Adsorption. Chemische Grundlagen und Versuch

Adsorption

Grundlagen

Grundbegriffe

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Lagern sich Teilchen an einer Oberfläche an, nennt man diesen Vorgang Adsorption. So können sich zum Beispiel Gasteilchen und in Flüssigkeiten gelöste Stoffe (Adsorptiv) an Festkörperoberflächen (Adsorbens) anlagern. Den angelagerten Stoff nennt man Adsorpt oder Adsorbat. Die Umkehrung der Adsorption ist die Desorption. Wird ein Stoff aus einer Phase von einer anderen aufgenommen, so spricht man von Sorption.

Man unterscheidet zwei Arten der Adsorption: die Physisorption und die Chemisorption.

Bei der Physisorption wirken ausschließlich van-der-Waals Kräfte, wie Dispersions- und Dipolwechselwirkungen zwischen Adsorpt und Adsorbens. Die Adsorptionsenthalpie ∆ADH beträgt meist weniger als 50 kJ/mol. Damit ist sie geringer als die Bindungsenergien der angelagerten Moleküle, weshalb diese erhalten bleiben, jedoch deformiert und polarisiert werden können. Die Ausbildung mehrmolekularer Schichten ist möglich.

Liegt Chemisorption vor, so besteht zwischen Adsorpt und Adsorbens eine chemische Bindung. Die Adsorptionsenthalpie ist hierbei viel größer als bei der Physisorption (∆ADH > 100 kJ/mol). Infolgedessen können Bindungen in adsorbierten Molekülen aufgebrochen werden, so ist beispielsweise Wasserstoff an Übergangsmetallen atomar adsorbiert. Bei der Chemisorption kommt es ausschließlich zur Ausbildung monomolekularer Schichten.

Ausmaß und Art der Adsorption hängen von folgenden Faktoren ab:

1.) von der chemischen Natur des Adsorptivs und des Adsorbens,
2.) von der Größe und Struktur der Oberfläche,
3.) von dem Druck (Gas) oder der Konzentration (Lösung) des Adsorptivs,
4.) von der Temperatur.

Für den Zusammenhang zwischen der Zahl der pro Oberflächeneinheit adsorbierten Teilchen und dem Druck bzw. der Konzentration des Adsorptivs wurden mehrere mathematische Beziehungen aufgestellt.

Freundlich’sche Adsorptionsisotherme

Ist die Adsorptionsenthalpie abhängig vom Belegungsgrad, so gilt die empirisch gefundeneFreundlich’sche Adsorptionsisothermefür die Konzentration oder den Druck (in allen folgenden Formeln kann c durch p ersetzt werden):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Hier ist die Umformung in eine Geradengleichung zur Bestimmung von c1 und c2 sinnvoll:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die von Freundlich gefundene Beziehung beschreibt meist nur den Anfangsverlauf der Isotherme gut.

Langmuir’sche Adsorptionsisotherme

DieLangmuir’sche Adsorptionsisothermegilt für die Ausbildung einer monomolekularen Adsorptionsschicht. Vorausgesetzt wird, dass die Adsorptionsenthalpie unabhängig von der Belegung ist und dass eine homogene Adsorbensoberfläche vorliegt. Die Temperatur wird konstant gehalten.

Am einfachsten kann man diese Adsorptionsisotherme über eine Betrachtung der Kinetik von Adsorption und Desorption herleiten. Hat sich ein Gleichgewicht zwischen Adsorption und Desorption eingestellt, so sind die Geschwindigkeiten der Stoffanlagerung und –abgabe gleich:

rA = rD

Die Adsorptionsgeschwindigkeit ist proportional dem Produkt der Konzentrationen der Reaktionspartner Adsorptiv und freier Oberfläche. Die Konzentration des Adsorptivs wird durch die Konzentrationcoder den Druckpdargestellt. Die freie Oberfläche lässt sich durch illustration not visible in this excerpt Belegungsgrad, na n¥ = Zahl der adsorbierten Moleküle und n∞ = Zahl der Moleküle einer vollständig gepackten monomolekularen Schicht definieren. Damit gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

und, weil die Desorptionsgeschwindigkeit dem Belegungsgrad proportional ist:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das Diagramm zeigt Langmuir’sche Adsorptionsisotherme für zwei Temperaturen (T1 < T2):

Um die Konstanten n∞ und k bestimmen zu können, ist es sinnvoll, die obige Gleichung zu einer Geradengleichung umzuformen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

k und n∞ lassen sich nun über Steigung und Achsenabschnitt der Geraden bestimmen.

Die BET-Adsorptionsisotherme

Zur Beschreibung der mehrmolekularen Adsorption, wie sie bei der Physisorption häufig eintritt, leiteten Brunauer, Emmet und Teller die nach ihnen benannte BET- Isotherme ab:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Mit p = Gleichgewichtsdruck bei der Belegung na

p* = Sättigungsdampfdruck des reinen Adsorptivs bei T

n∞ = monomolekulare Belegung

- (EA - E K )

b = e illustration not visible in this excerpt

Es handelt sich um eine Geradengleichung, aus deren Steigung und Ordinatenabschnitt n∞ und bei Kenntnis von b die Adsorptionsenthalpie bestimmbar sind. Große Bedeutung hat diese Formel bei der Berechnung von Oberflächen, wenn man den Molekülradius des Adsorpts kennt.