Adsorção

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Adsorção

Adsorção é a adesão de moléculas de um fluido (o adsorvido) a uma superfície sólida (o adsorvente); o grau de adsorção depende da temperatura, da pressão e da área da superfície - os sólidos porosos como o carvão activado são ótimos adsorventes.

As forças que atraem o adsorvato podem ser químicas ou físicas.

A adsorção química, também chamada quimissorção, é específica e é empregada na separação de misturas. Nela as moléculas (ou átomos) unem-se à superfície do adsorvente através da formação de ligações químicas (geralmente covalentes) e tendem a se acomodarem em sítios que propiciem o maior número de coordenação possível com o substrato. Uma molécula quimicamente adsorvida pode ser decomposta em virtude de forças de valência dos átomos da superfície e é a existência de fragmentos moleculares adsorvidos que responde, em parte, pelo efeito catalítico das superfícies sólidas.

A adsorção física, também chamada fisissorção, é empregada em máscaras contra gases e na purificação e descoloração de líquidos. Nela as moléculas do adsorvente e do adsorvato interagem por interações de van der Waals, que apesar de serem interações de longo alcance, são fracas e não formam ligações químicas. Uma molécula fisicamente adsorvida retém sua identidade, embora possa ser deformada pela presença dos campos de força da superfície.

Adsorção e Isoterma de Langmuir[editar | editar código-fonte]

A adsorção sobre sólidos é um fenômeno de grande importância em química, mais especificamente em físico-química. Quando se expõe um sólido finamente dividido a uma pressão moderada de um gás, geralmente a pressão do gás decresce, indicando que parte das moléculas do gás foram adsorvidas na superfície do sólido. Pelo mesmo motivo observa-se que expondo uma solução de um corante (ou de uma tinta) ao sólido, a intensidade da coloração da solução decresce acentuadamente. Deve ser salientado também que a ação catalítica de muitas substâncias, no caso da catálise heterogênea, está ligada a estes fenômenos da adsorção.

A intensidade desses efeitos depende da temperatura, da natureza das substâncias presentes no meio, da pressão do gás, ou da concentração do corante. Um fato bastante importante está relacionado com a superfície do sólido. Quanto mais finamente dividido estiver este sólido, maior será a sua eficiência em adsorver as moléculas presentes no meio.

Experimentalmente, as medidas nesses sistemas são feitas em termos de quantidade de substância adsorvida por grama do sólido, com a finalidade de se obter as chamadas isotermas de adsorção. Essas isotermas são gráficos onde estão representados N, número de moles de substância adsorvida por grama de sólido, versus C, concentração de soluto em equilíbrio, ou P, pressão do gás sobre o sólido.[1]

Muito se tem feito no sentido de se desenvolver uma teoria para explicar os fatos experimentais observados. Para sistemas mais simples, uma teoria desenvolvida por Langmuir é feita a seguir:

Considerando que o processo de adsorção do gás A sobre uma superfície pode ser representada pela equação:

A + S \rightleftharpoons A S

Onde S é a posição vazia na superfície do sólido (sítio ativo) e AS representa a molécula adsorvida. A constante de equilíbrio pode ser escrita como:

K = \frac{XAS}{XSP}

onde: XAS é a fração das posições na superfície que estão ocupadas; XS é a fração das posições livres; e P é a pressão do gás.

Comumente se usa \theta em função de XAS onde \theta representa a fração de fração da superfície que está coberta. Assim 1 - \theta representará a fração da superfície que não está coberta. Pode-se então escrever:

K = \frac{\theta}{(1- \theta)P} ou seja KP = \frac{\theta}{(1- \theta)}

que é a expressão da isoterma de Langmuir.

Rearranjando, em termos de \theta, a equação fica:

\theta = \frac{KP}{(1+KP)}

Para o caso de adsorção em solução, a isoterma continua válida, devendo somente substituir P, pressão do gás, por C, a concentração do soluto na solução.

Pode-se escrever ainda que:

\theta = \frac{N}{N_m}

onde: N = número de moles de moléculas adsorvidas por grama de sólido; N_m =número de moles de soluto por grama de sólido necessários para formar uma monocamada sobre a superfície.

Então:

\frac{N}{N_m}=\frac{KC}{(1+KC)}

e rearranjando tem-se:

\frac{C}{N} =\frac{1}{KN_m} + \frac{C}{N_m}

que é a forma mais usual da isoterma da Langmuir.

Dessa expressão tem-se que a isoterma de adsorção de Langmuir representa de um modo adequado um processo de adsorção, então um gráfico C/N \times C deverá resultar numa reta, cujo coeficiente angular será igual a 1/N_m e o coeficiente linear será igual a 1/KN_m.

Tendo os valores de N_m e conhecendo s, a área ocupada por uma molécula adsorvida na superfície do sólido, então a área específica (em metros quadrados por grama) da superfície do sólido será:

\ A = N_m . N_0  . s . 10^{-20}

onde N_0 é o número de Avogadro e s é dado em ångströns quadrados.

Referências[editar | editar código-fonte]

  1. Alan L. Myers, Thermodynamics of Adsorption. Perteneciente a la publicación Chemical Thermodynamics for Industry - Ed. T.M. Letcher, 2004
  • Brandt, R.K., M.R. Hughes, L.P. Bourget, K. Truszkowska and R.G. Greenler (1993). 'The interpretation of CO adsorbed on Pt/SiO2 of two different particle-size distributions', Surface Science, vol. 286, pp. 15-25.
  • Cussler, E.L. (1997). Diffusion: Mass Transfer in Fluid Systems, 2nd ed., pp. 308-330.
  • Henderson, A.P., L.N. Seetohul, A.K. Dean, P. Russell, S. Pruneanu and Z. Ali (2009). 'A Novel Isotherm, Modelling Self-Assembled Monolayer Adsorption and Structural Changes', Langmuir, vol. 25, no. 2, pp. 931–938.
  • Kisliuk, P. (1957). 'The sticking probabilities of gases chemisorbed on the surfaces of solids', Journal of Physics and Chemistry of Solids, vol. 3, pp. 95–101.
  • Narayan, R.L. and T.S. King (1998). 'Hydrogen adsorption states on silica-supported Ru-Ag and Ru-Cu bimetallic catalysts investigated via microcalorimetry', Thermochimica Acta, vol. 312, nos.1-2, pp. 105-114.
  • Rozanov, V.V., and O.V. Krylov (1997). 'Hydrogen spillover in heterogeneous catalysis', Russ Chem Rev 1997, vol. 66 (2), pp. 107–119.
  • Trens, P., R. Durand, B. Coq, C. Coutanceau, S. Rousseau and C. Lamy (2009). 'Poisoning of Pt/C catalysts by CO and its consequences over the kinetics of hydrogen chemisorption', Applied Catalysis B: Environmental, vol. 92, Issues 3-4, pp. 280-284.
  • Uner, D.O., N. Savargoankar, M. Pruski and T.S. King, (1997). 'The effects of alkali promoters on the dynamics of hydrogen chemisorption and syngas reaction kinetics on Ru/SiO2 catalysts, Studies in Surface Science and Catalysis, vol. 109, pp. 315-324.
  • Uner,D.O. (1998).'A sensible mechanism of alkali promotion in Fischer Tropsch synthesis:Adsorbate mobilities', Industrial and Engineering Chemistry Research, vol. 37, pp. 2239-2245.
  • VanderWiel, D.P., M. Pruski and T.S. King (1999). 'A Kinetic Study of the Adsorption and Reaction of Hydrogen on Silica-Supported Ruthenium and Silver-Ruthenium Bimetallic Catalysts during the Hydrogenation of Carbon Monoxide', Journal of Catalysis, vol. 188, no. 1, pp. 186-202.
  • Zupanc, C., A. Hornung, O. Hinrichsen and M. Muhler (2002). 'The Interaction of Hydrogen with Ru/MgO Catalysts', Journal of Catalysis, vol. 209, pp. 501-514.


Ver também[editar | editar código-fonte]