Isoterma de Freundlich

También llamada: ISOTERMA DE ADSORCIÓN

Adsorción es la acumulación de una sustancia en una interfase. Ocurre con todos los tipos de interfase, tales como el gas sólido, solución sólida, solución gas, solución α – solución β. Este fenómeno es de gran importancia en diversas áreas de la ciencia y la tecnología, incluyendo la química, la física y la ingeniería de procesos. La adsorción se utiliza en una amplia gama de aplicaciones, desde la purificación de agua y aire hasta la separación de gases y la catálisis.

Existen dos tipos principales de adsorción: física y química. La adsorción física es no-específica, rápida y reversible. El adsorbato se une a la superficie solamente por fuerzas de Van der Waals (fuerzas dipolo-dipolo y las fuerzas de la polarización, con la participación de dipolos inducidos). La adsorción química es específica e implica la formación de un compuesto de dos dimensiones, como por ejemplo, cuando gases entran en contacto con superficies metálicas limpias. En la adsorción química, también conocida como quimisorción, se forman enlaces químicos entre el adsorbato y la superficie del adsorbente, lo que resulta en una adsorción más fuerte y menos reversible que la adsorción física.

La cantidad de sustancia adsorbida en la superficie disminuye con el aumento de la temperatura, ya que todos los procesos de adsorción son exotérmicos. A una temperatura constante la cantidad adsorbida aumenta con la concentración del adsorbato (en solución o en la fase gaseosa), y la relación entre la cantidad adsorbida (x) y la concentración (c) es conocida como la isoterma de adsorción. Esta relación es fundamental para entender y predecir el comportamiento de los sistemas de adsorción.

Solamente en concentraciones muy bajas es que x es proporciona a c. A medida que la concentración aumenta, la cantidad adsorbida también aumenta, pero a un ritmo decreciente. Esto se debe a que, a medida que la superficie del adsorbente se llena de moléculas de adsorbato, se vuelve cada vez más difícil para las moléculas adicionales encontrar un sitio de adsorción libre.

Generalmente la cantidad adsorbida aumenta menos que proporcionalmente a la concentración, debido a la saturación gradual de la superficie. Este fenómeno de saturación es una característica común de muchos sistemas de adsorción y es una de las razones por las que las isotermas de adsorción a menudo muestran una forma de S o de L.

Uno de los modelos teóricos más simples de adsorción es el de Langmuir, que fue propuesto para describir la adsorción de gases en sólidos. Ese modelo supone que la superficie del sólido es cubierta por un gran número de sitios, siendo que cada sitio puede ser considerado ocupado por una molécula adsorbida. Los sitios son todos equivalentes y se considera que las moléculas adsorbidas no interactúan unas con las otras ni saltan de un sitio a otro. Además, la adsorción se completa cuando todos los sitios fueren ocupados, correspondiendo a una monocapa de adsorbato. La ecuación correspondiente a la isoterma de Langmuir es:

que también puede ser escrita como:

donde m es la masa del sólido (adsorbente), a es una constante que está relacionada con el área del sólido, siendo una medida de capacidad de adsorción del adsorbente para un dado adsorbato, y b es otra constante, relacionada con la entalpía de adsorción. La isoterma de Langmuir es particularmente útil para describir la adsorción en sistemas donde la superficie del adsorbente es homogénea y los sitios de adsorción son equivalentes.

En otros casos el sistema puede ser descrito por la Isoterma de Freundlich, que corresponde a una ecuación del tipo

donde n es menor que 1. La isoterma de Freundlich es un modelo empírico que puede describir la adsorción en sistemas donde la superficie del adsorbente es heterogénea y los sitios de adsorción no son equivalentes. En estos sistemas, diferentes sitios de adsorción pueden tener diferentes energías de adsorción, lo que resulta en una distribución de energías de adsorción en la superficie del adsorbente.

Esa ecuación también se puede escribir con el fin de proporcionar una recta,

El exponente 1/n es adimensional, tiene valor menos que uno, y se relaciona con la intensidad de la adsorción. En general, en sistemas que siguen la isoterma de Freundlich la adsorción ocurre con la formación de multicapas, en lugar de sólo una monocapa. Anestésicos locales actúan por adsorción y en general siguen la isoterma de Freundlich, donde el tamaño y la estructura de la molécula del anestésico influyen en la intensidad de la adsorción. La isoterma de Freundlich ha sido ampliamente utilizada para describir la adsorción de una variedad de sustancias, incluyendo gases, solutos en solución y contaminantes en sistemas ambientales.