Universidade Federal do ParanáSetor de Ciências ExatasDepartamento de QuímicaCQ051 – Físico-química Experimental II

EXPERIÊNCIA 3 - ADSORÇÃO I: Determinação da Isoterma para a

Adsorção do ácido acético pelo carvão ativo

Alunos:Bruno Dalavia SouzaHugo Cesar da Cruz

Liah AiraLuis Fernando Amorim Batista

Odilon Alves Alexandre NetoPatricia Diehl

Profª Liliana Micaroni

Curitiba - PROutubro, 2015

Introdução

A adsorção é a acumulação de uma substância em uma interface e pode ocorrer em

todos os tipos de interface, como gás-sólido, solução-sólido, solução-gás. Pode-se dividir em

duas classificações, a adsorção física e a química. A adsorção física é não-específica, rápida e

reversível. O adsorbato encontra-se ligado à superfície somente por forças van der Waals. A

adsorção química envolve uma interação química com transferência de elétrons entre

adsorventes e adsorbato. As espécies adsorvidas são ligadas por força de valência que são as

mesmas que ligam os átomos numa molécula.

A quantidade de substância adsorvida decresce com o aumento da temperatura, já que

os processos de adsorção são exotérmicos. A uma temperatura constante a quantidade

adsorvida aumenta com a concentração do adsorbato e a relação entre número de moléculas

adsorvida e a concentração (C) é conhecida como isoterma de adsorção.

A isoterma de Langmuir corresponde a um tipo de adsorção altamente idealizado onde

são feitas as seguintes hipoteses:

● As moléculas são adsorvidas em pontos discretos da superfície que são chamadas

"sítios de adsorção".

● A energia de uma espécie adsorvida é a mesma em qualquer ponto da superfície e é

independente da presença ou ausência de moléculas adsorvidas na vizinhança, isto é, a

superfície é completamente uniforme sob o ponto de vista energético.

● A quantidade máxima possível de adsorção é a que corresponde à monocamada.

● A adsorção é localizada e ocorre por colisão de moléculas com sítios vazios. A

expressão pode ser utilizada para isoterma do Langmuir:

Objetivos

Quantificar a adsorção de ácido acético em carvão ativo através das isotermas de

Langmuir e Freundlich.

Resultados e discussão

O uso do carvão ativado como adsorvente decorre de suas propriedades texturais e

natureza química de sua superfície, responsáveis por sua grande capacidade de adsorção.

Essas propriedades vão de encontro ao que objetivou a realização deste experimento.

Foi reagida certa quantidade de ácido acético com uma massa conhecida de carvão

ativado. Sob agitação magnética, o processo de reação durou 10min para cada análise. Ao fim

da reação o produto foi separado por filtração em papel filtro, onde, o carvão ativado com ácido

acético adsorvido ficou retido no papel filtro e o filtrado, contendo a quantidade de ácido acético

não adsorvida, foi recolhido em um recipiente adequado. Posteriormente o filtrado foi

quantificado em termos de quantidade de matéria de ácido acético pela titulação com hidróxido

de sódio como titulante. A quantidade de ácido adsorvido foi calculada por

nads = ([HAc]inicial – [HAc]equilíbrio)V

onde a quantidade de matéria adsorvida é a diferença entre a quantidade inicial de ácido

acético da quantidade de ácido determinada pela titulação, representada por

NaOH(aq) + HAc(aq) → Na+(aq) + Ac-(aq) + H2O

Os dados experimentais encontrados pelas bancadas são descritos na tabela 1 a seguir:

Sistema

(HAc/carvão)

1 2 3 4 5 6

Solução estoque

(mL)

30,0 25,0 20,0 10,0 5,0 3,0

Massa de carvão

ativo(g)

0,999 1,001 1,005 1,024 1,004 1,002

[HAc] incial

(mol/L)

0,1639 0,1366 0,1092 0,05462 0,02231 0,01639

Volume médio de

NaOH gasto(mL)

14,3 11,5 9,2 4,1 17,8 8,1

[HAc]

equilíbrio(mol/L)

0,1446 0,1163 0,09301 0,04145 0,01800 0,008189

n ads (mol/g) 0,000260

3

0,0002335 0,0001482 0,0000172

6

0,00007641 0,0000663

0

Tabela 1: Dados experimentais

Como dito anteriormente, as propriedades adsorventes do carvão ativado foram de

encontro com o objetivo do experimento que é a construção das isotermas de Langmuir e

Freunlich.

Para determinação da isoterma de Langmuir temos que

.

Dessa expressão tem-se que quando a isoterma de adsorção de Langmuir representa

de um modo adequado um processo de adsorção, então um gráfico de 1/n versus 1/c (onde c

= concentração em equilíbrio) deverá resultar numa reta, cujo coeficiente angular será igual a

1/K.nmax ,e o coeficiente linear será igual a 1/nmax .

Conhecendo nmax e sabendo , a área ocupada por uma molécula adsorvida na

superfície do sólido, a área superficial do sólido será:

onde NA é o número de Avogadro.

Pelo gráfico 1, temos que foi necessário a exclusão dos dados da bancada 5. Assim

temos a isoterma de Langmuir:

Sendo, segundo a análise do gráfico, a equação de Langmuir

1/n = 4704,48595 + 95,71539 . 1/C

e analisando o coeficiente linear encontra-se nmax :

1 / nMAX = 4704,48595

NMAX = 2,126x10-4

Admitindo que área que a molécula do ácido acético possui é cerca de

2,4×10-9 m2 calculou-se a área superficial do carvão ativo, temos que

A = (1/4704,48595)molg-1(6,023x1023mol)(2,4x10-9m2)

A = 3.073x1011 m2g-1

Resultado muito aquém do encontrado na literatura. Tal erro exorbitante se deve aos

conseqüentes erros experimentais na análise em laboratório.

Para determinar a isoterma de Freunlich temos que um sistema que está de acordo com

tal isoterma pode ser representado por um gráfico linear de log nADS versus log C onde C é

concentração em equilíbrio. Anestésicos locais agem por adsorção e em geral seguem a

isoterma de Freunlich, sendo o tamanho e estrutura do fármaco determinantes na cinética e

grau de adsorção. Dada a equação

log nADS = log k + N log C.

Dado o gráfico 2 teve-se que excluir os dois últimos pontos do experimento para que o

gráfico tivesse seu aspecto linear, como indica a equação. Assim temos o gráfico a seguir:

A adsorção ativada é considerada adsorção de caráter intermediário entre a adsorção

química(Langmuir) e a adsorção física(Freunlich) pois a adsorção ativada pode ser observada

em processos que ocorre variação de temperatura e, com o aquecimento, a ligação entre a

substância a ser adsorvida e o material adsorvente muda de química para física. A adsorção

química, também chamada quimissorção, é específica e é empregada na separação de

misturas. Nela as moléculas (ou átomos) unem-se à superfície do adsorvente através da

formação de ligações químicas (geralmente covalentes) e tendem a se acomodarem em sítios

que propiciem o maior número de coordenação possível com o substrato. Uma molécula

quimicamente adsorvida pode ser decomposta em virtude de forças de valência dos átomos da

superfície e é a existência de fragmentos moleculares adsorvidos que responde, em parte,

pelo efeito catalítico das superfícies sólidas. Por isso em processo com variação de

temperatura, ao se aquecer o sistema as moléculas tendem a se quebrar e deixando de fazer

uma adsorção química. Já a isoterma de Freunlich falha para altas concentrações de

adsorvato. Assume-se que a adsorção ocorra em multicamadas e em superfícies

heterogêneas. Matematicamente, assume uma distribuição logarítmica de sítios de adsorção,

que é uma suposição válida somente quando não há fortes interações entre as moléculas de

adsorvato ou seja, não ocorre a adsorção química.

Conclusão

Os processos de adsorção têm demonstrado ser um método econômico e eficaz

utilizado nos diversos seguimentos industriais, laboratoriais e acadêmicos, para as diversas

finalidades apontadas neste trabalho. No experimento tivemos que as isotermas de Freunlich e

Langmuir podem explicar o fator intermediário da adsorção ativada. Contudo, resultados como

o cálculo da área de superfície do carvão ativado e os gráficos lineares não poderam ser

alcançados pois os dados devem estar levando em conta os possíveis erros experimentais.

Bibliografia

ATKINS, P. W. Physical Chemistry. Oxford University Press, 1990.

SIERAKOWSKI, M. R. – Apostila de Físico-Química Experimental II – CQ 051 –Circulação

interna.