Adsorção

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 Isotérmica de Langmuir

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 superfície específica e portanto maior 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.

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:

$A+S\rightleftharpoons AS$

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 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 mols de moléculas adsorvidas por grama de sólido; $N_{m}$ =número de mols 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 angstroms quadrados.

Referências

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Ver também

• Absorção