Prática 9 - Adsorção, Trabalhos de Físico-Química

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS – UFAM

INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS – ICE

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA – DQ

9° RELATÓRIO DE FÍSICO-QUÍMICA EXPERIMENTAL (IEQ363)

MANAUS

CAMILA MACENA RUZO – 21453586

EMERSON LUCAS MORAES FREIRE – 21457075

VALÉRIA RENATA LIBÓRIO DE LIMA – 21554031

PRÁTICA 9: ADSORÇÃO

Relatório de Aula Prática apresentado como requisito parcial para aprovação na disciplina Físico-Química Experimental (IEQ 363 ), do curso de Bacharelado em Química (IE11), no Instituto de Ciências Exatas – ICE, da Universidade Federal do Amazonas – UFAM. Professor Doutor Kelson Mota Teixeira de Oliveira. Data: 03 de junho de 2019. MANAUS 2019

1 OBJETIVOS

Estudar a adsorção de ácido acético existente em soluções aquosas de diferentes concentrações em carvão ativado e determinar as constantes de adsorção da isoterma de Freundlich. 2 INTRODUÇÃO TEÓRICA A ligação de partículas a uma superfície é chamada de adsorção, desta forma temos que o processo de adsorção é a acumulação de uma substância em uma superfície. Ocorre com todos os tipos de superfície, é um fenômeno de superfície e, é relacionada à tensão superficial de soluções.^1 Os sólidos apresentam a propriedade de reter moléculas em sua superfície e esta propriedade pode ser bastante acentuada no caso de materiais porosos ou finamente dividida, tais como o carvão ativado.^2 As moléculas e átomos podem se ligar de duas maneiras a uma superfície sólida, na adsorção física, também chamada de fisissorção, onde existe uma interação de van der Waals, interação de dispersão, ou interação dipolo-dipolo, entre o adsorvato e o adsorvente. As interações de Van der Waals são de longo alcance, mas fracas, e a energia liberada quando uma partícula é adsorvida fisicamente é da mesma ordem de grandeza que a entalpia de condensação. Essa energia pode ser absorvida como vibrações da rede do adsorvente e dissipada como movimento térmico. Uma molécula que se desloque sobre a superfície perde gradualmente energia e termina por ser adsorvida; esse processo é denominado acomodação. A entalpia da adsorção física pode ser medida acompanhando-se a elevação da temperatura de uma amostra cuja capacidade calorífica seja conhecida, valores típicos da entalpia da adsorção física estão na faixa de 20 kJ mol-^1 , enquanto que, na adsorção química, esse valor é da ordem de 200 kJ mol-^1 , ao tratamos de quimissorção, esta união ocorre por meio de ligações químicas (normalmente covalentes), que tendem a um número de coordenação máximo com o substrato.^1 Geralmente teremos no processo de adsorção como uma combinação dos dois tipos de interação, pois as interações presentes na adsorção física também estão presentes quando ocorre adsorção química.^3 Pode ser definida como isoterma de adsorção a relação existente entre a quantidade de material adsorvida por um adsorvente e a pressão do gás ou a concentração da solução no

equilíbrio, a uma dada temperatura. Muitos casos de adsorção por sólidos de substâncias em solução podem ser descritos pela equação de adsorção proposta por Fleundlich^4. 𝑥 𝑚

1 𝑛 (^) (1) Onde x é a massa da substância adsorvida, m a massa do solvente, C a concentração do soluto e k e n constantes características do sistema (adsorvente e soluto em solução, em uma dada temperatura. A equação 2 pode ser expressa na forma logarítmica^4 : 𝑙𝑛 ( 𝑥 𝑚

1 𝑛

De acordo com esta equação, um gráfico de ln(x/m) versus lnC é uma linha reta e as constantes k e n podem ser calculadas pela inclinação e interseção da reta obtida^4. Um exemplo de sólido capaz de reter material em sua superfície é o carvão, que é um material formado por cadeias de carbono onde em suas extremidades pode haver alguns elementos, sendo mais comuns o oxigênio e o hidrogênio, constituindo grupos funcionais como carbonila, carboxila, hidroxila e enóis. Existem vários tipos de carvão, sendo as principais diferenças decorrentes da forma de obtenção, da porosidade e da área superficial. Os mais comuns são o carvão mineral, o vegetal e o ativado^5. Temos o método de adsorção como um método para tratamento de efluentes, que apresenta alta taxa de eficiência na purificação de líquidos e gases contaminados, é uma operação de transferência de massa que explora a habilidade de sólidos em concentrar algumas substâncias fluidas em sua superfície. Quanto maior for a área superficial disponível, mais eficiente será o processo de adsorção, podendo o sólido adsorvente reter até 50 % do seu peso.^6 3 MATERIAIS E REAGENTES

• 01 bastão de vidro, tamanho médio;
• 01 béquer de 250 mL;
• 01 funil de vidro, tamanho médio;
• 01 rolo de filme de PVC para tampar os erlenmeyers;
• 01 espátula de aço inoxidável, tamanho pequeno;
• 02 buretas de 50 mL;
• 12 erlenmeyers de 125 mL;
• 06 folhas de papel de filtro (velocidade média);
• 01 balança analítica;

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES

No preparo das diferentes soluções de Ácido Acético (HAc), obteve-se as soluções com base na Tabela 1, descritas na Tabela 2. Tabela 2 - Valores em termos de Concentração Molar (M) e Concentração Comum (C) das diferentes soluções de Ácido Acético (HAc), após a diluição de HAc 0,4 mol L-^1 , para a determinação do grau de adsorção pelos parâmetros da isoterma de adsorção de Freundlich, em carvão ativado Erlenmeyer VHAc (mL) VH₂O (mL) Mi(HAc) (mol L-^1 ) Ci(HAc) (g L-^1 ) 1 50,0 ― 0,40 24, 2 35,0 15,0 0,28 16, 3 25,0 25,0 0,20 12, 4 15,0 35,0 0,12 7, 5 10,0 40,0 0,08 4, 6 8,0 42,0 0,06 3, Fonte: O Autor, 2019. A reação de titulação de cada alíquota das soluções filtradas com Hidróxido de Sódio (NaOH) 0,05 mol L-^1 é descrito por ( 3 ): 𝐶𝐻 3 𝐶𝑂𝑂𝐻(𝑎𝑞) + 𝑁𝑎𝑂𝐻(𝑎𝑞) → 𝐶𝐻 3 𝐶𝑂𝑂−𝑁𝑎+(𝑎𝑞) + 𝐻 2 𝑂(𝑙) ( 3 ) Onde por meio da equação (3), observa-se a estequiometria 1:1, sendo assim possível de obter as concentrações finais (concentração em equilíbrio) de HAc para cada alíquota através dos cálculos a seguir: a) Erlenmeyer 1 Inicialmente, a solução contida no erlenmeyer era de Mi(HAc) = 0,40 0 mol L-^1 , após o processo de adsorção com o carvão ativado, e sua filtração, foi retirada uma alíquota de 3,00 mL na qual foi titulada, utilizando VNaOH = 22,7 mL de MNaOH = 0,050 mol L-^1 , assim a concentração final de HAc é: 𝑀𝑁𝑎𝑂𝐻 ⋅ 𝑉𝑁𝑎𝑂𝐻 = 𝑀𝐻𝐴𝑐 ⋅ 𝑉𝐻𝐴𝑐 ( 4 ) 𝑀𝐻𝐴𝑐 = 𝑀𝑁𝑎𝑂𝐻⋅𝑉𝑁𝑎𝑂𝐻 𝑉𝐻𝐴𝑐

0 , 050 𝑚𝑜𝑙 𝐿−^1 ⋅ 22 , 7 𝑚𝐿

b) Erlenmeyer 2 Inicialmente, a solução contida no erlenmeyer era de Mi(HAc) = 0, 280 mol L-^1 , após o processo de adsorção com o carvão ativado, e sua filtração, foi retirada uma alíquota de

3,00 mL na qual foi titulada, utilizando VNaOH = 14,5 mL de MNaOH = 0,05 0 mol L-^1 , assim a concentração final de HAc é: 𝑀𝐻𝐴𝑐 =

0 , 050 𝑚𝑜𝑙 𝐿−^1 ⋅ 14 , 5 𝑚𝐿

c) Erlenmeyer 3 Inicialmente, a solução contida no erlenmeyer era de Mi(HAc) = 0,200 mol L-^1 , após o processo de adsorção com o carvão ativado, e sua filtração, foi retirada uma alíquota de 5,00 mL na qual foi titulada, utilizando VNaOH = 14,2 mL de MNaOH = 0,05 0 mol L-^1 , assim a concentração final de HAc é: 𝑀𝐻𝐴𝑐 =

0 , 050 𝑚𝑜𝑙 𝐿−^1 ⋅ 14 , 2 𝑚𝐿

d) Erlenmeyer 4 Inicialmente, a solução contida no erlenmeyer era de Mi(HAc) = 0,120 mol L-^1 , após o processo de adsorção com o carvão ativado, e sua filtração, foi retirada uma alíquota de 5,00 mL na qual foi titulada, utilizando VNaOH = 14,2 mL de MNaOH = 0,05 0 mol L-^1 , assim a concentração final de HAc é: 𝑀𝐻𝐴𝑐 =

0 , 050 𝑚𝑜𝑙 𝐿−^1 ⋅ 11 , 9 𝑚𝐿

e) Erlenmeyer 5 Inicialmente, a solução contida no erlenmeyer era de Mi(HAc) = 0, 080 mol L-^1 , após o processo de adsorção com o carvão ativado, e sua filtração, foi retirada uma alíquota de 10,0 mL na qual foi titulada, utilizando VNaOH = 11 , 0 mL de MNaOH = 0,05 0 mol L-^1 , assim a concentração final de HAc é: 𝑀𝐻𝐴𝑐 =

0 , 050 𝑚𝑜𝑙 𝐿−^1 ⋅ 11 , 0 𝑚𝐿

𝐶𝑥(𝐻𝐴𝑐) = 1 , 300 𝑔 𝐿−^1

𝑚𝐻𝐴𝑐 𝑉

𝑚𝐻𝐴𝑐 = 1 , 300 𝑔 𝐿−^1 ⋅ 0 , 003 𝐿

𝒎𝑯𝑨𝒄 = 𝟑, 𝟗𝟎 × 𝟏𝟎−𝟑^ 𝒈 = 𝒙

A relação entre a massa de ácido acético adsorvida pela unidade de massa de adsorvente (x/m), considerando 5,00 g do adsorvente carvão ativado: 𝑥 𝑚

3 , 90 × 10 −^3 𝑔

= 𝟕, 𝟖𝟎 × 𝟏𝟎−𝟒

b) Erlenmeyer 2 Inicialmente, a solução contida no erlenmeyer era de Ci(HAc) = 16,80 g L-^1 , após o processo de adsorção com o carvão ativado, a concentração passou a ser de Cf(HAc) = 14,50 g L-^1 , sendo assim, a massa adsorvida de HAc (x) é de: 𝐶𝑥(𝐻𝐴𝑐) = 16 , 80 𝑔 𝐿−^1 − 14 , 50 𝑔 𝐿−^1 𝐶𝑥(𝐻𝐴𝑐) = 2 , 300 𝑔 𝐿−^1 𝑚𝐻𝐴𝑐 = 2 , 300 𝑔 𝐿−^1 ⋅ 0 , 003 𝐿 𝒎𝑯𝑨𝒄 = 𝟔, 𝟗𝟎 × 𝟏𝟎−𝟑^ 𝒈 = 𝒙 A relação entre a massa de ácido acético adsorvida pela unidade de massa de adsorvente (x/m), considerando 5,00 g do adsorvente carvão ativado: 𝑥 𝑚

6 , 90 × 10 −^3 𝑔

= 𝟏, 𝟑𝟖 × 𝟏𝟎−𝟑

c) Erlenmeyer 3 Inicialmente, a solução contida no erlenmeyer era de Ci(HAc) = 12,00 g L-^1 , após o processo de adsorção com o carvão ativado, a concentração passou a ser de Cf(HAc) = 8,490 g L-^1 , sendo assim, a massa adsorvida de HAc (x) é de: 𝐶𝑥(𝐻𝐴𝑐) = 12 , 00 𝑔 𝐿−^1 − 8 , 490 𝑔 𝐿−^1 𝐶𝑥(𝐻𝐴𝑐) = 3 , 510 𝑔 𝐿−^1 𝑚𝐻𝐴𝑐 = 3 , 510 𝑔 𝐿−^1 ⋅ 0 , 005 𝐿 𝒎𝑯𝑨𝒄 = 𝟏, 𝟕𝟔 × 𝟏𝟎−𝟐^ 𝒈 = 𝒙

A relação entre a massa de ácido acético adsorvida pela unidade de massa de adsorvente (x/m), considerando 5,00 g do adsorvente carvão ativado: 𝑥 𝑚

1 , 76 × 10 −^2 𝑔

= 𝟑, 𝟓𝟏 × 𝟏𝟎−𝟑

d) Erlenmeyer 4 Inicialmente, a solução contida no erlenmeyer era de Ci(HAc) = 7,200 g L-^1 , após o processo de adsorção com o carvão ativado, a concentração passou a ser de Cf(HAc) = 7,140 g L-^1 , sendo assim, a massa adsorvida de HAc (x) é de: 𝐶𝑥(𝐻𝐴𝑐) = 7 , 200 𝑔 𝐿−^1 − 7 , 140 𝑔 𝐿−^1 𝐶𝑥(𝐻𝐴𝑐) = 0 , 060 𝑔 𝐿−^1 𝑚𝐻𝐴𝑐 = 0 , 060 𝑔 𝐿−^1 ⋅ 0 , 005 𝐿 𝒎𝑯𝑨𝒄 = 𝟑, 𝟎𝟎 × 𝟏𝟎−𝟒^ 𝒈 = 𝒙 A relação entre a massa de ácido acético adsorvida pela unidade de massa de adsorvente (x/m), considerando 5,00 g do adsorvente carvão ativado: 𝑥 𝑚

3 , 00 × 10 −^4 𝑔

= 𝟔, 𝟎𝟎 × 𝟏𝟎−𝟓

e) Erlenmeyer 5 Inicialmente, a solução contida no erlenmeyer era de Ci(HAc) = 4,800 g L-^1 , após o processo de adsorção com o carvão ativado, a concentração passou a ser de Cf(HAc) = 3,300 g L-^1 , sendo assim, a massa adsorvida de HAc (x) é de: 𝐶𝑥(𝐻𝐴𝑐) = 4 , 800 𝑔 𝐿−^1 − 3 , 300 𝑔 𝐿−^1 𝐶𝑥(𝐻𝐴𝑐) = 1 , 500 𝑔 𝐿−^1 𝑚𝐻𝐴𝑐 = 1 , 500 𝑔 𝐿−^1 ⋅ 0 , 010 𝐿 𝒎𝑯𝑨𝒄 = 𝟏, 𝟓𝟎 × 𝟏𝟎−𝟐^ 𝒈 = 𝒙 A relação entre a massa de ácido acético adsorvida pela unidade de massa de adsorvente (x/m), considerando 5,00 g do adsorvente carvão ativado: 𝑥 𝑚

1 , 50 × 10 −^2 𝑔

= 𝟑, 𝟎𝟎 × 𝟏𝟎−𝟑

Figura 1 - Isoterma de adsorção de Freundlich, a partir de diversas soluções de Ácido Acético em carvão ativado Sendo a equação proposta por Freundlich (1): 𝑥 𝑚

1 𝑛 (^) (1) Figura 2 - Curva de adsorção de Freundlich, da variação logarítmica da relação da massa de ácido acético adsorvida por unidade de massa de adsorvente ln(x/m), do logaritmo da concentração final de ácido acético, para diversas soluções de Ácido Acético em carvão ativado A partir da equação da reta obtida no gráfico da isoterma de ln(x/m) vs. lnCf(HAc) (Figura 2). Determinou-se as constantes de adsorção da isoterma aplicando-se a função logaritmo da equação Freundlich, como mostrado abaixo, a partir da equação da reta obtida no gráfico da isoterma de ln(x/m) vs. lnCf(HAc) (Figura 2 ), empregando se o Método de Ajuste Linear por Mínimos Quadrados. A aplicação desse método para uma reta genérica com equação y = a + b∙x (2). 𝑙𝑛 ( 𝑥 𝑚

1 𝑛

y = - 6E-05x + 0, R² = 0, 0,00E+ 5,00E- 1,00E- 1,50E- 2,00E- 2,50E- 3,00E- 3,50E- 4,00E- 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25, x/m Cfinal(HAc) (g L-^1 ) y = - 0,09x + 1, R² = 0, 0, 0, 1, 1, 2, 2, 3, 3, -12,00 -10,00 -8,00 -6,00 -4,00 -2,00 0, ln(x/m) lnCfinal(HAc)

Sendo k e n são constantes características do adsorvente e soluto. O ajuste linear dos dados experimentais foi obtido diretamente através da equação da reta obtida na Figura 2, sendo: y = - 0,09x + 1,4166. Calculou-se os valores das constantes da Isoterma de Freundlich: 𝑙𝑛 (

1/n = - 0, n = - 1 1,11 (intensidade do processo de adsorção) log k = 1, 4166 k = e1, k = 4,12 (capacidade de adsorção) Os dois parâmetros das constantes obtidos da isoterma são importantes para determinar a capacidade de adsorção de diferentes adsorventes. Como os valores de n na faixa de 1<n<10 indicam adsorção favorável, como n = - 11,11 não existiu uma interação entre o adsorvente e o adsorvato, isto é, o carvão ativado não adsorveu o ácido acético corretamente. Como a capacidade de adsorção k representa em mg.g-^1 , então capacidade de adsorção da isoterma de Freundlich obtida neste experimento foi de 4,12 mg.g-^1. Só que os valores de correlação linear dão valores ruins. O esperado para uma isoterma de adsorção é um comportamento linear, ou próximo da linearidade, só que pelos valores de correlação linear (R) dão valores absurdos. Apesar dos dados completamente anômalos encontrados há possíveis explicações para os erros, como a validade e condições dos reagentes (carvão ativado, ácido acético e hidróxido de sódio), a manipulação da solução durante o processo de agitação pode ter alterado a temperatura da solução com um possível contato da mão do operador, a modificação do volume das alíquotas (no guia original era se necessário valores maiores de alíquotas), assim como também erros de leituras de medida, tanto na balança analítica, quanto nas vidrarias volumétricas. Ou seja, esses diversos erros analíticos causaram esses dados alienígenas, sem um conhecimento prévio do comportamento de uma isoterma, esse experimento seria dado como verdadeiro. 6 CONCLUSÕES Verificou-se através das soluções contidas nos erlenmeyers, o poder de adsorção do carvão ativado, o qual absorveu uma certa quantidade de ácido acético para cada concentração descrita. Além disso, pode se observar os valores dos parâmetros constantes da capacidade de

O estado de agregação do sólido influencia diretamente no processo de adsorção, pois, a porosidade da superfície do adsorvente está relacionada diretamente as características necessárias para o adsorvato se unir a essa molécula, tais como a tensão superficial das soluções e intensidade deste fenômeno depende da temperatura, da natureza e a concentração da substância adsorvida, a natureza e estado de agregação do adsorvente e/ou do fluido em contato com o adsorvente. Portanto, o estado de agregação influencia na adsorção, uma vez que pode aumentar ou diminuir a adsorção a partir de sua composição e estrutura cristalina. 3 ) O aumento de temperatura da solução aumentaria ou diminuiria a adsorção? Explique. R.: Em um processo de adsorção a temperatura pode influenciar diretamente os resultados, uma vez que aumenta a taxa de difusão das moléculas em solução, assim como aumenta o estado de equilíbrio da adsorção, e pode ainda desobstruir os poros do adsorvente, favorecendo o processo de forma positiva. A quantidade de substância adsorvida na substância (superfície) decresce com o aumento da temperatura, já que em geral os processos de adsorção são exotérmicas, ou seja, liberam calor.