Modelo de adsorción de Langmuir

Fundamentos y modelo de adsorción de Langmuir

Esta guía divulgativa explica los principios de la adsorción, el modelo de Langmuir y cómo calcular el área superficial específica de un sólido usando datos experimentales. Está diseñada para estudiantes de técnicas de caracterización y público general interesado en ciencia de materiales.

¿Qué es la adsorción?

La adsorción es un fenómeno de superficie mediante el cual moléculas de un gas o líquido se adhieren a la superficie de un sólido. A diferencia de la absorción, donde el material penetra en el volumen, la adsorción ocurre únicamente en la superficie.

Ejemplo cotidiano: los filtros de carbón activado eliminan impurezas de agua o aire al adsorber moléculas indeseadas en su superficie porosa.

Tipos de adsorción: fisisorción y quimisorción

La adsorción puede ser física o química:

• Fisisorción: interacción débil, basada en fuerzas de Van der Waals; reversible y dependiente de la temperatura. Común en gases sobre superficies de carbón, sílice o polímeros.
• Quimisorción: interacción fuerte mediante enlaces químicos; puede ser irreversible y específica. Suele ocurrir en catalizadores metálicos o superficies funcionalizadas.

Observación: en la mayoría de las técnicas de caracterización de área superficial, se utiliza la fisisorción porque es reversible y permite medir varias presiones sin alterar la superficie del material.

Modelo de Langmuir: fundamentos

El modelo de Langmuir describe la adsorción de moléculas en una superficie sólida homogénea, bajo ciertas suposiciones:

• La superficie tiene un número fijo de sitios de adsorción.
• Cada sitio adsorbe una sola molécula (monocapa).
• No hay interacción entre moléculas adsorbidas.
• El equilibrio se alcanza entre la adsorción y la desorción.

La ecuación de Langmuir relaciona la fracción de cobertura de la superficie (θ) con la presión del gas (p) y la constante de adsorción (K):

θ = (K × p) / (1 + K × p)

Esta relación permite estimar el volumen de la monocapa (vm), que se usa para calcular el área superficial específica del material sólido.

Linealización y ajuste de datos experimentales

Para analizar datos experimentales, la ecuación de Langmuir se puede linealizar:

p/v = (1/vm) × p + 1/(K × vm)

Aquí, v es el volumen adsorbido a la presión p, vm es el volumen correspondiente a una monocapa y K es la constante de Langmuir. Graficando p/v vs. p, la pendiente da 1/vm y la ordenada al origen da 1/(K × vm).

Consejo: usa herramientas gráficas como Excel, Origin o Python para ajustar la línea y obtener los valores de vm y K con precisión.

Cálculo del área superficial específica

Una vez determinado el volumen de monocapa (vm) a partir del ajuste lineal, se puede calcular el área superficial específica (S) usando:

S = (vm × NA × σ) / V_mol

• NA: número de Avogadro (6.022×10²³ moléculas/mol)
• σ: área ocupada por una molécula adsorbida (en m²)
• V_mol: volumen molar del gas

Esta fórmula permite cuantificar el área de la superficie por unidad de masa de sólido (m²/g), un parámetro fundamental para evaluar materiales porosos, catalizadores y adsorbentes.

Ejemplo: un material con área superficial elevada es más eficiente para adsorber contaminantes o catalizar reacciones químicas.

Supuestos del modelo y limitaciones

Aunque el modelo de Langmuir es útil, existen limitaciones:

• Supone superficies homogéneas; en materiales reales, puede haber sitios con diferentes energías de adsorción.
• No considera interacciones entre moléculas adsorbidas, lo que puede no cumplirse a altas coberturas.
• Asume adsorción en monocapa; algunos materiales forman multilaminas o tienen poros complejos.

Reflexión: al aplicar Langmuir a datos reales, interpreta los resultados como aproximaciones y analiza si el material cumple las suposiciones del modelo.

Aplicaciones prácticas del modelo de Langmuir

El modelo se aplica en diversas áreas:

• Caracterización de catalizadores: determinar la superficie activa disponible para reacciones.
• Estudios de adsorbentes para purificación de agua o aire.
• Investigación de materiales porosos y nanomateriales: comparar áreas superficiales y optimizar síntesis.
• Evaluación de polímeros y recubrimientos: estimar la capacidad de retener moléculas en su superficie.

Consejo: incluso si el material no cumple todas las suposiciones, el ajuste de Langmuir sigue siendo útil para comparar diferentes muestras o lotes.

Resumen y pasos prácticos para estudiantes

El modelo de Langmuir permite estimar el área superficial de materiales sólidos mediante adsorción de gases y ajuste linealizado de datos experimentales. Para aplicar correctamente este modelo:

1. Recolecta datos de adsorción (volumen vs. presión) del material.
2. Ajusta los datos a la ecuación linealizada de Langmuir (p/v vs. p).
3. Determina el volumen de monocapa (vm) y la constante K a partir de pendiente y ordenada.
4. Calcula el área superficial específica usando vm y parámetros moleculares.
5. Redacta una breve discusión crítica sobre las suposiciones y limitaciones del modelo en tu material.

Recuerda: documenta gráficas, valores calculados y observaciones críticas para respaldar tu informe final.

Autor: Profesor/a — Técnicas de Caracterización de Materiales. Este recurso divulgativo tiene fines educativos y de apoyo a estudiantes; para procedimientos experimentales exactos y valores numéricos, consulte manuales, fichas técnicas y bibliografía especializada.