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Danza molecolare: come avviene silenziosamente l'adsorbimento in natura?
L'adsorbimento è il processo mediante il quale atomi, ioni o molecole di una sostanza in un gas, liquido o solido disciolto aderiscono a una superficie. Questo processo forma sulla superficie dell'adsorbente una pellicola sottile chiamata adsorbato. L'adsorbimento è diverso dall'assorbimento, in cui un liquido (assorbente) viene disciolto o penetrato in un liquido o solido (assorbente). L'adsorbimento è un fenomeno superficiale e si distingue nettamente dall'assorbimento.
Il funzionamento di molti sistemi naturali e artificiali dipende dai sottili effetti dei fenomeni di adsorbimento, tra cui l'adsorbimento di inquinanti dall'aria e la purificazione dell'acqua.
Il processo di adsorbimento può essere suddiviso in adsorbimento fisico (fisisorbimento) e adsorbimento chimico (chemisorbimento). L'adsorbimento fisico è causato principalmente da deboli forze di van der Waals, mentre l'adsorbimento chimico implica un forte legame covalente. Questo processo può verificarsi anche a causa dell'attrazione elettrostatica. La natura dell'adsorbimento può influenzare la struttura dell'adsorbato; ad esempio, l'adsorbimento fisico di un polimero da una soluzione può dare luogo a una struttura schiacciata sulla superficie. Questo processo non esiste solo in natura, ma è ampiamente utilizzato anche in ambito industriale, ad esempio nei catalizzatori ibridi, nel carbone attivo, nei refrigeratori ad adsorbimento e nella depurazione dell'acqua.
Nell'industria farmaceutica, l'adsorbimento viene utilizzato anche per prolungare l'esposizione del sistema nervoso a farmaci specifici, ma si tratta di un'applicazione meno nota.
Isoterma di adsorbimento
L'adsorbimento di gas e soluti è solitamente descritto da isoterme, ovvero dalla relazione tra la quantità di adsorbito sull'adsorbente e la sua pressione (per i gas) o concentrazione (per i soluti liquidi) a temperatura costante. Finora sono stati sviluppati quindici diversi modelli di isoterma, uno dei primi dei quali fu proposto da Freundlich nel 1906.
Modello Freundlich
L'isoterma di Freundlich si basa su una formula empirica che tiene conto della massa dell'adsorbente, della massa dell'adsorbato e della sua pressione, e descrive in modo sintetico le variazioni nel processo di adsorbimento. Sebbene questa formula non possa descrivere in modo del tutto accurato l'isoterma in determinate condizioni, segna un importante passo avanti nella ricerca sull'adsorbimento.
Modello Langmore
Nel 1918, Langmuir aveva sviluppato un modello isotermo semi-empirico basato sulla termodinamica statistica, che aveva un'ampia gamma di applicazioni. L'ipotesi fondamentale di questo modello è che tutti i siti di adsorbimento siano equivalenti e che un sito possa ospitare una sola molecola. Sebbene queste ipotesi non siano necessariamente vere nella realtà, il modello di Langmuir rimane la scelta preferita per la maggior parte dei modelli di adsorbimento.
Il meccanismo di adsorbimento di Langmuir dimostra che le molecole di gas possono formare un equilibrio con i siti di adsorbimento e adsorbire e desorbire a specifiche costanti di velocità.
Modello BET
Nel corso del tempo, gli scienziati hanno scoperto che spesso le molecole adsorbite non sono disposte in un unico strato, ma possono formare più strati. Nel 1938, Bruner, Emmett e Taylor introdussero la teoria BET per spiegare questo fenomeno. Questa teoria modifica il meccanismo di Langmuir, può analizzare il processo di adsorbimento multistrato e fornire un modello matematico più accurato.
Proprietà termodinamiche dell'adsorbimento
La costante di adsorbimento è una costante di equilibrio e pertanto segue l'equazione di van't Hoff. Questa equazione mostra la relazione tra il calore di adsorbimento (ΔH) e la costante di equilibrio di adsorbimento (K), rivelando così le caratteristiche termodinamiche del processo di adsorbimento. In questo modo, gli scienziati sono riusciti ad acquisire una comprensione più approfondita dei meccanismi di adsorbimento e dei suoi effetti sul sistema.
Man mano che approfondiamo il fenomeno dell'adsorbimento, iniziamo a renderci conto della sua importanza in un'ampia gamma di processi naturali e artificiali.
L'adsorbimento svolge un ruolo indispensabile negli ecosistemi, nei processi industriali e nella vita quotidiana. Quando pensiamo alle applicazioni tecnologiche di questo fenomeno e al suo impatto sull'ambiente, non possiamo fare a meno di chiederci: in che modo l'adsorbimento può creare maggiori possibilità tra lo sviluppo di nuove tecnologie e il mantenimento dell'equilibrio ecologico?
