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O segredo da adsorção: por que gases e líquidos formam películas finas nas superfícies?
Em nossas vidas diárias, a onipresente membrana nos deixa curiosos sobre sua existência. Esses filmes são feitos principalmente de átomos, íons ou moléculas de gases, líquidos ou sólidos dissolvidos, e o processo que cria isso é chamado de adsorção. Ao explorar os mecanismos de adsorção, não só compreendemos este processo físico e químico, mas também revelamos a sua importância em diversos sistemas industriais e naturais.
A adsorção é um fenômeno de superfície. Simplificando, é o processo que ocorre quando uma substância se liga à superfície de outra substância.
Em contraste com a absorção (que é a absorção de uma substância líquida ou sólida em todo o seu volume), a adsorção é simplesmente a formação de uma fina película de uma substância sobre uma superfície. O conceito básico deste processo é que a energia superficial facilita a ligação de átomos ou moléculas à superfície de um material. Quando os átomos de uma superfície se ligam aos que estão no interior, seus requisitos de ligação não são totalmente atendidos, permitindo-lhes atrair átomos ou moléculas de um gás ou solução.
A natureza da adsorção depende das interações específicas entre as substâncias envolvidas. De modo geral, os processos de adsorção são classificados como adsorção física (com forças fracas de van der Waals) e quimissorção (com propriedades de ligação covalente). Em alguns casos, a atração eletrostática também afeta o tipo e a intensidade da adsorção.
Durante o processo de adsorção, a estrutura do material anexado será afetada. Por exemplo, a adsorção física de polímeros em solução faz com que formem estruturas planas nas superfícies.
O fenômeno de adsorção não existe apenas na natureza, mas também é amplamente utilizado em diversos processos industriais, desde catalisadores heterogêneos e carvão ativado até purificação de água. Estas aplicações demonstram a importância relativa da adsorção na vida diária, por exemplo, em sistemas de ar condicionado onde o fenómeno de adsorção é explorado para capturar e utilizar o calor residual para fornecer água de arrefecimento.
Exploração de isotermas de adsorção
Para descrever o processo de adsorção de gases e solutos, os cientistas desenvolveram uma série de modelos que representam a quantidade de material adsorvido no adsorvente através de isotermas. Esses modelos ajudam a entender como ocorre a adsorção em diferentes pressões ou concentrações, e 15 modelos de isotermas diferentes foram propostos até o momento.
Modelo Frendlich e Langmuir
Os primeiros modelos matemáticos foram propostos principalmente por Freundlich e Langmuir. O modelo de isoterma de Langmuir é baseado na termodinâmica estatística e leva em consideração a homogeneidade dos locais de adsorção e o grau de adsorção. Embora este modelo seja amplamente utilizado em aplicações práticas, muitas suposições não se aplicam estritamente a situações reais, pelo que são necessárias mais explorações e ajustes.
As suposições básicas do modelo de Langmuir incluem: todos os locais de adsorção são equivalentes, cada local pode acomodar apenas uma molécula e apenas uma camada de moléculas é formada na adsorção máxima.
No entanto, em alguns casos, múltiplas camadas são formadas em sucessão e o modelo de Langmuir não é mais aplicável. Como resultado, nasceu a teoria BET, levando em consideração a adsorção multicamadas para melhor descrever o processo de adsorção.
Exploração da termodinâmica de adsorção
A termodinâmica do processo de adsorção é relativamente complexa e geralmente segue a equação de van't Hoff. Ao analisar as constantes termodinâmicas do processo de adsorção, informações mais importantes sobre o mecanismo de adsorção podem ser obtidas e utilizadas para prever o comportamento sob diferentes condições.
Direções futuras de discussão
Embora tenha havido muitos avanços na compreensão dos fenômenos de adsorção, decisões específicas em aplicações práticas requerem mais pesquisa e exploração. No futuro, devemos concentrar-nos no desenvolvimento de vários materiais de adsorção para melhorar a eficiência e eficácia em aplicações como tratamento de água e filtragem de gases.
O estudo aprofundado dos fenómenos de adsorção não só aprofundará a nossa compreensão dos processos físicos e químicos básicos, mas também poderá trazer novas oportunidades para o futuro desenvolvimento científico e tecnológico. Como você acha que o papel desses filmes em nossas vidas mudará com o tempo?
