Superficies sólidas

Tema 7. Superficies sólidas: adsorción y
catálisis heterogénea

Apuntes de Química Física Avanzada
Departamento de Química Física
Univèrsitat de València

Parte I
1. Estructura y composición de superficies sólidas
2. Adsorción de gases sobre sólidos
3. Isotermas de adsorción
4. Velocidad de los procesos superficiales

Parte II
5. Características de los fenómenos catalíticos
6.Mecanismos de catálisis y energía de activación
7. Características de la catálisis heterogénea
8. Etapas de la catálisis heterogénea
9. Mecanismos de catálisis heterogénea
10. Ejemplos de interés industrial

Bibliografía Básica
1. J. Bertrán y J. Núñez (coords), “Química Física II”, temas 55 y 56. Ariel
Ciencia. 1ª edición.
2. M. Díaz Peña y A. Roig Muntaner, “Química Física”, tema 30.Alambra, 1972.
3. P.W. Atkins “Química Física”, tema 28. Ediciones Omega, 6ª edición.

2

1. Introducción: Estructura y Composición de Superficies
Sólidas
En el tema anterior nos hemos centrado en los fenómenos de superficie
cuando la fase condensada es líquida y la otra fase es, normalmente, gaseosa.
En este tema vamos a centrarnos en los fenómenos de superficie cuando la
fase condensada esun sólido y la otra es, normalmente, una fase gaseosa.

Antes de comenzar el estudio de estos fenómenos, en concreto la adsorción y
la reactividad (catálisis heterogénea) hemos de describir brevemente las
superficies sólidas. Estas superficies presentan diferencias importantes
respecto a su estructura. Normalmente podemos pensar en la superficie de un
sólido como una estructura homogéneadonde los átomos ocupan posiciones
bien definidas y por tanto se repiten regularmente:

Sin embargo, esto corresponde a una situación ideal muy difícil de conseguir
en la práctica. La superficie de un sólido puede estar llena de defectos debido
al proceso de crecimiento del cristal o bien a procesos sufridos una vez
formado. Estos defectos pueden clasificarse según su topología y la siguientefigura muestra algunos de ellos:

3

Terraza

Escalón
Adatom

Esquina

Estos defectos suelen ser importantes en el estudio de los procesos
superficiales ya que los átomos implicados en ellos son más reactivos, al tener
menos valencias cubiertas que el resto.

Además de sus defectos estructurales, a la hora de acercarnos al estudio de
las superficies sólidas hemos de tener encuenta cuál será la composición que
vamos a encontrarnos. En condiciones normales, las partículas de gas
bombardean continuamente la superficie del sólido cubriéndola rápidamente.
La velocidad de este proceso puede calcularse usando la teoría cinética de
gases. Así, el número de colisiones por unidad de área y unidad de tiempo es:
zp 

1N
P
 v 
,
4V
( 2mkB T )1/ 2

tomando a 298,15K el valor de:

zp (cm2 s 1 )  2,034  10 21

P(mmHg)
M(gmol1 )

Para el aire a 1 atmósfera (M= 29 g mol-1) zp= 3 1023 cm-2s-1, lo que significa
que, puesto que 1 cm2 ≈ 1015 átomos, cada átomo de la superficie es golpeado
unas 108 veces por segundo.
Aun cuando sólo una pequeña fracción de las colisiones conduzca a adsorción,
el tiempo que una superficie recién preparada permanecelimpia es muy corto.
Una solución para mantener limpia la superficie es utilizar técnicas de vacío.
Mediante un vacío típico, se consiguen presiones de ≈10 -6 mm Hg, lo cual
reduce la frecuencia de impacto sobre cada átomo a 1 cada 10 s. Mediante
técnicas de ultravacío (UHV, ultra-high vacuum) se pueden alcanzar presiones
de ≈ 10-11 mm Hg, es decir, un impacto por átomo de superficie cada 10 6 s(1
vez cada 10 días). En los aparatos de UHV la muestra se calienta a 200-300 °C
durante horas para limpiar la superficie. La muestra puede ser una lámina,
4

filamento o punta fina. La limpieza puede hacerse también por bombardeo con
iones gaseosos acelerados.

2. Adsorción de gases sobre sólidos
Cuando una molécula de gas golpea una superficie sólida, puede rebotar o
quedar fijada...