Caracterizarea Materialelor Solide

Porozitatea

Multe solide ºi materiale sub forma de pulbere, atât naturale (pietre, solurile, minerale, etc.) cat ºi fabricate

(catalizatori, ciment, produse farmaceutice, oxizii metalelor, ceramica, carburi, zeolites, etc.) conþin un anumit

volum de spa iu gol. Acest lucru este distribuit în masa solidelor sub formã de pori, cavitãþi . ºi fisuri de diferite

forme si dimensiuni. Suma totalã a volumului de pori este numit porozitate.

Porozitatea mare determinã importante proprietãþile fizice ale materialelor cum ar fi durabilitate, rezisten.a

mecanicã, permeabilitatea, adsorb.ia etc. Cunoaºterea structurii porilor este un pas important în caracterizarea

materialelor (estimarea comportamentului lor).

Existã douã tipuri principale ºi importante de pori: închisi ºi pori deschisi. Porii închisi sunt complet izolati de

suprafa.a exterioarã, nu permit accesul de fluide externe nici în fazã lichidã si nici in faza gazoasa. Porii închisi

influenþeaza parametrii cum ar fi densitatea, proprietãþi mecanice .i termice. Porii deschisi sunt conectati la

suprafa.a exterioarã .i, în consecin.ã, sunt accesibili pentru fluide, în funcþie de natura/dimensiunea porilor .i

natura lichidului. Porii deschisi pot fi împãrþiti în continuare în porii dead-end sau interconectati. Clasificare

suplimentarã este legatã de forma porilor, ori de câte ori este posibil sã se determine.

Parametrii texturali

1.Dimensiunea porilor acoperã o gamã foarte largã. Porii sunt clasificate în trei grupuri principale în funcþie de

dimensiunea lor:

Micropori: mai puþin de 2 nm diametrul

Mezopori: între 2 .i 50 nm diametrul

Macropori: cu diametrul mai mare de 50 nm

2. Volumul specific de pori ºi porozitate.Spa.iul gol intern dintr-un material poros poate fi mãsurat. Este în general

exprimat ca volumul porilor (cu cc sau ml) împãr.it la o unitate de masã (g).

3. Distribu.ia dimensiunii porilor. În general este reprezentata ca abunden.a (frecventa) relativã a volumului porilor

(ca procentaj) în func.ie de dimensiunea porilor.

4. Densitatea aparentã se calculeazã ca raportul dintre masa probei uscate .i volumul extern al probei.

5. Procentul de porozitate este reprezentat de raportul dintre volumul total al porilor ºi volumul extern al probei

înmulþit cu 100.

6. Suprafa.a specifica. Suprafa.a materialului solid este suprafa.a totalã a probei care vine în contact cu mediul

extern. Este exprimatã ca metri pãtraþi pe gram de probã uscata. Acest parametru este puternic legat de dimensiunea

porilor ºi de volumul porilor adicã cu cat volumul porilor este mai mare cu atat si suprafa.a va fi mai mare ºi cu cat

dimensiunea porilor este mai mica cu atat va fi mai mare suprafa.a specifica. Suprafa.a rezultata din contribu.ia

suprafe.ei interne a porilor plus suprafa.a externa a solidelor sau particulelor (în caz de pulberi). Ori de câte ori o

porozitate semnificativã este prezenta, frac.ia suprafe.ei exterioare de suprafa.a totalã este mica.

Adsorbtia

Ori de câte ori un gaz este în contact cu un solid va exista un echilibru între moleculele în faza gazoasa ºi speciile

corespunzatoare adsorbite (molecule sau atomi) care sunt legate de suprafa.a solidã.

La fel ca toate echilibre chimice, poziþia de echilibru va depinde de o serie de factori:

1 stabilitatea relativã a adsorbentului ºi speciile in faza gazoasa implicate .i concentra.ia lor

2 temperatura sistemului (atât a gazului ºi a suprafaþei, deºi acestea sunt în mod normal la fel)

3 Presiunea gazului de deasupra suprafe.ei

În general, factorii (2) .i (3) exercita efecte opuse asupra concentra.iei de specii adsorbite - adicã aria suprafe.ei de

acoperire poate fi majoratã prin creºterea presiunii gazelor, dar va fi redusã în cazul în care temperatura de la

suprafa.ã este ridicata.

Adsorb.ia este definita ca concentra.ia moleculelor de gaz aproape de suprafa.ã unui material solid. Gazul adsorbit

este numit adsorbat ºi solidul unde adsorb.ia are loc este cunoscut ca absorbent. Adsorb.ia este un fenomen fizic (de

obicei numit physisorption), care apare în orice condi.ii de mediu (presiune .i temperaturã), dar numai la

temperaturi foarte scãzute devine mãsurabila. Astfel experimentele cu adsorbtie sunt realizate la temperatura foarte

scãzutã, de obicei la temperatura de fierbere a azotului lichid la presiunea atmosfericã.

Adsorb.ia are loc din cauza prezenþei unei energii a suprafa.ei intrinseci. Atunci când un material este expus unui

gaz, o for.ã de atractie ac.ioneazã între suprafa.a expusã a solidului .i moleculele de gaz. Rezultatul acestor for.e

este caracterizat ca (sau Van der Waals) adsorb ie fizica, în contrast cu atractii chimice mai . puternice asociate cu

chemosorptia. Suprafa.a unui solid include atât suprafa.a exterioarã cat .i suprafa.a interioarã a porilor.

Tipuri de isoterme

Datoritã legaturilor slabe implicate intre moleculele de gaz .i suprafa.a (mai micã de 10 KJ/mol), adsorb.ia este un

fenomen reversibil. Physisorptia de gaz este considerata neselectiva, completând astfel suprafa.a porilor pas cu pas

(sau strat cu strat) în func.ie de suprafa.a solidã disponibilã .i de presiunea relativa. Umplerea primului strat

permite mãsurarea suprafa.ei materialului, deoarece cantitatea de gaz adsorbit când mono-stratul este saturat este

propor.ionalã cu toatã suprafa.a probei. Analiza completã de adsorb.ie/desorb.ie este denumita izotermã de

adsorb.ie. ªase izoterme de adsorb.ie standard IUPAC sunt prezentate mai jos, acestea diferã, deoarece sistemele

demonstreaza diferite interacþiuni gaz/solid.

I-solide microporoase -> izoterma chemosorbtiei

II,III-solide fin divizate fara pori

IV,V-bucla de histerezis generata de condensarea in capilare a adsorbatului în solide mezoporoase

VI-izoterma care arata pasii facuti in adsorbia azotului pe carbon special

I Izoterma Langmuir

Ipoteze:

-Adsorb.ie nu poate trece dincolo de punctul în care adsorbatii sunt un strat gros pe suprafa.a (monostrat).

-Toate situsurile de adsorb.ie sunt echivalente.

-Viteza de adsorb.ie .i desorb.ie este independenta de populaþia de situsuri vecine.

- Fiecare specie ocupã doar un singur situs.

Consideram echilibrul:

A este adsorbatul liber, S este suprafa.a liberã, iar A.S este substratul legat la suprafaþã. Viteza de adsorb.ie va fi

proporþionala cu presiunea de gaz ºi de numãrul de situsuri vacante de adsorb.ie. În cazul în care numãrul total de

site-uri pe suprafaþa este N, atunci viteza de acoperire a suprafa.ei datoritã adsorb.ie este:

Viteza de schimbare de acoperire datoritã adsorbatului parasind suprafa.a (desorb.ie) este propor.ionalã cu numãrul

de specii adsorbite: