UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE Departamento de Físico-Química Físico-Química V – Turma 2as e 4as - tarde – Prof. Raphael Cruz 2a Lista de Exercícios – 1/2010 ADSORÇÃO
Exercício 1. Definir: a) adsorção; b) dessorção; c) adsorvato; d) adsorvente; e) área superficial específica.
Exercício 2. Sabendo que a adsorção é um processo espontâneo, demonstrar que ela é sempre um processo exotérmico.
Exercício 3. Discutir como a adsorção varia com: a) aumento da área superficial específica; b) aumento da temperatura; d) aumento da pressão do gás. Mostrar que os efeitos produzidos na adsorção pelas variações de temperatura e de pressão são consistentes com o princípio de Le Chatelier-Braun.
Exercício 4. O que é isoterma de adsorção? Mostre, qualitativamente e mediante gráfico apropriado, como a adsorção varia com a pressão, a temperatura constante, e, também, mostre o efeito da temperatura na adsorção.
Exercício 5. Como se classifica a adsorção de gases em sólidos quanto às forças de interação entre adsorvato e adsorvente. Enumerar as principais características dos tipos de adsorção classificadas anteriormente.
Exercício 6. A adsorção de gases em sólido pode ser descrita, algumas vezes, pela equação empírica de Freundlich: x/m = K.P1/n. Explicar os termos envolvidos nesta expressão e a razão do valor de n ser igual ou maior que a unidade.
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Exercício 7. Enumerar as considerações feitas na obtenção da isoterma de Langmuir e demonstrar esta equação. Explicar como a adsorção ocorre em: a) baixas pressões; b) altas pressões.
Exercício 8. Demonstrar a isoterma de BET.
Exercício 9. Descrever os cinco tipos de adsorção observados em altas pressões, mediante a isoterma de BET.
Exercício 10. Demonstrar a isoterma de Gibbs e explicar os termos envolvidos na equação.
Exercício 11. O que é uma substância tensoativa?
Exercício 12. A isoterma de Freundlich pode ser escrita como VA = K.P1/n, onde K e n são constantes, VA o volume de gás adsorvido por unidade de massa de adsorvente, medido nas CNTP e P a pressão de equilíbrio. Os dados da tabela abaixo correspondem à adsorção de metano sobre 10g de carvão a 0oC. P (mmHg) VA (cm3/g)
100 97,5
200 144
300 182
400 214
Mostrar que essa adsorção segue a isoterma de Freundlich e determinar os valores das constantes da isoterma.
Exercício 13. A tabela abaixo fornece o volume de nitrogênio, nas CNTP, adsorvido por grama de carvão ativo a 0oC em função da pressão de equilíbrio: P (mmHg) v (cm3/g)
3,93 0,987
12,98 3,04
22,94 5,08
34,01 7,04
56,23 10,31
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Verificar se esses dados seguem a isoterma de Langmuir. Em caso afirmativo, determinar os valores das constantes de Langmuir. Se a área de uma molécula de nitrogênio vale 0,162 nm2, estimar a área superficial específica do carvão ativo.
Exercício 14. A adsorção de nitrogênio sobre um sólido finamente dividido, não poroso, apresentou os seguintes valores: Temperatura (K) P/Po θ
77 0,05 0,5
90 0,2 0,5
onde P/Po é a razão entre a pressão de equilíbrio e a pressão de vapor do nitrogênio e θ é o grau de cobertura. Estimar o calor de adsorção isométrico. O ponto normal de ebulição do N2 é 77 K e seu calor latente de vaporização vale 5,64 kJ/mol.
Exercício 15. Um gás diatômico é adsorvido na superfície de um sólido na forma de átomos de acordo com o equilíbrio representado abaixo: A2 + 2S ⇔ 2AS onde A2 representa uma molécula do gás na fase gasosa, S um sítio de adsorção vazio e AS o complexo adsorvato-adsorvente. Usando as mesmas considerações de Langmuir mostrar que o grau de cobertura, θ, é dado por: θ=
kP kP + 1
onde P é a pressão de equilíbrio da fase gasosa e k uma constante.
Exercício 16. Demonstre, utilizando as considerações de Langmuir, que para uma mistura gasosa dos gases A e B tem-se: yA yB
σ
K = A KB
yA yB
g
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g
σ
y y onde A é a razão entre as frações molares dos gases adsorvidos , A a razão das frações yB yB molares dos gases em fase gasosa e KA e KB as constantes de adsorção para os dois gases.
Exercício 17. Demonstrar que para um gás adsorvido que segue a equação de estado bi-dimensional: RT π= , onde R é a constante dos gases, T a temperatura do sistema em kelvin, A a área molar e A − Ao A o uma constante, a isoterma de adsorção é dada pela expressão: θ θ KP = exp 1− θ 1− θ onde P é a pressão de equilíbrio, K uma constante e θ o grau de cobertura (= A o / A ).
Exercício 18. Um óleo comestível contém uma substância nociva na concentração de 0,02 g/L, que pode ser adsorvida em carvão ativo. A isoterma de adsorção é da forma: m = mmáxkc/(1 + kc), onde m é a massa, em gramas, da substância adsorvida por grama de carvão; mmáx = 0,01 g de adsorvato/ g de carvão, k = 103 L/g e c a concentração de equilíbrio, em g/L. Qual a massa de carvão necessária para purificar um litro de óleo, reduzindo a concentração da substância a 0,02x10-3 g/L?
Exercício 19. A 19oC a tensão superficial de soluções de ácido butírico em água, pode ser representada pela equação de Szyszkowski γ = γo – a.ln(1 + bc) onde γo é a tensão superficial da água pura e a e b são constantes. Estabelecer a expressão do excesso de concentração superficial em função da concentração. Os valores das constantes, para o ácido butírico são: a = 13,1 dyn/cm e b = 19,62 l/mol. Calcular o excesso de concentração superficial para c = 0,20 mol/l. Calcular o valor limite do excesso de concentração superficial. Considerando que somente as moléculas na superfície correspondem ao excesso de concentração, estimar a área ocupada por uma molécula de ácido butírico na superfície da solução.
Exercício 20. Considere uma gota de um líquido puro sobre uma superfície de um sólido em equilíbrio com o ar atmosférico conforme a figura abaixo:
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ar atmosférico θo líquido sólido onde θo é o ângulo de contato do líquido com o sólido em equilíbrio. Se uma gota de uma solução, constituído por esse líquido e um soluto tensoativo, fosse colocada na superfície do mesmo sólido, o ângulo de contato da solução com o sólido seria maior, menor ou igual a θo? Considere que o soluto não interage com o sólido. Justificar a resposta.
