PRÁCTICA DE LABORATORIO. 3: Determinación de la isoterma de Langmuir del ácido acético

 

Determinación de la isoterma de Langmuir del ácido acético.

1. Introducción

La adsorción es un fenómeno de superficie en el cual moléculas presentes en una fase líquida se concentran sobre la superficie de un sólido. En el tratamiento de aguas y en otros procesos de separación, la adsorción de compuestos orgánicos sobre materiales porosos permite estudiar la capacidad y afinidad del adsorbente por una especie determinada.

En esta práctica se estudiará la adsorción de ácido acético sobre carbón activado mediante ensayos por lotes (batch). Como el ácido acético es incoloro, su concentración se determinará mediante titulación ácido–base con hidróxido de sodio. Con los datos de concentración inicial y concentración de equilibrio se calculará la cantidad adsorbida por unidad de masa de carbón y se evaluará el ajuste al modelo de Langmuir.

2. Objetivos

2.1 Objetivo general

Determinar la isoterma de Langmuir para la adsorción de ácido acético sobre carbón activado, utilizando titulación ácido–base para cuantificar la concentración de equilibrio.

2.2 Objetivos específicos

• Preparar una serie de disoluciones de ácido acético de concentración conocida.

• Realizar ensayos de adsorción utilizando una masa fija de carbón activado.

• Determinar la concentración de equilibrio del ácido acético mediante titulación con NaOH 0.1 M.

• Calcular la cantidad adsorbida por unidad de masa de adsorbente, qₑ.

• Construir la forma lineal de la isoterma de Langmuir y obtener qₘₐₓ y Kₗ.

3. Fundamentos teóricos

3.1 Modelo de Langmuir

El modelo de Langmuir supone que la adsorción ocurre sobre una superficie con un número finito de sitios equivalentes, que cada sitio puede alojar una sola especie adsorbida y que no existen interacciones significativas entre las especies adsorbidas. La ecuación no lineal del modelo es:

Para el tratamiento gráfico se utilizará la forma lineal:

Al representar Cₑ/qₑ en función de Cₑ, la pendiente corresponde a 1/qₘₐₓ y el intercepto a 1/(qₘₐₓKₗ).

3.2 Determinación de la concentración de equilibrio por titulación

El ácido acético (CH₃COOH) es un ácido débil que reacciona con el hidróxido de sodio en proporción molar 1:1:

CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O

Por tanto, la concentración de ácido acético en una alícuota puede calcularse a partir del volumen de NaOH consumido:

C_e = (C_NaOH × V_NaOH) / V_muestra

donde Cₑ y C_NaOH se expresan en mol·L⁻¹ y los volúmenes deben expresarse en las mismas unidades.

Para convertir la concentración de ácido acético de mol·L⁻¹ a mg·L⁻¹ se emplea su masa molar, 60.05 g·mol⁻¹:

C_e (mg·L⁻¹) = C_e (mol·L⁻¹) × 60.05 × 1000

3.3 Cantidad adsorbida en el equilibrio

La cantidad de ácido acético adsorbida por unidad de masa de carbón activado se calcula mediante un balance de materia:

q_e = [(C₀ − C_e) × V] / m

donde C₀ y Cₑ se expresan en mg·L⁻¹, V es el volumen total de la disolución en litros y m es la masa de carbón activado en gramos. El valor de qₑ se expresa en mg·g⁻¹.

4. Parte experimental

4.1 Materiales y equipos

• Balanza analítica.

• Matraces aforados de 50 y 100 mL.

• Pipetas volumétricas o graduadas de 1, 2, 3, 4, 5 y 10 mL.

• Erlenmeyers de 125 o 250 mL.

• Bureta de 50 mL con soporte y pinza.

• Embudo y papel de filtro.

• Agitador magnético o sistema de agitación disponible.

• Termómetro.

4.2 Reactivos

• Ácido acético glacial.

• Hidróxido de sodio 0.1 M.

• Agua destilada.

• Carbón activado.

• Fenolftaleína.

• Biftalato ácido de potasio, únicamente si se requiere verificar o estandarizar la disolución de NaOH.

4.3 Preparación de las disoluciones de trabajo

El docente o responsable del laboratorio preparará una disolución madre de ácido acético de 1 M. Para calcular el volumen de ácido acético glacial necesario se utilizarán la pureza y la densidad indicadas en la etiqueta del reactivo; no deben asumirse valores que no aparezcan en el envase.

A partir de la disolución madre de 1 M, preparar 50 mL de cada disolución de trabajo de acuerdo con la siguiente tabla, aplicando C₁V₁ = C₂V₂:

Ensayo	C₀ (mol·L⁻¹)	V de disolución madre 1.000 M (mL)	Volumen final (mL)
1	0.02	1	50
2	0.04	2	50
3	0.06	3	50
4	0.08	4	50
5	0.1	5	50

Completar cada matraz aforado con agua destilada hasta la marca de 50 mL y homogeneizar.

4.4 Ensayos de adsorción

1. Rotular cinco erlenmeyers, uno para cada concentración inicial de ácido acético.

2. Transferir los 50 mL de cada disolución de trabajo al erlenmeyer correspondiente.

3. Pesar 1 g de carbón activado para cada ensayo y registrar la masa exacta utilizada.

4. Añadir el carbón activado a cada disolución y agitar durante 60 minutos a velocidad constante. Registrar la temperatura del laboratorio.

5. Finalizado el tiempo de contacto, filtrar cada mezcla para separar completamente el carbón activado.

6. Conservar el filtrado identificado para la determinación de la concentración de equilibrio.

4.5 Determinación de Cₑ por titulación

1. Pipetear 10 mL del filtrado y transferirlos a un erlenmeyer limpio.

2. Añadir 2–3 gotas de fenolftaleína.

3. Titular con NaOH 0.1 M hasta obtener una coloración rosada pálida persistente durante aproximadamente 30 segundos.

4. Registrar el volumen de NaOH consumido.

5. Repetir la titulación por duplicado cuando sea posible y utilizar el volumen promedio para los cálculos.

5. Cálculos y tratamiento de datos

5.1 Cálculo de Cₑ

C_e = (0.1000 mol·L⁻¹ × V_NaOH) / 10.00 mL

Utilizar las mismas unidades de volumen en numerador y denominador. Luego convertir Cₑ a mg·L⁻¹ multiplicando por 60.05 × 1000.

5.2 Cálculo de qₑ

q_e = [(C₀ − C_e) × 0.05] / m

En esta expresión C₀ y Cₑ deben estar en mg·L⁻¹, 0.05 corresponde al volumen total de cada ensayo en litros y m es la masa exacta de carbón activado en gramos.

5.3 Ajuste de Langmuir

Para cada ensayo calcular Cₑ/qₑ. Luego construir la gráfica Cₑ/qₑ (eje y) frente a Cₑ (eje x) y realizar una regresión lineal.

Pendiente = 1/q_max

Intercepto = 1/(q_max K_L)

q_max = 1/Pendiente

K_L = Pendiente/Intercepto

6. Observaciones y resultados

Fecha: ____________________

Integrantes: ______________________________________________________________

Temperatura (°C): __________     Tiempo de agitación (min): __________

Concentración de NaOH utilizada (mol·L⁻¹): __________

Tabla A. Datos experimentales y cálculos

Ensayo	C₀ (mol·L⁻¹)	m carbón (g)	V NaOH (mL)	Cₑ (mol·L⁻¹)	Cₑ (mg·L⁻¹)	qₑ (mg·g⁻¹)
1	0.02
2	0.04
3	0.06
4	0.08
5	0.1

Tabla B. Datos para el ajuste lineal de Langmuir

Ensayo	Cₑ (mg·L⁻¹)	qₑ (mg·g⁻¹)	Cₑ/qₑ (L·g⁻¹)
1
2
3
4
5

Tabla C. Resultados del ajuste de Langmuir

Pendiente	Intercepto	qₘₐₓ (mg·g⁻¹)	Kₗ (L·mg⁻¹)	R²

7. Precauciones y seguridad

• El ácido acético glacial es corrosivo e inflamable. Manipular con gafas de seguridad, guantes y bata; trabajar en campana cuando sea posible.

• El NaOH es corrosivo. Evitar el contacto con piel y ojos y enjuagar inmediatamente con abundante agua en caso de salpicadura.

• Evitar la inhalación del polvo de carbón activado durante el pesado y la transferencia.

• No pipetear con la boca. Utilizar propipeta.

• Mantener el ácido acético alejado de fuentes de ignición.

• Neutralizar los residuos líquidos según el procedimiento institucional y disponer el carbón activado usado como residuo químico sólido.

• Consultar las hojas de datos de seguridad (FDS) de los reactivos antes de iniciar la práctica.

8. Cuestionario

1. Escriba la reacción de neutralización entre el ácido acético y el NaOH e indique su relación estequiométrica.

2. Explique cómo se obtiene Cₑ a partir del volumen de NaOH consumido en la titulación.

3. Calcule qₑ para uno de los ensayos realizados, mostrando las unidades utilizadas.

4. ¿Qué representan físicamente qₘₐₓ y Kₗ en el modelo de Langmuir?

5. ¿Por qué es necesario separar completamente el carbón activado antes de titular el filtrado?

6. ¿Qué efecto tendría utilizar masas diferentes de carbón activado sin registrarlas correctamente?

7. ¿Por qué las concentraciones C₀ y Cₑ deben expresarse en las mismas unidades para calcular qₑ?

8. ¿Qué información aporta el valor de R² del ajuste lineal?

9. Mencione dos fuentes de error experimental que puedan afectar el volumen de NaOH medido.

10. Indique dos aplicaciones en las que la adsorción sobre carbón activado sea útil en el tratamiento de aguas o en procesos de separación.

9. Referencias bibliográficas

Langmuir, I. (1916). The constitution and fundamental properties of solids and liquids. Part I. Solids. Journal of the American Chemical Society, 38, 2221–2295.

Atkins, P., & de Paula, J. (2018). Physical Chemistry (11th ed.). Oxford University Press.

Skoog, D. A., Holler, F. J., & Crouch, S. R. (2014). Fundamentals of Analytical Chemistry (9th ed.). Cengage Learning.

Harris, D. C. (2015). Quantitative Chemical Analysis (9th ed.). W. H. Freeman.

Laboratorio de Química Física: Determinación del coeficiente de reparto

 

Determinación del coeficiente de reparto

1. Introducción

El coeficiente de reparto (o de distribución) describe cómo se distribuye un soluto entre dos fases inmiscibles en equilibrio (usualmente una fase acuosa y una fase orgánica). Este parámetro es crucial para comprender y diseñar procesos de extracción líquido–líquido, purificación de compuestos, farmacocinética (absorción y biodisponibilidad de fármacos), análisis químico y fenómenos ambientales (movilidad de contaminantes).

De manera ideal, cuando el soluto A no reacciona, no se ioniza y no se asocia en alguna de las fases, su concentración a equilibrio obedece la Ley de Nernst de distribución:

donde K es constante a temperatura fija y para un par de disolventes dado. En sistemas reales, el valor observado puede desviarse por ionización (pH), asociación/dímeros en la fase orgánica, complejación, fuerza iónica, temperatura y interacciones específicas del soluto con el disolvente.

En esta práctica, los estudiantes:

• Determinarán K para el sistema ácido acético (CH₃​COOH) repartido entre n-butanol (fase orgánica) y agua (fase acuosa) a 25ºC.
• Relacionarán el concepto de K con el cociente de distribución aparente D cuando hay ionización:

• Aplicarán valoración ácido–base para cuantificar el ácido acético en alícuotas de cada fase.

Este experimento, además de consolidar fundamentos de equilibrio químico, estequiometría y análisis volumétrico, ofrece un ejemplo claro que podrán adaptar y explicar en aulas de secundaria al abordar mezclas, soluciones, pH y separaciones por extracción.

2. Objetivos

2.1. Objetivo general

Determinar el coeficiente de reparto del ácido acético entre n-butanol y agua a temperatura constante, analizando el efecto del pH y la fuerza iónica sobre la distribución.

2.2. Objetivos específicos

• Preparar y emplear un montaje de extracción líquido–líquido de manera segura.
• Valorar alícuotas de ambas fases con NaOH estandarizado para obtener concentraciones.
• Calcular K y, si se modifica el pH, el cociente de distribución aparente D.
• Evaluar fuentes de desviación respecto al comportamiento ideal.
• Desarrollar habilidades de registro y tratamiento de datos (tablas, cálculos e incertidumbre básica).
• Fortalecer la cultura de seguridad en la manipulación de disolventes inflamables y bases fuertes.

3. Fundamentos teóricos

3.1. Ley de Nernst de distribución

Para un soluto molecular A que no se ioniza ni asocia:

K depende de la afinidad del soluto por cada disolvente (polaridad, capacidad de formar enlaces de hidrógeno, parámetros de solubilidad) y de la temperatura.

3.2. Ionización y distribución aparente

Si A es un ácido débil (como el ácido acético: HA ⇌ H⁺ + A⁻), solo la especie no ionizada (HA) se extrae de forma significativa a la fase orgánica. En la fase acuosa, el equilibrio ácido–base controla la fracción no ionizada:

El cociente de distribución aparente:

Por tanto, a pH bajo (por debajo de pKa), D ≈ K; a pH alto, D disminuye.

3.3. Asociación y desviaciones

Algunos ácidos asocian (dimerizan) en la fase orgánica, lo que altera la proporcionalidad simple. También influyen la fuerza iónica (actividad), la solubilidad mutua de los disolventes y la temperatura.

3.4. Determinación experimental

El método “shake–flask” consiste en:

1. Preparar una mezcla de volúmenes conocidos de ambas fases con una cantidad conocida de soluto.
2. Agitar controladamente.
3. Dejar decantar hasta equilibrio.
4. Muestrear cada fase y cuantificar el soluto (aquí por valoración ácido–base con NaOH).
5. Calcular concentraciones y K.

4. Parte experimental

4.1. Materiales y reactivos

Material de laboratorio

• Embudo de separación (250–500 mL) y tapón.
• Soporte universal, aro y pinza para embudo.
• Probetas (50–100 mL), pipetas volumétricas (10–25 mL), bureta (50 mL).
• Erlenmeyers (125–250 mL), vasos de precipitados (100–250 mL).
• Termómetro (o baño termostatado a 25 \pm 1\,^\circ\text{C}).
• Agitador magnético (opcional).
• Papel indicador de pH o pH-metro.
• Embudos, papel filtro.
• Marcador indeleble y etiquetas.

Reactivos

• Ácido acético ~0.10 M en agua (preparado a partir de glacial).
• n-Butanol (fase orgánica).
• Hidróxido de sodio (NaOH) ~0.10 M estandarizado.
• Fenolftaleína.
• Cloruro de sodio (NaCl) sólido (opcional, para efecto “salting out”).
• Solución tampón (opcional, para variar pH de la fase acuosa).

Precauciones de seguridad

• n-Butanol: Líquido y vapor inflamables; irritante. Mantener lejos de llamas y chispas. Usar campana si es posible.
• Ácido acético glacial: Corrosivo, vapores irritantes. Preparar soluciones diluidas en campana, con gafas, guantes y bata. Agregar siempre ácido sobre agua.
• NaOH: Corrosivo; provoca quemaduras. Evitar contacto con piel y ojos. En caso de salpicadura, lavar de inmediato con abundante agua y acudir al lavaojos.
• Fenolftaleína: manipular evitando ingestión/inhalación.
• Trabajar con EPP completo: bata, gafas, guantes. Mantener el área ordenada. Gestionar residuos según se indica abajo.

Gestión de residuos

• Reunir la fase orgánica (butanol + ácido acético) en contenedor de residuos orgánicos.
• Neutralizar suavemente residuos alcalinos y ácidos antes de su disposición en contenedor de residuos acuosos del laboratorio, conforme a la normativa local.
• No verter disolventes orgánicos al desagüe.

4.2. Procedimientos

Nota: Mantener la temperatura 25 ± 1 °C. Rotular claramente “fase acuosa” y “fase orgánica”.

A. Preparación y extracción

1.     Medir 50.0 mL de solución acuosa de ácido acético 0.10 M y verter en el embudo de separación.

2.     Añadir 50.0 mL de n-butanol. (Opcional: para estudiar fuerza iónica, disolver previamente 1.0 g de NaCl en la fase acuosa).

3.     Tapar y agitar 5 minutos con pausas para desgasificar (abrir la llave ocasionalmente).

4.     Colocar el embudo en el aro y dejar decantar hasta separación nítida de fases.

5.     Registrar la temperatura de equilibrio.

B. Muestreo de fases

1.     Drenar cuidadosamente la fase acuosa a un vaso limpio.

2.     Recoger la fase orgánica en otro recipiente limpio.

3.     Si se observa turbidez o emulsión, filtrar por papel seco o esperar decantación adicional.

C. Cuantificación por valoración

1.     Valorar la fase acuosa:

• Pipetear 10 mL de la fase acuosa a un erlenmeyer.
• Añadir 2–3 gotas de fenolftaleína.
• Valorar con NaOH 0.10 M hasta persistencia de tono rosa pálido (≥30 s).
• Repetir por triplicado. Registrar volúmenes.

2.     Valorar la fase orgánica (dos opciones):

1. Opción segura y directa (recomendada): traspasar 5 mL de la fase orgánica a un erlenmeyer que contenga 10–15 mL de agua (para favorecer la disolución del ácido en el medio acuoso antes de valorar), agitar y luego titular con NaOH 0.10 M con fenolftaleína.
2. Opción directa: valorar 5.00 mL de fase orgánica añadiendo unas gotas de etanol para homogeneizar y titular con NaOH (requiere práctica y control; usar campana).
3. Hacer triplicados.
2. Registrar todos los volúmenes de NaOH y la temperatura.

D. (Opcional) Estudio del pH

1.     Repetir la extracción usando la misma concentración inicial de ácido acético, pero ajustando el pH de la fase acuosa (por ejemplo: pH ≈ 2 con HCl diluido; pH ≈ 5 con tampón; pH ≈ 9 con NaOH diluido).

2.     Repetir la cuantificación (pasos sección C). Esto permite comparar K vs D.

5. Observaciones y resultados

Completar cuidadosamente. Adjuntar cálculos en el orden indicado.

5.1. Datos de identificación

• Fecha: _____________
• Grupo: ______
• Integrantes: __________________________________
• Temperatura (°C): _______
• Volumen fase acuosa (inicial): 50 mL
• Volumen fase orgánica (inicial): 50 mL
• Concentración nominal NaOH: _______ M (estandarizada)
• pH inicial fase acuosa (si aplica): _______

5.2. Tablas de valoración

Tabla 1. Fase acuosa (alícuota 10 mL)

Ensayo	VNaOH (mL)	M(NaOH)	moles NaOH	moles ácido en alícuota	[HA]ac​ (mol/L)
1
2
3
Promedio

 

Tabla 2.- Fase orgánica (alícuota 5 mL) – valorada tras transferencia a agua

Ensayo	VNaOH (mL)	M(NaOH)	moles NaOH	moles ácido en alícuota	[HA]org​ (mol/L)
1
2
3
Promedio

 

5.3. Cálculos

1. Cálculo de concentración en cada fase:

    

2. Coeficiente de reparto (si pH bajo / sin ajuste):

3. Cociente de distribución aparente (si se modificó pH):

4. Balance de materia (control de coherencia): Moles iniciales de ácido acético en el sistema vs. suma de moles en ambas fases (ajustando por volúmenes y alícuotas).

5.4. Resultados

• K (25 °C): __________________
• (Si aplica) D a pH ____: ____________ ; a pH ____: ____________
• Comentario breve sobre tendencia observada: ___________________________________ ________________________________________________________________________

6. Cuestionario

1. Defina coeficiente de reparto y cociente de distribución aparente.
2. Deduzca la expresión:

para un ácido débil monoprótico. Indique los supuestos.

3. Reacciones químicas:

a) Escriba y balancee la reacción de neutralización del ácido acético con NaOH.
b) Si se hubiese empleado ácido benzoico, ¿cómo cambiaría la reacción de valoración? Escríbala.

4. ¿Por qué D → K cuando pH ≪ pKa? Explique físicamente.
5. Mencione tres causas de desviación respecto a la Ley de Nernst en sistemas reales.
6. ¿Cómo afecta la fuerza iónica o el agregado de NaCl al reparto? Explique el efecto “salting out”.
7. Identifique tres fuentes de error experimental y cómo mitigarlas (emulsiones, temperatura, lectura de bureta, etc.).
8. Proponga dos aplicaciones del coeficiente de reparto en docencia o industria (extracción, purificación, formulación farmacéutica).
9. En su rol como futuro docente, diseñe una actividad breve para secundaria que ilustre el concepto de extracción con materiales seguros de aula.
10. Si a 25ºC se obtiene una K = 3.2, estime D a pH = 2 y 6 (considere pKa(HA) ≈ 4.76).

7. Referencias bibliográficas

• Alberty, R. A., & Daniels, F. (2012). Química física. Limusa.
• Atkins, P., & de Paula, J. (2014). Atkins’ Physical Chemistry (10th ed.). Oxford University Press.
• Christian, G. D. (2013). Analytical Chemistry (7th ed.). Wiley.
• Harris, D. C. (2015). Quantitative Chemical Analysis (9th ed.). W. H. Freeman.
• Shoemaker, D. P., Garland, C. W., & Nibler, J. W. (2009). Experiments in Physical Chemistry (8th ed.). McGraw-Hill.
• Skoog, D. A., West, D. M., Holler, F. J., & Crouch, S. R. (2014). Química Analítica (9.ª ed.). Cengage.
• Vogel, A. I., Mendham, J., Denney, R. C., Barnes, J. D., & Thomas, M. J. K. (2000). Vogel’s Textbook of Quantitative Chemical Analysis (6th ed.). Prentice Hall.
• American Chemical Society. (2016). Safety in Academic Chemistry Laboratories (8th ed.). ACS Publications.