Por que gazes se adsorvem nas superfícies solidas?
Passo 1
O enunciado pergunta “Por que gases se adsorvem em superfícies sólidas?”, ou seja, queremos entender o fenômeno de adsorção de um gás em um sólido. O conteúdo envolve conceitos de superfícies sólidas, tipos de interação (física e química) e termodinâmica (energia livre de Gibbs).
Passo 2
Primeiro, vamos distinguir absorção de adsorção. Na absorção, o material penetra todo o volume do sólido ou líquido; na adsorção, as moléculas do gás ficam retidas apenas na superfície do sólido, ocupando sítios ou “poços” energéticos gerados por ligações não saturadas ou irregularidades superficiais.
Passo 3
No caso de fisisorção, a atração é promovida por forças de van der Waals (dipolo induzido ou de London). Essas forças são fracas mas atuam em toda a superfície e fazem com que o gás perca parte da energia cinética ao se aproximar do sólido, ficando retido num poço de potencial superficial.
Passo 4
Em alguns sistemas ocorre quimisorção, em que há formação de ligações químicas (covalentes ou de coordenação) entre a molécula gasosa e átomos da superfície. Aqui a energia de ligação é maior, há maior seletividade e geralmente cada sítio adsorve apenas uma molécula, formando um complexo superficial.
Passo 5
Termodinamicamente, a adsorção é espontânea se a variação de energia livre de Gibbs for negativa:
Na adsorção
é negativo (processo exotérmico) e
é também negativo (redução da desordem do gás). A espontaneidade depende de
ser suficientemente maior que
.
Passo 6
Por fim, temperatura e pressão influenciam a adsorção: temperaturas baixas favorecem a fisisorção (pois minimizam
) e altas pressões elevam a densidade de moléculas disponíveis para preencher sítios superficiais. Esses efeitos aparecem qualitativamente nas isotermas de Langmuir e de Freundlich.
Resposta
Gases se adsorvem em superfícies sólidas porque as irregularidades e sítios superficiais criam poços de potencial onde interações exotérmicas (forças de van der Waals na fisisorção ou ligações químicas na quimisorção) compensam a perda de entropia do gás, resultando numa variação de energia livre de Gibbs negativa.