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 {\displaystyle N} , número de moles de substância adsorvida por grama de sólido, versus C {\displaystyle C} , concentração de soluto em equilíbrio, ou P {\displaystyle 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 {\displaystyle A} sobre uma superfície pode ser representada pela equação:

A + S ⇌ A S {\displaystyle A+S\rightleftharpoons AS}

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

K = X A S X S P {\displaystyle K={\frac {XAS}{XSP}}}

onde: X A S {\displaystyle XAS} é a fração das posições na superfície que estão ocupadas; X S {\displaystyle XS} é a fração das posições livres; e P {\displaystyle P} é a pressão do gás.

Comumente se usa θ {\displaystyle \theta } em função de X A S {\displaystyle XAS} onde θ {\displaystyle \theta } representa a fração da superfície que está coberta. Assim 1 − θ {\displaystyle 1-\theta } representará a fração da superfície que não está coberta. Pode-se então escrever:

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

que é a expressão da isoterma de Langmuir.

Rearranjando, em termos de θ {\displaystyle \theta } , a equação fica:

θ = K P ( 1 + K P ) {\displaystyle \theta ={\frac {KP}{(1+KP)}}}

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

Pode-se escrever ainda que:

θ = N N m {\displaystyle \theta ={\frac {N}{N_{m}}}}

onde: N {\displaystyle N} = número de mols de moléculas adsorvidas por grama de sólido; N m {\displaystyle N_{m}} =número de mols de soluto por grama de sólido necessários para formar uma monocamada sobre a superfície.

Então:

N N m = K C ( 1 + K C ) {\displaystyle {\frac {N}{N_{m}}}={\frac {KC}{(1+KC)}}}

e rearranjando tem-se:

C N = 1 K N m + C N m {\displaystyle {\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 × C {\displaystyle C/N\times C} deverá resultar numa reta, cujo coeficiente angular será igual a 1 / N m {\displaystyle 1/N_{m}} e o coeficiente linear será igual a 1 / K N m {\displaystyle 1/KN_{m}} .

Tendo os valores de N m {\displaystyle 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 {\displaystyle \ A=N_{m}.N_{0}.s.10^{-20}}

onde N 0 {\displaystyle N_{0}} é o número de Avogadro e s é dado em angstroms quadrados.

Referências

  1. ↑ Alan L. Myers, Thermodynamics of Adsorption. Perteneciente a la publicación Chemical Thermodynamics for Industry - Ed. T.M. Letcher, 2004

Ver também