La adsorción es un proceso proceso por por el cual átomos átomos,, iones o moléculas son atrapados o retenidos en la superficie de un material en contraposición a laabsorción laabsorción,, que es un fenómeno de volumen. Es decir, d ecir, es un proceso en el cual un contaminante soluble (adsorbato) es eliminado del agua por contacto con una superficie sólida (adsorbente). El proceso inverso a la adsorción se conoce como desorción.
En química química,, la adsorción de una sustancia es su acumulación en una determinada superficie interfacial entre dos fases. El resultado es la formación de una película líquida o gaseosa en la superficie de un cuerpo sólido sólido o olíquido líquido.. Considérese una superficie limpia epuesta a una atmósfera gaseosa. En el interior del material, todos los enlaces químicos (!a sean iónicos iónicos,, covalentes o metálicos metálicos)) de los átomos átomos constitu!entes constitu!entes están satisfec"os. En cambio, por definición la superficie representa una discontinuidad de esos enlaces. #ara esos enlaces incompletos, es energéticamente favorable el reaccionar con lo que se encuentre disponible, ! por ello se produce de forma espontánea. La naturale$a eacta del enlace depende de las particularidades de los especímenes implicados, pero el material adsorbido es general mente clasificado como fisisorbido fisisorbido o o quimisorbido La cantidad de material que se acumula depende del equilibrio dinámico que dinámico que se alcan$a entre la tasa a la cual el material se adsorbe a la superficie ! la tasa a la cual se evapora, ! que normalmente dependen de forma importante de la temperatura. Cuanto ma!or sea la tasa de adsorción ! menor la de desorción desorción,, ma!or será la fracción de la superficie disponible que será cubierta por material adsorbido en el equilibrio. #ara estos procesos, resultan interesantes materiales con una gran superficie interna, (! por lo tanto poco volumen volumen)) !a sea en polvo o granular, como el carbón activo, activo, ! llevan asociados otros fenómenos de transporte de material, como el macro transporte ! transporte ! micro transporte de los reactivos reactivos..
La adsorción por carbón activado es una tecnología bien desarrollada capa$ de eliminar efica$mente un amplio rango de compuestos tóicos. #roduciendo un efluente de mu! alta calidad
Índice %ocultar &
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1 2éase también
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3 4eferencias
Tipos de adsorción según la atracción entre soluto y adsorbente%editar & •
0dsorción por intercambio5 6curre cuando los iones de la sustancia se concentran en una superficie como resultado de la atracción electrostática en los lugares cargados de la superficie (p. e7. en las cercanías de un electrodo cargado).
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0dsorción física5 8e debe a las fuer$as de 2an der 9aals ! la molécula adsorbida no está fi7a en un lugar específico de la superficie, ! por ello está libre de trasladarse en la interfase.
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0dsorción química5 6curre cuando el adsorbato forma enlaces fuertes en los centros activos del adsorbente.
Termodinámica de la adsorción 1 %editar & La adsorción es el proceso mediante el cual un sólido poroso (a nivel microscópico) es capa$ de retener partículas de un fluido en su superficie tras entrar en contacto con éste. 0rc"ivo50ctivated:carbon.7pg ;anoporos en una muestra de carbón activo vista almicroscopio electrónico.
El adsorbente dispone de nanoporos, lo que se conoce como centros activos, en los que las fuer$as de enlace entre los átomos no están saturadas. Estos centros activos admiten que se instalen moléculas de naturale$a distinta a la su!a, procedentes de un gas en contacto con su superficie. La adsorción es un proceso eotérmico ! se produce por tanto de manera espontánea si el adsorbente no se encuentra saturado. La aplicación más importante de la termodinámica de la adsorción es la de calcular los equilibrios de fase entre un sólido adsorbente ! una me$cla gaseosa. En este desarrollo, por simplicidad, sólo tomaremos en consideración gases puros (monocomponentes). La base de todo este cálculo son las isotermas de adsorción, las cuales dan la cantidad de gas adsorbido en los nanoporos como una función de la presión eterna (del gas). La termodinámica sólo puede aplicarse a las isotermas de adsorción en el equilibrio. Esto significa que se debe poder llegar a cualquier punto de la curva elevando o disminu!endo
la presión< en otras palabras, las curvas de adsorción ! desorción tien en que coincidir. Esto ocurre sólo si no eiste "istéresis. La "istéresis no se da en poros menores de * nm, sin embargo, se observa en poros lo suficientemente grandes como para que en su interior se condense gas para formar líquido. La isoterma de adsorción para un gas puro es la relación entre la cantidad adsorbida específica n (moles de gas por =ilogramo de sólido) ! P , la presión eterior de la fase gaseosa. La ma!or parte de isotermas se pueden a7ustar mediante una ecuación del virial modificada5
donde K es la constante de >enr! (el valor de la isoterma de adsorción dn?dP cuando la presión tiende a cero), m la capacidad de saturación del medio sólido (mol =g:') ! C i son los coeficientes del virial. ;ormalmente tres coeficientes bastan para a7ustar la curva a los datos eperimentales.
@sotermas de adsorción del C*>- en ;aA. Ecuación (') frente a datos eperimentales.
;ótese que las isotermas "an de obtenerse a partir de la interpolación de datos eperimentales, aunque eisten también modelos moleculares, al margen de la termodinámica, de los que se pueden obtener teóricamente las propiedades del sistema. La interpolación de las isotermas de adsorción respecto de la temperatura se basa en la ecuación
donde
es la entalpía de adsorción diferencial, negativa porque la adsorción es un
proceso eotérmico, como !a "emos comentado. El valor absoluto de Bcalor isostéricoB.
se denomina
;ormalmente la entalpía diferencial se calcula a partir de la ecuación (*) "aciendo uso de dos o más isotermas de adsorción. El gran potencial desempea un papel fundamental en la termodinámica de la adsorción. 8e define como
donde F es la energía libre de >elm"olt$. Las variables independientes son temperatura, volumen ! potencial químico. #ara adsorción en un gas puro, el gran potencial se obtiene a partir de la integración de una isoterma5
Ω se epresa en D =g:' de adsorbente sólido. El significado físico del gran potencial es la variación de energía libre asociada a la inmersión isotérmica del adsorbente virgen en el volumen del gas. La entalpía de inmersión H es la integral de la entalpía diferencial5
0l igual que Ω, tiene unidades de D =g:'. Fna ve$ obtenidas la energía de inmersión (Ω) ! la entalpía de inmersión (H ), la entropía de inmersión es5
0 partir de estas ecuaciones se puede "acer todo el análisis termodinámico en un sistema formado por un adsorbente ! un gas. ;o debemos de7ar de tener en cuenta que la determinación de la ecuación ('), de donde "emos derivado todas las demás, se "ace a partir de mediciones eperimentales.
Fisisorción%editar & La fisisorción es la forma más simple de adsorción, ! es debida a débiles fuer$as atractivas, generalmente fuer$as de 2an der 9aals (véase fuer$as dispersivas). Gado que estas fuer$as son omnipresentes, resulta que rápidamente cualquier superficie limpia epuesta al ambiente acumula una capa de material fisisorbido.
Quimisorción%editar & La quimisorción ocurre cuando un enlace químico se forma, definido en este caso como un intercambio de electrones. El grado de intercambio ! lo simétrico que sea dependen de los materiales involucrados. 0 menudo "a! un paralelismo con las situaciones encontradas en química de coordinación. La quimisorción es particularmente importante en la catálisis
"eterogénea, la forma más comn en la industria, donde un catali$ador sólido interacciona con un flu7o gaseoso, el reactivo o los reactivos, en lo que se denomina reacción en lec"o fluido. La adsorción del reactivo por la superficie del catali$ador crea un enlace químico, alterando la densidad electrónica alrededor de la molécula reactivo ! permitiendo reacciones que normalmente no se producirían en otras circunstancias. La corrosión es un e7emplo de ello.
Aplicaciones%editar & Fna de las aplicaciones más conocidas de la adsorción en el mundo industrial, es la etracción de "umedad del aire comprimido. 8e consigue "aciendo pasar el aire comprimido a través de un lec"o de almina activa u otros materiales con efecto de adsorción a la molécula de agua. La saturación del lec"o se consigue sometiendo a presión el gas o aire, así la molécula de agua es adsorbida por la molécula del lec"o, "asta su saturación. La regeneración del lec"o, se consigue soltando al eterior este aire comprimido ! "aciendo pasar una corriente de aire presecado a través del lec"o. Lo "abitual es encontrar secadores de adsorción en forma de dos columnas ! mientras una adsorbe, la otra es regenerada por el mismo aire seco de la columna anterior. Este sistema se conoce como Bpressure sHing adsorbtionB o #80. Conocido también como cambio de presión por vaivén.
6tras aplicaciones en las que se emplea éste proceso de adsorción como separación son5 purificación de agua, tratamiento de aguas residuales, quitar olores, sabores o colores no deseados por e7emplo en aceites, 7arabes de a$car, en la des"umidificación de gasolinas, o en el secado de aire.
La otra aplicación más etendida es la obtención de nitrógeno, "aciendo pasar un caudal de aire comprimido por el lec"o adsorbente, compuesto por carbón molécular, especialmente manufacturado para ese propósito. Fsa el mismo sistema !a mencionado de Bpr essure sHingB, de los secadores de a dsorción. Fna cámara llena de carbón es sometida a presión con aire comprimido, la molécula de 6igeno, es retenida por el nanoporo del carbón, mientras que la molécula de ;itrógeno, de más tamao, no consigue entrar en el nanoporo del adsorbente. 8e consegui así, disponer de gran cantidad de nitrogeno después del lec"o adsorbente ! el oigeno, queda retenido. En la segunda parte del ciclo, con la despresuri$ación, el oigeno se libera del nanoporo ! se evacua a la atmósfera. Los generadores de nitrogeno, usan este sistema ! sus aplicaciones se "an generali$ado en la industria, en usos como la inerti$ación de depósitos, de envases de productos
alimenticios o farmacéuticos ! en laboratorios, donde se usa el nitrógeno como gas portador o inerti$ación de cámaras.
uimisorción en superficies sólidas. Características generales. El proceso de autoensambla7e en superficies sólidas con la formación de monocapas (self-assembledmonolayers) se define como el ordenamiento molecular, en dos o tres dimensiones, que ocurre a través de procesos espontáneos de quimisorción. Este fenómeno se origina en la interfase que eiste entre una superficie sólida (p.e. una barra metálica) ! una sustancia activa en disolución, que trae consigo la formación de bloques estructurales supramoleculares',* (figura ').
Figura 1- #roceso de quimisorción sobre una superficie sólida, con formación de monocapas(selfassembled-monolayers). La reacción química general que representa la quimisorción de un alcanotiol en una superficie deoro es considerada como una reacción de oidación:adición del grupo tiol seguido de una posterior eliminación reductiva del "idrógeno, como se muestra en la ecuación siguiente5* 4:8:> I 0u J 4:8:0u I K>* Estas monocapas muestran, en general, un óptimo grado deorgani$ación, compactación ! estabilidad como resultado de los fuertes enlaces 0u:8.+:/ 0 pesar de esto, se "a encontrado que en las monocapas pueden eistir ciertos defectos de autoorgani$ación, especialmente cuando la cadena carbonada es mu! corta (figura *).+
0demás de los compuestos tiolados, se "a demostrado que otros tipos de compuestos sulfurados presentan la propiedad de autoensamblarse en superficies metálicas. Entre ellos están los tiocarbamatos1 ! las tioureas.3, Como soportes sólidos se "an estudiado otras superficies metálicas tales como plata,M platino,'N cobre,'' ! "ierro.'* La posibilidad de caracteri$ar la estructura química, así como los defectos de las monocapas electródicas mediante métodos electroquímicos ! espectroscópicos, "a sido un elemento de vital importancia para el desarrollo de sensores de reconocimiento molecular basados en procesos de quimisorción. En particular, los eperimentos de desorción reductiva ! las mediciones de impedancia permiten estudiar el grado de revestimiento de la monocapa ! su permeabilidad. La caracteri$aciónelectroquímica del recubrimiento electródico se puede complementar con diferentes técnicas espectroscópicas como, por e7emplo, la espectroscopia 4aman superficial, la elipsometría o las mediciones de ángulo de contacto.'*
Figura 2- Giagrama esquemático de una monocapa sobre electrodo de oro ! algunos de los defectos más comunes. Es evidente que la naturale$a de las moléculas adsorbidas le puede conferir al soporte determinadas propiedades que pueden ser tiles para construir determinados dispositivos. Los e7emplos más sencillos los tenemos en las monocapas de ácidos ω:mercaptocarboílicos o de ω:mercaptoaminas, que pueden ser utili$adas como soportes iónicos o para reconocer iones de carga opuesta. #or su parte, las monocapas de alcanotioles de cadena larga se pueden emplear para inducir determinadas orientaciones en proteínas inmovili$adas que posean dominios "idrofóbicos.'
Definición de fisisorción : 20/10/2010 •
La fisisorción o adsorción física es la forma más simple de adsorción, ! es debida a débiles fuer$as atractivas, generalmente fuer$as de 2an der 9aals. La fisisorción es el fenómeno por el cual un compuesto químico (agente adsorbente) se ad"iere a una superficie, ! en el que la especie adsorbida conserva su naturale$a química.
Giferencia entre la fisisorción ! la quimisorción La diferencia fundamental entre ambas es que en el caso de la fisisorción la especie adsorbida (fisisorbida) conserva su naturale$a química< mientras que durante la quimisorción la especie adsorbida (quimisorbida) sufre una transformación más o menos intensa para dar lugar a una especie distinta. Gado que estas fuer$as son omnipresentes, resulta que rápidamente cualquier superficie limpia epuesta al ambiente acumula una capa de material fisisorbido. •
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Algunas consideraciones previas • El fenómeno de quimisorción dio lugar al desarrollo de una amplia g pq ama de materiales fabricados por el hombre, que son los catalizadores. • Los catalizadores de caracterizan por tener una alta área es p p py p ecfica. La su perficie es pecfica y la estructura porosa son crticos en su comportamiento. • !ueden consistir en metal finamente dividido dispersado sobre la su perficie de un ó"ido refractario, no reactivo, como slica o al#mina. $tros catalizadores metálicos tienen una estructura abierta, tipo esqueleto. $tros son zeolitas, que consisten en Al, %i, $, con otros elementos. • !arámetros crticos & área del metal activo' la dispersión metálica, es decir qu( proporción del metal activo está realmente e"puesta' la acidez superficial y la fuerza de los sitios activos. ) ™
Adsorción qumica %e utilizan gases reactivos como *+, -$), -$, +), *)$, $), %$) para que reaccionen con la superficie activa. %e realiza una serie de inyecciones de una cantidad conocida del gas reactivo en la corriente de gas inerte que pasa a trav(s del lecho del catalizador. -orriente abao del reactor está el /etector que determina la cantidad de gas reactivo removido de cada inyección. La 0 a la que se realiza el análisis es aquella a la que sólo ocurre quimisorción. %e sabe que se llegó a la saturación de la superficie cuando el /etector indica que la cantidad total de inyecciones subsiguientes pasan a trav(s de la muestra sin ninguna p(rdida. La suma de las cantidades inyectadas menos la cantidad de gas que pasó sin adsorberse será la cantidad adsorbida. 1 Adsorción qumica 2cont.3 El gas inyectado sólo se adsorbe sobre la superficie activa y no sobre el soporte. As el n#mero de mol(culas requeri As, el n#mero de mol(culas requeridas para cubrir la superficie activa nos da el dato de área superficial activa. Aplicando el factor de estequiometra para la reacción gas4metal nos da el n#mero de átomos accesibles de metal activo. 5tilizando la cantidad de metal activo por gramo de catalizador nos permite determinar el porcentae de dispersión de metal activo. 5tilizando esta información más la densidad del metal, se calcula el tama6o del cristalito. 7 Adsorción fsica La adsorción fsica se realiza a 0 de ebullición del gas que se adsorbe ' tpicamente *) con un ba6o de *) 2l3 adsorbe.' tpicamente *) con un ba6o de *) 2l3 8ao estas condiciones una mezcla e 9: de *) en ; con +e da la condición de presión parcial más favorable para el estudio de la formación de una monocapa del *) adsorbido. ™
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%e calcula ese valor de monocapa. El área de cada mol(cula de gas es conocida. %e calcula la superficie de la muestra a partir de la cantidad de mol(culas adsorbidas en la monocapa. ™
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Quimisorción La quimisorción es una especie de adsorción que implica una reacción química entre la superficie ! el adsorbato. Enlaces químicos nuevos se generan en la superficie del adsorbente. 0lgunos e7emplos son l os fenómenos macroscópicos que pueden ser mu! obvio, como efectos de la corrosión, ! más sutiles relacionados con la catálisis "eterogénea. La fuerte interacción entre el adsorbato ! la superficie del sustrato crea nuevos tipos de bonos electrónicos. En contraste con quimisorción es fisisorción, lo que de7a las especies químicas del adsorbato ! superficie intacta. 8e acepta convencionalmente que el umbral energético que separa la energía de enlace de BfisisorciónB de la de BquimisorciónB es de aproimadamente N,/ e2 por especies adsorbidas. Gebido a la especificidad, la naturale$a de quimisorción puede diferir en gran medida, dependiendo de la identidad química ! la estructura de la superficie.
Ftili$a Fn e7emplo importante de quimisorción es en la catálisis "eterogénea que consiste en moléculas que reaccionan uno con el otro a través de la formación de productos
intermedios quimisorbidas. Gespués de la especie quimisorbidas combinan el producto se desorbe de la superficie.
Oonocapas autoensambladas Oonocapas autoensambladas están formados por c"emisorbing reactivos reactivos con las superficies de metal. Fn e7emplo famoso implica tioles que absorben sobre la superficie de oro. Este proceso forma fuertes la$os 0u:84 ! comunicados de >*. Los grupos 84 densamente empaquetadas proteger la superficie.
La quimisorción de gas:superficie Cinética de adsorción Como un e7emplo de la adsorción, quimisorción sigue el proceso de adsorción. La primera etapa es para la partícula adsorbato entre en contacto con la superficie. La partícula necesita ser atrapada sobre la superficie por no poseer suficiente energía para de7ar así el potencial de gas de la superficie. 8i c"oca elásticamente con la superficie, entonces volvería al gas a granel. 8i se pierde el impulso suficiente a través de una colisión inelástica, entonces se BpegaB sobre la superficie, formando un estado precursor unido a la superficie por las fuer$as débiles, similares a fisisorción. Las partículas se difunde en la superficie "asta que encuentra así un potencial de quimisorción profunda. Entonces reacciona con la superficie o simplemente desorbe después de suficiente energía ! tiempo. La reacción con la superficie depende de las especies químicas implicadas. 0plicando la ecuación de Pibbs energía libre de las reacciones5 Peneral de la termodinámica establece que para las reacciones espontáneas a temperatura ! presión constantes, el cambio en la energía libre debe ser negativo. Gado que una partícula libre está restringido a una superficie, ! a menos que el átomo de superficie es altamente móvil, la entropía se ba7a. Esto significa que el término entalpía debe ser negativo, lo que implica una reacción eotérmica.
La igura ' es un gráfico de las curvas de energía de fisisorción ! quimisorción de tungsteno ! oígeno. isisorción se da como un potencial de Lennard:Dones ! quimisorción se da como un potencial de Oorse. Eiste un punto de cruce entre l a fisisorción ! quimisorción, es decir, un punto de transferencia. #uede ocurrir por encima o por deba7o de la línea de energía cero, lo que representa un requisito de energía de activación o la falta de. Oa!oría de los gases simples en superficies metálicas limpias carecen del requisito de energía de activación.
