Adsorção Química - Uma Introdução à Técnica Analítica de Adsorção Química por Micromeritics

Assuntos Cobertos

Introdução
Diferenciando a Adsorção Física e Química
O Relacionamento da Quimissorpção à Catálise
Técnicas e Métodos da Quimissorpção para a Avaliação dos Catalizadores
Energias De Superfície
Sumário

Introdução

Os Catalizadores são usados em uma variedade de aplicações da produção de bens de consumo à protecção do ambiente. O projecto O Melhor e a utilização eficiente dos catalizadores exigem uma compreensão completa da química de superfície da estrutura e da superfície do material activo. As técnicas da análise da adsorção Química (“quimissorpção ") fornecem muita da informação necessária avaliar materiais do catalizador no projecto e nas fases de produção, assim como após um período de uso. Embora um catalizador e os reagentes e os produtos possam ser de muitos formulários, catalizadores heterogêneos de uso geral dos endereços deste artigo.

Diferenciando a Adsorção Física e Química

Uma característica distintiva de um material contínuo é uma distribuição de locais fracos da energia de superfície. As moléculas do Gás ou do vapor podem tornar-se encadernadas a estes locais. Isto descreve geralmente o fenômeno da adsorção. A quantidade de moléculas pegadas pela superfície depende de diversas circunstâncias e características da superfície que incluem a temperatura, a pressão, a distribuição da energia de superfície, e a área de superfície do sólido. Um lote da quantidade de moléculas fixadas contra a pressão na temperatura constante é chamado o isoterma da adsorção.

A adsorção Física (“physissorpton ") é o resultado de forças da interacção de Van der Waal relativamente fraco entre a superfície contínua e o adsorbate - uma atracção física. A adsorção Física é invertida facilmente.

Segundo o gás e contínuo, o fenômeno da adsorção igualmente pode conduzir à partilha dos elétrons entre o adsorbate e a superfície contínua - uma ligação química. Esta é adsorção química e ao contrário do physisorption, a quimissorpção é difícil de inverter. Uma quantidade significativa de energia é exigida geralmente para remover as moléculas quimicamente fixadas.

A adsorção Física ocorre em toda surge contanto que as condições da temperatura e da pressão são favoráveis. A Quimissorpção, contudo, ocorre somente entre determinados adsorventes e a espécie adsorptiva e somente se a superfície é limpada de moléculas previamente fixadas. Sob circunstâncias apropriadas, a adsorção física pode conduzir às moléculas fixadas que formam camadas múltiplas. A Quimissorpção, por outro lado, continua somente enquanto o adsorptivo pode fazer o contacto directo com a superfície; considera-se geralmente ser um processo da único-camada.

Uma característica da adsorção física é que quase todas as moléculas fixadas podem ser removidas pela evacuação na mesma temperatura em que a adsorção ocorreu. O Aquecimento acelera a dessorção porque faz prontamente - disponível às moléculas fixadas a energia necessária escapar o local da adsorção.

Uma molécula quimicamente fixada é limitada fortemente à superfície e não pode escapar sem o influxo de uma quantidade relativamente grande de energia comparada àquela necessária liberar uma molécula fisicamente limitada. Esta energia é fornecida pelo calor e as altas temperaturas são exigidas frequentemente muito para limpar uma superfície de moléculas quimicamente fixadas.

Physisorption tende a ocorrer somente em temperaturas perto ou abaixo do ponto de ebulição do adsorptivo na pressão de prevalência. Este não é o caso com quimissorpção. A Quimissorpção geralmente pode ocorrer em temperaturas bem acima do ponto de ebulição do adsorptivo.

O Relacionamento da Quimissorpção à Catálise

Um catalizador é um material que afecte a taxa de uma reacção química. Um catalizador não pode causar uma reacção que de outra maneira não ocorra; somente pode aumentar a taxa em que a reacção aproxima o equilíbrio. A superfície de um metal activo do `' é compor de locais da quimissorpção. Os catalizadores Apoiados são aqueles em que dividiu finamente grões do metal activo são deportados em um material de apoio. Aquelas grões situadas na superfície do apoio estão disponíveis para reagir com o adsorptivo.

Se a taxa acelerada de reacção era simplesmente devido a uma concentração aumentada de moléculas na superfície, a catálise poderia resultar da adsorção física dos reagentes. Este não é o caso; a quimissorpção é uma etapa essencial, alterando aparentemente o reagente (a molécula fixada) para fazê-lo mais receptivo à reacção química. A dependência da catálise em formar intermediários da ligação da superfície do active é uma razão pela qual quimissorpção porque uma técnica analítica é tão fundamental no estudo da catálise.

As Fases de um ciclo heterogêneo da reacção catalítica são:

  1. difusão (transporte) dos reagentes à superfície do catalizador
  2. quimissorpção de reacções da superfície dos reagentes entre espécies chemisorbed
  3. libertação dos produtos dos catalizadores
  4. difusão dos produtos longe da superfície do catalizador para reservar recicl a etapa 1

Prever a eficiência de etapas 1 e 5 é ajudada pelas técnicas analíticas tais como a adsorção física e o mercúrio porosimetry, que caracterizam a porosidade da base do catalizador, o monólito do catalizador, ou as grões individuais do material do catalizador. Caracterizando etapas 2, 3, e 4 são o domínio de análises da quimissorpção.

Técnicas e Métodos da Quimissorpção para a Avaliação dos Catalizadores

As análises da Quimissorpção podem ser aplicadas para determinar a eficiência relativa de um catalizador em promover uma reacção particular, ou ser usadas ao envenenamento do catalizador do estudo e em monitorar a degradação da actividade catalítica ao longo do tempo do uso. As análises Isothermal da quimissorpção são executadas por duas técnicas da quimissorpção: a) quimissorpção volumétrico estática, e b) (quimissorpção dinâmica do gás de fluxo). A técnica volumétrico é conveniente para obter uma medida de alta resolução do isoterma da quimissorpção da pressão muito baixa à pressão atmosférica essencialmente em toda a temperatura de ambiental a C 1000 oou maior próximo.

A quimissorpção do Pulso, uma técnica de fluxo do gás, é executada tipicamente na pressão ambiental. Depois Que a amostra foi limpada em um fluxo do gás inerte, as quantidades pequenas de um reagente estão injectadas até que a amostra esteja saturada. Um detector calibrado da condutibilidade térmica (TCD) é usado para determinar a quantidade de moléculas do reagente pegadas por locais activos em cima de cada injecção. As injecções Iniciais podem ser chemisorbed totalmente; em cima da saturação nenhumas das injecções mais atrasadas chemisorbed, indicando a saturação. O número de moléculas do gás chemisorbed é relacionado directamente à área de superfície activa do material activo.

A quantidade de gás chemisorbed pelo relvado da amostra combinado com o conhecimento da estequiometria da reacção e a quantidade de metal activo misturada com o material de apoio durante a formulação do catalizador permitem que a dispersão do metal dos por cento seja calculada. Este pode ser um indicador importante do desempenho do catalizador e de uma medida econômica importante de como o metal activo caro está sendo empregado eficientemente em um produto do catalizador.

A Dessorção Temperatura-Programada (TPD), Temperatura Programou a Redução (TPR) e a Oxidação Temperatura-Programada (TPO) é três métodos não-isothermal para caracterizar catalizadores. a dessorção Temperatura-Programada tipicamente não emprega um vácuo, melhores circunstâncias de simulação encontradas em aplicações industriais reais. Na análise de TPD, os materiais são colocados em uma pilha de amostra e pretreated para limpar o active surge. Em Seguida, um gás ou um vapor selecionado chemisorbed nos locais activos até que a saturação esteja conseguida, depois do qual as moléculas restantes estão lavadas com um gás inerte.

A Temperatura (energia) está aumentada em uma taxa controlada quando um caudal constante do gás inerte for mantido sobre a amostra. O gás inerte e todas as moléculas desorbed são monitorados por um detector da condutibilidade térmica. O sinal de TCD é proporcional à quantidade de moléculas desorbed como a energia térmica supera a energia obrigatória. As Quantidades desorbed em temperaturas específicas fornecem a informação sobre o número, a força, e a heterogeneidade dos locais da quimissorpção.

a redução Temperatura-Programada é usada principalmente para estudar o reducibility da espécie tal como os óxidos de metal dispersados em um apoio. Isto envolve fluir um córrego do hidrogênio diluído (ou de um outro agente de diminuição) sobre a amostra enquanto a temperatura da amostra é aumentada. A quantidade de hidrogênio consumida e o perfil de temperatura sob que a redução ocorreu são medidos. Um lote da quantidade de hidrogênio consumida contra a temperatura pode produzir uns ou vários picos e os dados obtidos revelam o número de espécie reduzível na amostra, assim como suas energias de activação.

a oxidação Temperatura-Programada é executada para examinar a extensão a que um catalizador pode ser reoxidized. Geralmente a amostra pretreated e os óxidos de metal sãos ao metal baixo. A amostra sido caloroso em uma taxa uniforme porque o gás do reagente, oxigênio de tipicamente 2%, é aplicado à amostra nos pulsos ou, alternativamente, como um córrego constante. A reacção da oxidação ocorre em uma temperatura específica e a tomada resultante do oxigênio é determinada.

Energias De Superfície

Quando uma superfície contínua é expor a um adsorptivo, os locais os mais energéticos estãos primeiramente. O calor de adsorção em um grau específico da cobertura de superfície (carga) podido ser calculado usando a equação de Clausius- Clapeyron. Esta expressão descreve o calor de adsorção isosteric em termos da pressão, da temperatura, e da constante de gás e é particularmente aplicável aos dados obtidos por técnicas volumétricos da adsorção.

O isosteric aquece-se de adsorção sobre uma escala da cobertura pode ser obtido dos isosteres da adsorção, que são lotes da pressão contra a temperatura em um volume constante fixado. Os isosteres são extraídos de uma família dos isotermas obtidos para o mesmo material em temperaturas diferentes. A inclinação de um isostere traçado em uma escala logarítmica (o lnP contra 1/T)n fornece um ponto de dados (qst, n), onde n representa o grau de cobertura associado com o isostere. Um lote de pontos similares para graus de cobertura diferentes descreve a distribuição da energia de superfície em função da cobertura. Auxílios dEsta informação em prever a actividade de um catalizador para uma reacção química específica em uma temperatura específica.

A energia de Activação igualmente pode ser deduzida dos dados obtidos pela técnica dinâmica da quimissorpção, particularmente TPD. O processo está através deste método no sentido oposto como aquele descrito para a técnica volumétrico estática. No caso actual, o calor (energia) é aplicado e, como a temperatura aumenta, moléculas é liberado por ordem da ligação a mais fraca. As moléculas desorbed são varridas afastado e nenhum readsorption é permitido ocorrer. A taxa de mudança da cobertura de superfície, ou do carregamento, é relacionada à taxa de mudança na temperatura.

A taxa de dessorção molecular simples pode ser modelada usando a cinética do ø pedido expressada geralmente como - o kq, onde k é a constante da taxa, o sinal negativo que indica uma redução na cobertura com o tempo, e o q representa o grau actual da cobertura de superfície.

A taxa que k constante pode ser expressado no formulário de Arrhenius, A exp (- E/RTA), onde EA é a energia de activação para a dessorção, T é temperatura absoluta, e R a constante de gás. A é sabido como o factor preexponential.

Combinar os relacionamentos e as equações apresentou acima de finalmente rende uma expressão para a energia de activação em termos das variáveis que podem ser determinadas por análises de TPD.

Sumário

A Quimissorpção é um processo fundamental na catálise heterogênea. Compreender o processo da quimissorpção associado com um catalizador e um reagente é chave a controlar a composição e a fabricação de catalizadores e para a avaliação do catalizador. Conseqüentemente, os instrumentos analíticos capazes de medir a adsorção química e física e os isotermas e os aqueles da dessorção capazes de analisar reacções temperatureprogrammed são ferramentas poderosas no estudo da catálise.

Este artigo é uma versão condensada de um artigo mais detalhado intitulado “Adsorção Química,” como uma Técnica Analítica, disponível Web site em Micromeritics'.

Micromeritics Instrumento Corporaçõ

Source: Micromeritics Instrumento Corporaçõ.

Para obter mais informações sobre desta fonte visite por favor Micromeritics Instrumento Corporaçõ.

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

Last Update: 11. September 2013 07:37

Ask A Question

Do you have a question you'd like to ask regarding this article?

Leave your feedback
Submit