Publicado por: Estrella Cruz Hernández
Lucio José León Pérez
La adsorción es el proceso por el
que una especie química (ADSORBIBLE o ADSORBATO) presente, inicialmente en una
fase fluida, se concentra en la interfase que la separa de otra de igual o
superior grado de ordenación (ADSORBENTE).
Hay que distinguir entre los procesos de
adsorción y absorción. La absorción es
un proceso por el cual un material (absorbente) es retenido por otro
(absorbato); puede ser la disolución de un gas o líquido en un líquido o
sólido; o en la retención mediante fuerzas físicas de las moléculas de un gas,
líquido o sustancia disuelta a la superficie o a la masa de un sólido.
En una masa de material sólido o líquido,
todos los enlaces del interior entre los átomos que lo constituyen están
satisfechos, pero en su superficie aparece una discontinuidad en esos enlaces.
Para esos enlaces insaturados, es energéticamente favorable interaccionar con
la materia presente en sus alrededores, lo que se produce de forma espontánea.
Por este motivo se produce el fenómeno de la adsorción.
El enlace que une los átomos de la sustancia
con menor grado de ordenación con el material de mayor grado de ordenación
depende de ambos materiales. Según este enlace, pueden darse dos tipos de
adsorción: fisisorción y quimisorción.
La fisisorción o adsorción física tiene lugar
mediante interacciones denominadas fuerzas de Van der Waals o fuerzas de
dispersión London, que dan lugar a una atracción débil entre el adsorbato y el
adsorbente. Por su parte, la quimisorción tiene lugar mediante enlaces
químicos, dando lugar a fuerzas de interacción mayores.
Algunas de las principales aplicaciones de la
adsorción son las que se enumeran a continuación:
•Purificación de aguas residuales
•Descontaminación de gases
•Eliminación de olores, sabores o
colores no deseados por ejemplo en aceites
•Deshumidificación de gasolinas
•Secado de aire
•Ciencia forense (revelado de
huellas dactilares)
Para estos procesos, resultan
interesantes materiales con una gran superficie específica, como el carbón
activo, el cual utilizaremos en alguno de los experimentos que se muestran en
el video con el que queremos mostrar algunos ejemplos de este proceso de
adsorción.
Tipos
de adsorción
Cabe
distinguir tres tipos de adsorción según que la atracción entre el soluto y el
adsorbente sea de tipo eléctrico, de Van der Waals o de naturaleza química.
La
adsorción del primer tipo cae de lleno dentro del intercambio iónico y a menudo
se le llama adsorción por intercambio, que es un proceso mediante el cual los
iones de una sustancia se concentran en una superficie como resultado de la
atracción electrostática en los lugares cargados de la superficie. Para dos
absorbatos iónicos posibles, a igualdad de otros factores, la carga del ión es
el factor determinante en la adsorción de intercambio. Para iones de igual
carga, el tamaño molecular (radio de solvatación) determina el orden de
preferencia para la adsorción. Este tipo de adsorción se comenta con detalle
más adelante.
La
adsorción que tiene lugar debido a las fuerzas de Van del Waals se llama
generalmente adsorción física. En estos casos, la molécula adsorbida no está
fija en un lugar específico de la superficie, sino más bien está libre de
trasladarse dentro de la interfase. Esta adsorción, en general, predomina a
temperaturas bajas. La adsorción de la mayoría de las sustancias orgánicas en
el agua con carbón activado se considera de naturaleza física.
Si
el adsorbato sufre una interacción química con el adsorbente, el fenómeno se
llama adsorción química, adsorción activa o quimisorción. Las energías de
adsorción son elevadas, del orden de las de un enlace químico, debido a que el
adsorbato forma unos enlaces fuertes localizados en los centros activos del
adsorbente. Esta adsorción suele estar favorecida a una temperatura elevada.
La
mayor parte de los fenómenos de adsorción son combinaciones de las tres formas
de adsorción y, de hecho, no es fácil distinguir entre adsorción física y química.
Equilibrio
de adsorción e isotermas de adsorción
La
adsorción de una especie química presente en la solución del suelo (adsorbato)
por los constituyentes de la fase sólida del suelo (adsorbente) ocurre debido a
las interacciones entre la superficie activa de las partículas sólidas y el
adsorbato. La cantidad adsorbida de una determinada especie depende no sólo de
la composición del suelo sino también de la especie química de la que se trata
y de su concentración en la solución.
Para
estudiar la adsorción de un compuesto químico sobre un suelo pueden ser usadas
dos técnicas de laboratorio: experiencias en batch y experiencias con columnas.
Las
experiencias en batch consisten en mezclar y agitar una cantidad determinada de
suelo con disoluciones de diferentes concentraciones del soluto estudiado, por
ejemplo, un metal pesado. Previamente, se tiene que determinar la concentración
de este metal en el suelo.
La
gráfica que representa el metal adsorbido, Cs, en función de la concentración
de la disolución, Cm, es la isoterma de adsorción, cuya expresión general es:
Cs
= Kd Cm donde Kd se llama constante de adsorción, coeficiente de distribución o
coeficiente de partición.
Cuando
la isoterma no es lineal, hay otras aproximaciones para describir la distribución
entre el suelo y la disolución. Las más utilizadas son las de Freundlich y Langmuir.
Coeficientes de distribución para contaminantes orgánicos
Muchos contaminantes orgánicos son hidrofóbicos, lo que significa
que tienen baja afinidad para solubilizarse en agua, que es un líquido polar, y
mayor para hacerlo en líquidos apolares. Estos contaminantes son fácilmente
absorbidos en la materia orgánica de los sedimentos. El coeficiente de
distribución de estos compuestos químicos está relacionado con el coeficiente
de distribución del compuesto entre el agua y un líquido apolar, como el
octanol.
En el transcurso del trayecto subterráneo, las aguas entran en
contacto con diferentes sustancias minerales, algunas de las cuales tienen la
propiedad de intercambiar ciertos iones con otros contenidos en el agua,
fenómeno que tiene una particular relevancia en la química del agua
subterránea.
Determinados sólidos tienen su superficie cargada eléctricamente
y, cuando están en contacto con las aguas naturales, su carga provoca que iones
de carga opuesta, presentes en el agua, se concentren en la interfase
solución-sólido. La causa del intercambio obedece a que los iones adsorbidos en
la superficie lo están muy débilmente (iones lábiles) de modo que pueden ser
fácilmente reemplazados por otros iones, conservándose la carga. Se trata de un
fenómeno regulado por un equilibrio dinámico entre los iones adsorbidos y los
del agua.
En general, todos los minerales tienen cierta capacidad de cambio,
pero sólo la presentan de forma acentuada algunas especies minerales, entre las
que destaca el grupo de las arcillas.
Las arcillas, a valores de pH normales, están cargadas
negativamente. El hecho de que sus cargas negativas libres de superficie sean
compensadas por la adsorción de cationes, hace que habitualmente el fenómeno
sea conocido como intercambio catiónico o de bases.
En
general, la fuerza de enlace de los cationes depende de su valencia, tamaño
efectivo e hidratación, y de las características del adsorbente.
En
principio, los iones de igual carga son adsorbidos con igual fuerza sobre la
superficie sólida cargada; en la práctica, sin embargo, el radio hidratado
determina la fuerza de adsorción, siendo más fuertemente retenidos los de menor
radio hidratado.
Hay
que tener en cuenta que la hidratación es directamente proporcional a la carga
del ión e inversamente proporcional al radio iónico.
Por
otra parte, los iones multivalentes se concentran en la doble capa
preferentemente sobre los monovalentes. Es decir, los iones divalentes son
adsorbidos más fuertemente que los monovalentes. Esta selectividad, que
favorece la adsorción de cationes de mayor carga, decrece con el incremento de
la fuerza iónica en la solución, mientras que la dilución favorece la retención
de los iones de mayor carga. Todo ello puede condicionar de manera importante
el proceso de intercambio iónico en un agua salinizada.
Algunos
cationes pueden ser fijados irreversiblemente en las arcillas. Tal es el caso
de los cationes de gran tamaño no hidratado (NH4+ y K+), del Li+,
por su pequeño radio fuertemente hidratado y del Mg2+, que puede formar parte de la red mineral.
El
proceso de cambio iónico puede provocar importantes modificaciones de la
composición química del agua subterránea especialmente en la concentración de
elementos alcalinos, alcalinotérreos, metales pesados y elementos de
transición.
Ya
se ha comentado que el fenómeno de cambio iónico surge de la capacidad de
adsorción de las superficies de las partículas sólidas. En los procesos de
intercambio de bases, la fase sólida del acuífero interacciona con el agua
subterránea, principalmente debido a que la carga negativa de los minerales
arcillosos se ve compensada por adsorción de cationes del agua subterránea.
Dichos cationes, en equilibrio con los iones en solución, pueden reemplazarse
por otros cuando se modifican las características químicas del agua.
En
los procesos de intrusión marina, tanto el incremento en la concentración de
electrolito como la modificación del pH, alteran la superficie de carga
variable del sedimento y por tanto el equilibrio inicial, evolucionando el
sistema en la búsqueda de una nueva estabilidad. Cuando se estudian las
reacciones de intercambio iónico (catiónico), se asume que existe un equilibrio
entre la solución y el adsorbente en todo momento y que los efectos de
dispersión-difusión son insignificantes. Las reacciones de intercambio
catiónico están basadas en el principio del equilibrio termodinámico entre
iones en solución y en la fase adsorbida.
Factores que influyen en la adsorción e intercambio iónicos
La adsorción depende de las concentraciones respectivas del catión
en el adsorbente y el líquido. La fuerza iónica de la solución determina la
intensidad de la adsorción, pues la adsorción relativa es proporcionalmente más
intensa en soluciones diluidas que concentradas. Cuando se incrementa la fuerza
iónica de la solución en contacto con la arcilla, la capa difusa se comprime y
el potencial eléctrico decae más rápidamente con la distancia a la superficie.
Por consiguiente, la superficie potencial variará en función de la concentración de
electrolito y del tipo de carga de la superficie de las partículas (constante o
dependiente del pH). Para una superficie pH dependiente, un incremento en la concentración
de electrolito generará un descenso de potencial al producirse un aumento de la
distancia a la partícula.
La
temperatura influye en la medida que las reacciones de adsorción son
normalmente exotérmicas y por tanto, el grado de adsorción será presumiblemente
mayor, al disminuir la temperatura, aunque las variaciones normales de
temperatura sólo tienen pequeños efectos sobre el proceso de adsorción.
La
fuerza de enlace con que los iones son retenidos o adsorbidos en los lugares de
cambio depende, asimismo, de otros factores, entre los cuales cabe citar los
siguientes:
Valencia
y tamaño del ión
- Densidad
de carga, estructura y superficie específica del material de intercambio
- Concentración
relativa de los cationes presentes
- Contenido
de agua en el sistema (efecto dilución)
En
general, la fuerza de enlace de los cationes depende de su valencia, tamaño
efectivo e hidratación y de las características del adsorbente. La capacidad de
intercambio varía, para un determinado tipo de arcilla, con el tamaño de la
partícula, siendo más elevado en tamaños finos, por ser mayor su superficie
específica. Para arcillas diferentes, la capacidad depende de la estructura;
así, por ejemplo, en el caso de la montmorillonita, todos los cationes situados
dentro de la estructura son intercambiables, mientras que los cationes
intercapa de la illita no son tan fácilmente cedidos porque forman parte de la
red.
La
teoría de Gouy-Chapman predice que los iones de igual carga son adsorbidos con
igual fuerza sobre la superficie sólida cargada; en la práctica, sin embargo,
el radio hidratado, o bien la polarización del ión, determinan la fuerza de
adsorción, siendo más fuertemente retenidos los de menor radio hidratado.
La hidratación es
directamente proporcional a la carga del ión e inversamente proporcional al
radio iónico. Supone un incremento del tamaño del ión y por tanto reduce su
movilidad. Los radios iónicos hidratados determinan la movilidad en el filtro
de arcilla y, por consiguiente, la concentración relativa de los metales en las
aguas.
Si se asume que las
fuerzas de enlace en la adsorción, son esencialmente electrostáticas y que bajo
condiciones ordinarias los iones adsorbidos están hidratados, los cationes con
radios hidratados más pequeños se acercarán a los lugares de carga negativa más
fácilmente y serán retenidos con más fuerza que un catión de mayor radio
hidratado. Según ésto, el Ca2+ será
más fuertemente adsorbido que el Mg2+.La
teoría de Gouy establece también que los iones multivalentes se concentran en
la doble capa preferentemente sobre los monovalentes. Es decir, los iones
divalentes son adsorbidos más fuertemente que los monovalentes.
Consecuentemente, la relación [M2+]/[M+] es mucho menor conforme aumenta la distancia
a la superficie de adsorción. Dicha selectividad, que favorece la adsorción de
cationes de mayor carga, decrece con el incremento de la fuerza iónica en la
solución, mientras que la dilución favorece la retención de los iones de mayor
carga. Todo ello puede condicionar de manera importante el proceso de
intercambio iónico en un agua salinizada.
Algunos cationes
pueden ser fijados irreversiblemente en las arcillas. Tal es el caso de los
cationes de gran tamaño no hidratado (NH4+ y K+), del Li+,
por su pequeño radio fuertemente hidratado y del Mg2+, que forma parte de la
red mineral. La adsorción irreversible tiende a ocurrir cuando hay fuertes
interacciones químicas entre el adsorbente y el adsorbato.
EJEMPLO
1. Se prepara una disolución de
Azul de metileno, que será el colorante que actúe como contaminante y que se
desea retirar del agua
2. Se introduce el carbón activo
en una columna de vidrio. En la parte inferior se coloca un pedazo de algodón o
de lana de cuarzo para evitar que el carbón se filtre al agua limpia.
3. Se hace pasar la disolución a
través del carbón activo y se recoge el agua limpia. Este es un proceso de
purificación similar al de las jarras con filtro.
La explicación de este fenómeno
es que, al pasar a través del carbón activo, los iones del colorante quedan
depositados sobre la superficie del carbón mientras que el agua pasa a través
de él. El resultado es que se obtiene el agua sin el colorante.
EJEMPLO
1. Se prepara una disolución de
Azul de metileno, que, al igual que en el experimento anterior, será el
colorante que actúe como contaminante y que se desea retirar del agua
2. Se introduce el carbón con
propiedades magnéticas en la propia disolución de azul de metileno y se agita.
3. Cuando la disolución y el
carbón lleven un rato bien mezclados, se acerca un imán al vaso que contiene la
disolución. El carbón es atraído por el imán y se puede separar sin problemas
del agua, de la cual ya se ha retirado el colorante.
En este experimento tiene lugar
el mismo fenómeno que en el caso anterior: durante la agitación, los iones del
colorante se adhieren a la superficie del carbón, separándose del agua.
EJEMPLO
En el tercer experimento se muestra cómo se
pueden revelar huellas dactilares con un carbón.
1. Se coge una hoja de papel y se
hace una marca. Sobre esa marca se presiona levemente con un dedo.
2. Con una cuchara se espolvorea
un poco de polvo de carbón sobre la marca que se ha realizado en el papel y se
agita un poco
3. Se retira el polvo de carbón
sobrante y observamos que queda la huella dactilar perfectamente revelada sobre
el papel.
La explicación de este fenómeno
es que, al posar el dedo sobre la hoja dejamos grasa, restos de sudor y otras
partículas que se encuentran en los surcos de las huellas dactilares, que
quedan pegadas al papel. Al añadir el polvo de carbón, por el fenómeno de
adsorción, éste queda adherido a esos restos que hemos dejado sobre el papel y
por eso se revela la huella dactilar.
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