Stellen Sie sich eine Welt vor, in der unsichtbare Kräfte Moleküle an Oberflächen binden und so die Grundlage für zahlreiche Anwendungen in Industrie und Forschung bilden. Dieses Buch enthüllt die faszinierende Welt der Adsorption, einem fundamentalen Phänomen, das von der Reinigung von Wasser und Luft bis hin zur Katalyse chemischer Reaktionen eine entscheidende Rolle spielt. Tauchen Sie ein in die Grundlagen der Physisorption und Chemisorption, lernen Sie die Unterschiede und Gemeinsamkeiten kennen und verstehen Sie, wie diese Prozesse durch verschiedene Faktoren wie Temperatur, Druck und die Beschaffenheit der beteiligten Materialien beeinflusst werden. Entdecken Sie die mathematischen Modelle, die das Verhalten von Adsorptionsprozessen beschreiben, darunter die Freundlich’sche, Langmuir’sche und BET-Adsorptionsisothermen. Anhand klarer Erklärungen und detaillierter Diagramme werden die komplexen Zusammenhänge verständlich aufgeschlüsselt, sodass Sie die Werkzeuge erhalten, um Adsorptionsprozesse zu analysieren und zu optimieren. Egal, ob Sie Student, Wissenschaftler oder Ingenieur sind, dieses Buch bietet Ihnen das nötige Wissen, um die Prinzipien der Adsorption zu meistern und innovative Lösungen für aktuelle Herausforderungen zu entwickeln. Erforschen Sie die vielfältigen Anwendungen von Adsorptionsmaterialien, von Aktivkohle und Zeolithen bis hin zu neuartigen Nanomaterialien, und erfahren Sie, wie diese Materialien eingesetzt werden, um Schadstoffe zu entfernen, Gase zu trennen und chemische Reaktionen zu beschleunigen. Werden Sie zum Experten für Adsorption und entdecken Sie das Potenzial dieser Technologie, um eine nachhaltigere und effizientere Zukunft zu gestalten. Lassen Sie sich von den neuesten Fortschritten in der Adsorptionsforschung inspirieren und entwickeln Sie neue Ideen, um die Grenzen des Möglichen zu erweitern. Dieses Buch ist Ihr Schlüssel zum Verständnis und zur Anwendung der Adsorption, einem der wichtigsten Prozesse in der modernen Wissenschaft und Technik.
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):
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Hier ist die Umformung in eine Geradengleichung zur Bestimmung von c1 und c2 sinnvoll:
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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:
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und, weil die Desorptionsgeschwindigkeit dem Belegungsgrad proportional ist:
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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
Häufig gestellte Fragen
Was ist Adsorption?
Adsorption ist der Prozess, bei dem sich Teilchen (Adsorptiv) an einer Oberfläche (Adsorbens) anlagern. Der angelagerte Stoff wird als Adsorbat bezeichnet. Die Umkehrung der Adsorption ist die Desorption.
Was ist Sorption?
Sorption tritt auf, wenn ein Stoff aus einer Phase von einer anderen aufgenommen wird.
Welche Arten der Adsorption gibt es?
Es gibt zwei Arten der Adsorption: Physisorption und Chemisorption.
Was ist Physisorption?
Bei der Physisorption wirken ausschließlich Van-der-Waals-Kräfte zwischen Adsorpt und Adsorbens. Die Adsorptionsenthalpie ist meist geringer als 50 kJ/mol. Mehrmolekulare Schichten können sich bilden.
Was ist Chemisorption?
Bei der Chemisorption besteht eine chemische Bindung zwischen Adsorpt und Adsorbens. Die Adsorptionsenthalpie ist hier viel größer als bei der Physisorption (∆ADH > 100 kJ/mol). Es kommt ausschließlich zur Ausbildung monomolekularer Schichten.
Welche Faktoren beeinflussen das Ausmaß und die Art der Adsorption?
Das Ausmaß und die Art der Adsorption hängen ab von der chemischen Natur des Adsorptivs und des Adsorbens, von der Größe und Struktur der Oberfläche, von dem Druck (Gas) oder der Konzentration (Lösung) des Adsorptivs und von der Temperatur.
Was ist die Freundlich’sche Adsorptionsisotherme?
Die Freundlich’sche Adsorptionsisotherme ist eine empirisch gefundene Beziehung, die den Zusammenhang zwischen der Zahl der adsorbierten Teilchen pro Oberflächeneinheit und der Konzentration oder dem Druck des Adsorptivs beschreibt. Sie gilt, wenn die Adsorptionsenthalpie vom Belegungsgrad abhängt. Beschreibt meist nur den Anfangsverlauf der Isotherme gut.
Was ist die Langmuir’sche Adsorptionsisotherme?
Die Langmuir’sche Adsorptionsisotherme gilt 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.
Was ist die BET-Adsorptionsisotherme?
Die BET-Adsorptionsisotherme (Brunauer, Emmet und Teller) beschreibt die mehrmolekulare Adsorption, wie sie bei der Physisorption häufig eintritt. Sie dient zur Berechnung von Oberflächen, wenn man den Molekülradius des Adsorpts kennt.
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- Benjamin Bulheller (Author), 2001, Adsorption. Chemische Grundlagen und Versuch, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/101147
