Adsorption als Phasengleichgewicht - Warum wechseln Moleküle von 3D nach 2D?

Ein ganz besonderes Phasengleichgewicht ist die Adsorption. Viele

von Ihnen werden den klassischen Versuch kennen, bei dem man Essigsäure mit Aktivkohle in Kontakt bringt und analysiert, wie viel Essigsäure auf der Aktivkohle

adsorbiert ist. An diesem Beispiel können wir die Nomenklatur der Adsorption erläutern. Wir haben eine dreidimensionale Phase - das Adsorptiv - in unserem Fall die Essigsäure, die in Wasser gelöst ist. Wir haben ein Adsorptionsmittel - ein Adsorbens - dessen Oberfläche eine besondere Rolle spielt. Auf dieser Oberfläche reichern

sich aus dem Adsorptiv Teilchen an und diese - quasi zweidimensionale - Phase nennt man Adsorbat. Das Adsorptiv kann auch eine

Gasphase darstellen. Die Adsorption wird in der Technik genutzt zum Reinigen von Stoffgemischen, weiterhin ist die Adsorption ein wichtiger Teilprozess bei der Katalyse. Die Adsorption ist ein Phasengleichgewicht. Wir haben ein dynamisches Gleichgewicht zwischen

dem Prozess der Adoption und dem umgekehrten Prozess, der Desorption. Wenn wir die Adsorption quantitativ beschreiben wollen, haben wir mehrere Möglichkeiten. Wir können zum Beispiel die Masse des Adsorbats (adsorbierte Teilchen A) zur Masse des Adsorbens

in Relation setzen und kommen zur sogenannten Belegung oder Bedeckung b(A). Wir können auch die Stoffmenge des Adsorbats n(A) zur Masse des Adsorbens in Relation setzen und kommen zur Oberflächenkonzentration a(A). Interessant ist nun, wie diese Oberflächenkonzentration a(A) von der Volumenkonzentration [A] (oder c(A)) abhängt. Dazu müssen verschiedene Adsorptionsgleichgewichte eingestellt und jeweils die Wertepaare a und [A] notiert werden. Die Auftragung der Oberflächenkonzentration a gegen die Volumenkonzentration [A] liefert dann eine Kennlinie der Adsorption - eine Adsorptions- Isotherme

- Ein typischer Verlauf dieser Isotherme ist hier dargestellt Wir erhalten keine Gerade (wie bei Phasengleichgewichten zwischen idealen Mischungen), sondern eine Kurve, die immer flacher wird und evt. einer Sättigung zustrebt. Dieses Verhalten kann

mehr oder weniger ausgeprägt sein. Eine weitere Form der Adsorptionsisotherme zeigt einen S-förmigen Verlauf: Zunächst strebt die Kurve

einer Sättigung zu, um dann wieder anzusteigen. Diese Kennlinien lassen Rückschlüsse auf molekulare Vorgänge bei der Adsorption

zu und aus einer Auswertung dieser Kennlinien kann man eine Menge Information gewinnen über das System Adsorbat / Adsorbens. Hier ist die klassische Aufnahme einer Adsorptionsisotherme aus einem gasförmigen Adsorptiv skizziert. Das Adsorbens ist an einer Waage aufgehängt. Wir stellen einen konstanten Druck des Adsorptivs ein und warten, bis sich das Gleichgewicht eingestellt hat, sich also die Massenzunahme des Adsorbens (d.h. die Masse des Adsorbats) nicht mehr ändert. Beispielsweise stehen mit dem Adsorptiv bei 1 bar Druck und 0°C 130 mg Adsorbat auf 1 g Adsorbens im Gleichgewicht.