ADSORCIÓN

La adsorción es el fenómeno de concentración (depósito) de una sustancia (adsorbato o soluto) sobre la superficie de un sólido o un líquido (adsorbente).

La adsorción se debe a la presencia de fuerzas intermoleculares sin balancear, de las moléculas que se encuentran en la superficie de un sólido o un líquido (interfase), por lo cual atraen a las moléculas de otras sustancias con las que se ponen en contacto, equilibrando de esta manera las fuerzas atractivas y disminuyendo la energía superficial. La interfase puede ser:

Sólido – gas.
Sólido – líquido.
Líquido – gas.
Líquido – líquido.

La adsorción puede ser física (fisisorción) o química (quimisorción):

ADSORCION FISICA

ADSORCION QUIMICA

1. Interacciones débiles adsorbato – adsorbente, del tipo Van der Waals, dipolo-dipolo, puentes de hidrógeno.

1. Enlaces fuertes, del tipo covalente (se forma un nuevo compuesto).

2. Adsorción reversible.

2. Generalmente irreversible.

3. Formación de mono o multicapas.

3. Formación de monocapas.

4. Calor de adsorción (entalpía) relativamente bajo, ∆H = 1 – 10 kcal/mol.

4. Calor de adsorción elevado, ∆H = 50 – 100 kcal/mol.

Ejemplos: adsorción de agua sobre el desecante silica gel, vapores de disolventes sobre Cactivado,  depósito de vapor de agua sobre vidrios, espejos, etc.

Ejemplos: formación de óxido de Fe, por la reacción del oxígeno con la superficie de objetos de Fe, algunas reacciones específicas de catálisis, reacciones covalentes para inmovilizar enzimas, etc.

La cantidad de soluto adsorbido es función de la naturaleza y área específica superficial del adsorbente y del soluto, así como de la presión (P) ó concentración (C) de este último y de la temperatura del sistema.

A temperatura constante, se obtienen las isotermas de adsorción, que cuantifican la adsorción en función de la concentración del soluto en el equilibrio y se representan gráficamente.

La cantidad de soluto adsorbida, se denota por la letra a.

Las isotermas experimentales que más comúnmente se obtienen, son:

Tipo I

Isoterma monomolecular

Isoterma de Langmuir.

Tipo II
Isoterma polimolecular.

Isoterma de  B.E.T.

Tipo III

Isoterma que se presenta cuando existe baja interacción adsorbato – adsorbente

Existen diferentes modelos matemáticos para describir las isotermas que se obtienen experimentalmente. Cada modelo contempla una serie de consideraciones, como se menciona a continuación:

Isoterma de adsorción de Henry

  • Temperatura constante.
  • Superficie lisa y homogénea.
  • Superficie “infinita (adsorción sin restricciones).
  • No existen interacciones entre las moléculas adsorbidas.
La isoterma de Henry, establece que la adsorción es directamente proporcional a la concentración del soluto. Este modelo, linealiza la primera parte de una isoterma experimental del Tipo I ó del Tipo II, y por lo tanto, sólo se aplica a muy bajas concentraciones.

Isoterma de adsorción de Langmuir

  • Temperatura constante.
  • Adsorción localizada, sólo en sitios definidos (activos) de la superficie.
  • La superficie es homogénea y se forma una monocapa, asumiendo que cada sitio de adsorción puede adherir sólo una molécula de adsorbato.
  • La energía de adsorción es la misma para todos los sitios de adsorción.
  • No existe interacción entre las molécula adsorbidas.

 

La isoterma de Langmuir linealiza la isoterma del Tipo I.

La adsorción máxima (am) indica la máxima capacidad de adsorción (saturación monomolecular) del adsorbente.

Ecuación de Langmuir linealizada

Donde:
a = cantidad de soluto adsorbida.
P ó C = presión ó concentración del adsorbato.
K = constante de Langmuir.
am = adsorción máxima.

Isoterma empírica de adsorción de Freundlich

  • Temperatura constante.
  • Superficie rugosa (microporosa).
  • Distribución exponencial de la energía de los sitios de adsorción.
  • No supone la formación de una monocapa.


Donde:
a = cantidad de soluto adsorbida.
1/n = constante que representa la velocidad de saturación del adsorbato.

m = constante empírica que indica la capacidad de adsorción y la afinidad del adsorbato por el adsorbente.

Ecuación de Freundlich linealizada

Aunque la isoterma de Freundlich linealiza la isoterma del Tipo I, no predice la adsorción máxima y presenta desviaciones a valores elevados de adsorción.

Isoterma de adsorción de Brunauer, Emmet y Teller (BET)

La ecuación de Brunauer-Emmett-Teller se emplea rutinariamente para la determinación del área específica superficial total de un adsorbente.

Este modelo de adsorción linealiza la isoterma del Tipo II.

En la teoría de BET se amplía la teoría del modelo de monocapa de Langmuir mediante la introducción de ciertas suposiciones, que incluyen adsorción en multicapa y la condensación capilar.

  • La adsorción en la primera capa tiene lugar sobre sitios en la superficie de energía homogénea.
  • Las moléculas adsorbidas en la primera capa actúan como sitios de adsorción de la segunda capa y así sucesivamente, lo que en el caso mas simple se aproxima a un espesor infinito conforme la presión de vapor Pv, se aproxima a la presión de vapor de saturación del líquido, Pº (presión de vapor de líquido puro).
  • Las características de condensación y evaporación son idénticas en todas las capas excepto en la primera. El calor de adsorción en la segunda y demás capas son iguales al calor de condensación del gas (DHv).

 

a = cantidad de soluto adsorbida.
am = adsorción máxima, cuando se forma la monocapa.
C = es una constante que relaciona el calor de adsorción de la primera capa y el calor de adsorción de las multicapas capas (DHv).

HISTERESIS

El fenómeno de histéresis se manifiesta cuando la isoterma de adsorción no coincide con la isoterma de desorción.

Esto se debe a la presencia de microporos en la superficie, que provoca condensación capilar del adsorbato y entonces, la desorción se lleva a cabo bajo la presión del líquido puro, Pº.