EXPERIMENTO 9 ADSORÇÃO Fisico Química

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FÍSICO QUÍMICA EXPERIMENTAL 
EXPERIMENTO 9
 ADSORÇÃO DE ÁCIDO ACÉTICO EM CARVÃO ATIVADO
Junho/2018
SUMÁRIO
Introdução...........................................................................................................02
Objetivos.............................................................................................................07
Procedimento Experimental................................................................................07
Resultados e Discussão.......................................................................................08
Conclusão............................................................................................................15
Referências Bibliográficas.................................................................................. 16
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. A quantidade de adsorvato adsorvida na superfície depende da sua natureza e concentração (ou pressão), da natureza do adsorvente e da temperatura. [1,2] 	
A adsorção em solução consiste em uma massa conhecida de sólido adsorvente sendo agitada num volume conhecido de solução, a uma dada temperatura, até que a velocidade de adsorção de novas moléculas seja igual a velocidade de dessorção das moléculas adsorvidas, ou seja, até que não haja mais variação na concentração da solução sobrenadante. Essa concentração pode ser expressa por uma variedade de métodos e os dados experimentais são expressos usualmente em termos de isoterma aparente de adsorção, na qual se representa graficamente a quantidade de soluto adsorvida numa dada temperatura por unidade de massa de adsorvente contra a concentração de equilíbrio. [3]
As moléculas e átomos podem ligar-se de duas maneiras a uma superfície, embora não exista uma fronteira clara entre os dois tipos de adsorção, isto é, a adsorção pode ser física ou química. Na adsorção química ( também chamada quimissorção), átomos ou moléculas unem-se à superfície do adsorvente por ligações químicas (geralmente covalentes), levando a formação de um composto químico de superfície, ou complexo de adsorção. Neste caso, o calor de adsorção é da mesma ordem de grandeza dos calores de reação. Nesse tipo de adsorção, os átomos ou moléculas são ligados a superfície do sólido, havendo a possibilidade de o adsorvente e o adsorvato não se separarem. [3,4]
A adsorção física (também chamada de fisissorção) é não-específica e rápida, ocorre por meio de interações fracas, como as interações de van der Waals (forças dipolo-dipolo e forças de polarização, envolvendo dipolos induzidos) entre o adsorvato e adsorvente, podemos melhor defini-la como sendo aquela que ocorre quando as forças intermoleculares de atração das moléculas na fase fluida e da superfície sólida são maiores que as forças atrativas entre as moléculas do próprio fluido. O calor de adsorção é pequeno e da mesma ordem de grandeza dos calores de condensação. Nesse tipo de adsorção, não há ligações sendo formadas ou quebradas, de modo que o processo é reversível [1,3,4].
Na adsorção física podem formar-se camadas moleculares sobrepostas, enquanto que na adsorção química se forma uma única camada molecular adsorvida (monocamada). [1]
Na Tabela 1, são mencionadas as principais diferenças entre os modos de adsorção. 
Tabela 1 - Principais diferenças entre os processos de adsorção física e química.
	Adsorção física
	Adsorção química
	Causada por forças de van der Waals
	Causada por forças eletrostáticas e ligações covalentes
	Não há transferência de elétrons
	Há transferência de elétrons
	Fenômeno Geral para qualquer espécie
	Fenômeno específico e seletivo
	A camada adsorvida pode ser removida por aplicação de vácuo à temperatura de adsorção
	A camada adsorvida só é removida por aplicação de vácuo e aquecimento a temperatura acima da de adsorção
	Formação de multicamadas abaixo a temperatura crítica
	Somente há formação de multicamadas
	Adsorvente quase não é afetado
	Adsorvente modificado na superfície
Dentre os fatores que influenciam o processo de adsorção, estão: os tipos de estrutura dos poros (ultramicropóros, supermicropóros, mesoporos e macroporos); as propriedades do adsorvente e os grupos funcionais que desempenham papel importante no mecanismo e na capacidade de adsorção; a temperatura; a solubilidade do soluto; o pH do meio; agitação e tempo de contato. [4]
Há na literatura um número expressivo de trabalhos relacionados aos diversos materiais adsorventes (que possuem propriedades adsortivas), tais como as argilas, zeólitas, nanoadsorventes magnéticos e o uso de carvão ativado. O carvão ativado é um dos materiais mais utilizados no processo de adsorção, por apresentar intensa porosidade interna e em muitos casos, podendo ser preparado utilizando-se bioadsorventes preparados a partir de biomassas, tais como cascas de frutas, derivados de lixo, do bagaço da cana, etc. [6,7]
Vários fatores podem influenciar na intensidade de adsorção de um composto, esta pode ser afetada pelas características do carvão (distribuição e volume dos poros, área superficial) e condições operacionais (vazão, tempo de contato, pH, temperatura, pressão, concentração do adsorvente). [8]
A quantidade de substância adsorvida na superfície decresce com o aumento da temperatura, já que todos os processos de adsorção são exotérmicos. A uma temperatura constante a quantidade adsorvida aumenta com a concentração do adsorbato (em solução ou na fase gasosa), e a relação entre a quantidade adsorvida (x) e a concentração (c) é conhecida como a isoterma de adsorção, sendo as mais utilizadas no estudo da adsorção as isotermas de Langmuir, Freundlich e Brunauer, Emmett, Teller (BET). [1,9]
Somente a concentrações muito baixas é que x é proporcional a concentração. Geralmente a quantidade adsorvida aumenta menos do que proporcionalmente à concentração, devido à saturação gradual da superfície. [1]
Diversos pesquisadores propõem, a partir de dados experimentais, expressões matemáticas que se ajustam a diferentes curvas isotérmicas em condições experimentais definidas. No entanto, os modelos usualmente aplicados ao ajuste são os modelos de Isoterma de Freundlich, que melhor se aplica a fenômenos de adsorção que ocorrem com formação de multicamadas e a Isoterma de Langmuir, na qual os sítios do adsorvente são todos equivalentes e considera-se que as moléculas adsorvidas não interagem umas com as outras nem saltam de um sítio para outro e a adsorção completa-se quando todos os sítios forem ocupados, correspondendo a uma monocamada de adsorbato. [10]
A isoterma de Langmuir pode ser descrita pela Eq. 1: 
 Equação 1
Onde:
m = a massa do sólido (adsorvente);
a = constante que está relacionada com a área do sólido, sendo uma medida da capacidade de adsorção do adsorvente para um dado adsorbato;
b = constante que está relacionada com a entalpia de adsorção;
x – quantidade adsorvida;
c - concentração do adsorbato.
Sistemas que são descritos pela Isoterma de Freundlich, são descritos pela Eq. 2:
 Equação 2
O expoente 1/n é adimensional, tem valor entre 0,1 e 1,0 e está relacionado com a intensidade da adsorção.
A Eq. 2 também pode ser escrita de forma a fornecer a equação de uma reta, de acordo com a equação abaixo:
 Equação3
É importante se conhecer as isotermas de adsorção, pois elas nosdão condições para avaliar a capacidade de retenção de adsorbatos por um carvão ativado, fornecem informações importantes sobre o mecanismo de adsorção e mostram a relação de equilíbrio entre a concentração na fase fluida e a concentração nas partículas adsorventes em uma determinada temperatura. 
A adsorção é apresentada como uma alternativa importante e economicamente viável em muitos casos e 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. Muitas drogas são adsorvidas seletivamente, e assim sua atividade no organismo se deve à adsorção que sofrem nos diversos tecidos. Matérias corantes que seriam perdidos em águas de despejo podem ser recuperadas pela adsorção do carvão e o próprio processo de tintura é muitas vezes um procedimento de adsorção de corante na fibra [1,8].
OBJETIVOS
Determinar a isoterma de adsorção do ácido acético sobre a superfície de carvão ativo, discutindo se a adsorção foi química ou física e relatar os fatores que influenciam na adsorção.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Parte 1 -
Preparou-se 250 mL de uma solução de 2 M de ácido acético. Tomou-se uma alíquota de 5 mL dessa solução e a mesma foi padronizada utilizando uma solução de NaOH.
Repetiu-se a padronização e calculou-se a concentração pela média dos dois valores obtidos
Rotulou-se e guardou-se a solução de NaOH para utilizá-lo na semana seguinte
Preparou-se (com o restante da solução padronizada) volumes de 100 mL de soluções de ácido acético nas concentrações 2,0; 0,70; 0,25; 0,10; 0,050 M.
Pesaram-se seis amostras de 2 g de carvão ativo que foram transferidos para cinco frascos com rolhas (o carvão foi pesado rapidamente para impedir a adsorção de impurezas da atmosfera)
Transferiu-se 100 mL das soluções de ácido acético preparadas para cada um dos frascos que contém carvão ativo, numerando-os de 1 a 5.
Deixou-se o sistema em repouso durante uma semana.
Foto 1:
Fonte: Os autores (2018)
Parte 2 -
Filtraram-se as soluções, que não apresentaram boa decantação, separando-as do carvão.
Tomaram-se duas alíquotas de 5 mL de cada uma das cinco soluções e titulou-se com a mesma solução de NaOH 0,5 M padronizada utilizada na semana anterior.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Com a solução de ácido acético 2 M, em um balão de 250 mL, foi padronizado a solução para determinar a concentração inicial real do ácido conforme a equação 1 abaixo:
M = 		(Equação 4)
2 mol.L-1 = m / 60,05 g.mol-1.0,250 L
m = 30,025 g
Onde,
M = concentração inicial do ácido acético
m = massa do ácido acético
V = Volume do balão
MM = massa molar do ácido acético
Considerando a densidade do ácido acético = 1,05 g.mL-1, podemos calcular o volume real da solução através da equação 2:
d = 		(Equação 5)
1,05 g.mL-1 = 30,025 g / v
v = 28,60 mL
Onde,
d = densidade do ácido acético
m = massa do ácido acético
v = volume real da solução
Colocou-se esse volume no balão de 250 mL e completou com água destilada.
A porcentagem de pureza do ácido acético no rótulo da embalagem é de 99,7%, portanto pode-se realizar o cálculo considerando a pureza de 100%:
28,60 mL ------------------- 99,7%
 X ------------------- 100%
X = 28,68 mL
Foi feita a padronização da solução 3 vezes e os valores obtidos e suas médias encontram-se na tabela 1 abaixo:
Tabela 2 – Valores das padronizações e médias da solução
	Padronização 1 (mL)
	Padronização 2 (mL)
	Padronização 3 (mL)
	Média (mL)
	10,0
	10,1
	10,0
	10,03
Determinação da concentração de ácido acético:
C1.V1 = C2.V2		(Equação 6)
2 mol.10,03 mL = C2.5mL
C2 = 4,012 mol
Onde,
C1 = Concentração inicial do ácido acético
V1 = Média do volume das padronizações
V2 = Volume da alíquota
A estequiometria é 1:2, então a C2 é dividida por 2, obtendo-se então um valor de 2,006 mol.
Cada frasco possui a concentração inicial e através da concentração inicial foi possível determinar o Volume inicial de ácido acético de cada frasco conforme a equação 6 abaixo:
C1.V1 = C2.V2	
2 mol. 100 mL = 2,006 mol.V2
V2 = 99,7 mL = 0,0997 L
Onde,
C1 = Concentração inicial (2M, 0,7M, 0,25M, 0,1M e 0,05M)
V1 = Volume do balão na diluição
C2 = Concentração do ácido acético padronizado
Analogamente foram realizados os cálculos do V2 para os outros frascos e encontram-se na tabela 2.
Com o volume inicial determinado foi-se possível determinar a massa inicial do ácido acético em gramas conforme a equação 2 abaixo:
M = 	(Equação 7)
2,0 mol.L-1 = m / 60,05 g.mol-1.0,0997 L
m = 11,973 g
Onde,
M = concentração inicial do ácido acético
m = massa inicial do ácido acético
V = Volume inicial do ácido acético
MM = massa molar do ácido acético
Analogamente foram realizados os cálculos da massa de HAc inicial para os demais frascos e encontram-se na tabela 3.
Tabela 3: Dados iniciais
	Frasco
	C inicial (M)
	V inicial (L)
	Vm (L)
	1
	2
	0,0997
	0,0097
	2
	0,7
	0,0348
	0,0032
	3
	0,25
	0,01246
	0,0011
	4
	0,10
	0,0049
	0,0004
	5
	0,05
	0,0024
	0,00017
Onde: C inicial (M) = concentração inicial de ácido acético
V inicial (L) = volume inicial da solução de ácido acético
Vm = volume médio final das titulações
A concentração final de ácido acético foi calculada conforme a equação 8:
Cfinal = CNaOH. VNaOH / V (amostra)		(Equação 8)
Cfinal = 0,5 M . 0,0097 L / 0,005 L
Cfinal = 0,97 mol/L
Onde, 
Cfinal = concentração final de ácido acético
CNaOH = concentração da solução de NaOH
VNaOH = volume gasto de NaOH na titulação
V (amostra) = volume da alíquota da amostra
Analogamente foi realizado o mesmo cálculos para os frascos de 2 a 5 e encontram-se na tabela 3.
A massa final dos frascos foram calculados através da equação 7:
M = 
2,0 mol.L-1 = m / 60,05 g.mol-1.0,0097 L
m = 1,1649
Analogamente foi realizado o mesmo cálculos para os frascos de 2 a 5 e encontram-se na tabela 3.
Tabela 4 – Resultados obtidos com o experimento
	Frasco
	Cfinal (mol/L)
	log Cfinal
	M(A)i (g)
	M(A)f (g)
	1
	0,97
	-0,0132
	11,973
	1,1649
	2
	0,32
	-0,4948
	1,462
	0,1345
	3
	0,11
	-0,9586
	0,187
	0,0165
	4
	0,04
	-1,3979
	0,029
	0,0024
	5
	0,017
	-1,7695
	0,007
	0,0005
Onde: Cfinal (mol/L) = concentração final HAc
log Cfinal = log da concentração final
M(A)i (g) = massa inicial de ácido acético
M(A)f (g) = massa final de ácido acético
Após obter os valores de massas iniciais e finais do HAc, foi calculado a diferença das massas (x) conforme a equação 9 abaixo:
x = M(A)i – M(A)f 		(Equação 9)
x = 11,973 g – 1,1649 g
x = 10,8081 g
Analogamente foi realizado o mesmo cálculos para os frascos de 2 a 5 e encontram-se na tabela 4.
Foi utilizado a pesagem das massas de carvão para calcular a razão das diferenças de massas do HAc pela massa do carvão e os valores encontram-se na tabela 4. Com os dados da tabela 3 e 4 foi possível calcular C/x/m e o log de X/m, e seus valores encontram-se na tabela 4.
Tabela 4 – Dados calculados no experimento
	Frasco
	x (g)
	m carvão (g)
	x/m
	C/x/m (mol/L)
	log (x/m)
	1
	10,8081
	2,0070
	5,3852
	0,1801
	0,7312
	2
	1,3275
	2,0278
	0,6546
	0,4888
	-0,1840
	3
	0,1705
	2,0409
	0,0835
	1,3173
	-1,0783
	4
	0,0266
	2,0027
	0,0133
	3,0075
	-1,8761
	5
	0,0065
	2,0243
	0,0032
	5,3125
	-2,4948
Onde: x = Diferenças das massas iniciais e finais
m carvão (g) = massa pesada do carvão
x/m = diferença das massas de HAc em razão da massa do carvão
C/x/m (mol/L) = concentração em razão das diferenças das massas de HAc e a massa do carvão
log (x/m) = log da razão entre as diferenças de massas de HAc e da massa do carvão.
O modelo de Langmuir corresponde a equação do tipo:
C/x/m = 1/ab + 1/a.C 	(Equação 1)
Logo, a partir dos dados obtidos na tabela 4 foi feito um gráfico de log (x/m) versus log c, ecalculado as constantes 1/ab e 1/a através do gráfico pelo coeficiente linear e angular usando a equação da reta.
A equação da reta foi: 
y = a + bx
y = 3,12815 – 3,66134x
Comparando a equação de Langmuir (eq. 1), podemos obter:
y = C/x/m
a = 1/ab
b = 1/a
x = C
Sendo assim, o valor de 1/ab é dado por: 3,12815
O valor de 1/a é dado por: – 3,66134
Figura 1 – Imagem do gráfico de C versus C/x/m
O sistema abaixo pode ser descrito pela Isoterma de Freundlich, que corresponde a uma equação do tipo: 
log (x/m) = log k + (1/ n).log c 	(Equação 3)
Logo, a partir dos dados obtidos na tabela 4 foi feito um gráfico de log (x/m) versus log c, e calculado as constantes K e n através do gráfico pelo coeficiente linear e angular usando a equação da reta.
A equação da reta foi: 
y = a + bx
y = 0,73106 + 1,84664x
Comparando a equação de Freundlich (eq. 3), podemos obter:
y = log (x/m)
a = log k
b = (1/n)
x = log c
Sendo assim, o valor de k é dado por:
log k = 0,73106 = -0,1360
O valor de n é dado por:
1/n = 1,84664
n = 0,5415
Figura 2 – Imagem do gráfico de log C versus log (x/m)
CONCLUSÃO
Analisando os valores de R² (coeficiente de correlação) dos dois modelos, chegamos a conclusão de que o modelo que se aplica melhor ao experimento é o modelo de Freundlich, ou seja, o processo de adsorção que ocorreu foi uma adsorção física. O valor de R² pelo modelo de Freundlich, pois ele se aproxima ao valor de 1. Os pontos experimentais se aplicam melhor à recurva, os pontos estão mais próximos. O modelo de Freundlich admite adsorção em multicamadas. Dentre os fatores que influenciam o processo de adsorção, estão: os tipos de estrutura dos poros (ultramicroporos, supermicroporos, mesoporos e macroporos); as propriedades do adsorvente e os grupos funcionais que desempenham papel importante no mecanismo e na capacidade de adsorção; a temperatura; a solubilidade do soluto; o pH do meio; agitação e tempo de contato.
REFERÊNCIAS BILBIOGRÁFICAS
 [1] ATKINS, P. e PAULA, J. – Físico-Química. 7ª edição, LTC, Rio de Janeiro, 2003. V. 1
[2] https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/10607/10607_4.PDF acessado em 15/06/2018
[3] http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc32_1/10-EEQ-2209.pdf acessado em 15/06/2018
[4]ATKINS,P. e Paula,J. – Físico-Química. 5ª edição, LTC, Rio de Janeiro, 2009.