FÍSICA DAS SUPERFÍCIES

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1 FÍSICA DAS SUPERFÍCIES

2 Produção de vácuo forte Preparação de máscaras de gás (usam carvão ativado para gases perigosos Controlo de humidade com gel de sílica Remoção das impurezas de diversos produtos Catálise heterogénea (catalisadores sólidos, enzimas ) Desionização da água (adsorção/troca iónica) Separação de gases inertes Indicadores de adsorção: superfícies de certos precipitados adsorvem alguns corantes como eosina, fluoresceína, etc) Cromatografia de adsorção (purificação e separação de pigmentos, hormonas, etc 2

3 A catálise desempenha um papel de destaque na indústria, proteção ambiental e na nossa vida quotidiana. Catálise enzimática está presente em toda a matéria viva A catálise usa catalisadores (Homogéneos e Heterogéneos) 3

4 Catalisadores homogéneos: ocorrem na mesma fase (reagentes) Catalisadores heterogéneos: estão numa fase diferente dos reagentes Catálise enzimática Foto-catálise 4

5 Catalisadores comuns: Metais Óxidos metálicos Enzimas Anticorpos Ribossomas Membranas (biológicas ou cerâmicas) Nanopartículas 5

6 Difusão dos reagentes na superfície ativa Adsorção de um ou mais reagentes na superfície Reação de superfície Dessorção dos produtos a partir da superfície Difusão dos produtos a partir da superfície 6

7 Processo espontâneo que ocorre sempre que uma superfície de um sólido é exposta a um gás ou a um líquido Partição preferencial das substâncias da fase gasosa ou da fase líquida na superfície de um substrato sólido. (concentração de gases, líquidos ou substâncias dissolvidas (adsorvato) na superfície dos sólidos (adsorvente) Acumulação ou aumento da concentração de uma substância sobre uma superfície de um outro composto. 7

8 Substrato ou adsorvente: superfície na qual ocorre a adsorção Superfície de um catalisador; vários tipos de gel de sílica; zeólitos; polímeros Adsorvato: moléculas ou átomos que são adsorvidos no substrato Substância adsorvida; material concentrado no adsorvente Adsorção: processo através do qual a molécula ou átomo adsorve à superfície do substrato 8

9 Processo finito (termina ao fim de algum tempo) e ocorre o recobrimento do adsorvente Recobrimento: medida da extensão de adsorção da espécie na superfície (θ) Exposição: medida da quantidade de gás exposto à superfície (1 Langmuir= 10-6 torr. s) 9

10 - Colocar o adsorvente em contato com o adsorvato (gás ou líquido) - Medir o decréscimo de pressão ou de concentração do adsorvato no seio da fase - Medir a pressão ou volume adsorvido por determinada quantidade de adsorvente 10

11 ISOTÉRMICA Traduz a relação entre a quantidade de gás adsorvido, no equilíbrio, e a pressão do gás a uma determinada temperatura Relaciona a dependência entre a quantidade adsorvida expressa em: volume(v), concentração(c) ou recobrimento(θ) (número de locais ocupados pela molécula adsorvida) vs pressão(p),quando a temperatura é constante 11

12 Representação gráfica que relaciona a quantidade de substância adsorvida em função da concentração do gás (pressão) ou do líquido (concentração) na solução original, quando a temperatura é constante 12

13 Fatores Comuns à Adsorção(independente do tipo de interface) Natureza e tratamento prévio da superfície do adsorvente e adsorvido Processo rápido(velocidade aumenta com a temperatura) Geralmente exotérmica pois S<0, obrigando a que H<0 Fenómeno espontâneo G<0 13

14 Qualquer sólido é capaz de adsorver uma determinada quantidade de gás Depende: Da temperatura Da pressão do gás Da área superficial efetiva do sólido Da natureza do gás 14

15 Adsorção Física ( Fisissorção) Interação por forças de van der Waals entre a espécie adsorvida e a superfície Adsorção Química (quimissorção) Formação de ligações químicas entre a espécie adsorvida e a superfície (ligações covalentes) 15

16 Área da superfície Natureza do gás Calor de adsorção Carater reversível Efeito da Temperatura Efeito da Pressão Espessura da camada de gás adsorvida 16

17 17

18 Distinção Qualitativa Velocidade de ocorrência Calor de adsorção Reversibilidade da reação Distinção Quantitativa Isotérmicas Isobáricas Diagramas de energia potencial 18

19 A quantidade de gás adsorvido por um sólido é proporcional à massa da amostra A quantidade de gás adsorvido por um sólido depende: da temperatura da pressão do tipo de sólido e tipo de gás Para uma temperatura constante, a quantidade de gás adsorvido é: 19

20 Quantidade de gás adsorvido expresso em: Pressão Massa Volume 20

21 A) Adsorção Química Monocamada Primeira camada é quimicamente adsorvida; pode haver camadas superiores fisicamente adsorvidas B) Adsorção Física Multicamada para valores de P/P 0 = 0,1~0,3 Para a 2º camada no caso de adsorção simultânea 21

22 As linhas contínuas representam as isobáricas de equilíbrio para a Fisissorção e Quimissorção; As linhas ponteadas representam a quimissorção irreversível O máximo de recobrimento das moléculas adsorvidas quimicamente é obtido à temperatura Tmax. Abaixo de Tmax a quimissorção é irreversível porque a velocidade de dessorção torna-se desprezável. 22

23 Processo de Adsorção Moléculas gasosas Superfície de um sólido Superfície de um sólido na presença de um gás Adsorvato Adsorvente 23

24 Tipos de sólidos: Sólido não poroso Baixa área superficial Baxio volume específico de poros Sólido poroso Alta área superficial Alto volume específico de poros 24

25 Medidas de Porosidade: Existem três formas diferentes de quantificar a porosidade: Área superficial específica = (Área Superficial Total [m 2 ]) / (Massa de sólido [g]) Tamanho de poros e sua distribuição Volume de poros específico = (Volume Total de Poros [cm 3 ]) / (Massa de sólido [g]) ou Porosidade [%] = (Volume de poros/volume total do sólido incluindo poros) *

26 Poros Abertos vs Poros Fechados Poro Aberto Interconetado Poro Fechado (Não acessível) Poro Aberto Poro Aberto Sem Saída 26

27 Tamanho dos Poros (IUPAC) Microporos Mesoporos Macroporos Zeolites Carvão Ativado Estrutura Organometálica Sílica mesoporosa Carvão Ativado Metais sinterizados Materiais Cerâmicos 27

28 Forma dos Poros (IUPAC) Cilíndricos Fendas Cônicos Interstícios Esféricos (Ink Bottle) 28