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Relatório de Fisico-quimica experimental 2
Tipologia: Provas
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Figura 1 – Representação gráfica do incremento da área de superfície ao se ter poros
Observa-se que no lado esquerdo da figura a superfície do adsorvente corresponde somente a linha azul, porém, ao possibilitarmos que a superfície contenha poros, vê-se um grande aumento de sua área superficial, pois agora, a área superficial de cada poro passa a integrar a área superficial de todo o adsorvente. Os poros de um adsorvente podem ser classificados de acordo com seu tamanho de acordo com a seguinte tabela:
Tabela 1 - Classificação de poros segundo diâmetro Classificação Tamanho dos poros Microporos 0-2 nm Mesoporos 2-50 nm Macroporos 50-7500 nm Megaporos > 7500 nm
O carvão ativado é um material poroso e de origem natural, importante devido às suas propriedades adsortivas. Sua característica física mais significativa é a enorme área superficial interna, desenvolvida durante o processo de produção. Este produto carbonáceo possui uma estrutura porosa que proporciona uma área superficial interna de, comumente, 600 a 1.200 m²/g. A área é produzida por oxidação e o material carbonáceo desenvolve uma rede porosa que irá reter a substância a ser adsorvida. Quando o Carvão Ativado é colocado em contato com o soluto, há um decréscimo de sua concentração na fase líquida e um aumento correspondente sobre a superfície do Carvão Ativado, até se obter uma condição de equilíbrio. A partir deste fenômeno, é possível determinarmos a concentração do adsorbato e também o tamanho da Área específica do Carvão Ativado.
O carvão ativado é utilizado em processos que se deseja remover determinadas substâncias de um fluido, através do fenômeno da adsorção. Eles atendem ampla e variada gama de aplicações. Na indústria de alimentos é usado, por exemplo, na purificação de óleos, clarificação de glicose, açúcar e gelatinas. É amplamente aplicado na redução de cor, via a adsorção de elementos corantes presentes no produto tratado, ou de compostos orgânicos dissolvidos e indesejáveis. Quando se deseja purificar vodka, usa-se o Carvão Ativado para remover os ingredientes que comprometeriam a pureza da bebida. Do mesmo modo na clarificação de vinhos e sucos, transformando-os em produtos mais límpidos, padronizando a tonalidade da cor desejada. A indústria farmacêutica não dispensa o seu uso no processo de fabricação de medicamentos, como antibióticos e anestésicos. Seus insumos são purificados por processos de descoramento, descontaminação e separação, através da capacidade adsortiva do Carvão Ativado. Os segmentos mais variados da indústria química se beneficiam das propriedades do Carvão Ativado. Em reações químicas diversas, adsorvem subprodutos que comprometeriam a qualidade do processo, por exemplo: purificam plastificantes, ácidos, álcoois e glicerinas. O Carvão Ativado adsorve contaminantes nocivos do ar, removendo produtos indesejáveis através de aparatos operacionais, como máscaras de proteção ou filtros industriais. Ar comprimido para finalidades diversas também são purificados desta maneira. Uma ampla utilização do Carvão Ativado é a purificação de água, seja para fins potáveis ou para fins industriais. O Carvão Ativado elimina cor, odor, mau gosto, remove substâncias orgânicas dissolvidas através do mecanismo de adsorção. As isotermas de adsorção são expressões matemáticas que relacionam a concentração do surfactante na interface e a concentração do surfactante em equilíbrio com a solução. Podemos, através das expressões, interpretar a adsorção em níveis moleculares, bem como prever a adsorção de surfactantes em diferentes sistemas. Os diferentes modelos de isotermas atualmente utilizadas levam em consideração as interações entre o adsorbato e o adsorvente, bem como a presença da adsorção em múltiplas camadas, condensação capilar e outros fenômenos.
O fato de as condições experimentais, bem como as considerações realizadas, aproximarem os sistemas reais ao necessário para a descrição de Langmuir, a presença de surfactantes e diferentes efeitos como a micelização do surfactante, o potencial da superfície, a heterogeneidade do sólido e a presença de interações laterais altera consideravelmente a configuração da isoterma, de modo que a isoterma de Langmuir não se aplica a esses casos. Ao analisarem-se as isotermas de Langmuir, percebe-se um efeito chamado histerese, o nome histerese deriva do grego e significa “retardo”, quando o adsorbato adsorve-se sobre o adsorvente até sua saturação e em seguida é diminuído, percebe-se experimentalmente que a concentração do adsorbato sobre o adsorvente não diminui tão rapidamente quanto o processo de adsorção inicial do, logo, como consequência de tal atraso é possível verificar o seguinte comportamento na isoterma:
Figura 3 – Representação Gráfica de Isoterma contendo Histerese
-Erlenmeyers;
-Balão de fundo redondo;
-Biftalato de potássio (Padrão primário);
-Carvão ativado;
-Solução de NaOH com concentração aproximada de 0,3 mol L-1;
-Funil e papel de filtro;
-Bureta;
-Balança analítica;
-Agitador magnético;
-Pipetas de volumes definidos de 5, 10, 25 e 50 mL.
Para a realização do procedimento experimental, soluções de ácido acético 1 mol L-1^ (M) foram diluídas em soluções de concentração 0,5 mol L-1^ (M/2), 0,25 mol L- (M/4), 0,125 mol L-1^ (M/8), 0,0625 mol L-1^ (M/16) e 0,03125 mol L-1^ (M/32). Cada solução com uma determinada concentração teve uma quantidade armazenada para análise como branco e à outra parte realizou-se a adição de carvão ativado, um adsorvente comumente utilizado e que apresenta uma grande área superficial e consequentemente uma boa quantidade de sítios ativos aptos para a adsorção de espécies. A quantidade de massa de carvão ativado adicionada a cada solução está representada abaixo:
Tabela 3 – Volume titulado correspondente a cada concentração das soluções de ácido acético. Utilizou-se esses determinados volumes para a utilização da menor quantidade possível de base no procedimento, bem como uma boa visualização da graduação do equipamento.
Concentração/mol L-^1 Volume alíquota retirada/mL Base utilizada na titulação 1,00 10,0 NaOH 0,3 mol L-^1 0,50 10,0 NaOH 0,3 mol L-^1 0,25 25,0 NaOH 0,3 mol L-^1 0,13 50,0 NaOH 0,3 mol L-^1 0,06 10,0 NaOH 0,03 mol L-^1 0,03 25,0 NaOH 0,03 mol L-^1
O mesmo procedimento foi realizado para as soluções de ácido acético que ficaram em contato com o carvão ativado.
Figura 4 – Soluções de ácido acético em contato com o adsorvente e procedimento de filtração.
As mesmas passaram pelo processo de filtração simples com papel de filtro e posteriormente, alíquotas com determinados volumes para cada concentração (de acordo com a tabela 3) foram tituladas em duplicada com as bases já padronizadas.
Tabela 3 – Volume titulado correspondente a cada concentração das soluções finais de ácido acético, após o contato durante uma semana com o adsorvente. Concentração/mol L-^1 Volume alíquota retirada/mL Base utilizada na titulação 1,00 10,0 NaOH 0,3 mol L-^1 0,50 25,0 NaOH 0,3 mol L-^1 0,25 25,0 NaOH 0,3 mol L-^1 0,13 35,0 NaOH 0,3 mol L-^1 0,06 10,0 NaOH 0,03 mol L-^1 0,03 25,0 NaOH 0,03 mol L-^1
Determinou-se a concentração real de ácido em cada solução e relacionando essa com a obtida para as soluções iniciais, foi possível determinar a quantidade de ácido acético adsorvido na superfície do carvão ativado. Após essa etapa, determinou-se o volume adsorvido e posteriormente a área específica do adsorvente através da representação gráfica de uma isoterma de Langmuir.
Primeiramente, coletou-se uma alíquota de 50 mL de NaOH 3 mol L-1^ a fim de preparar 500 mL de uma solução de NaOH 0,3 mol L-1.
C1NaOH x V1NaOH = C2NaOH x V2NaOH 3 mol L-1^ x V1NaOH = 0,3 mol L-1^ x 500 mL V1NaOH = 50 mL Posteriormente, realizou-se a padronização desta solução recém preparada de NaOH 0,3 mol L-1^ com o biftalato de potássio o qual é um padrão primário.
Então, calculou-se a massa deste ácido a ser pesada para que consuma 20 mL de base na titulação.
Tabela 4 - Concentração do branco para cada solução de ácido acético
Branco Titulação 1 (mL) Titulação 2 (mL) Volume HAc Branco (mL) Concentração Branco (mol L-^1 ) M - - 10 1,0 33 M/2 - - 10 0,511 2 M/4 - - 25 0,238 4 M/8 - - 50 0,12 88 M/16 20,90 20,00 10 0,0652 1 M/32 - - 25 0,033 30 Como pode ser visto na tabela acima, a titulação foi realizada em duplicata, fazendo-se parte de uma alíquota de 10 mL de ácido acético para as duas titulações referente ao branco M/16. Obteve-se, então, 20,90 mL de base consumidos na primeira titulação e 20,00 mL de base consumidos na segunda titulação. Então, o volume médio de base consumida foi de 20,50 ml. Desta forma é possível calcular a concentração do branco M/16. CM/16 x VM/16 = CNaOH x VNaOH CM/16 x 10 mL = 0,03181 mol L-1^ x 20,50 mL CM/16 = 0,06521 mol L- Estes mesmos cálculos foram realizados por cada grupo referente ao branco que cada um ficou responsável. Os dados obtidos por eles foram repassados para a turma e podem ser analisados na mesma tabela anterior. Após realizar a titulação do branco, deu-se inicio a prática. As soluções iniciais de ácido acético contendo carvão ativado foram filtradas em papel de filtro e coletadas em um erlenmeyer. Em seguida, foi realizada a titulação em duplicata de cada solução inicial de HAc filtrada. A tabela abaixo mostra qual foi a concentração de base utilizada na titulação para cada solução inicial de HAc bem como a alíquota do mesmo ácido utilizada para realizar as titulações. Tabela 5 - Concentração de NaOH utilizada na titulação de cada alíquota de HAc inicial
Com os volumes gastos de NaOH nas titulações, foi possível calcular a concentração de ácido acético para cada solução problema.
Solução inicial de HAc Solução de NaOH (mol^ L
Utilizando a solução M como exemplo, temos: CHAc x VHAc = CNaOH x VNaOH gasto (media) CHAc x 10 mL = 0,3181 mol L-1^ x 31,85 mL CHAc = 1,0131485 mol L- Este mesmo cálculo foi realizado para cada solução problema utilizando a devida alíquota de HAc e a devida concentração de NaOH utilizada na titulação. Então, construiu-se uma tabela com os dados obtidos e os cálculos realizados. Tabela 6 - Volumes de NaOH gastos nas titulações e as concentrações do HAc
Solução Problema Volume de NaOH 1 (mL)^ Volume de NaOH 2 (mL)^ Média dos volumes de NaOH (mL)^ Concentração de HAc inicial (mol L- (^1) ) M 31,90 31,80 31,85 1, M/2 37,80 37,90 37,85 0, M/4 18,70 19,10 18,90 0,240 5 M/8 12,70 12,50 12,60 0, M/16 17,00 16,80 16,90 0,0537 6 M/32 18,60 18,80 18,70 0, O objetivo de se titular o branco é que, através dele, é possível saber qual é a massa de ácido acético adsorvida no carvão ativado. Primeiramente, calcula-se a concentração de HAc adsorvida no carvão da seguinte forma: CHAc adsorvida = Cbranco – CHAc inicial Como está representado na tabela a seguir: Tabela 7 - Concentração de ácido acético adsorvida no carvão ativado
A partir dessa concentração de HAc adsorvida é possível calcular a massa adsorvida deste mesmo ácido no substrato (carvão). n° de mols de HAc adsorvido = CHAc adsorvido x Valíquota utilizada na titulação n° de mols de HAc adsorvido = 0,01935 mol L-1^ x 100 x 10 -3^ L
Branco Concentração Branco (mol L-^1 ) Concentração de HAc inicial (mol L- (^1) ) Concentração de HAc adsorvido (mol L-^1 ) M 1,033 1,013 0, M/2 0,5112 0,4816 0, M/4 0,2384 0,2405 -0, M/8 0,1288 0,1145 0, M/16 0,06521 0,05376 0, M/32 0,03330 0,02379 0,
mol L-
Solução Problema (X/m) C/(X/m) M 0,1005 10, M/2 0,1527 3, M/4 -0,01590 -15, M/8 0,06908 1, M/16 0,06356 0, M/32 0,04795 0,
Nota-se que há um valor negativo na amostra M/4. Como esse dado foi calculado por outro grupo, como dito anteriormente, é provável que tenha ocorrido um erro nos cálculos. Dessa forma, esse ponto foi desconsiderado nos cálculos a seguir.
Utilizando-se a equação linearizada de Langmuir, pode-se plotar um gráfico de C/(X/m) em função da concentração de HAc no equilíbrio.
C m
m
m
m m
Onde X é a massa adsorvida no equilíbrio, C é a concentração do fluido (HAc) no equilíbrio, o K é a constante de adsorção, m é a massa do sólido (carvão) e ( )m são os valores referente a formação de uma monocamada.
Através da regressão linear é possível calcular a razão (X/m)m utilizando o coeficiente angular da reta:
m m
mX m ^ 0, Com esse valor, calcula-se o valor de K através do coeficiente linear da reta:
m m
Para determinar a área específica do carvão ativado, é necessário calcular o número de moléculas da monocamada.
n = (X/m)m x NA/MM n = 0,1086 (^) x 6,02x10^23 / n = 1,090x 1021 moléculas Onde n é o número de moléculas, NA é o número de Avogadro e MM é a massa molar do fluido (HAc).
Com o número de moléculas da monocamada definido, então, calcula-se a área específica do carvão ativado.
Sg = n (^) x α Sg = 1,090x 1021 moléculas (^) x 21 x 10 -20^ m^2 Sg = 228,8 moléculas (^) x m^2 Onde α é a área da seção transversal de uma molécula de adsorvato. Comparando-se os dados com outro grupo, notou-se que o último ponto do gráfico, correspondente à amostra M, é o responsável pelo valor do R^2 ser 0,94312.
