Isoterma de adsorción

La isoterma de adsorción es la representación gráfica de la cantidad de adsorbato retenida por un adsorbente en función de la presión relativa del gas o de la concentración del soluto, manteniendo constante la temperatura. Constituye el resultado experimental básico de cualquier estudio de adsorción: cada punto de la curva corresponde a una condición de equilibrio entre la fase fluida y la superficie del sólido. Cuando el ensayo se realiza con vapores, la misma curva suele denominarse isoterma de sorción.

Cómo se obtiene una isoterma de adsorción

El procedimiento consiste en exponer la muestra a etapas sucesivas de presión parcial o concentración y esperar, en cada etapa, a que el sistema alcance el equilibrio antes de registrar el valor. La cantidad adsorbida en cada escalón genera un punto del gráfico. Se emplean dos enfoques principales: el volumétrico, que calcula la captación a partir de la variación de presión en un volumen calibrado, y el gravimétrico, que mide directamente el cambio de masa de la muestra en una microbalanza de alta resolución.

El control de la temperatura forma parte del ensayo y no es un detalle menor. Como indica el nombre, toda la curva se levanta en condiciones isotérmicas, y las comparaciones entre materiales solo tienen sentido a igual temperatura.

Tipos de isoterma y qué revela la forma de la curva

La forma de la curva aporta información estructural sobre el material. La clasificación clásica propuesta por Brunauer, Deming, Deming y Teller ordena las isotermas en cinco tipos característicos, ampliada posteriormente por la IUPAC. En términos generales:

• las curvas que saturan rápidamente a baja presión indican llenado de microporos;
• las curvas de crecimiento progresivo sugieren formación de multicapas en superficies no porosas o macroporosas;
• las curvas con un salto marcado a presiones intermedias apuntan a condensación capilar en mesoporos.

Diversos modelos matemáticos se ajustan a los datos experimentales para extraer parámetros cuantitativos. Entre los más utilizados figuran los modelos de Langmuir y de Freundlich y el modelo BET, este último la vía habitual para calcular el área superficial específica.

Adsorción, desorción e histéresis

La rama de desorción se obtiene reduciendo la presión hasta el punto inicial. Cuando no coincide con la rama de adsorción, aparece un bucle de histéresis. Este comportamiento se asocia con frecuencia a la condensación capilar en mesoporos y a la geometría de los poros, y la forma del bucle también se clasifica. En materiales que interactúan intensamente con el adsorbato, la histéresis puede indicar retención de moléculas o cambios en la propia estructura durante el ciclo.

Por qué es importante la isoterma de adsorción

La isoterma es la base para determinar el área superficial específica, el volumen y la distribución de tamaño de poros, la capacidad máxima de captación y la reversibilidad del proceso. En la práctica sustenta el desarrollo de adsorbentes para separación y almacenamiento de gases, la caracterización de materiales porosos como zeolitas y estructuras metalorgánicas, los estudios de estabilidad e higroscopicidad de sólidos farmacéuticos y alimentarios, y el dimensionamiento de lechos de adsorción en procesos industriales.

Precauciones de interpretación

Dos aspectos merecen atención. El primero es la activación de la muestra: restos de disolvente o humedad no eliminados antes del ensayo desplazan toda la curva. El segundo es la base de cálculo empleada para expresar la capacidad, ya que los resultados informados en porcentaje másico dependen de la masa de referencia adoptada, lo que puede dificultar la comparación directa entre trabajos.

Preguntas frecuentes sobre la isoterma de adsorción

¿Cuál es la diferencia entre isoterma de adsorción y de desorción?

La isoterma de adsorción se levanta aumentando progresivamente la presión o la concentración, mientras que la de desorción recorre el camino inverso. Cuando ambas ramas no se superponen, el material presenta histéresis, un comportamiento habitualmente relacionado con la condensación capilar en mesoporos.

¿Por qué debe mantenerse constante la temperatura?

Porque la adsorción depende fuertemente de la temperatura. Las variaciones durante el ensayo alteran el equilibrio entre fases y hacen que los puntos de la curva dejen de ser comparables. Levantar isotermas a distintas temperaturas resulta útil, pero cada curva debe obtenerse de forma isotérmica.

¿En qué se diferencian la medición volumétrica y la gravimétrica?

La técnica volumétrica deduce la cantidad adsorbida a partir de la variación de presión en un volumen calibrado. La gravimétrica pesa directamente la muestra durante el ensayo, lo que permite seguir la cinética en tiempo real y trabajar con mezclas de vapores, siendo especialmente útil en estudios de sorción de agua y de coadsorción.