Adsorción Química - Una Introducción a la Técnica Analítica de la Adsorción Química por Micromeritics

Temas Revestidos

Introducción
Distinción de la Adsorción Física y Química
El Lazo de la Absorción Química a la Catálisis
Técnicas y Métodos de la Absorción Química para la Evaluación de Catalizadores
Energías Superficiales
Resumen

Introducción

Los Catalizadores se utilizan en una variedad de aplicaciones de la producción de bienes de consumo a la protección del ambiente. El diseño Óptimo y la utilización eficiente de catalizadores requiere una comprensión completa de la química superficial de la estructura y de la superficie del material activo. Las técnicas del análisis de la adsorción Química (“absorción química ") proporcionan a mucha de la información necesaria evaluar los materiales del catalizador en el diseño y las fases de producción, así como después de un período del uso. Aunque un catalizador y los reactivo y los productos puedan estar de muchos formularios, los catalizadores heterogéneos de uso general de los direccionamientos de este artículo.

Distinción de la Adsorción Física y Química

Una característica distintiva de un material sólido es una distribución de los sitios débiles de la energía superficial. Las moléculas del Gas o del vapor pueden llegar a estar encuadernadas a estos sitios. Esto describe generalmente el fenómeno de la adsorción. La cantidad de moléculas tomadas por la superficie depende de varias condiciones y características superficiales incluyendo temperatura, la presión, la distribución de la energía superficial, y la superficie del macizo. Un gráfico de la cantidad de moléculas adsorbidas comparado con la presión en la temperatura constante se llama la isoterma de la adsorción.

La adsorción Física (“physissorpton ") es el resultado de las fuerzas de la acción recíproca de Van der Waal relativamente débil entre la superficie sólida y el adsorbato - una atracción física. La adsorción Física se invierte fácilmente.

Dependiendo del gas y sólido, el fenómeno de la adsorción también puede dar lugar a la distribución de electrones entre el adsorbato y la superficie sólida - un vínculo químico. Ésta es adsorción química y a diferencia de physisorption, la absorción química es difícil de invertir. Una cantidad importante de energía se requiere generalmente para quitar las moléculas químicamente adsorbidas.

La adsorción Física ocurre en todas las superficies a condición de que las condiciones de la temperatura y de la presión son favorables. La Absorción Química, sin embargo, ocurre solamente entre ciertos adsorbentes y la especie adsorbente y solamente si la superficie se limpia de moléculas previamente adsorbidas. Bajo condiciones apropiadas, la adsorción física puede dar lugar a las moléculas adsorbidas que forman capas múltiples. La Absorción Química, por otra parte, procede solamente mientras el adsorbente pueda hacer el contacto directo con la superficie; se considera generalmente ser un proceso de una sola capa.

Una característica de la adsorción física es que casi todas las moléculas adsorbidas se pueden quitar por la evacuación en la misma temperatura en la cual la adsorción ocurrió. La Calefacción acelera la desorción porque hace fácilmente disponible a las moléculas adsorbidas la energía necesaria escape el sitio de la adsorción.

Una molécula químicamente adsorbida está limitada fuertemente a la superficie y no puede escape sin la afluencia de relativamente una gran cantidad de una energía comparada a ésa necesaria liberar una molécula físicamente limitada. Esta energía es proporcionada por el calor y a menudo mismo las temperaturas altas se requieren para limpiar una superficie de moléculas químicamente adsorbidas.

Physisorption tiende a ocurrir solamente en las temperaturas cerca o debajo del punto de ebullición del adsorbente en la presión que prevalece. Éste no es el caso con la absorción química. La Absorción Química puede ocurrir generalmente en las temperaturas bien encima del punto de ebullición del adsorbente.

El Lazo de la Absorción Química a la Catálisis

Un catalizador es un material que afecta al índice de una reacción química. Un catalizador no puede causar una reacción que no ocurriría de otra manera; puede aumentar solamente el tipo en el cual la reacción se acerca a equilibrio. La superficie metal activo del ` de un' se compone de sitios de la absorción química. Los catalizadores Utilizados son los en las cuales dividió fino granos del metal activo están deportados en un material de soporte. Esos granos situados en la superficie del soporte están disponibles para reaccionar con el adsorbente.

Si el índice acelerado de reacción era simple debido a una concentración creciente de moléculas en la superficie, la catálisis podría resultar de la adsorción física de los reactivo. Éste no es el caso; la absorción química es un paso de progresión esencial, alterando al parecer el reactivo (la molécula adsorbida) para hacerlo más receptivo a la reacción química. La dependencia de la catálisis de formar intermedios activos del bono de la superficie es una razón por la que absorción química pues una técnica analítica es tan fundamental en el estudio de la catálisis.

Los Escenarios de un ciclo heterogéneo de la reacción catalítica son:

  1. difusión (transporte) de reactivo a la superficie del catalizador
  2. absorción química de las reacciones de la superficie los reactivo entre especies chemisorbed
  3. liberación de productos de los catalizadores
  4. difusión de productos lejos de la superficie del catalizador a permitir el reciclar al paso de progresión 1

Predecir la eficiencia de los pasos de progresión 1 y 5 es ayudada por las técnicas analíticas tales como adsorción física y mercurio porosimetry, que caracterizan la porosidad de la base del catalizador, el monolito del catalizador, o los granos individuales del material del catalizador. Caracterizando los pasos de progresión 2, 3, y 4 es el dominio de los análisis de la absorción química.

Técnicas y Métodos de la Absorción Química para la Evaluación de Catalizadores

Los análisis de la Absorción Química se pueden aplicar para determinar la eficiencia relativa de un catalizador en ascender una reacción determinada, o utilizar al envenenamiento del catalizador del estudio y en vigilar la degradación de la actividad catalítica en un cierto plazo del uso. Los análisis Isotérmicos de la absorción química son realizados por dos técnicas de la absorción química: a) absorción química volumétrica estática, y b) absorción química dinámica (del gas que fluye). La técnica volumétrica es conveniente para obtener una medición de alta resolución de la isoterma de la absorción química de la presión muy inferior a la presión atmosférica en esencialmente cualquier temperatura de ambiente a C 1000 oo mayor cercano.

La absorción química del Pulso, una técnica del gas que fluye, se realiza típicamente en la presión ambiente. Después De Que la muestra se haya limpiado en un flujo del gas inerte, las pequeñas cantidades de un reactivo se inyectan hasta que se sature la muestra. Un detector calibrado de la conductividad térmica (TCD) se utiliza para determinar la cantidad de moléculas el reactivo tomadas por los sitios activos sobre cada inyección. Las inyecciones Iniciales se pueden chemisorbed totalmente; sobre la saturación no se chemisorbed ningunas de las inyecciones posteriores, indicando la saturación. El número de moléculas del gas chemisorbed se relaciona directamente con la superficie activa del material activo.

La cantidad de gas chemisorbed por el gramo de muestra combinado con el conocimiento de la estequiometría de la reacción y la cantidad de metal activo mezclada con el material de soporte durante la formulación del catalizador permite que la dispersión del metal del por ciento sea calculada. Esto puede ser un indicador importante del funcionamiento del catalizador y de una dimensión económica importante de cómo el metal activo costoso se está empleando eficientemente en un producto del catalizador.

La Desorción Temperatura-Programada (TPD), Temperatura Programó la Reducción (TPR) y la Oxidación Temperatura-Programada (TPO) es tres métodos no-isotérmicos para caracterizar los catalizadores. la desorción Temperatura-Programada no emplea típicamente un vacío, mejores condiciones de simulación encontradas en aplicaciones industriales reales. En el análisis de TPD, los materiales se ponen en una célula de muestra y se pretratan para limpiar las superficies del active. Después, un gas o un vapor seleccionado chemisorbed sobre los sitios activos hasta que se logre la saturación, después de lo cual las moléculas restantes se enjuagan con un gas inerte.

La Temperatura (energía) se aumenta a un tipo controlado mientras que un flujo constante del gas inerte se mantiene sobre la muestra. El gas inerte y cualquier molécula deabsorbida son vigilados por un detector de la conductividad térmica. La señal de TCD es proporcional a la cantidad de moléculas deabsorbidas como energía térmica vence la energía de enlace. Las Cantidades deabsorbidas en las temperaturas específicas proporcionan a la información sobre el número, la fuerza, y la heterogeneidad de los sitios de la absorción química.

la reducción Temperatura-Programada se utiliza principal para estudiar la reducibilidad de la especie tal como óxidos metálicos dispersos en un soporte. Esto implica el fluir una secuencia del hidrógeno diluido (o de otro reductor) sobre la muestra mientras que se aumenta la temperatura de la muestra. La cantidad de hidrógeno consumida y el perfil de temperatura bajo los cuales la reducción ocurrió se miden. Un gráfico de la cantidad de hidrógeno consumida comparado con temperatura puede producir uno o más picos y los datos obtenidos revelan el número de especie reducible en la muestra, así como sus energías de activación.

la oxidación Temperatura-Programada se realiza para examinar el fragmento al cual un catalizador puede ser oxidado de nuevo. La muestra se pretrata Generalmente y los óxidos metálicos se reducen al metal bajo. La muestra es heated a un tipo uniforme mientras que el gas el reactivo, oxígeno del típicamente 2%, se aplica a la muestra en pulsos o, alternativamente, como secuencia constante. La reacción de la oxidación ocurre en una temperatura específica y la absorción resultante del oxígeno se cuantifica.

Energías Superficiales

Cuando una superficie sólida se expone a un adsorbente, los sitios más enérgicos se ocupan primero. El calor de la adsorción en un grado específico de cubrimiento superficial (cargamento) se puede calcular usando la ecuación de Clausius- Clapeyron. Esta expresión describe el calor de la adsorción isostérico en términos de presión, temperatura, y constante de gas y es determinado aplicable a los datos obtenidos por técnicas volumétricas de la adsorción.

El isostérico calienta de la adsorción sobre un rango del cubrimiento se puede obtener de los isosteres de la adsorción, que son gráficos de la presión comparado con temperatura en un volumen constante adsorbido. Los isosteres se extraen de una familia de isotermas obtenidas para el mismo material en diversas temperaturas. El declive de un isostere trazado en una escala logarítmica (el lnP comparado con 1/T)n proporciona a un punto de referencias (qst, n), donde n representa el grado de cubrimiento asociado al isostere. Un gráfico de las puntas similares para diversos grados de cubrimiento describe la distribución de la energía superficial en función de cubrimiento. Socorros de Esta información en predecir la actividad de un catalizador hacia una reacción química específica en una temperatura específica.

La energía de Activación también se puede deducir de los datos obtenidos por la técnica dinámica de la absorción química, determinado TPD. El proceso con este método está en la dirección opuesta como ése descrito para la técnica volumétrica estática. En el presente caso, el calor (energía) es aplicado y, como la temperatura aumenta, moléculas se libera en orden de la vinculación más débil. Se barren las moléculas deabsorbidas y no se permite ningún readsorption ocurrir. El índice de cambio del cubrimiento superficial, o de cargar, se relaciona con el índice de cambio en temperatura.

El índice de desorción molecular simple se puede modelar usando la cinética de la 1ra orden expresada común como - el kq, donde está el constante k del tipo, el señal negativo que indica una reducción en cubrimiento con tiempo, y q representa el grado actual de cubrimiento superficial.

El tipo que k constante se puede expresar en el formulario de Arrhenius, A exp (- E/RTA), donde estáA la energía E de activación para la desorción, T es temperatura absoluta, y R el constante de gas. A se conoce como el factor preexponential.

Combinar los lazos y las ecuaciones presentó encima de final rinde una expresión para la energía de activación en términos de variables que se pueden determinar por análisis de TPD.

Resumen

La Absorción Química es un proceso fundamental en catálisis heterogénea. La Comprensión del proceso de la absorción química asociado a un catalizador y a un reactivo es dominante a controlar la composición y la manufactura de catalizadores y para la evaluación del catalizador. Por Lo Tanto, los instrumentos analíticos capaces de medir la adsorción química y física y las isotermas y ésas de la desorción capaces de analizar reacciones temperatureprogrammed son herramientas potentes en el estudio de la catálisis.

Este artículo es una versión condensada de un artículo más completo titulado “Adsorción Química,” como Técnica Analítica, disponible en Web site de Micromeritics'.

Micromeritics Instrument Corporation

Fuente: Micromeritics Instrument Corporation.

Para más información sobre esta fuente visite por favor Micromeritics Instrument Corporation.

Date Added: Jul 2, 2010 | Updated: Sep 11, 2013

Last Update: 11. September 2013 07:38

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