CIÊNCIA DAS SUPERFÍCIES

Transcrição

1 Maria da Conceição Branco da Silva Ano letivo 2016/17 CIÊNCIA DAS SUPERFÍCIES ESTUDO DOS FENÓMENOS FÍSICOS E QUÍMICOS QUE OCORREM NA INTERFACE DE DUAS FASES

2 CIÊNCIA DAS SUPERFÍCIES : TECNOLOGIAS IMPORTANTES Surface Chemistry in Pharmacy Surface Chemistry of Paper Surface Chemistry in Food and Feed Surface Chemistry in Detergency Surface Chemistry in Agriculture Surface and Colloid Chemistry in Photographic Technology Surface Chemistry in Paints Surface Chemistry in the Polymerization of Emulsion Colloidal Processing of Ceramics Surface Chemistry in Dispersion, Flocculation and Flotation Surface Chemistry in the Petroleum Industry

3 FENÓMENOS DE SUPERFÍCIE INTERFACES

4 FASES E INTERFACES Fase: porção homogénea de um sistema na qual as propriedades se mantêm constantes Interface: região tridimensional intermédia entre duas fases em contacto Superfície: Fronteira entre duas fases (conceito geométrico bidimensional e aparente) OU.

5 DEFINIÇÃO DE INTERFACE Se duas fases homogéneas entram em contacto uma com a outra, forma-se uma região de espessura finita cujas propriedades variam Interface, σ Poucas camadas moleculares Ao nível molecular, a espessura da região interfacial é reduzida ( 0) Propriedades da região interfacial importantes: sistemas coloidais (dispersões onde a razão superfície/volume não é desprezável)

6 FENÓMENOS INTERFACIAIS. ocorrem no limite entre duas fases imiscíveis, chamadas superfícies ou interfaces Pré-requisitos para a existência de uma interface estável Energia livre de formação ( G f ) > 0 Se ( G f ) 0 dispersão completa de uma fase noutra = Solução ou emulsão

7 INTERFACES: O QUE INFLUENCIAM? Efeito farmacológico dos medicamentos (forma de atuação do medicamento, a sua estabilidade e funcionalidade é afetada pela forma como as interfaces interagem) Formulações farmacêuticas constituídas por diferentes interfaces Pensamento (sequência de eventos na interface do tecido cerebral - mediadores químicos) Presença de contaminantes em recursos hídricos ( água /ar) - alteração das taxas de oxigénio e ciclo ecológico

8 TIPOS DE INTERFACES

9 CARATERÍSTICAS DA REGIÃO INTERFACIAL Explo: Variação da velocidade e do espaçamento entre as moléculas na região interfacial entre as fases líquida e vapor DENSIDADE DIST. MOLECULAS

10 CARACTERÍSTICAS DA REGIÃO INTERFACIAL Interfaces líquidas: a) interface ideal, b) região interfacial difusa (realística)

11 FENÓMENOS DE SUPERFÍCIE Adsorção Tensão Superficial Detergência

12 INTERFACES Solido/Gás e Sólido/Líquido Liquido/Gás e Líquido/Líquido

13 ADSORÇÃO EM SUPERFÍCIES SÓLIDAS

14 ADSORÇÃO: PARA QUÊ? Produção de vácuo forte (vestígios de ar remanescente adsorvidos por carvão ativo contido num vaso, expurgado de ar através de uma bomba de vácuo) Preparação de máscaras de gás (usam carvão ativo para gases perigosos, CO 2, CH 4, etc) Controlo de humidade com gel de sílica (observem as balanças de laboratório) Pó de carvão vegetal (remoção das impurezas coloridas do açúcar). Catálise heterogénea (catalisadores sólidos, enzimas ) Desionização da água (adsorção/troca iónica)

15 ADSORÇÃO: PARA QUÊ? Separação de gases inertes (adsorção dos gases por carvão ativo de coco, porque possuem graus de adsorção diferentes e permitem separar misturas de gases nobres a diferentes temperaturas) Cura de doenças ( algum fármacos usados para matar microorganismos porque se adsorvem neles) Indicadores de adsorção: superfícies de certos precipitados adsorvem alguns corantes como eosina, fluoresceína, etc) Cromatografia de adsorção (purificação e separação de pigmentos, hormonas, etc)

16 ESTUDO DA ADSORÇÃO: PARA QUÊ? Ciência dos Materiais área específica dos sólidos tipo de porosidade de materiais sólidos finamente divididos

17 ADSORÇÃO & CATÁLISE A catálise desempenha um papel de destaque na indústria moderna, proteção ambiental e na nossa vida quotidiana. Catalysis, as a vital process, is the technology of the 21st century Catálise enzimática está presente em toda a matéria viva (o mais essencial de todos os processos catalíticos é a fotossíntese) Um dos processos catalíticos mais conhecidos é a fermentação de frutos para obter bebidas alcoólicas (enzimas convertem açúcar em álcool) Catálise usa catalisadores Tipos de catalisadores: Homogéneos e Heterogéneos

18 CATALISADORES HOMOGÉNEOS E HETEROGÉNEOS Catalisadores homogéneos: ocorrem na mesma fase (reagentes) Catalisadores heterogéneos : estão numa fase diferente (sólidos) Catálise enzimática Foto-catálise Catalisadores comuns: Metais Óxidos metálicos Enzimas Anticorpos Ribossomas Membranas (biológicas ou cerâmicas) Nanopartículas

19 CATÁLISE ENZIMÁTICA Catálise heterogénea: Difusão dos reagentes na superfície ativa Adsorção de um ou mais reagentes na superfície Reação de superfície Dessorçãodos produtos a partir da superfície Difusão dos produtos a partir da superfície

20 ADSORÇÃO: O QUE É? 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. Conc. subst. superficie - Conc. subst. Int. fase

21 ADSORÇÃO VS ABSORÇÃO ADSORÇÃO VS DESSORÇÃO Adsorção Absorção

22 QUANDO UM MATERIAL É ADSORVIDO Processo finito (termina ao fim de algum tempo) Dá-se 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)

23 ADSORÇÃO: NOMENCLATURA 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 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)

24 COMO AVALIAR A ADSORÇÃO? Adsorvente Gás (P=conhecida) Liquido (C=conhecida) ou nº moles de adsorvato = T n g ou unidade de área (cm )de adsorvente T, P = cm Avalia-se o 2 2 Como? Mede-se o decréscimo de pressão ou de concentração no seio da fase Mede-se a pressão ou volume adsorvido por determinada quantidade de adsorvente

25 COMO QUANTIFICAR A ADSORÇÃO? ISOTÉRMICAS DE ADSORÇÃO Como se traduz a relação entre a quantidade de gás adsorvido, no equilíbrio, e a pressão do gás a uma determinada temperatura? ISOTÉRMICA Descreve a dependência entre a quantidade adsorvida expressa em: volume (V), concentração(c) ou recobrimento (Θ) (número de locais ocupados pela molécula adsorvida) VERSUS pressão (p), quando a temperatura é constante

26 REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DE UMA ISOTÉRMICA Amount of gas adsorved (pode ser expresso em) : V (volume) C ( concentração) θ (número de locais ocupados por molécula)

27 ADSORÇÃO 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

28 CARATERÍSTICAS DA ADSORÇÃO Qualquer processo pode ser representado termodinamicamente (para T e P=constantes) EQUAÇÃO DE GIBBS: G= H-T S G= energia livre de Gibbs; H= calor de entalpia; S-entropia; T= temperatura

29 CARATERÍSTICAS DA ADSORÇÃO A adsorção é um processo espontâneo, porque há um decréscimo da energia livre do sistema Para a ESPONTANEIDADE ( G = H -T S) < 0 T e P const A liberdade de translação do adsorvato é reduzida após adsorção.. S < 0 G = H -T (- S) G = H +T S Para que G <0, então H <0 ESPONTANEA G < 0 e EXOTERMICA H< 0

30 ADSORÇÃO DE GASES POR SÓLIDOS

31 ADSORÇÃO DE GASES EM SUPERFÍCIES SÓLIDAS Qualquer sólido é capaz de adsorver uma determinada quantidade de gás? Depende: - da temperatura - dapressão dogás - daárea desuperfícieefetivadosólido - danatureza dogás

32 TIPOS DE ADSORÇÃO 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)

33 FATORES QUE INFLUENCIAM O TIPO DE ADSORÇÃO Área de superfície Natureza do gás Calores de adsorção Carater reversível Efeito da Temperatura Efeito da Pressão Espessura da camada de gás adsorvida

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35 COMO DISTINGUI-LAS? DISTINÇÃO QUALITATIVA DISTINÇÃO QUANTITATIVA Velocidade de ocorrência Isotérmicas Calor de adsorção Isobáricas Reversibilidade da reação Diagramas de energia potencial

36 ISOTÉRMICAS DE ADSORÇÃO 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. Quantidade de gás adsorvido sobre um sólido é dada por: =,,á,ó Para uma temperatura constante, a expressão será: = T, gás, sólido

37 ISOTÉRMICA DE ADSORÇÃO: REPRESENTAÇÃO GRÁFICA Quantidade de gás adsorvido expresso em: Pressão Massa Volume

38 FORMAÇÃO DE CAMADAS Adsorção Física Multicamada para valores > P/P 0 = 0.1~0.3 Para a 2º camada no caso de adsorção simultânea Adsorção Química Monocamada Primeira camada é quimicamente adsorvida; pode haver camadas superiores fisicamente adsorvidas

39 ISOBÁRICAS DE ADSORÇÃO As linhas contínuas representam as isobáricas de equilibrio para a Fisissorção e Quimissorção; As linhas ponteadas representam a quimissorção irreversível O máximo de recobrimento das moléculas adsorvidas quimicamente é obtido à temperaturat max. Abaixo de T max a quimissorção é irreversível porque a velocidade de dessorção torna-se desprezável.

40 DIAGRAMAS DE ENERGIA POTENCIAL Assume-se que a Energia Potencial é independente de: orientação angular da molécula variações dos ângulos internos e comprimentos das ligações Curvas de energia potencial para a fisissorção(f) e quimissorção (Q) posição da molécula na superfície

41 TIPOS DE ISOTÉRMICAS DE ADSORÇÃO

42 FATORES QUE AFETAM A ADSORÇÃO DE UM GÁS POR UM SÓLIDO

43 FATORES QUE INFLUENCIAM A ADSORÇÃO NATUREZA DO ADSORVENTE Os materiais adsorventes são habitualmente materiais com elevadas estruturas porosas Outras características: Selectiviadde Alta capacidade de adsorção Estabilidade química e térmica Baixa solubilidade no solvente Resistência mecânica Baixo custo

44 A SELETIVIDADE NO PROCESSO DE ADSORÇÃO Composto exibe forte interação com o adsorvente seletivamente removido da mistura Composto não tem capacidade de penetrar nos poros excluido do processo de adsorção Composto exibe capacidade de difusão é seletivamente removido da mistura

45 CARATERÍSTICAS DOS ADSORVENTES Cristalinos/amorfos Hidrofóbicos /Hidrofílicos Area de superfície ( m 2 /g) Tamanho do poro: r<2nm: microporoso 2nm<r<50nm: mesoporoso r>50nm: macroporoso Configuração do poro: o fendas, canais, cavidades, gaiolas, etc a maioria das vezes modelados como canais cilindricos

46 EXEMPLOS DE ADSORVENTES COMUNS E SUAS CARATERÍSTICAS Geles de Sílica Carvão activo Poros granulares de sílica Amorfo Hidrofílico m 2 /g Oxidação parcial do carvão Amorfo Hidrofóbico m 2 /g Removedor de vestigios de compostos orgânicos Filtros de ar Adsorvente de água

47 EXEMPLOS DE ADSORVENTES COMUNS E SUAS CARATERÍSTICAS Zeolitas Materiais cristalinos porosos Hidrofílico m 2 /g Espaços porosos altamente estruturados Remoção de N 2 do ar

48 MAIS RECENTEMENTE Produtos naturais Bagaço da cana do açucar Cortiça Folhas de plantas Etc Polímeros nanoestruturados Metal organic frameworks (MOF s) Molecular Imprinting polymers Ect, etc,

49 FATORES QUE INFLUENCIAM A ADSORÇÃO NATUREZA DO ADSORVATO (GÁS) Uma vez que a Fisissorção não é específica, qualquer gás será adsorvido na superfície de um sólido, em maior ou menor extensão, em determinadas condições de temperatura e pressão Temperatura crítica (Tc) H2 N2 CO CH4 CO2 HCl NH3 SO2 Gases que se liquefazem facilmente (NH 3, HCl, Cl 2, SO 2 CO 2 etc) são mais facilmente adsorvidos do que aqueles que os chamados gases permanentes ( O 2,N 2, H 2 etc), porque as moléculas dos primeiros têm forças moleculares de atração maiores Na quimissorção só há adsorção se houver ligação química entre adsorvato e adsorvente

50 FATORES QUE INFLUENCIAM A ADSORÇÃO ÁREA DE SUPERFÍCIE EFETIVA DO SÓLIDO A extensão de adsorção depende da área de superfície Aumentando a área de superfície do adsorvente, aumenta a quantidade total de gás adsorvido Metais finamente divididos (níquel, platina) Substâncias porosas (charcoal, sílica gel)

51 FATORES QUE INFLUENCIAM A ADSORÇÃO TEMPERATURA A adsorção é um processo exotérmico e por isso Fisissorção: temperatura e quantidade de substância adsorvida Quimissorção: a quantidade de substância adsorvida, primeiro com a temperatura, e depois de determinada extensão com o aumento de temperatura

52 FATORES QUE INFLUENCIAM A ADSORÇÃO TEMPERATURA Considere um sistema fechado contendo um número pequeno de moléculas de gás em contacto com uma fase sólida T1< T2

53 VARIAÇÃO DA QUANTIDADE ADSORVIDA EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA Methane adsorption isotherms measured on a shale at pressures up to 100 bar and a range of temperatures using the XEMIS gravimetric sorption instrument

54 FATORES QUE INFLUENCIAM A ADSORÇÃO PRESSÃO P1 < P2

55 VARIAÇÃO DA QUANTIDADE ADSORVIDA EM FUNÇÃO DA PRESSÃO P1 P2<P1 n i y i Quantidade adsorvida (n i ) é tanto maior quanto mais alta for a pressão

56 CALOR (ENTALPIA) DE ADSORÇÃO Como caracterizar o fenómeno da adsorção? Entalpia de adsorção (a magnitude do seu valor reflete a força de ligação do adsorvato ao adsorvente) Entalpia de Adsorção ou Calor de Adsorção diminuição da energia calorífica do sistema, exprimindo-se pela quantidade de calor emitida quando 1 mol de adsorvato é fixado por uma quantidade de adsorvente

57 ENTALPIA DE ADSORÇÃO Porquê que a entalpia molar de adsorção varia com a quantidade de substância adsorvida? Locais activos e locais menos activos Interacções electrónicas Repulsão mútua das moléculas adsorvidas ln K T θ = H RT θ ads 2 Equação de van t Hoff θ H ads Entalpia da Adsorção

58 ENTALPIA DE ADSORÇÃO Critério mais importante para diferenciar a quimissorção da fississorção. Adsorção física: 10 KJ/mol (pequenas moléculas tais como CO, N 2, CH 4 ) Adsorção química: 80~20KJ/mol (max 600KJ/mol) Adsorção física sempre exotérmica Adsorção química é usualmente exotérmica (é possível teóricamente ser endotérmica) Excepção: Adsorção endotérmica adsorção de H 2 em ferro, contaminado com S 2

59 ISOTÉRMICA DE ADSORÇÃO DE LANGMUIR ADSORÇÃO QUÍMICA DE UM GÁS POR UM SÓLIDO

60 ISOTÉRMICA DE LANGMUIR: CONDIÇÕES DE VALIDADE Assuma que... A superfície do sólido é exposta a um gás A superfície do sólido é uniforme A adsorção localiza-se em locais específicos e não há interacção entre as moléculas adsorvidas (adsorção localizada. Irving Langmuir ( ) A adsorção é máxima quando há formação de uma única camada (recobrimento monomolecular) A energia de adsorção é constante e independente da extensão da superfície coberta DeriveassimaIsotérmicadeLangmuir...

61 ISOTÉRMICA DE LANGMUIR Segundo o princípio de LeChatelier, aplicado ao equilíbrio entre um gás e um adsorvente: para T= CONST., um aumento da pressão provoca um aumento no número de moléculas adsorvidas à superfície, desde que o volume ocupado por essas moléculas à superfície (por mol) seja pequeno. A adsorção ocorre até se atingir um valor limite. O número de moléculas adsorvidas, qualquer que seja o valor de pressão, será dependente da força de ligação entre o adsorvatoe a superfície de adsorvente

62 O MODELO DE LANGMUIR (1916) Isotérmica de Langmuir- relação matemática, derivada teóricamente, que descreve a partição entre a fase gasosa e as espécies adsorvidas, em função da pressão aplicada. Equilíbrio de adsorção entre as moléculas A da fase gasosa, superfície livre S, e superfície ocupada AS. S +A SA

63 O MODELO DE LANGMUIR (1916) p Θ Considere o equilíbrio A gas A adsorvido K ads Assumindo que a superfície adsorvente é composta por um número finito de locais de adsorção. O recobrimento máximo é atingido quando todos esses locais são ocupados. O recobrimento (θ) é expresso pelo número de moléculas adsorvidas, relativamente ao número disponível de locais para adsorção (traduz a extensão de adsorção). Quando todos os locais estão ocupados,então θ =1

64 EXTENSÃO DE ADSORÇÃO (θ) : COMO TRADUZIR? θ = n n 0 n - quantidade de substância adsorvida n 0 quantidade correspondente a uma monocamada na superfície θ = nº de locais de adsorção ocupados nº total de locais disponíveis moles unidade de superfície

65 RECOBRIMENTO E VELOCIDADE DE ADSORÇÃO A fração da superfície coberta é muitas vezes expressa... Θ = V V ou Θ = V V m Considere o equilíbrio V ouv m é o volume de adsorvato correspondente à formação de uma monocamada A gas A adsorvido

66 RECOBRIMENTO E VELOCIDADE DE ADSORÇÃO... pode ser determinado registando a fração da superfície coberta em função do tempo. OU SEJA: A VELOCIDADE DE ADSORÇÃO dθ dt Considere: t = tempo Θ = fração de locais ocupados por adsorção

67 ISOTÉRMICA DE LANGMUIR: DEDUÇÃO COM BASE EM CONSIDERAÇÕES CINÉTICAS A velocidade de adsorção é proporcional a: número(n) de colisões de moléculas de gás à superfície, por segundo (a qual é proporcional à pressão (p) área da superfície disponível para adsorção (1-Θ) então a velocidade de adsorção exprime-se por: Velocidade de adsorção ( ) = K p 1 Θ ads

68 ISOTÉRMICA DE LANGMUIR: DEDUÇÃO COM BASE EM CONSIDERAÇÕES CINÉTICAS o A velocidade de dessorção é proporcional a: fração da superfície coberta pelo adsorvato Θ....então a velocidade de dessorção exprime-se por Velocidadede dessorção= K des Θ

69 ISOTÉRMICA DE LANGMUIR: DEDUÇÃO COM BASE EM CONSIDERAÇÕES CINÉTICAS No equilíbrio: a velocidade de adsorção das moléculas à superfície é exactamente contrabalançada pela velocidade de dessorção das moléculas que regressam à fase gasosa.. K p 1 ads ( Θ) = K Θ des Θ = K des KadsP + K ads P Dividindo a expressão por K des...

70 ISOTÉRMICA DE LANGMUIR: DEDUÇÃO COM BASE EM CONSIDERAÇÕES CINÉTICAS Θ = 1+ K ads K ads K des K P P des = bp 1+ bp = KP 1+ KP Θ = 1 b ou K = 100 b ou K = 50 Θ b ou K = 10 Considere: Θ = bp bp = b ou K Kp Kp ( 1 + ) ( 1+ ) = K K ads des H d = exp RT... Isotérmica de Langmuir p

71 ISOTÉRMICA DE LANGMUIR: DEDUÇÃO COM BASE EM CONSIDERAÇÕES TERMODINÂMICAS A constante de equilíbrio da reação pode ser expressa Note que: K = [ SA] [ S][ A] [SA] é proporcional à superfície coberta com moléculas adsorvidas (proporcional a Θ) [S] é proporcional ao número de locais livres (1- Θ) [A] é proporcional à pressão do gás (P)

72 ISOTÉRMICA DE LANGMUIR: DEDUÇÃO COM BASE EM CONSIDERAÇÕES TERMODINÂMICAS Por isso é possível definir a constante de equilíbrio, b b Θ = ( 1 Θ)P Re-arranjando, obtém-se a expressão para a fracção da superfície coberta bp Θ = 1 + bp

73 ISOTÉRMICA DE LANGMUIR: CONSTANTE DE EQUILÍBRIO Como b ou k = K ads / K des Pode ser considerada uma constante de equilíbrio K Mas, sabe-se que ln K = H / RT Então:... b ou K = E exp des a E ads a RT = H exp ads RT Reflete a força da ligação do adsorvato ao adsorvente

74 ISOTÉRMICA DE LANGMUIR: FATORES QUE ALTERAM O EQUILÍBRIO DE ADSORÇÃO O valor da constante de equilíbrio, b ou K, depende: Da temperatura do sistema (tanto do gás como da superfície, embora ambos estejam normalmente à mesma temperatura) Da variação da entalpia(porque está relacionada com a energia livre de Gibbs) Da estabilidade relativa das espécies envolvidas na adsorção Da pressão do gás à superfície Nota: b (K) só é uma constante (independente de Θ) se a entalpia de adsorção for independente da fracção de superfície coberta.

75 VARIAÇÃO DO RECOBRIMENTO COM A TEMPERATURA E PRESSÃO Segundo o modelo matemático de Langmuir: Θ = bp 1+ bp ou = kp 1+ kp Que pode ser traduzido graficamente por: Θ bp para baixas pressões Θ 1 para altas pressões Para uma dada pressão, a extensão de adsorção é determinada porb que, por sua vez depende de T e da entalpia de adsorção

76 VARIAÇÃO DO RECOBRIMENTO COM A TEMPERATURA E PRESSÃO O valor de b aumenta com: A redução da temperatura do sistema Um aumento da força de adsorção b depende da Temperatura e da Entalpia de adsorção b quando T b quando H Curvas ilustrativas do efeito i) do aumento da entalpia de adsorção para temperaturas fixas ii) do decréscimo de temperatura para um dado sistema

77 VARIAÇÃO DO RECOBRIMENTO COM A TEMPERATURA E PRESSÃO Uma dada cobertura da superfície de equilíbrio pode ser atingida por várias combinações de pressão e temperatura Notar que, como a temperatura é reduzida a pressão necessária para atingir uma cobertura de superfície de equilíbrio especial diminui.

78 DETERMINAÇÃO DAS ENTALPIAS DE ADSORÇÃO lnp δ ln δt p θ δ ln K = δt θ = H RT ads ou -lnk Declive= H ads /R 1/T

79 DETERMINAÇÃO DAS ENTALPIAS DE ADSORÇÃO 1. Determinar um conjunto de isotérmicas (cada uma corresponde a uma quantidade adsorvida 2. Registe, para as diferentes temperaturas o par de valores de recobrimento vs pressão 3. Aplique a equação de Clausius- Clapeyron

80 ISOTÉRMICA DE LANGMUIR: VERIFICAÇÃO EXPERIMENTAL DO MODELO 1.Registe Θ em função de P 2. Recorde que 3. E que V Θ = bp Θ = 1 + bp V V m 4. Então 5. Calcule o recíproco 6. Faça agora o gráfico = VmbP = bp V VmbP V m 1 1 1

81 ISOTÉRMICA DE LANGMUIR: VERIFICAÇÃO EXPERIMENTAL DO MODELO 1/V 1 V = 1 + V bp 1 m V m P/V 1 declive = 1 V b m V declive = 1 V m V m V 1/P Ou P Note: V m V

82 ADSORÇÃO FÍSICA ISOTÉRMICAS DE ADSORÇÃO DE BET (BRUNAUER, EMMETT E TELLER)

83 OS 5 TIPOS DE ISOTÉRMICAS DE BET Tipo I- ocorre a quimissorção (atinge-se a saturação a baixas pressões relativas, formando uma monocamada completa). Também são caraterísticas de sólidos microporosos. Tipos II e III- ocorre adsorção física(a quantidade adsorvida tende para infinito quando P/P O 1, correspondendo à adsorção física em camadas múltiplas sobrepostas e que ocorrem em sólidos não porosos ou macroporosos;

84 OS 5 TIPOS DE ISOTÉRMICAS DE BET Tipos IV e V correspondem, respetivamente, às isotérmicas II e III quando o sólido apresenta macro ou mesoporos e a quantidade adsorvida tende para um valor finito o qual corresponde ao enchimento dos poros; Tipo VI (em degraus) ocorre em superfícies uniformes não porosas e representa uma adsorção camada a camada, sendo a altura do degrau correspondente à capacidade da monocamada em cada camada adsorvida.

85 INTERPRETAÇÃO DAS DIFERENTES ISOTÉRMICAS Tipo I Quando só há um tipo de local ativo para adsorção Inicialmente a superfície preenche-se aleatoriamente Eventualmente satura quando a superfície é totalmente recoberta (ou os poros do material poroso estão cheios)

86 INTERPRETAÇÃO DAS DIFERENTES ISOTÉRMICAS Tipo III Surge quando existem fortes interações atrativas que conduzem à condensação Inicialmente, nenhuma adsorção Pressão aumenta levando à nucleação e ao crescimento das ilhas Eventualmente líquidos condensam na superfície

87 INTERPRETAÇÃO DAS DIFERENTES ISOTÉRMICAS Tipo II Surge quando há mais do que um tipo de local e adsorção Inicialmente, adsorção rápida Satura quando o 1º tipo de local ativo está preenchido Sobe outra vez, 2º tipo de local ativo a preencher O 2º local pode corresponder a uma 2ª camada. Em materiais porosos pode haver um 2º tipo de poro

88 INTERPRETAÇÃO DAS DIFERENTES ISOTÉRMICAS Tipo V Outro caso de interação forte Inicialmente não há adsorção A seguir há nucleação e crescimento de ilhas ou gotas de líquido Cobertura satura quando não há mais espaço para armazenar mais moléculas

89 INTERPRETAÇÃO DAS DIFERENTES ISOTÉRMICAS Tipo IV Ocorre quando há várias transições de fase devido a uma mistura de interações atrativas e repulsivas Também pode surgir na adsorção de multicamadas onde a adsorção da segunda camada começa antes de saturar a primeira camada

90 REVERSIBILIDADE NA ADSORÇÃO: ADSORÇÃO & DESSORÇÃO

91 HISTERESE Ocorre porque: O gás condensa em capilares e pequenos canais antes de se atingir a pressão de saturação. O ponto de ebulição nos capilares é diferente do ponto de ebulição no interior da fase Devido às interacções entre as moléculas de adsorvato Curva de adsorção curva de dessorção Não há reversibilidade

92 CONDENSAÇÃO NOS POROS E HISTERESE Caraterização da textura do adsorvente Os loops de histerese relacionam-se com a textura do adsorvente H1-Típico de materiais porosos que têm uma distribuição uniforme (poros cilíndricos) Hysteresis types H1 and H2 according to the IUPAC classification. The dashed lines inside the hysteresis loops are so-called desorption scanning curves. H2-Típico de materiais com redes porosas mais complexas (poros deficientes ou poros com diversas distribuições de tamanho)

93 ISOTÉRMICA DE BET V a P = 1 C V 1 P P ( P0 P ) VmC mc 0 + Outra forma de representar Em que x = P P 0 V a x = C V 1 ( 1 x) C V C m x + 1 m C = constante adimensional relacionada com o calor de adsorção da monocamada P= pressão parcial do gás adsorvido em equilíbrio com a superfície, a uma temperature fixa Po = pressão de saturação do gás adsorvido X = pressão do gás V ads = volume de gás adsorvido V m = volume de saturação da monocamada

94 O QUE SIGNIFICA C? E uma constante que se relaciona com a Entalpia de Adsorção C = exp H ads H RT cond OU C = exp H des H RT vap H ads = entalpia de adsorção para a 1º camada; H cond = entalpia de condensação para as restantes camadas; H des =entalpia de dessorção para a 1ª camada; H vap =entalpia de vaporização para as restantes camadas; R= constante dos gases perfeitos; T= temperatura absoluta

95 V a P 0 ( P P) Física Aplicada 2016/17 MICF FFUP COMO VERIFICAR A VALIDADE DA EQUAÇÃO DE B.E.T.? declive = c V c m 1 Em que x = P P 0 V x ( 1 x) declive = c V c m 1 1 V m c OU 1 V m c P 0 P V m = declive + 1 intercepção x c = cv cv V m m m

96 COMO VERIFICAR A VALIDADE DA EQUAÇÃO DE B.E.T.? Isotérmicas experimentais Linearização do traçado gráfico V a P = 1 + C V 1 P P ( P0 P) VmC mc 0

97 ISOTÉRMICA DE B.E.T.: CONCRETIZAÇÃO PRATICA Volume Adsorbed cc/g Passemos a um exemplo prático Type Two Isotherm - Non Porous Solid P/Po Volume p/po Adsorbed cc/g

98 ISOTÉRMICA DE B.E.T.: CONCRETIZAÇÃO PRATICA Recorde... P Po P V (1 ) Po P ( C 1) 1 = + Po V C V C P Represente Po P V (1 ) Po m m versus P Po p/po P/Po / V(1-P/Po)

99 ISOTÉRMICA DE B.E.T.: CONCRETIZAÇÃO PRATICA A ordenada na origem é BET Plot O declive é V m 1C ( C 1) V C m P /P o / V (1-P /P o ) y = x P/Po

100 PARA QUE SERVE A DETERMINAÇÃO DE V M OU N M? Para calcular a área superficial de um sólido ou área específica do sólido A = área de superfície do adsorvente massa do adsorvente[ g] 2 [ ] m Como avaliar? Método volumétrico (registo do volume de gás adsorvido) Método gravimétrico (registo do peso de gás adsorvido)

101 MÉTODO VOLUMÉTRICO Adsorvato: gás azoto Schematic representation of the BET instrument (dynamic flow method). The degasser is not shown

102 COMO DETERMINAR A ÁREA ESPECÍFICA? Recorde. P = Pressão parcial de vapor do gás em equilíbrio, à temperature de 77.4 K (p.e.do azoto líquido), em Pa V a P = 1 + C V 1 ( P0 P) VmC mc 0 Determinar V m P P P o = Pressão de saturação do adsorvato gasoso, em Pa V a = Volume de gás adsorvido à temperature e pressão normais (PTN) [ K e pressão atmosférica (1,013 x 10 5 Pa)], em ml V m = Volume de gás adsorvido a PTN para produzir uma monocamada na superfície da amostra, em ml C = constante adimensional relacionada com a entalpia de adsorção do adsorvato na superfície sólida

103 COM O V M O QUE FAZER? 1- Calcule n m, ou seja: nº moles adsorvidas na monocamada, por grama de adsorvente 3-Multiplicar pela área ocupada por uma molécula de adsorvido (a m ) (área específica da molécula de adsorvato em m 2 n V = V m m = molar n M moles A = n m a m L V molar = Volume molar do gás V molar =22400 (volume ocupado por 1 mole de adsorvato gasoso a PTN, em ml. 2- Calcule o nº de moléculas (multiplicar pela constante Avogadro) (L) ( mol 1 ) 2 A = m / g a m = área de superfície de uma molécula n m = capacidade da monocamada em moles/g

104 ÁREA DE SUPERFÍCIE E CAPACIDADE MONOMOLECULAR specific surface area (m 2 /g) Avogadro s number (molecules/mol) S = n m A m N monolayer capacity (mol/g) area occupied by one molecule (m 2 /molecule) BET model: S BET