Adsorção

Esta página cita fontes, mas que não cobrem todo o conteúdo. Ajude a inserir referências (Encontre fontes: ABW  • CAPES  • Google (N • L • A)). (Setembro de 2013)

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.

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

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

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

${\displaystyle K={\frac {XAS}{XSP}}}$

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

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

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

que é a expressão da isoterma de Langmuir.

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

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

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

Pode-se escrever ainda que:

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

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

Então:

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

e rearranjando tem-se:

${\displaystyle {\frac {C}{N}}={\frac {1}{KN_{m}}}+{\frac {C}{N_{m}}}}$

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

Tendo os valores de ${\displaystyle N_{m}}$ 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:

${\displaystyle \ A=N_{m}.N_{0}.s.10^{-20}}$

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

• Spessato, L. et al. KOH-super activated carbon from biomass waste: Insights into the paracetamol adsorption mechanism and thermal regeneration cycles. Journal of Hazardous Materials, Vol. 371, Pages 499-505, 2019.
• 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.

• Absorção