Fisisorción de N2

 

FISISORCIÓN DE  NIBQ.2 ITAN RUIZ

 

QUÉ ES? •

Es un método indirecto por el cual se pueden obtener aspectos cuantavos que nos ayudan a descubrir propiedades de la estructura porosa, es decir, la textura de los materiales que implica, la superfcie especifca As, porosidad, volumen, orma y tamaño de poros

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Es muy complicado clasifcar a los sólidos porosos debido a las dierentes y complicadas geometrías que éstos pueden presentar.

 

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La IUPAC, ha recomendado la siguiente clasifcación de poros, de acuerdo a su diámetro: •

(1 nanómetro (nm) = 10 Ángstroms = 1x10-9 m

Tipo

Diámetro (nm)

Microporoso

Menor a 2

Mesoporoso

Entre 2 y 50

Macroporoso

50 o más

 

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La porosidad los solidos porosos esta asociada a unadeárea superfcial. Cuando en una interase solido-liquido o solido-gas se observa un aumento de la concentración de una sustancia presente en el liquido o el gas, se habla de adsorción, enómeno por el cual se basa la medición de la porosidad. Esto se debe a la interacción de las moléculas la superfcie deldel solidoadsorbato a través decon uerzas po van der Waals

 

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Los átomos que se encuentran en ella no enen las uerzas de cohesión compensadas, como ocurre en los átomos situados en el seno del y como se demuestra en la misma fgura, que es, en defniva responsable de las propiedades de adsorción de los sólidos.

sólido tal

 

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El procedimiento detallado a seguir para determinar las propiedades superfciales de un sólido, comienza con su acvación (desgasifcación), es decir, liberar el sólido de cualquier agente extraño como el vapor de agua o moléculas de hidrocarburos, etc., que ya vienen adsorbidas en su superfcie tanto interna como externa.

 

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Esto se hace con la fnalidad de liberar la superfcie del sólido de esos contaminantes y recuperar su energía superfcial. Este es un paso críco a seguir segu ir,, aunque suene sencillo, la desgasifcación es un proceso determinante ya que si se aplica una temperatura de calentamiento inadecuada por ejemplo, provocaría la destrucción interna del sólido y el colapso de sus poros (este enómeno es llamado sinterización textural).

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 Si eso llegara a pasar, el sólido en estudio suriría una dierencia marcada en su estructura y textura con respecto al sólido inicial.

 

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Existen dos pos de adsorción: I) fsisorción y II)Quimisorción. La dierencia undamental entre ambas es que en el caso de la fsisorción fsisorción la especie adsorbida(fsisorbida)conserva su naturaleza química mientras que durante la quimisorción la especie adsorbida (quimisorbida) sure una transormación más o menos intensa para dar lugar a una especie disnta. Como consecuencia dierencias tales como:

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existen

otras

I)que en la fsisorción, el gas se adsorbe ormando capa sucesivas (adsorción en mulcapas)mientras que en el caso de la quimisorción, y debido al enlace químico que existe entre la superfcie del la adsorción queda restringida a una monocapa

sólido

y

el

gas

adsorbido,

 

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II)El hecho de que en la quimisorción ocurra una transormación química origina que la

energía de adsorción sea importante, pudiendo alcanzar valores similares a las energías de reacción. Por el contrario la fsisorción es más débil y siempre exotérmica. Debido a esto la temperatura de desorción de las especies fsisorbida fsisorbidass es generalmente menor que la de las especies quimisorbidas. •

 III) la fsisorción es un enómeno más general y menos específco,

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IV) La transormación

química de la especie adsorbida (quimisorción) requiere requie re una cierta energía de acvación, que no es necesaria en la fsisorción, por lo q ue esta úlma suele ocurrir a temperaturas menores. En algunos casos no es sencillo disnguir entre ambos pos de adsorción adsorción,, ocurriendo ocurriendo,, en algunas ocasiones, situaciones intermedias a las que hemos descrito.

 

Adsorción Física

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Este método se lleva a cabo adsorbiendo una molécula como el N 2  sobre el sólido recién acvado (desgasifcado) con el fn de lograr la saturación de la superfcie y el llenado de todos los poros, de manera tal que se llegue a la construcción de la isoterma de adsorción (volumen adsorbido acumulavo en unción de la presión relava reciente). El estudio detallado de la isoterma es una tarea undamental para comprender las propiedades texturales del material en análisis. No todos los sólidos enen la misma textura y comportamiento y es por ello que reejan dierentes ormas de isotermas de adsorción

 

FIGURA: A) ISOTERMA EN LA QUE SE MUESTRAN LA ZONA DE LLENADO DE LA MONOCAPA,  LAFORMULA MULTICAPA Y EL PUNTO B. EL VOLUMEN DE PORO. B) PARA CALCULAR

 

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La isoterma po I se caracteriza por que la adsorción se produce a presiones bajas y es la que muestran los solidos microporosos. Esta isoterma es conocida como la isoterma de Langmuir. Tal es el caso de los tamices moleculares, los carbones acvados y otros solidos microporosos.



La monocapa (Vm) determinada a parr de la ecuación de langmuir, permite la determinación del numero exacto de las moléculas adsorbidas que han sido necesarias para cubrir la primera capa del sólido. Si se conoce la sección efcaz de la molécula del adsorbato, se determina con acilidad el valor del área superfcial.

 

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La isoterma po II es caracterísca de sólidos macroporosos o no porosos, tales como negros de carbón. Esta isoterma indica una adsorción determinada a presiones relavas intermedias, reejando la saturación de la monocapa. Una vez alcanzado el punto de inexión, la condensación en mulcapas ocurre a presiones relavas muy altas, cercanas a la unidad.

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 Este po de isoterma no reeja histéresis, debido a la ausencia de poros.  La III ocurre cuando la interacción i nteracción adsorbatoadsorbente es baja. Por ejemplo la adsorción de agua en negros de carbón.

 

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La isoterma po IV es caracterísca de solidos mesoporosos.

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Se caracteriza por la presencia de ciclos de

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histéresis. A presiones medias comienza la condensación capilar en los mesoporos.

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Se usa para determinar la distribución de tamaños de los poros

 

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La isoterma po V se obene cuando las interacciones entre el adsorbato y el adsorbente son débiles. La presencia del lazo de histéresis esta asociado con el mecanismo de llenado y vaciado de los poros.

 

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El isoterma po VI es caracterísco de la adsorción en mulcapas de gases nobles sobre superfcies uniormes. Cada una de las primeras capas adsorbe dentro de un cierto rango de presiones hasta un total de 2 a 3 capas.

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Es poco recuente

 

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El área superfcial se determina a parr de la ecuación de Braunauer, Emmet y Teller (BET). La cual se aplica a los solidos solid os que reejan isotermas del po II o del po IV IV..

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Donde:

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Va: candad de gas adsorbido en el equilibrio a presión relava P/Po.

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Vm: candad de gas requerido para cubrir una monocapa del adsorbente. adsorb ente.

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 Po: Presion de saturación del vapor.

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  es el calor de adsorción y

C= •

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Se grafca el primer termino de la Ec BET en unción del inverso de la presión relava, obteniendo una línea recta. El valor del área S se determina con la ecuación: S = Nm*δ*A

S U P E RF

Á R E A IC IA L

 

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Como este tipo de isotermas refleja una condensación capilar, es decir, que todos los  poros se llenan con elel volumen liquido equivalente a lassino del también adsorbato,suentonces se puede determinar no solo de esos poros, tamaño según la ecuación de Kelvin modificada:

TA M

DE T

A Ñ OD E es la tensión superficial del liquido

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Y

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V es el volumen molar del liquido

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 es el ángulo que forma el menisco del liquido con la pared del poro. Es considerado 0 por que el N2 liquido es un liquido mojante.

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R y T son constantes

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 Rm es el radio del poro equivalente.

P O RO S

E R M IN A

C IÓ N D E

L

 

La dierencia de caminos entre los dos enómenos de adsorción/desorción resulta en una histéresis entre las dos dos curvas, por lo tanto el radio de poro medio durante la adsorción correspondería al diámetro de la cavidad, mientras que el entrada de poro.

medido durante la desorción al diámetro de

La orma de la histéresis que existe entre la isoterma de adsorción y desorción esta relacionada a la orma de los poros del catalizador catalizador..