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Vertiefung: Erklärung des Hysterese-Phänomens

Wird der relative Druck eines Gases (Verhältnis von eingestelltem Druck zum Sättigungsdampfdruck des Gases), das in Kontakt mit einem porösen Adsorbens steht, von null auf eins gesteigert, so kommt es zur Bedeckung der Adsorbensoberfläche und Füllung der Poren. Bei kleinen relativen Drücken werden zunächst die Mikroporen gefüllt. Gleichzeitig wird auf der Oberfläche der Meso- und Makroporen und auf den nicht porösen Teilen der Oberfläche eine monomolekulare Schicht des Adsorbats gebildet. Bei weiterer Steigerung des relativen Drucks beginnt die Mehrschichtadsorption.

Erreicht der relative Druck einen Wert von etwa 0,3, so lässt sich bei mesoporösem Material eine stärkere Zunahme des adsorbierten Volumens beobachten, als dies aufgrund der Mehrschichtadsorption bei diesem Druck zu erwarten wäre. Dies wird durch die so genannte Kapillarkondensation hervorgerufen.

Das Prinzip der Kapillarkondensation kann wie folgt erklärt werden: Erreicht die durch Mehrschichtadsorption gebildete Adsorbatschicht eine bestimmte Größe, kommt es zu einer Überlagerung der Adsorbatschichten an den gegenüberliegenden Seiten der Pore. Die flüssige Adsorbatschicht bildet einen konkaven Meniskus.

Der Dampfdruck über dieser konkav gekrümmten Oberfläche ist kleiner als der Dampfdruck über einer ebenen Oberfläche bei derselben Temperatur.

Abb.1

Das mit dieser gebildeten konkaven Oberfläche im Gleichgewicht stehende Gas zeigt nach der Kelvin-Gleichung einen geringeren Dampfdruck als über einer ebenen Flüssigkeitsoberfläche. Die Kondensation in den Hohlräumen der Poren tritt demgemäß schon bei niedrigeren Dampfdrücken p als dem Sättigungsdampfdruck p 0 ein. Diese Erscheinung wird als Kapillarkondensation bezeichnet.

Die Kapillarkondensation äußert sich häufig durch das Auftreten einer Adsorptions-/Desorptionshysterese. Die Hysterese wird durch die Unterschiede in den Mechanismen zum Füllen und Leeren der Poren spezifischer Form und Größe hervorgerufen.