Teoria

A adsorção é a adesão de moléculas de um fluido a uma superfície sólida a partir de interações físico-químicas entre as duas interfaces.

-Hãam?! 😖

Calma, a gente vai entender melhor já já, mas antes de qualquer coisa, precisamos ter em mente as seguintes definições:

  • Adsorvato: Substância líquida ou gasosa que fica retida na superfície de um sólido adsorvente.
  • Adsorventes: Substância sólida que promove a retenção do adsorvato.

Ahh, outra coisa, muito cuidado pra não confundir a aDsorção com aBsorção!

Enquanto na adsorção uma substancia retida na superfície do adsorvato, o que não altera seu volume, na absorção uma substância é embebida por outra, ocasionando mudança de volume.

Essa ilustração aqui nos ajuda bastante a entender essa diferença:

Diferença entre absorção e adsorção
Diferença entre absorção e adsorção

Agora sim, vamos ao que interessa!

Como funciona o Processo de Adsorção

O processo de adsorção acontece entre duas interfaces. Pra ficar mais claro, vamos pensar no carvão ativado que pode ser usado pra remover o odor da geladeira.

Nesse caso temos uma interface gás-sólido. Onde as impurezas que causam o odor estão na fase gasosa e o carvão na fase sólida.

O que vai acontecer na superfície do carvão ativado é a interação entre as moléculas de carvão e de impurezas, o carvão vai “atrair” a impureza, capturando ela e tirando o fedor da geladeira!

Chamamos o carvão ativado de adsorvente e as impurezas de adsorvato.

É muito importante que o adsorvente tenha alta área superficial, afinal, quanto maior for a sua área superficial, maior será sua capacidade de “capturar” o adsorvato! Para medir o recobrimento de uma superfície sólida adsorvida, fazemos:

ííí

Esses sítios são os espacinhos que podem ser ocupados pelo adsorvato.

Mas imagina só, a gente contando cada microburaquinho do carvão ativado, nada prático, não é?! 🤣🤣🤣

Para resolver esse problema. podemos calcular o grau de recobrimento a partir da razão entre o volume adsorvido e o máximo de gás de que poderia ser adsorvido, desse jeito aqui:

Show! Mas nós temos dois diferentes tipos de adsorção, eles são diferentes com base nas forças responsáveis por fazer a adsorção acontecer. Bora entender a diferença entre eles?!

Adsorção Física


A adsorção física também pode ser conhecida como fisissorção, esse tipo de adsorção acontece quando as forças entre adsorvato e adsorvente são do tipo Van Der Waals.

Esse tipo de iteração tem longo alcance, porém as moléculas são adsorvidas fracamente e o calor envolvido nesse processo é baixo. A energia produzida por uma adsorção física é da ordem da entalpia de condensação.

Além disso ela é sempre exotérmica e reversível!


Adsorção Química


Já a adsorção química, que também pode chamada de quimissorção, é um tipo de interação de tipo química, nesse caso a temperatura é maior e a substância que é adsorvida se transforma em uma substância diferente e ela necessita de uma alta energia de ativação para acontecer.

As entalpias de adsorção química costumam ser muito maiores que as entalpias de adsorção física. E também é geralmente um processo exotérmico e irreversível.

Isotermas de Adsorção

As isotermas de adsorção são relações entre a quantidade de substância que foi adsorvida pelo adsorvente e a concentração da substância em solução.

Existem diferentes modelos de isotermas, os mais comuns da gente encontrar são: isotermas de Langmuir, isoterma BET e isotermas de Freündlich.

Bora dar uma conferida em cada uma delas?

É um dos modelos mais simples que descreve o modelo de adsorção de gás em sólidos, as principais características dela:

  • A superfície do sólido dividida em números de sítios de adsorção equivalente;
  • Não existe interações entre as moléculas adsorvidas;
  • A adsorção está completa quando uma monocamada de adsorvato for formada.

Na isoterma de Langmuir as velocidades de adsorção e dessorção são dadas por:

Fórmulas da velocidade de adsorção e dessorção
Fórmulas da velocidade de adsorção e dessorção

Onde é o número de sítios livres e , pressão e e são as constantes de equilíbrio de adsorção e dessorção, respectivamente.

No equilíbrio a soma das velocidades é zero, e então podemos escrever às equações que definem há isoterma de Langmuir:

Variáveis da isoterma de Langmuir
Variáveis da isoterma de Langmuir

Outra relação super importante é a razão entre pressão e volume:

Isso significa que se tivermos um gráfico versus , ele tem que ser linear e o coeficiente angular da reta será e o angular será .

Guarda essa informação que é muito importante!

Isoterma Brunauer, Emmet e Teller (BET)

A isoterma BET é baseada em um modelo de adsorção de um gás numa superfície, com adsorção em múltiplas camadas. As constantes de equilíbrio para as etapas são dadas assim:

Constantes de equilíbrio
Constantes de equilíbrio

Sendo o a constante de equilíbrio, o as frações das posições na superfície do adsorvente e o a fração das posições inicialmente vagas.


A expressão que demonstra a isoterma BET é a seguinte:

Isoterma BET: Fórmula
Isoterma BET: Fórmula

Onde é a pressão de vapor sobre a camada de adsorvato, é o volume que correspondente à formação da monocamada de adsorvato e esse é uma constante que se relaciona com as entalpias de dessorção da monocamada e de vaporização do adsorvato, dada por:

Isoterma de Freündlich

A diferença dessa isoterma é que o Freündlich relacionou a quantidade de material adsorvido com a concentração do material em solução. Sendo esse sistema composto por uma fase líquida em contato com uma fase sólida.

Uma coisa importante de se ter em mente é que essa isoterma não descreve sistemas com altas concentrações de adsorvato, beleza?


Podemos descrever a isoterma de Freündlich pela equação:

Onde o é a massa da substância adsorvida, o é a massa do adsorvente, o é a concentração do soluto e o e o são constantes características desse sistema em uma dada temperatura.


A gente pode manipular essa equação de forma que ela fique assim:


Agora, vamos praticar com exercícios?!

Como funciona o Processo de Adsorção

Adsorção Física

Adsorção Química

Isotermas de Adsorção

Exercícios Resolvidos

Exercício Resolvido #1

Quais as características da adsorção física e adsorção química?

Passo 1

Fala aí! Vamos de questão teórica para fortalecer os conhecimentos!

Bom, precisamos separar as características de cada tipo de adsorção, física e química… Hummm… Que tal fazer isso em forma de tabela? Show! Vamos nessa!

Prontinho! Arrasamos!

Resposta

Passo 1.

Exercício Resolvido #2

Quais são as premissas do modelo de adsorção de Langmuir?

Passo 1

Opa! Precisamos relembrar lá das principais características do modelo de adsorção de Langmuir, né? Vamos nessa!

Bom, a primeira coisa que devemos lembrar é que o modelo de Langmuir se baseia em adsorção de gás em sólidos… Além disso, ele trabalha com a superfície do sólido dividida em números de sítios de adsorção equivalentes e não existe interações entre as moléculas adsorvidas, e a adsorção estará completa quando uma monocamada de adsorvato for formada… Beleza?

Show de bola!

Resposta

Passo 1.

Exercício Resolvido #3

Os dados da tabela seguinte são os da adsorção do C O sobre carvão a 273   K . Verifique se eles se ajustam à isoterma de Langmuir e obtenha a constante K e o volume de gás correspondente ao recobrimento completo. Em cada caso, o volume V foi corrigido para a pressão de 1,00   a t m .

Passo 1

Vamos arrasar nessa questão juntos! Pra começo de conversa, vamos analisar que estamos trabalhando com a adsorção de um gás, o C O , em um sólido, o carvão, e isso está de acordo com a adsorção de Langmuir, beleza?

Agora vamos lembrar que a isoterma de Langmuir é expressa pela equação:

p V = p V ∞ + 1 K ⋅ V ∞

Hummm… Nós precisamos encontrar a constante de Langmuir e o volume do recobrimento completo:

K =   ? V ∞ =   ?

Bom, o enunciado nos deu um conjunto de pontos de pressão e volume, né? Aí é que tá o bizu! Se a gente plotar o gráfico p V versus p , essa reta nos dará informações importantes, pois o coeficiente angular será 1 V ∞ e o coeficiente linear será 1 K ⋅ V ∞ , show!

Então vamos fazer o gráfico!!!

Passo 2

O gráfico dos nosso pontos ficará:

Para facilitar a visualização dos pontos vamos montar uma tabela que corresponde a esses valores:

Bom, agora só precisamos encontrar o coeficiente angular e o coeficiente linear… Para isso, vamos usar o método dos mínimos quadrados, lembra dele? Podemos fazer o método usando a calculadora científica e vamos encontrar nossos coeficientes sendo:

coeficiente angular = 9 ⋅ 10 - 3 coeficiente linear = 1,20

Passo 3

Sendo assim, temos que:

1 V ∞ = 9 ⋅ 10 - 3

O volume de gás correspondente ao recobrimento completo, será:

V ∞ = 1 9 ⋅ 10 - 3 ≈ 111   c m 3

Show! E agora usando o coeficiente linear, temos:

1 K ⋅ V ∞ = 1,20

Substituindo o volume que encontramos:

1 K ⋅ 111 = 1,20

O K ficará:

K = 1 111 ⋅ 1,20

Então, o coeficiente de Langmuir será:

K = 7,51 ⋅ 10 - 3   k P a - 1

Uhull!! Conseguimos!

Resposta

V ∞ ≈ 111   c m 3 K = 7,51 ⋅ 10 - 3   k P a - 1

Exercício Resolvido #4

Descreva as características do modelo de adsorção BET.

Passo 1

Vamos relembrar a nossa teoria, ok?

O modelo de adsorção BET, descreve a adsorção para um gás numa superfície, com adsorção em múltiplas camadas. Ele se comporta como uma composição de várias monocamadas, beleza?

Prontinho!

Resposta

Passo 1.

Exercício Resolvido #5

O volume do oxigênio gasoso, medido a 0 ° C e 101   k P a , adsorvido em 1,00   g de sílica, também a 0 ° C , é de 0,284   c m 3 a 142,4   T o r r e 1,430   c m 3 a 760   T o r r . Qual o valor de V ∞ (admitindo que a adsorção do gás seja descrita pela isoterma de Langmuir)?

Passo 1

Vamos lá! Relembrando que a isoterma de Langmuir é expressa pela equação:

p V = p V ∞ + 1 K ⋅ V ∞

Nós precisamos encontrar o volume do recobrimento completo, né?

Bom, lembrando que se a gente plotar um gráfico p V versus p , essa reta nos dará como coeficiente angular 1 V ∞ , e assim teremos nosso resultado, show?

O enunciado nos deu apenas dois pontos, né? Mas com dois pontos formamos uma reta, então partiu!

Passo 2

Os pontos para formar o gráfico são:

Usando o método dos mínimos quadrados, vamos encontrar nosso coeficiente sendo:

coeficiente angular = 2,11

Passo 3

Sendo assim, temos que:

1 V ∞ = 2,11

O volume de gás correspondente ao recobrimento completo, será:

V ∞ = 1 2,11

V ∞ = 0,474   c m 3

Show! Encontramos!

Resposta

V ∞ = 0,474   c m 3