ISOTERMA_ADS Agosto 2015

ISOTERMA DE ADSORCIÓN
OBJETIVO
El alumno observará el fenómeno de la adsorción de un colorante sobre carbón activado,
probará el ajuste de dos modelos de isotermas de adsorción al sistema en estudio, obtendrá los
parámetros de cada isoterma y aplicará la isoterma de mejor ajuste.
CONSIDERACIONES TEÓRICAS
La adsorción es un proceso en el que moléculas procedentes de una fase líquida o gaseosa
se adhieren a un sitio específico de la superficie de un sólido. La magnitud de la adsorción (y la
velocidad de adsorción) depende de varios factores importantes como la temperatura, la
naturaleza de la sustancia adsorbida (adsorbato), la naturaleza y el grado de subdivisión del
sólido (adsorbente), la concentración y/o presión del adsorbato.
La adsorción puede ser de tipo físico (fisisorción) cuando la unión entre los sitios activos
del sólido (adsorbente) y los átomos o moléculas de la fase líquida o gaseosa (adsorbato) es
debido a fuerzas de van der Waals, éstas son de largo alcance pero débiles, la energía liberada
cuando una partícula es fisisorbida es de magnitud similar a la entalpía de condensación del
adsorbato y los valores típicos están en el orden de unos 20 kJ/mol, se puede producir el
fenómeno de desorción el cual es un proceso inverso a la adsorción. La adsorción también puede
ser de tipo químico (llamada quimisorción), aquí los átomos o moléculas se adhieren a la
superficie del sólido formando enlaces generalmente de tipo covalente en lugares donde se
maximice el número de coordinación con el sustrato. La energía de la quimisorción es mucho
mayor que la energía de la fisisorción y los valores típicos están en el orden de unos 200 kJ/mol,
normalmente no se presenta el fenómeno de desorción Una molécula quimisorbida puede
fragmentarse debido a la demanda de valencias libres de los átomos superficiales y la existencia
de éstos fragmentos moleculares en la superficie es una razón por la que las superficies catalizan
una reacción. Como ya se mencionó, la temperatura es otra variable que afecta el proceso de
adsorción, si la adsorción es de tipo físico, se sabe que a mayor temperatura las moléculas del
adsorbato tendrán mayor movilidad dificultando y en consecuencia disminuyendo la adsorción.
Puesto que la adsorción depende del número de los lugares desocupados en el adsorbente,
aquellos deben encontrarse en proporción a la masa del sólido, es importante el manejo de
variables como la masa adsorbida por unidad de masa del adsorbente m y la fracción de sitios
ocupados . Se sabe que m es una medida del grado de saturación de sitios disponibles por
unidad de masa del adsorbente y que m es proporcional a .
Cuantitativamente, las ecuaciones que relacionan m con la concentración del adsorbato,
obtenidas a temperatura constante, se denominan isotermas de adsorción. En la literatura puede
encontrarse una variedad de ellas, las más comunes, sobre todo para cuando se tiene una
adsorción de tipo monocapa son la de Freundlich y la de Langmuir, las cuales se estudiarán en
esta práctica.
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La isoterma de Freundlich fue una de las primeras ecuaciones propuestas, ésta isoterma es
aplicable a sistemas no ideales y falla si es muy alta la concentración (o presión) del adsorbato,
su ecuación es:
⁄
donde C es la concentración del adsorbato en el equilibrio, k y n son constantes empíricas que
pueden determinarse experimentalmente, n es un parámetro adimensional que está relacionado
con la intensidad de la adsorción. Al linealizar la ecuación (1) se obtiene:
por lo que al graficar ln m contra ln C se espera que sea una recta, si los datos siguen el modelo
de Freundlich. Utilizando los parámetros de la recta se pueden obtener k y n.
La isoterma de Langmuir es una expresión matemática sencilla ya que el fundamento de
su deducción está basado en que todas las partes de la superficie se comportan exactamente del
mismo modo. Esta isoterma se deduce para un proceso de adsorción representado por la reacción
química de equilibrio:
A+s
A-s
(3)
donde A representa al adsorbato, s a un sitio disponible sobre el sólido, y A-s un átomo o
molécula del adsorbato unido a un sitio activo. La ecuación de equilibrio correspondiente es:
Aquí xA-s y xs representan las fracciones molares de los sitios ocupados y libres, respectivamente
y K es la constante de equilibrio para la adsorción. Como m es proporcional a , puede escribirse
m = b, donde b es una constante de proporcionalidad. Despejando  de la ecuación (4),
multiplicando por b e invirtiendo la expresión se obtiene:
Por lo que una gráfica de 1/m contra 1/C dará como resultado una línea recta si los datos
corresponden al modelo de Langmuir. De los parámetros de la recta se obtienen b y K. K es una
constante relacionada con la entalpía de adsorción y b está relacionada con el área superficial del
sólido, es una medida de la capacidad de adsorción del adsorbente para el adsorbato particular en
estudio.
En esta práctica se utilizará carbón activado como adsorbente y anaranjado de metilo
disuelto en agua como adsorbato. Las concentraciones de disoluciones acuosas del anaranjado de
metilo se pueden obtener fácilmente por espectrofotometría en la región visible.
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Los procesos de adsorción tienen aplicaciones importantes tales como: eliminar solutos
que provocan turbidez en disoluciones acuosas; eliminación de solutos indeseables en aguas de
consumo humano, como fluoruros en exceso; eliminación de contaminantes de aguas antes de su
descarga en drenajes; eliminación de olores desagradables; etc.
GUÍA DE ESTUDIOS
1. ¿Qué es la adsorción?
2. ¿Qué variables afectan la adsorción?
3. ¿Qué características definen a la fisisorción?
4. ¿Qué características definen a la quimisorción?
5. ¿Qué es una isoterma de adsorción?
6. ¿Qué es  , qué es m y qué relación existe entre ellas?
7. Deduzca la ecuación (5) a partir de la ecuación (4).
8. De acuerdo con el modelo de Langmuir, ¿qué significado tienen la pendiente y la ordenada al
origen en una gráfica de 1/m contra 1/C?
9. Comparando las adsorciones física y química, ¿cuál es más selectiva? ¿Por qué?
10. ¿Cuál es el adsorbato y cuál el adsorbente que se emplearán en la práctica?
MATERIAL
Agitador magnético con seis posiciones de agitación (1), barra de agitación (4 idénticas),
celda para espectrofotómetro (15), embudo chico (4), espátula (1), espectrofotómetro, matraz
Erlenmeyer de 250 mL (8), matraz volumétrico de 200 mL con tapón (4), matraz volumétrico de
50 mL con tapón (4), matraz volumétrico de 25 mL con tapón (2), papel absorbente, papel filtro,
pipeta volumétrica de 10 mL (2), pipeta volumétrica de 5 mL (4), pipeteador (2), piseta (1), vaso
de precipitado de 600 mL (1), vaso de precipitado de 100 mL (1).
REACTIVOS
Disoluciones estándar de anaranjado de metilo de 1mg/mL; (1, 2, 4, 6, 8 y 10) g/mL, carbón
activado.
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PROCEDIMIENTO
1. A partir de la disolución estándar de 1 mg/ mL de anaranjado de metilo, prepare 4 diluciones
para lo cual tome alícuotas de 5mL, afore a 200 mL con agua destilada y agite. De cada una
de estas disoluciones retire 10 mL y vacíelos por separado en matraces volumétricos de 50
mL. Afore cada matraz volumétrico con agua destilada y agite.
2. Pese en la balanza analítica cantidades aproximadas a (0.5, 0.8, 1.0 y 1.3) g de carbón
activado. Anote el peso exacto en cada caso y vacíe el carbón en matraces Erlenmeyer de
250 mL debidamente rotulados. Agregue a cada matraz los 190 mL de disolución de
anaranjado de metilo restantes del punto 1.
3. Introduzca una barra magnética de agitación en cada matraz, colóquelos sobre la placa de
agitación y encienda la placa. Anote el tiempo de inicio de la agitación.
4. Encienda el espectrofotómetro y déjelo calentar el tiempo que señale su instructor(a).
5. Fije la longitud de onda en 461 nm. Utilice agua destilada como blanco.
6. Determine la absorbancia de las disoluciones estándar de (1, 2, 4, 6, 8 y 10) g/mL de
anaranjado de metilo. Los datos obtenidos servirán para construir una curva de calibración.
7. Determine la absorbancia de las 4 muestras de las disoluciones utilizadas al inicio de la
adsorción. Si se excede a la absorbancia del estándar de calibración más concentrado prepare
las diluciones apropiadas y vuelva a determinar la absorbancia.
8. Después de 30 minutos de agitación, apague la placa. Filtre y colecte las disoluciones en
matraces Erlenmeyer debidamente rotulados.
9. Determine la absorbancia de cada una de los filtrados. Si alguna de las absorbancias excede
los límites del estándar de calibración más concentrado, efectúe una dilución apropiada y
vuelva a determinar la absorbancia.
10. Recolecte el residuo obtenido en un contenedor debidamente rotulado.
TRATAMIENTO Y DISPOSICIÓN DE RESIDUOS
El residuo contiene carbón activado y anaranjado de metilo. La mezcla se separa por
filtración, el carbón activado con anaranjado de metilo se desecha en la basura. La disolución
que puede contener trazas de anaranjado de metilo se desecha directamente al drenaje porque
esta sustancia es biodegradable, además de la baja concentración de la disolución.
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