Isotermas de adsorção: conceito, tipos, exemplos - Ciência - 2023

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As isotermas de adsorção São representações gráficas do comportamento de uma partícula adsorvida, na superfície de um sólido ou líquido, quando sua concentração aumenta. Se as partículas adsorvidas corresponderem às de um gás, então sua pressão é levada em consideração.

Ao observar essa isoterma, pode-se ter uma ideia de como ocorre o processo de adsorção; e, portanto, como são as interações partícula-superfície e as características da superfície. Analisando a isoterma deduz-se se a superfície é lisa, porosa ou microporosa, bem como possíveis condensações.

A imagem acima ajuda a esclarecer o exposto. As partículas adsorvidas (círculos roxos) são chamadas de adsorbatos. Já o adsorvente é aquele que possui uma superfície sobre a qual os adsorventes serão adsorvidos. Conforme sua pressão ou concentração aumenta, maior é o volume adsorvido no adsorvente.

Esta representação simples corresponde a uma adsorção descrita pela isoterma do tipo I. Usando isotermas, estuda-se a adsorção de infinidades de gases ou líquidos em géis, sólidos ou catalisadores.

Tipos de isotérmicas de adsorção

Mostrado acima estão cinco das principais isotermas experimentais usadas por S. Brunauer para classificar a adsorção de partículas gasosas em sólidos. Cada um descreve um processo de adsorção diferente. Da mesma forma, cada um possui modelos matemáticos que tentam deduzir o comportamento de suas curvas.

Independentemente das unidades ou variáveis usadas nos eixos X (p / po) e Y (X), o eixo X indica quanta pressão ou concentração de adsorbato “atua” no sólido; enquanto o eixo Y indica quanto desse adsorvido foi realmente adsorvido na superfície do referido sólido ou adsorvente.

Assim, conforme nos movemos para a direita do eixo X, vemos como a quantidade de partículas adsorvidas aumenta em função do aumento de suas pressões ou concentrações. Isso leva a um máximo, uma decadência, um vale, etc., que de uma forma ou de outra nos permitem interpretar como ocorre a adsorção.

Isotérmica tipo I

Acima temos a isoterma do tipo I, que também é conhecida como isoterma de Langmuir, já que seu modelo previu o formato dessa curva. Quando visto, é imediatamente interpretado que existe uma quantidade máxima (Xmax) de partículas adsorvidas, que não irá variar, não importa o quanto as pressões aumentem.

Este valor máximo de adsorção pode ser devido a vários motivos. Um deles é que a quimissorção está ocorrendo, o que significa que as partículas ou adsorbatos estão fortemente fixados na superfície do sólido ou adsorvente. Quando não houver mais espaço na superfície para acomodar mais partículas, não haverá mais adsorção.

Diz-se, portanto, que uma monocamada foi formada (como a dos círculos roxos na primeira imagem).

Outro motivo para justificar a isoterma do tipo I é que ocorre uma fisissorção, o que significa que as interações partícula-superfície são muito fracas (não implicam na formação de ligações químicas).

Nesse caso, as partículas acabam entrando em alguns microporos, que uma vez preenchidos, a superfície não terá mais sítios para posterior adsorção; ou seja, tem pouca área externa disponível (como se fosse uma rede muito fina). Esse comportamento é observado quando pós microporosos são analisados.

Tipo isotérmicoII

Acima temos a isoterma do tipo II, também conhecida como isoterma sigmóide. Ele descreve os processos de fisissorção tanto para sólidos não porosos quanto para sólidos macroporosos.

Observe que inicialmente se assemelha à isoterma acima, o que significa que as partículas adsorvidas estão formando uma monocamada na superfície do adsorvente. Assim que a monocamada estiver pronta, as demais partículas serão adsorvidas sobre as primeiras, dando origem às multicamadas. É aqui que vemos o aumento característico desta isoterma (à direita).

Outra razão pela qual a isoterma do tipo II é obtida é porque as partículas têm uma afinidade maior com a superfície do que com elas mesmas. Em outras palavras, a monocamada (superfície da partícula) será mais estável e durável do que a multicamada (partícula-partícula) formada posteriormente.

Tipo isotérmicoIII

A isoterma do tipo III é semelhante à do tipo II em sua interpretação: multicamadas e uma fisissorção. Porém, desta vez, as interações entre as multicamadas são mais fortes do que as da monocamada com a superfície do sólido. Portanto, é uma adsorção irregular, com montículos de partículas adsorvidas e partes da superfície livre.

Tipo isotérmicoIV

A isoterma do tipo IV também descreve os processos de fisiossorção e multicamadas, assemelhando-se à isoterma do tipo II; mas agora, em sólidos porosos (e mesoporosos), onde a condensação de partículas gasosas em pequenos volumes de líquido é possível. Até que o poro esteja “obstruído” com líquido, a monocamada não está completa.

Tipo isotérmicoV

A isoterma do tipo V é semelhante à do tipo IV, só que desta vez as formações multicamadas são mais propensas do que a respectiva monocamada. Ou seja, assemelha-se à adsorção descrita pela isoterma do tipo III. Aqui, a multicamada atinge uma espessura máxima, onde não há mais lugares para mais partículas adsorverem.

Exemplos

Alguns exemplos de sistemas gás-sólido serão mencionados a seguir, juntamente com os tipos de isotermas que foram obtidas em seus estudos experimentais:

-Amônia-carbono (tipo I)

-Nitrogênio-zeólitos (tipo I)

-Hidrogênio-carbono em altas temperaturas (tipo I)

-Oxigênio-negro de fumo (tipo I)

-Nitrogênio-gel de sílica (tipo II)

-Nitrogênio-ferro (tipo II)

-Bromossílica gel (tipo III)

-Iodo vapor-gel de sílica (tipo III)

-Nitrogênio-polietileno (tipo III)

- Criptônio-negro de carbono (tipo IV)

-Gel de óxido férrico-benzeno (tipo IV)

- Vapor de água-carbono (tipo V)

Observe que os sólidos mencionados foram carbono, negro de fumo, ferro metálico, óxido de ferro, zeólitas e sílica gel. Todos eles são bons exemplos de adsorventes com várias aplicações industriais.

Referências

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Wikipedia. (2020). Adsorção. Recuperado de: en.wikipedia.org