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Tutorial MenueKompaktkurs AdsorptionLerneinheit 1 von 4

Grundlagen der Adsorption

Grundbegriffe der Adsorption

Adsorption

Unter Adsorption (lat.: adsorbere = ansaugen) versteht man die Anlagerung von Teilchen (Atome, Moleküle, Ionen usw.) einer oder mehrerer Teilchensorten aus einer flüssigen oder gasförmigen Phase an der Oberfläche eines Festkörpers oder auch einer Flüssigkeit. Da sich dabei der flüssige oder gasförmige Stoff auf der Oberfläche anreichert, findet bei diesem Vorgang immer eine Konzentrationsänderung an der Phasengrenzfläche statt. Meistens wird von Adsorption beim Vorliegen einer Gas/Feststoff-Grenzfläche gesprochen.

Adsorbens
Ein Stoff, der Teilchen aus einer benachbarten gasförmigen oder flüssigen Phase an seiner Grenzfläche anreichert (adsorbiert), wird als Adsorbens oder Substrat bezeichnet.
Adsorptiv
Die Teilchen, die sich in der benachbarten gasförmigen oder flüssigen Phase befinden und sich auf dem Adsorbens anlagern, werden als Adsorptiv bezeichnet.
Adsorbat
Ein an der Oberfläche eines Adsorbens angelagertes (adsorbiertes) Teilchen wird als Adsorbat bezeichnet. Oft wird auch die Kombination aus dem Adsorbens mit dem an ihm adsorbierten Stoff (Adsorptiv) als Adsorbat bezeichnet.
Abb.1
Veranschaulichung verschiedener Grundbegriffe der Adsorption

Bedeckungsgrad

Die Oberfläche eines Adsorbens enthält eine bestimmte Anzahl von Adsorptionsplätzen. Der Quotient aus der Anzahl der besetzten Adsorptionsplätze durch die Anzahl der vorhandenen Adsorptionsplätze wird durch den Bedeckungsgrad Θ beschrieben.

Θ = Anzahl der besetzten Adsorptionsplätze Anzahl der vorhandenen Adsorptionsplätze

Der Bedeckungsgrad Θ stellt demnach ein Maß für die Adsorption an einer Oberfläche dar.

Θ = 0 : alle Plätze sind frei

Θ = 1 : alle Plätze sind besetzt

Der Bedeckungsgrad kann auch durch einen Prozentwert angegeben werden.

Adsorptionsgeschwindigkeit

Die Geschwindigkeit, mit der eine Oberfläche vom Adsorptiv bedeckt wird, hängt davon ab, wie schnell das Adsorbens die Energie des auftreffenden Teilchens aufnehmen kann. Geschieht dies zu langsam, wird das Teilchen in die Gasphase zurückgestoßen. Es werden also nicht alle auf die Oberfläche des Adsorbens auftreffenden Teilchen adsorbiert.

Der Anteil der Stöße, die zu einer Adsorption führen, wird als Adsorptionswahrscheinlichkeit bezeichnet.

Adsorptionswahrscheinlichkeit = Häufigkeit der Adsorption von Teilchen Häufigkeit des Auftreffens von Teilchen

Die Adsorptionswahrscheinlichkeit nimmt mit steigendem Bedeckungsgrad der Oberfläche ab.

Physisorption

Die Physisorption beruht auf der Wirkung von Van-der-Waals-Kräften zwischen Adsorbat und Adsorbens. Diese Wechselwirkungen sind zwar schwach, reichen aber über große Entfernungen, da aufgrund von Van-der-Waals-Kräften auch eine Adsorption an der bestehenden Adsorbatschicht möglich ist und sich so mehrere Adsorptionsschichten ausbilden können.

Bei der Annäherung eines Teilchens an eine Oberfläche wirken auf dieses Teilchen zwei einander entgegengesetzte Kräfte: Eine abstoßende Kraft und eine anziehende Kraft. Der Betrag dieser Kräfte ist abhängig vom Abstand r zwischen Teilchen und Oberfläche. Die Abstoßungskraft ist proportional zu r 12 , während die Anziehungskraft proportional zu r 6 ist. Es kommt also zu einer Überlagerung der auf das Teilchen wirkenden Anziehungs- und Abstoßungskraft, deren Summe zu folgendem Ausdruck für die potentielle Energie des Teilchens führt:

E ( r ) = B r 6 + A r 12

Die erhaltene Funktion wird als Lennard-Jones-(6,12)-Potential bezeichnet.

Die Adsorptionsenthalpie der Physisorption liegt in der Größenordnung der Kondensationsenthalpie, typische Werte liegen bei etwa 20 kJ/mol. Diese Energie reicht nicht zum Aufbrechen von Bindungen aus, weshalb ein Molekül bei der Physisorption als solches erhalten bleibt.

Anschauliches: Vorgang der Physisorption als interaktive Abbildung

Chemisorption

Die Chemisorption beruht auf der Wirkung wesentlich stärkerer Bindekräfte, deren Stärke der chemischer Bindungen gleicht. Diese Wechselwirkungen sind bedeutend stärker als im Falle der Physisorption, es ist aber nur eine Belegung der Oberfläche mit einer Monoschicht möglich.

Im Gegensatz zur Physisorption kann ein chemisorbiertes Molekül durch die Bindung mit den Oberflächenatomen zerfallen. Wasserstoff wird z.B. an der Oberfläche von Übergangsmetallen nicht in molekularer, sondern in atomarer Form adsorbiert.

Abb.2
Zerfall von Wasserstoff während der Chemisorption

Die Adsorptionsenthalpie der Chemisorption liegt im Bereich von etwa 200 kJ/mol.

Anschauliches: Vorgang der Chemisorption als interaktive Abbildung

Desorption

Die Desorption stellt die Umkehrung der Adsorption dar. Für die Desorption ist eine Zufuhr von Energie erforderlich, da die adsorbierten Teilchen aus dem Potentialminimum, das sie durch die Adsorption erreicht haben, angehoben werden müssen.

Bei physisorbierten Teilchen ist wegen der geringen Stärke der Bindung zwischen Adsorbens und Adsorbat nur eine geringe Energiezugabe für die Desorption notwendig. Daher reichen meist schon geringe Temperaturerhöhungen aus, um die Teilchen von der Oberfläche zu entfernen. Bei chemisorbierten Teilchen müssen hingegen Bindungen gespalten werden, so dass hier eine Aktivierungsenergie aufgebracht werden muss.

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