Superfície específica
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Superfície específica (ou área de superfície específica) é uma propriedade dimensional dos sólidos, definida como a área superficial total de um material por unidade de massa[1] (com unidades de m2/kg ou m2/g), ou área superficial total por unidade de volume sólido ou agregado[2][3] (unidades de m2/m3 ou m−1). É um valor físico que pode ser usado para determinar o tipo e as propriedades de um material (por exemplo, solo ou neve). Tem uma importância particular para estimar fenómenos de adsorção, catálise heterogénea e reações de superfície.
Descrição
A superfície interna de sólidos porosos ou granulares é uma variável dimensional que é usada em várias disciplinas científicas e técnicas. Inclui a totalidade de todas as superfícies nele contidas, incluindo aquelas entre os grãos e dentro dos poros. A medição real da área de superfície interna de uma determinada massa ou volume é a correspondente área de superfície específica.[4]
Em contraste, a superfície externa é a superfície diretamente visível do lado de fora, ou seja, aquela que seria obtida quando o sistema de material fosse recoberto a partir do exterior.
Métodos de medição
Os valores obtidos para a área de superfície específica de um material dependem do método de medição. Em métodos baseados na determinação da adsorção, o tamanho da molécula de adsorvato (a molécula sonda), os planos cristalográficos expostos na superfície e a temperatura de medição afetam a área de superfície específica obtida.[5] Por esta razão, para além do método mais frequentemente usado, o método de adsorção Brunauer–Emmett–Teller (N2-BET), foram desenvolvidas várias técnicas para medir a área de superfície específica de materiais particulados à temperatura ambiente e em escalas controláveis. Entre essas técnicas inclui-se a coloração com azul de metileno (MB), a adsorção do éter monoetílico de etilenoglicol (EGME),[6] a análise eletrocinética da adsorção de iões complexos[5] e um método de retenção de proteina (PR).[7] Existem vários padrões internacionais para a medição da área de superfície específica de materiais, incluindo o padrão ISO 9277.[8]
Adsorção
A superfície específica pode ser estimada através da medição da adsorção com recurso à teoria de adsorção multimolecular (o método de BET) por determinação da isotérmica BET. Esta metodologia tem a vantagem de medir a superfície específica de estruturas finas e de considerar o efeito da textura profunda nas partículas. No entanto, os resultados podem diferir acentuadamente dependendo da substância adsorvida. A teoria BET tem limitações inerentes, mas tem a vantagem de ser simples e fornecer respostas relativas adequadas quando os sólidos são quimicamente semelhantes. Em casos relativamente raros, modelos mais complicados baseados em abordagens termodinâmicas, ou mesmo química quântica, podem ser aplicados para melhorar a consistência dos resultados, mas ao custo de cálculos muito mais complexos que exigem conhecimento avançado e um bom entendimento das questões físico-químicas, e especialmente termodinâmicas, que estão subjacentes à metodologia.[9]
Permeabilidade aos gases
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A superfície específica de permeabilidade ao ar que determinada substância oferece depende da relação entre a área de superfície específica e a resistência ao fluxo de ar através de um leito poroso de material em pó. O método é simples e rápido e produz resultados que geralmente apresentam uma boa correlação com a reatividade química de um pó. No entanto, este parâmetro fornece poucas indicações sobre grande parte da textura da superfície profunda do material.
Cálculo
A área de superfície específica pode ser simplesmente calculada a partir de uma distribuição de tamanhos de partícula, fazendo algumas suposições sobre a forma da partícula. Este método, no entanto, não leva em conta a superfície associada à textura superficial das partículas.
A superfície específica (de superfície) é determinado com uma medição de superfície, podendo ser expressa em função da massa ou do volume. As seguintes equações estabelecem as relações básicas em cada um dos casos:
- Em função da massa
A superfície específica é calculada em função da massa pela seguinte expressão:
onde é a área da superfície interna e externa total (em m2); é a massa (em kg de material); e é a superfície específica (unidade ).
- Em função do volume
A superfície específica é calculada em função do volume pela seguinte expressão:
onde é a área da superfície interna e externa total (em m2); é o volume (em m3 de material); e é a superfície específica (unidade ).
A esfera é o sólido que tem a menor área de superfície específica (para um determinado volume):
onde é o diâmetro da esfera.
Superfície específica típica (m2/g) | Material | Aplicação |
---|---|---|
7140 | Estruturas organo-metálicas[10] | absorção de gases |
900 | Faujasite[11] | catalizador |
500 - 3000 | Carvão ativado | absorção de gases e solutos |
200 | Alumina[12] | suporte catalítico |
Ver também
- Razão superfície-volume
Referências
- ↑ IUPAC, Compêndio de Terminologia Química, 2ª ed. ("Gold Book"). Compilado por A. D. McNaught e A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). Versão online: "{{{título}}}" (2006–) criado por M. Nic, J. Jirat, B. Kosata; atualizações compiladas por A. Jenkins. ISBN 0-9678550-9-8.
- ↑ Chapter 3: Surface Area
- ↑ Characterization of porous silicon integrated in liquid chromatography chips.
- ↑ Matthias Stieß: Mechanische Verfahrenstechnik 1, Springer Verlag, Heidelberg 1995, ISBN 3540594132.
- ↑ a b Hanaor, D.A.H.; Ghadiri, M.; Chrzanowski, W.; Gan, Y. (2014). «Scalable Surface Area Characterization by Electrokinetic Analysis of Complex Anion Adsorption» (PDF). Langmuir. 30 (50): 15143–15152. PMID 25495551. arXiv:2106.03411
. doi:10.1021/la503581e
- ↑ Cerato, A.; Lutenegger, A. (1 setembro 2002). «Determination of surface area of fine-grained soils by the ethylene glycol monoethyl ether (EGME) method». Geotechnical Testing Journal. 25 (3). 10035 páginas. doi:10.1520/GTJ11087J
- ↑ Paykov, O.; Hawley, H. (1 Julho 2013). «A Protein-Retention Method for Specific Surface Area Determination in Swelling Clays». ASTM. Geotechnical Testing Journal. 36 (4). 20120197 páginas. doi:10.1520/GTJ20120197
- ↑ «ISO 9277:2010(en) Determination of the specific surface area of solids by gas adsorption — BET method»
- ↑ Condon, James (2020). Surface Area and Porosity Determinations by Physisorption, 2nd edition. Amsterdam, NL: Elsevier. pp. Chapters 3, 4 and 5. ISBN 978-0-12-818785-2
- ↑ Hönicke, Ines M.; Senkovska, Irena; Bon, Volodymyr; Baburin, Igor A.; Bönisch, Nadine; Raschke, Silvia; Evans, Jack D.; Kaskel, Stefan (2018). «Balancing Mechanical Stability and Ultrahigh Porosity in Crystalline Framework Materials». Angewandte Chemie International Edition. 57 (42): 13780–13783. PMID 30160076. doi:10.1002/anie.201808240
- ↑ Galarneau, Anne; Mehlhorn, Dirk; Guenneau, Flavien; Coasne, Benoit; Villemot, Francois; Minoux, Delphine; Aquino, Cindy; Dath, Jean-Pierre (2018). «Specific Surface Area Determination for Microporous/Mesoporous Materials: The Case of Mesoporous FAU-Y Zeolites» (PDF). Langmuir. 34 (47): 14134–14142. PMID 30379547. doi:10.1021/acs.langmuir.8b02144. hal-01938089.
- ↑ Russell, Allen S.; Cochran, C. Norman (1950). «Alumina Surface Area Measurements». Industrial & Engineering Chemistry. 42 (7): 1332–1335. doi:10.1021/ie50487a024