Chemische Porosität: Eigenschaften, Typen und Beispiele

Chemische Porosität ist die Fähigkeit bestimmter Materialien, bestimmte Substanzen in flüssiger oder gasförmiger Phase durch in ihrer Struktur vorhandene leere Räume zu absorbieren oder durchzulassen. Wenn von Porosität gesprochen wird, wird der Teil von "hohlen" oder leeren Räumen in einem gegebenen Material beschrieben.

Es wird durch den Volumenanteil dieser Hohlräume geteilt durch das Volumen des gesamten untersuchten Materials dargestellt. Die Größe oder der numerische Wert, der sich aus diesem Parameter ergibt, kann auf zwei Arten ausgedrückt werden: ein Wert zwischen 0 und 1 oder ein Prozentsatz (Wert zwischen 0 und 100%), um zu beschreiben, wie viel von einem Material leer ist.

Obwohl Materialien in verschiedenen Bereichen der Naturwissenschaften mehrfach verwendet werden, hängt die Hauptfunktionalität der chemischen Porosität unter anderem von der Fähigkeit bestimmter Materialien ab, die Aufnahme von Flüssigkeiten zu ermöglichen. das heißt, Flüssigkeiten oder Gase.

Darüber hinaus analysiert dieses Konzept die Abmessungen und die Anzahl der Löcher oder "Poren", die ein Sieb oder eine teilweise durchlässige Membran in bestimmten Feststoffen aufweist.

Eigenschaften

Zwei Substanzen interagieren

Die Porosität ist der Volumenanteil einer festen Annahme, der zweifellos hohl ist und mit der Art und Weise zusammenhängt, in der zwei Substanzen interagieren, wodurch spezifische Eigenschaften wie Leitfähigkeit, Kristallinität, mechanische Eigenschaften und viele andere hervorgerufen werden.

Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt von der Oberfläche des Feststoffs ab

Bei den Reaktionen, die zwischen einem gasförmigen Stoff und einem Feststoff oder zwischen einer Flüssigkeit und einem Feststoff stattfinden, hängt die Schnelligkeit einer Reaktion in hohem Maße von dem Raum der Oberfläche des Feststoffs ab, der zur Verfügung steht, damit die Reaktion durchgeführt werden kann.

Die Zugänglichkeit oder Durchlässigkeit hängt von den Poren ab

Die Zugänglichkeit oder Durchlässigkeit, die eine Substanz auf der inneren Oberfläche eines Partikels eines bestimmten Materials oder einer bestimmten Verbindung haben kann, hängt auch eng mit den Abmessungen und Eigenschaften der Poren sowie deren Anzahl zusammen.

Arten der chemischen Porosität

Die Porosität kann von vielen Arten sein (unter anderem geologisch, aerodynamisch und chemisch). In Bezug auf die Chemie werden jedoch zwei Arten beschrieben: Masse und Volumen, abhängig von der Art des zu untersuchenden Materials.

Massenporosität

Bezogen auf die Massenporosität wird die Fähigkeit eines Stoffes zur Wasseraufnahme bestimmt. Hierfür wird die unten gezeigte Gleichung verwendet:

% P _m = (m _s - m ₀ ) / m ₀ × 100

In dieser Formel:

P _{m steht} für den Anteil der Poren (ausgedrückt als Prozentsatz).

m _s bezieht sich auf die Masse der Fraktion nach dem Eintauchen in Wasser.

m ₀ beschreibt die Masse einer beliebigen Fraktion des Stoffes vor dem Eintauchen.

Volumenporosität

Ebenso wird zur Bestimmung der volumetrischen Porosität eines bestimmten Materials oder des Anteils seiner Hohlräume die folgende mathematische Formel verwendet:

% P _v = & rgr; _m / [& rgr; _m + (& rgr; _f / P _m )] × 100

In dieser Formel:

P _v beschreibt den Porenanteil (ausgedrückt als Prozentsatz).

ρ _m bezieht sich auf die Dichte des Stoffes (ohne Eintauchen).

ρ _{f steht} für die Dichte von Wasser.

Beispiele für chemische Porosität

Die einzigartigen Eigenschaften einiger poröser Materialien, wie die Anzahl der Hohlräume oder die Größe ihrer Poren, machen sie zu einem interessanten Untersuchungsobjekt.

Auf diese Weise findet sich eine große Menge dieser Substanzen von enormer Nützlichkeit in der Natur, aber viele weitere können in Laboratorien synthetisiert werden.

Die Untersuchung der Faktoren, die die Porositätseigenschaften eines Reagens beeinflussen, ermöglicht es, die möglichen Anwendungen zu bestimmen und neue Substanzen zu erhalten, die den Wissenschaftlern helfen, auf den Gebieten der Materialwissenschaften und -technologien weitere Fortschritte zu erzielen.

Einer der Hauptbereiche, in denen die chemische Porosität untersucht wird, ist die Katalyse, ebenso wie in anderen Bereichen wie der Gasadsorption und -trennung.

Zeolithe

Ein Beweis dafür ist die Untersuchung von kristallinen und mikroporösen Materialien wie Zeolithen und der Struktur organischer Metalle.

In diesem Fall werden Zeolithe aufgrund ihrer mineralischen Eigenschaften als poröses Oxid als Katalysatoren in Reaktionen eingesetzt, die mittels Säurekatalyse durchgeführt werden, da es verschiedene Arten von Zeolithen mit Poren kleiner, mittlerer und großer Größe gibt.

Ein Beispiel für die Verwendung von Zeolithen ist das katalytische Cracken, ein Verfahren, das in Erdölraffinerien zur Herstellung von Benzin aus einer Fraktion oder zum Schneiden aus schwerem Rohöl verwendet wird.

Organische Metallstrukturen mit Hybridmaterialien

Eine weitere Klasse von Verbindungen, die untersucht werden, sind die organischen Metallstrukturen, bei denen es sich um Hybridmaterialien handelt, die aus einem organischen Fragment, der Bindungssubstanz und einem anorganischen Fragment bestehen, das die grundlegende Grundlage für diese Substanzen bildet.

Dies stellt eine größere Komplexität in seiner Struktur in Bezug auf die oben beschriebenen Zeolithe dar, so dass es viel größere Möglichkeiten als für Zeolithe vorstellbar umfasst, da sie für das Design neuer Materialien mit einzigartigen Eigenschaften verwendet werden können.

Obwohl es sich bei diesen organischen Metallstrukturen um eine Gruppe von Materialien handelt, die nur wenig Zeit zum Studieren benötigen, sind sie das Ergebnis einer Vielzahl von Synthesen zur Herstellung von Materialien mit vielen verschiedenen Strukturen und Eigenschaften.

Diese Strukturen sind thermisch und chemisch ziemlich stabil, einschließlich eines von besonderem Interesse, das unter anderem aus Terephthalsäure und Zirkonium besteht.

UiO-66

Diese Substanz mit der Bezeichnung UiO-66 hat eine ausgedehnte Oberfläche mit ausreichender Porosität und anderen Eigenschaften, die sie zu einem idealen Material für Untersuchungen auf dem Gebiet der Katalyse und Adsorption machen.

Andere

Schließlich gibt es unzählige Beispiele für pharmazeutische Anwendungen, Bodenuntersuchungen, in der Ölindustrie und in vielen anderen Bereichen, in denen die Porosität von Substanzen als Grundlage für die Gewinnung außergewöhnlicher Materialien und deren Verwendung zugunsten der Wissenschaft dient.