Isotermas de Adsorção

Isotermas de Adsorção

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1 - Introdução

Adsorção é um fenômeno que ocorre na interface entre duas substâncias, podendo ser entre um sólido e um líquido, um sólido e um gás ou um líquido e um gás. É caracterizada pelo aumento da concentração da substância líquida, gasosa ou em solução na superfície da fase condensada (sólido ou líquido). A fase condensada é chamada de adsorvente, e adsorve partículas da segunda substância ou solução em seus poros; a substância ou solução que tem suas partículas adsorvidas na superfície da fase condensada é chamada de adsorbato.

Este fenômeno tem grandes aplicações tecnológicas. Alguns adsorventes são utilizados em larga escala em processos de secagem, como catalisadores (catálise heterogênea), purificação de gases e líquidos, controladores de poluição (como componentes de catalisadores em veículos), etc.

Adsorventes de uso bastante comum são o carvão ativado, as sílicas gel e argilas.

O fenômeno de adsorção é classificado em dois tipos: a adsorção química, ou quimissorção, e a adsorção física, ou fisiossorção. A adsorção química apresenta interações entre as partículas do adsorbato e a superfície do adsorvente bastante fortes, com energias de ligação muito próximas de energias características de ligações efetivamente químicas. São específicas e de forma geral alteram as características iniciais do adsorvente e do adsorbato. Já a adsorção física envolve interações fracas entre o adsorvente e o adsorvato, do tipo forças de Van der Waals. Apresentam baixos valores de energia de ligação, e não são específicas.

O tratamento matemático do processo de adsorção é feito através de relações chamadas isotermas. Existem alguns tipos mais comuns de isotermas de adsorção: a isoterma de Freundlich, que melhor se aplica a fenômenos de adsorção que ocorrem com formação de multicamadas (fisiossorção); a isoterma de Langmuir, que se aplica à descrição de adsorção de gases em superfícies sólidas, e considera que o processo só finaliza quando todos os sítios (“poros”) da superfície forem preenchidos, formando uma monocamada (quimissorção), porém, só se aplica perfeitamente se considerar-se sistemas ideais; a isoterma BET, que assume que as partículas são adsorvidas em camadas sobrepostas, seguindo conceitos bastante próximos da isoterma de Langmuir, porém, aplicando-os a diversas camadas (fisiossorção).

2 - Objetivos

Determinar os valores das constantes K e m descritas pela isoterma de Freundlich, através da adsorção de ácido acético em carvão ativado.

3 - Procedimento Experimental

3.1 - Materiais e Reagentes

- Solução de ácido acético (0,5; 0,25; 0,10; 0,05; 0,02; 0,01 mol.L-1) a partir da diluição de alíquotas da solução de ácido acético 1,0 mol.L-1

- 6 erlenmeyers de 250 ml;

- 1 bureta de 50 ml;

- 1 pipeta de 10 ml;

- 6 balões volumétricos;

- Papel filtro;

- 500 ml de hidróxido de sódio;

- 20 g de carvão ativado;

- Indicador fenolftaleína

3.2 - Técnica experimental

- Preparou-se 100 ml de solução de ácido acético a varias concentrações partindo de uma concentrada a 1,035 mol.L-1 perfeitamente padronizada.

- Fez-se as diluições conforme a tabela abaixo:

Nº da amostra

1

2

3

4

5

6

Volume ácido acético /ml

50

75

10

5

2

1

Volume água destilada / 100 ml

50

25

90

95

98

99

- Identificou-se 6 erlenmeyers com rolhas;

- Pesou-se e anotou-se a massa de cada um dos erlenmeyers;

- Pesou-se rapidamente aproximadamente 2g de carvão ativado em cada erlenmeyer;

- Adicionou-se em cada erlenmeyer 100 ml das soluções de ácido acético preparadas e deixou-se por 45 minutos em repouso e com agitação ocasional;

- Deixou-se o carvão sedimentar e filtrou-se o sobrenadante. Desprezaram-se os primeiros 10 ml de filtrado;

- Titulou-se em seguida os filtrados com solução de NaOH 1,0113 mol.L-1.

4 - Resultados e discussão

Os dados referentes ao experimento estão apresentados na tabela a seguir:

Nº amostra

Massa inicial HAc

Massa final HAc

w (m HAcfinal - m HAcinicial)

z (massa carvão ativado)

w / z

log

w / z

Ci

log Ci

1

3,105g

2,760g

0,345g

1,999g

0,173

-0,762

0,517 mol L-1

-0,286

2

1,552g

4,399g

-2,847g

1,951g

-1,459

0,164

0,259 mol L-1

-0,587

3

0,621g

0,521g

0,100g

1,948g

0,051

-1,292

0,103 mol L-1

-0,987

4

0,310g

0,266g

0,044g

1,914g

0,023

-1,638

0,052 mol L-1

-1,284

5

0,124g

0,048g

0,076g

1,960g

0,039

-1,409

0,021 mol/L

-1,678

6

0,062g

0,030g

0,032g

2,000g

0,016

-1,796

0,010 mol L-1

-2,000

De acordo com o cálculo da isoterma de Freundlich:

θ = K . p1/m

na qual θ representa o grau de cobertura, K e m são constantes, e p representa a pressão parcial exercida pelo gás, já que os estudos iniciais foram feitos com adsorção de substâncias gasosas. Adaptando esta equação para o estudo de adsorção de líquidos, pode-se reescrever a equação como:

w / z = K . Ci1/m

na qual w é a massa do adsorbato, z é a massa do adsorvente (sendo assim, w/z continua representando o grau de cobertura), K e m continuam sendo constantes e a pressão é substituída pela concentração inicial do adsorbato, Ci.

Esta equação pode ser transformada na equação de uma reta, com o tratamento adequado:

log (w/z) = log K + (1/m) log Ci

Desta forma, pode-se traçar um gráfico de log w/z em função de log Ci, que resulta em uma reta com inclinação igual à 1/m e coeficiente linear igual a log K.

O gráfico construído à partir dos dados obtidos experimentalmente foi:

Gráfico 1 - Gráfico obtido a partir dos dados experimentais, considerando-se todos os pontos.

Como é bastante visível o erro ocorrido no segundo ponto experimental, outro gráfico foi traçado, desprezando-se este ponto:

Gráfico 2 - Gráfico obtido a partir dos dados experimentais, desprezando-se o ponto que apresenta grande erro.

Nota-se que o segundo gráfico apresenta um comportamento muito mais próximo de uma reta, apesar de ainda descrever pontos bastante aleatórios, porém, comparando-se os fatores de correlação (√0,588 = 0,767 para o primeiro gráfico; √0,824 = 0,908 para o segundo gráfico), é possível verificar facilmente que este gráfico representa melhor o comportamento da isoterma.

Utilizando-se, então, o segundo gráfico como referência, pode-se calcular as constantes K e m, através de regressão linear:

5 - Conclusões

A partir do gráfico construído a partir dos dados experimentais, pode concluir que o processo de adsorção do ácido acético pelo carvão ativado, realizado no laboratório, segue o comportamento descrito pela isoterma de Freundlich, mas, como todo resultado experimental, apresenta erros (determinados ou indeterminados), e, portanto, a reta descrita no gráfico logo não é perfeita. A partir destes dados, foram obtidos os valores de K = 0,2 mol-1L e m = 1,833.

6 - Questões

a) O que é adsorção?

Quando um sistema é constituído por uma fase condensada em contato com uma solução ou uma mistura geralmente há um aumento ou uma diminuição da concentração do soluto na interface. O fenômeno de aumento chamamos de adsorção. A interface pode ser entre um solido e um liquido, um solido e uma gás; um liquido e um liquido ou entre um gás e um liquido. A substância em cuja superfície ocorre a adsorção é o adsorvente; a que é adsorvida é o adsorbato.

b) Quais os tipos principais de adsorção sobre sólidos?

Adsorção física: as moléculas adsorvidas mantém-se fixas a superfície do adsorvente por intermédio do mesmo tipo de forças que existem entre as moléculas de um gás, sob pressão elevada.

Adsorção química: envolve uma reação entre as moléculas adsorvidas e as moléculas ou átomos superficiais do adsorvente. Diferentemente da adsorção física, ocorre completa saturação da superfície por uma camada monomolecular.

c) De acordo com a equação de Freundlich, como deve variar a quantidade de uma substancia adsorvida com sua concentração na solução?

De acordo com a isoterma de Freundlich, a massa de adsorbato é diretamente proporcional à sua concentração. Assim, quanto maior é a concentração, maior é a massa que será adsorvida.

d) O que é isoterma de adsorção?

Existem várias moléculas que resultam em varias equações destinadas a quantificar o adsorbato presente, em uma dada temperatura, as denominadas isotermas de adsorção. A isoterma de Freundlich relaciona a massa m do material adsorvido por unidade de massa do adsorvente com a concentração c do material em solução. A isoterma de Langmuir fornece uma descrição mais adequada da adsorção em monocamadas.

e) Para uma dada amostra envolvendo a solução ácida em uma concentração conhecida e uma massa de adsorvente também conhecida, quanto maior for a quantidade de solução padrão de NaOH gasta na titulação de um certo volume fixo retirada da solução remanescente após a ocorrência do fenômeno, maior será a eficiência do adsorvente? Explique:

Não, pois quanto maior a quantidade de NaOH gasta na titulação, maior a concentração do ácido presente, portanto, o adsorvente não foi suficiente para diminuir a concentração do ácido, pois menor quantidade de espécies do ácido foram adsorvidas pelo adsorvente (carvão).

f) Porque normalmente um adsorvente é utilizado como pó?

Devido a área superficial ser maior, pois o pó tem partículas finamente divididas havendo um maior contato, facilitando na adsorção.

g) Quais as aplicações da adsorção?

Muitas drogas são adsorvidas seletivamente, e assim sua atividade no organismo se deve á adsorção que sofrem nos diversos tecidos.

O emprego da adsorção na remoção de gases indesejáveis de uma mistura gasosa é ilustrado pela mascara contra gases. Outra aplicação da adsorção de gases ocorre na produção de alto vácuo.

Muitos materiais coloridos encontrados em soluções de açúcar de vinagre, óleo de algodão são removidos pelo carvão. Matérias corantes que seriam perdidos em águas de despejo podem ser recuperadas pela adsorção do carvão.

O próprio processo de tintura é muitas vezes um procedimento de adsorção de corante na fibra.

h) Discuta os valores de K e m calculados.

i) Quais os fatores que podem influenciar a adsorção?

A intensidade do efeito da adsorção depende da temperatura, da natureza da substancia adsorvida (adsorbato), da natureza e estado de agregação do adsorvente, a extensão da superfície de contato do solido.

  1. A adsorção do ácido acético em carvão vegetal é uma adsorção química ou física? Por quê? Segundo sua resposta, foi válido usar isoterma de Freundlich para representar os dados experimentais desta prática?

É uma adsorção física as moléculas adsorvidas se matem fixas a superfície do adsorvente por meio de forças de Van der Waals, não havendo portanto ligação química forte entre o adsorbato e a superfície do adsorvente.

Usou-se a isoterma de Freundlich para estabelecer uma relação entre a quantidade de material adsorvido e a concentração do material na solução.

7 - Referências

CASTELLAN, G. Fundamentos de Físico-Química. Rio de Janeiro: LTC, 1986.

NETZ, P. A.; ORTEGA, G. G. Fundamentos de Físico-Química - Uma abordagem conceitual para as ciências farmacêuticas. Porto Alegre: Artmed, 2002.

BARROS, M. A. S. D.; ARROYO, P. A. Métodos de Adsorção. Disponível em http://www.icp.csic.es/cyted/Monografias/MonografiasTeneria/capitulov.pdf, acesso em 30/11/10.

UFSM. Isotermas de Adsorção. Disponível em http://w3.ufsm.br/juca/adsorcao.pdf, acesso em 30/11/10.

FALONE, S. Z. ; VIEIRA, E. M. Adsorção/dessorção do explosivo tetril em turfa e em argissolo vermelho amarelo. Química Nova, vol. 27, nº 6, 2004. Pág. 849 - 854. Disponível em http://quimicanova.sbq.org.br/qn/qnol/2004/vol27n6/01-AR03093.pdf, acesso em 30/11/10.

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