Porosidade química: características, tipos e exemplos
Porosidade química é a capacidade de certos materiais de absorver ou deixar passar certas substâncias em fase líquida ou gasosa, através de espaços vazios presentes em sua estrutura. Quando se fala em porosidade, a porção de espaços "ocos" ou vazios em um determinado material é descrita.
É representado pela porção volumétrica dessas cavidades dividida pelo volume do material total estudado. A magnitude ou valor numérico resultante desse parâmetro pode ser expresso de duas maneiras: um valor entre 0 e 1 ou uma porcentagem (valor entre 0 e 100%), para descrever quanto de um material é um espaço vazio.
Apesar de ser atribuída múltiplas utilizações em diferentes ramos das ciências puras, aplicadas, materiais, entre outros, a principal funcionalidade da porosidade química está ligada à capacidade de certos materiais em permitir a absorção de fluidos; isto é, líquidos ou gases.
Além disso, este conceito analisa as dimensões e o número de orifícios ou "poros" que uma peneira ou uma membrana parcialmente permeável possui em determinados sólidos.
Funcionalidades
Duas substâncias interagem
A porosidade é a porção volumétrica de uma suposição sólida que é certamente oca e está relacionada à maneira pela qual duas substâncias interagem, dando características específicas de condutividade, propriedades cristalinas, mecânicas e muitas outras.
A velocidade de reação depende do espaço da superfície do sólido
Nas reações que ocorrem entre uma substância gasosa e um sólido ou entre um líquido e um sólido, a rapidez de uma reação depende em grande parte do espaço da superfície do sólido que está disponível para que a reação possa ser realizada.
Acessibilidade ou penetrabilidade depende dos poros
A acessibilidade ou penetrabilidade que uma substância pode ter na superfície interna de uma partícula de um dado material ou composto, também está intimamente relacionada com as dimensões e características dos poros, bem como com o seu número.
Tipos de porosidade química
A porosidade pode ser de vários tipos (geológica, aerodinâmica, química, entre outras), mas quando se trata de química, dois tipos são descritos: massa e volume, dependendo do tipo de material a ser estudado.
Porosidade em massa
Quando se refere à porosidade da massa, a capacidade de uma substância absorver água é determinada. Para isso, a equação mostrada abaixo é usada:
% P m = (m s - m 0 ) / m 0 x 100
Nesta fórmula:
P m representa a proporção de poros (expressa em porcentagem).
m s refere-se à massa da fração depois de ser submersa em água.
m 0 descreve a massa de qualquer fração da substância antes de ser submersa.
Porosidade volumétrica
Da mesma forma, para determinar a porosidade volumétrica de um determinado material ou a proporção de suas cavidades, utiliza-se a seguinte fórmula matemática:
% P v = ρm / [ρm + (ρ f / P m )] x 100
Nesta fórmula:
P v descreve a proporção de poros (expressa em porcentagem).
ρ m refere-se à densidade da substância (sem submergir).
ρ f representa a densidade da água.
Exemplos de porosidade química
As características únicas de alguns materiais porosos, como o número de cavidades ou o tamanho de seus poros, fazem deles um interessante objeto de estudo.
Desta forma, uma grande quantidade dessas substâncias de enorme utilidade é encontrada na natureza, mas muitas outras podem ser sintetizadas em laboratórios.
Investigar os fatores que influenciam as qualidades de porosidade de um reagente permite determinar as possíveis aplicações que ele possui e tentar obter novas substâncias que ajudem os cientistas a continuar avançando nas áreas de ciência e tecnologia de materiais.
Uma das principais áreas em que a porosidade química é estudada é na catálise, como em outras áreas, como adsorção e separação de gases.
Zeólitos
Prova disso é a investigação de materiais cristalinos e microporosos, como os zeólitos e a estrutura dos metais orgânicos.
Neste caso, os zeólitos são usados como catalisadores em reações que são realizadas por meio de catálise ácida, devido às suas propriedades minerais como óxido poroso, uma vez que existem diferentes tipos de zeólitas com poros de tamanho pequeno, médio e grande.
Um exemplo do uso de zeólitas está no processo de craqueamento catalítico, um método que é usado em refinarias de petróleo para produzir gasolina a partir de uma fração ou corte de óleo cru pesado.
Estruturas metálicas orgânicas que envolvem materiais híbridos
Outra classe de compostos que são investigados são as estruturas metálicas orgânicas que envolvem materiais híbridos, criados a partir de um fragmento orgânico, a substância de ligação e um fragmento inorgânico que constitui a base fundamental para estas substâncias.
Isto representa uma maior complexidade na sua estrutura em relação à dos zeólitos acima descritos, por isso compreende possibilidades muito maiores do que as imagináveis para os zeólitos, uma vez que podem ser utilizados para o design de novos materiais com propriedades únicas.
Apesar de ser um grupo de materiais com pouco tempo de estudo, estas estruturas metálicas orgânicas foram o produto de um grande número de síntese para produzir materiais com muitas estruturas e propriedades diferentes.
Essas estruturas são bastante estáveis termicamente e quimicamente, incluindo um de interesse especial que é um produto de ácido tereftálico e zircônio, entre outros reagentes.
UiO-66
Essa substância, chamada UiO-66, possui uma superfície extensa com porosidade adequada e outras características que a tornam um material ideal para estudos nas áreas de catálise e adsorção.
Outros
Finalmente, há uma infinidade de exemplos em aplicações farmacêuticas, investigações de solos, na indústria do petróleo e muitos outros onde a porosidade de substâncias é usada como base para obter materiais extraordinários e usá-los em favor da ciência.
