superficies solidas

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Tema 7. Superficies sólidas: adsorción y catálisis
heterogénea
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 heterogénea8. Etapas de la catálisis heterogénea
9. Mecanismos de catálisis heterogénea.
10. Ejemplos de interés industrial
Bibliografía

Química Física Avanzada. Cuarto curso
Departamento de Química Física
Curso 2009-2010

PARTE I
1. Introducción: Estructura y Composición de Superficies Sólidas
En el tema anterior nos hemos centrado en los fenómenos de superficie cuando la fase
condensada eslíquida y la otra fase es, normalmente, gaseosa. En este tema vamos a
centrarnos en los fenómenos de superficie cuando la fase condensada es un 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 presentandiferencias importantes respecto a su estructura.
Normalmente podemos pensar en la superficie de un sólido como una estructura
homogénea donde 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 decrecimiento del cristal o bien a procesos sufridos una vez formado. Estos defectos
pueden clasificarse según su topología y la siguiente figura muestra algunos de ellos:

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Departamento de Química Física
Curso 2009-2010

Estos defectos suelen ser importantes en el estudio de los procesos superficiales ya que
los átomos implicados en ellos son másreactivos, 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 en cuenta 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 deeste
proceso puede calcularse usando la teoría cinética de gases. Así, el número de colisiones
por unidad de área y unidad de tiempo es:
,
tomando a 298,15 K el valor de:

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 fracciónde las colisiones conduzca a adsorción, el
tiempo que una superficie recién preparada permanece limpia 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, ultrahigh vacuum) sepueden alcanzar presiones de ≈ 10-11 mm Hg, es decir, un impacto por
átomo de superficie cada 106 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, filamento o punta fina. La limpieza puede hacerse también por bombardeo
con iones gaseosos acelerados.

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2. Adsorción de gases sobre sólidos
Cuando una molécula de gas golpea una superficie sólida, puede rebotar o quedar fijada
sobre la superficie, es decir, sufrir adsorción. En ese último caso a continuación, la
molécula adsorbida puede difundirse (moverse) sobre la superficie, quedarse fija, sufrir
una reacción química o disolverse en el...