan sin
tomar en cuenta la adsorción
del disolvente.
57
8.2 OBJETIVOS
Realizar el estudio de la adsorción de ácido acético en solución acuosa sobre
carbón activado, obtener las isotermas de adsorción y encontrar el modelo
matemático al que se ajusten los resultados experimentales obtenidos.
8.3 MATERIAL Y REACTIVOS
MATERIALES
REACTIVOS
6 matraces erlenmeyer de 125 ml con
6 tapones.
6 embudos de filtración.
1 pipeta volumétrica 25 ml.
6 pipetas volumétricas 10 ml.
1 bureta.
1 soporte universal.
1 pinzas para bureta
6 vasos de precipitados de 50 ml
1 piseta
Soluciones valoradas de ácido acético
de las siguientes concentraciones:
0.025, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3 y 0.45M.
Solución de fenolftaleína.
Solución valorada de NaOH 0.1N.
8.4 DESARROLLO EXPERIMENTAL
 Se coloca en cada uno de los matraces 0.5 g de carbón activado en polvo y 25
ml de las soluciones de ácido acético, dejando un intervalo de 10 minutos entre
cada adición.
 Los matraces se tapan y se agitan de vez en cuando durante 40 minutos.
 Después de este tiempo las soluciones se filtran, desechándose los primeros 3.5
ml de filtrado (para evitar errores por la adsorción del ácido en el filtro).
 De cada uno de los filtrados se toma con una pipeta una alícuota de 10 ml y se
titula con la solución 0.1N de NaOH, en presencia de fenolftaleína como
indicador.
 Por la cantidad de base gastada en la titulación se determina la concentración
del ácido después de la adsorción.
58
 Sabiendo la cantidad de ácido en las muestras antes y después de la adsorción,
se calcula la cantidad de ácido adsorbido en 0.5 g de carbón activado (y se
expresa en milimoles por g de adsorbente).
NOTA: Titule 25 ml de agua destilada con 0.5 g de carbón activado, como
blanco.
8.5 RESULTADOS
Ejemplo:
Para determinar la cantidad “a” adsorbida por gramo de adsorbente, se requieren
los siguientes datos:
m: masa del adsorbente (g)
V: volumen de la solución a partir de la cual se efectúa la adsorción (L).
Ci: concentración inicial del adsorbato en la solución (mol/l).
CF: concentración final del adsorbato en la solución (después de la adsorción)
(mol/L).
Entonces la cantidad adsorbida por gramo de adsorbente, se puede calcular por
medio de la ecuación:
a=
( Ci  CF )
·V -------------(5)
m
La cantidad experimental de ácido después de la adsorción, se calcula con la
siguiente fórmula:
V2C 2
 C1 --------------(6)
V1
Dónde:
V2 = Volumen de NaOH gastado.
C2 = Concentración de NaOH.
C1 = Concentración del ácido acético después de la adsorción.
V1 = Volumen de la alícuota de ácido acético titulado (10 ml)
Nota: C1 en la fórmula 6, corresponde a la CF de la ecuación 5.
Con estos resultados complete la siguiente tabla:
59
Ci
(mol/L)
m
(g)
V
(L)
Gasto de
NaOH
(mL)
CF
(mol/L)
Adsorción
a
(mmmol/g)
Trazar la gráfica a=f(C), que representa la isoterma de adsorción. En el eje de las
ordenadas colocar los valores de “a” y en el eje de las abscisas Cf. Con base en
esta gráfica:
1. Comprobar si se cumple la ecuación de Henry.
2. Comprobar si se cumple la ecuación de Langmuir:
Complete la siguiente tabla:
CF
(mol / L)
Adsorción
CF / a
a
(mmol / g)
60
Trazar la gráfica de CF/a vs. CF y aplicando regresión lineal (LR), encontrar la
ecuación linealizada de Langmuir (ecuación 2).
3. Comprobar si se cumple la ecuación de Freundlich.
Complete la siguiente tabla:
CF
Adsorción
(mol / L)
a
(mmol / g)
Log CF
Log a
Trazar la gráfica de log a vs. log CF y aplicando regresión lineal (LR), encontrar la
ecuación linealizada de Freundlich (ecuación 4).
4. Explique la causa de las desviaciones entre los datos teóricos y experimentales
en cada caso.
5. ¿Cuál de las ecuaciones concuerda mejor con los datos experimentales? ¿Por
qué?
8.6 DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Discuta sus resultados en base a la bibliografía consultada.
8.7 CONCLUSIONES
Formule sus conclusiones en base a los objetivos planteados.
8.8 CUESTIONARIO
1. Mencione aplicaciones de los siguientes adsorbentes:
a) resinas de intercambio iónico, b) carbón activado, c) arcillas, d) silica gel.
61
2. Escriba ejemplos de adsorción física y de adsorción química.
3. Mencione aplicaciones de la adsorción en su área de especialización.
8.9 BIBLIOGRAFÍA
1. Arellano-Cárdenas, S. López-Cortez, S. Cornejo-Mazón, M. y Mares-Gutiérrez,
J.C. Study of malachite green adsorption by organically modified clay using a
batch method. Applied Surface Science, 2013: 280:74-78.
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2013.04.097.
2. Kuhn, H. Principios de Fisicoquímica, Cengage Learning, 2012.
3. Maron, S. H. y Prutton, C. F. Fundamentos de Fisicoquímica, Limusa, México,
1993.
4. Hincapié-Mejía, G., Cardona-Cuervo, S., Ríos, L. A. Estudio termodinámico de
la adsorción de un colorante azoico por medio de un residuo lignocelulósico en
medio acuoso, Ingeniería y Desarrollo, Universidad del Norte, 2018, Vol. 36, No.
1: 97-118.
62