Adsorção e Termodinâmica de Superfícies

As superfícies armazenam excesso de energia livre como tensão superficial, e as moléculas se acumulam nas interfaces por meio da adsorção, descrita por isotermas que relacionam a cobertura da superfície à pressão ou concentração.

Definition

Adsorção é o acúmulo de moléculas em uma interface, e termodinâmica de superfícies é a descrição termodinâmica de interfaces através da tensão superficial, energia livre de superfície, e as relações que governam superfícies curvas e adsorventes.

Scope

Este tópico abrange a termodinâmica de interfaces e o fenômeno da adsorção: tensão superficial e energia livre de superfície, as equações de Young-Laplace e Kelvin para interfaces curvas, e a isoterma de adsorção de Gibbs que relaciona o excesso superficial às mudanças na tensão superficial. Ele desenvolve isotermas de adsorção, incluindo o modelo de Langmuir para adsorção em monocamada e a extensão BET para multicamadas, a distinção entre fisissorção e quimissorção, e a medição da área superficial. O papel catalítico da adsorção é ligado à cinética, e os fenômenos coloidais e de auto-organização são tratados em tópicos relacionados.

Core questions

• Como a tensão superficial surge como o custo de energia livre para a criação de uma interface?
• Como a isoterma de adsorção de Gibbs relaciona o excesso superficial à tensão superficial?
• Como as isotermas de Langmuir e BET descrevem a adsorção em monocamada e multicamada?
• O que distingue a fisissorção da quimissorção?

Key concepts

• Tensão superficial e energia livre de superfície
• Equações de Young-Laplace e Kelvin
• Isoterma de adsorção de Gibbs
• Isotermas de Langmuir e BET
• Fisissorção versus quimissorção

Key theories

Isoterma de adsorção de Langmuir

Modelar uma superfície como um arranjo fixo de sítios equivalentes e não interativos resulta em uma cobertura que aumenta com a pressão ou concentração e satura em uma monocamada completa, o modelo de referência para adsorção.

Isoterma de adsorção de Gibbs

A quantidade de um soluto que se acumula em uma interface está relacionada termodinamicamente à forma como o soluto diminui a tensão superficial, explicando por que os agentes tensoativos se concentram fortemente nas interfaces.

Clinical relevance

A adsorção e a termodinâmica de superfícies governam a catálise heterogênea, o armazenamento e separação de gases por materiais porosos, a ação de detergentes e surfactantes, a separação cromatográfica, a medição da área superficial de catalisadores e produtos farmacêuticos, e a molhabilidade e capilaridade em solos e tecidos biológicos.

History

Gibbs fundou a termodinâmica de superfícies na década de 1870; o estudo de Langmuir sobre monocamadas e adsorção na década de 1910, reconhecido com o Prêmio Nobel de 1932, e a teoria de multicamadas de Brunauer-Emmett-Teller de 1938 estabeleceram a análise quantitativa da adsorção e da área superficial.

Key figures

• Irving Langmuir
• J. Willard Gibbs
• Stephen Brunauer

Seminal works

• langmuir1916
• adamson1997

Frequently asked questions

Qual é a diferença entre fisissorção e quimissorção?

A fisissorção envolve atração fraca de van der Waals, é facilmente reversível e pode formar múltiplas camadas, enquanto a quimissorção forma ligações químicas reais com a superfície, é muito mais forte, geralmente limitada a uma monocamada, e é central para a catálise.

Por que a tensão superficial torna pequenas gotas esféricas?

A tensão superficial é o custo energético da área da interface, então um sistema minimiza sua energia livre minimizando a área superficial; para um dado volume, a esfera tem a menor área superficial, razão pela qual as gotas livres adotam essa forma.