Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 18.01.16


Adsorption II

Vortrag von Florian Wunderlich im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Physikalische Chemie", WS 13/14


Gliederung:

1 Physikalische Vorgänge

2 Klassifizierung von Adsorptionsverfahren
    
2.1 Nach physikalische Kriterien
     2.2 Nach verfahrenstechnischen Kriterien

3 Anwendungsbeispiele der Adsorption
    
3.1 Oberflächenbestimmung
     3.2 Stofftrennung
     3.3 Heterogene Katalyse

4 Anforderungen an Adsorbentien

5 Theoretische Grundlagen
    
5.1 Langmuir´sche Adsorptionsisotherme
     5.2 Freundlich´sche Adsorptionsisotherme
     5.3 BET - Isotherme


…Es waren aber sechs steinerne Wasserkrüge dort aufgestellt nach der Reinigungssitte der Juden, wovon jeder zwei oder drei Maß fasste. Jesus spricht zu ihnen: Füllt die Wasserkrüge mit Wasser! Und sie füllten sie bis obenan. Und er spricht zu ihnen: Schöpft nun und bringt es dem Speisemeister! Und sie brachten es. Als aber der Speisemeister das Wasser gekostet hatte, das Wein geworden war - und er wusste nicht, woher er war, die Diener aber, die das Wasser geschöpft hatten, wussten es -, ruft der Speisemeister den Bräutigam… (Johannes 2, 1-11). Wunder oder Wissenschaft? Das gegenteilige Phänomen, nämlich Wein zu Wasser zu wandeln, wird im folgenden Experiment gezeigt. [5]

Experiment

Rotwein wird in einen Trichter mit Watte und Aktivkohle gegeben und entfärbt sich.

Experiment  Farbstoffadsorption, Entfärbung von Rotwein
Material
  • 100mL Becherglas
  • Stativ
  • Muffe und Klemme
  • Rotwein
  • Watte
  • Glastrichter
Chemikalien
  • Aktivkohle gepulvert
  • Keine Gefahren ausgewiesen
Durchführung  Zuerst Glastrichter mit Muffe und Klemme and Stativ befestigen. Kleine Menge Watte in den Glastrichter geben. Vorsicht! nicht zu sehr festdrücken. Aktivkohle auf die Watte in den Trichter geben, bis ca. 2-3 cm dicke Schicht. Becherglas unter den Trichter stellen und Rotwein vorsichtig in den Trichter geben. Darauf achten die Aktivkohle nicht aufzuwirbeln. Optional kann der gefilterte Wein gekostet werden.
Beobachtung  Der Rotwein läuft durch die Aktivkohle und tropft farblos ins Becherglas.
Interpretation  Die Farbstoffe des Weins adsorbieren an die Oberfläche der Aktivkohle.

1 Physikalische Vorgänge

Die Adsorption besteht in der Regel aus 3 Teilschritten:

  1. Stofftransport zur Oberfläche des Adsorbens

  2. Stofftransport in den Poren des Adsorbens

  3. Adsorption (exotherme Anlagerung; eig. Adsorption)

Die Desorption teilt sich in die gleichen Vorgänge in die andere Richtung, d.h.:

  1. Desorption (endothermes Ablösen; eig. Desorption)

  2. Stofftransport in den Poren aus dem Adsorbens

  3. Stofftransport weg von Adsorbens

Anhand dieser Informationen kann für die Adsorption zum Beispiel folgende Definition entwickelt werden:

Der Begriff Adsorption beschreibt den Vorgang der Anlagerung eines Moleküls aus einer gasförmigen, flüssigen oder festen Phase an einen Feststoff.


2 Klassifizierung von Adsorptionsverfahren

2.1 Nach physikalischen Kriterien

Erstes mögliches Unterscheidungskriterium ist die Bindungsenthalpie, welche hier nochmals unterschieden in Chemi- und Physisorption unterschieden wird.

Bei der Chemisorption wird das Adsorptiv mit einer Art chemischen Bindung an das Adsorbens gebunden, weshalb auch nur EINE Schicht adsorbiert. Allerdings bleiben die Teilchen auf dem Adsorbens beweglich.

Bei der Physisorption lagert sich das Adsorptiv durch van der Waal´sche Wechselwirkungen an das Adsorbens an. Daraus folgt, dass im Gegensatz zur Chemisorption das Adsorptiv erhalten bleibt, da es keine echte kovalente Bindung eingeht.

  Chemisorption Physisorption
Art der Bindung
  • Art von chem. Bindung
  • Adsorptiv wird verändert
  • Van der Waal´sche Wechselwirkungen
  • Adsorptiv wird nur polarisiert aber nicht verändert
Schichtdicke Monomolekular Mehrere Schichten möglich
Einsatzmöglichkeiten
  • Entfernen gefährlicher Stoff, wie Quecksilber
  • Katalyse
Fast alle wirtschaftlichen Nutzungen von Adsorption, wie Chromatographie oder Katalyse
Selektivität Hoch selektiv wegen Bindungsart Wenig selektiv, da nur ungerichtete VdW - Kräfte
Geschwindigkeit der Adsorption Langsam aber schneller je höher die Temperatur ist In der Regel schneller als die Chemisorption, da geringere Aktivierungsenergie

Die zweite und dritte Unterscheidungsmöglichkeit sind die Unterscheidung nach Reaktionsmechanismen oder der Selektivität. Auf beides soll allerdings im Rahmen dieser Veröffentlichung nicht weiter eingegangen werden.

2.2 Nach verfahrenstechnischen Kriterien

Unter diesem Gesichtspunkt kann zum Beispiel nach der Bauart des Adsorbers unterschieden werden, welche unter Anderem als Festbett- und Rotor-Adsorber vorliegen können. Wie bereits am Namen zu erkennen ist, wird beim Festbett-Adsorber das Adsorbens an einer festen Phase gebunden, während das Adsorptiv darüber geleitet wird. Der Rotorabsorber ist dem Festbett-Adsorber relativ ähnlich, wobei hier jedoch die Adsorbens-Betten zusätzlich rotieren. Es existieren auch noch weitere Bauarten von Adsorbern, wobei die bereits genannten die wohl häufigsten und bekanntesten darstellen.


3 Anwendungsbeispiele der Adsorption

3.1 Oberflächenbestimmung

Durch Einsetzen entsprechender Werte in die später dargestellte BET-Isotherme kann diese an eine experimentell ermittelte Isotherme angepasst und somit die Oberfläche bestimmt werden.

3.2 Stofftrennung

Die Adsorption zur Stofftrennung findet zum Beispiel Anwendung in der Adsorptionchromatographie. Hierbei werden verschiedene in Laufmittel gelöste Stoffe auf eine Platte überführt, auf der sich ein Adsorbens befindet. Die verschiedenen gelösten Adsorptive bilden dann verschieden starke „Bindungen“ mit dem Untergrund aus und werden verschieden weit vom Laufmittel transportiert bis sie sich am Adsorbens anlagern. Danach können die aufgetrennten Stoffe relativ rein extrahiert werden.

3.3 Heterogene Katalyse

Die heterogene Katalyse wird sehr oft auf sehr verschiedenen Gebieten angewandt. So zum Beispiel im Falle des PKW - Katalysators. Hier sind katalytisch aktive Edelmetalle in einer Schicht aus Aluminiumoxid eingelagert, welche die bei der Verbrennung von Kraftstoff entstehenden giftigen Gase zu harmloseren Gasen oxidieren bzw. reduzieren.


4 Anforderungen an Adsorbentien

Der erste Punkt, der bei einem vor allem industriell verwendeten Adsorbens zu beachten ist, ist, dass sein Preis möglichst gering sein sollte, um auch die Kosten des gewünschen Endprodukts gering zu halten.

Außerdem ist bei allen Adsorbentien darauf zu achten, dass sie eine möglichst große und gut zugängliche Oberfläche besitzen. Dies garantiert eine maximal große Reaktionsfläche und damit eine schnelle Reaktion mit guter Ausbeute.

Bei viele Adsorbentien, die sehr spezielle Aufgaben erfüllen müssen, muss eine maximal hohe Selektivität vorausgesetzt werden können. Dies gilt zum Beispiel bei Katalysen, die sich die Chemisorption zu nutze machen. Andere Prozesse hingegen benötigen eine geringere Selektivität, wie zum Beispiel bei einigen Anwendungen der Physisorption mit Aktivkohle.

Der hier als letztes angeführte, jedoch vor allem für die Wirtschaft enorm wichtige Punkt, sind günstige Desorptionseigenschaften. Wenn dieser Punkt nicht gegeben ist und somit das Adsorbens zur Desorption des Adsorptivs beispielsweise enorme Temperaturen benötigt, wird der Prozess sehr schnell unwirtschaftlich.


5 Theoretische Grundlagen

Ein thermodynamisches Gleichgewicht ist unter Anderem ausdrückbar durch Adsorptionsisotherme, welche die Beladung des Adsorbens gegen Partialdruck des Adsorptivs in der Gasphase bei konstanter Temperatur darstellen. Auch Adsorptionsisostere (Partialdruck gegen Temperatur bei konstanter Beladung) und Adsorptionsisobare (Beladung des Adsorbens gegen Temperatur bei konstantem Druck) können zu diesem Zweck herangezogen werden. Da jedoch die Isotherme die vermutlich wichtigste Darstellungsform sind, wird nur auf sie genauer eingegangen.

5.1 Langmuir´sche Adsorptionsisotherme

Diese spezielle Isotherme gilt NUR für Prozesse, bei denen die Teilchen des Adsorptivs weder untereinander, noch mit dem Lösungsmittel interagieren. Des Weiteren müssen alle Teilchen gleich fest gebunden sein.

Diese Voraussetzungen sind nur bei der Chemisorption gegeben.

Herleitung der Langmuir´schen Adsorptionsisotherme

p = Partialdruck des Adsorptivs

N = Bindungsstellen des Adsorbens

ads∝ p                  dΘads∝N * (1-Θ)

des∝N * Θ

Im Gleichgewicht ändert sich Θ nicht mehr.

Daraus folgt:

vdes * N * Θ = vads * p * N * (1-Θ)     /: N

vdes * Θ = vads * p * (1-Θ)     /: vdes

Θ = K * p * (1-Θ)

Wird der Term auf der rechten Seite der Gleichung nun ausmultipliziert, so ergibt sich folgende Gleichung:

Θ = Kp - KpΘ     /+ KpΘ

Θ + KpΘ = Kp

Als nächstes muss Θ ausgeklammert werden, woraus sich Folgendes ergibt:

Θ * (1 + Kp) = Kp

Durch Division durch (1 + Kp) erhält man die Formel der Langmuir´schen Adsorptionsisotherme:

0≤Θ≤1

Der Bedeckungsgrad Θ gibt das Verhältnis der Anzahl angelagerte Teilchen zur Anzahl der Teilchen in einer dicht gepackten monomolekularen Schicht an.

Wenn man den Beladungsgrad des Adsorbens gegen den Partialdruck des Adsorptivs in der Gasphase aufträgt, ergibt sich folgende Kurve:

Abb. 1: Langmuir´sche Adsorptionsisotherme [6]

5.2 Freundlich´sche Adsorptionsisotherme

Im Gegensatz zur Langmuir´schen Adsorptionsisotherme, gilt die Freundlich´sche auch wenn die Teilchen der oben beschriebenen Schicht unterschiedlich fest gebunden sind.

Die Formel für die Isotherme lautet, wie folgt:

N = a * p1⁄4     mit a und m als systemspezifischen Konstanten

Wenn man den Beladungsgrad des Adsorbens gegen den Partialdruck des Adsorptivs in der Gasphase aufträgt, ergibt sich folgende Kurve:

Abb. 2: Freundlich´sche Adsorptionsisotherme [6]

5.3 BET - Adsorptionsisotherme

Anders als die beiden vorherigen Isothermen gilt diese auch für Mehrschichtadsorptionen. Da die Formel der Isotherme relativ kompliziert ist, wird sie hier vernachlässigt.

Wenn man den Beladungsgrad des Adsorbens gegen den Partialdruck des Adsorptivs in der Gasphase aufträgt, ergibt sich folgende Kurve:

Abb. 3: BET - Adsorptionsisotherme [6]


6 Fazit

Es konnte gezeigt werden, dass nicht alles, was nach Wunder aussieht, wie z.B. die Verwandlung von Wein in Wasser, auch ein Wunder ist. Mit Hilfe der Adsorption konnte der Wein entfärbt werden und sieht deswegen nur aus wie Wasser. Die Adsorption wird jedoch nicht nur für "Zaubertricks" verwendet, sondern ist aus vielen wirtschaftlichen Prozessen, wie z.B. der Wasseraufreinigung, nicht mehr wegzudenken.


7 Literatur:

  1. Georg Job, R. R.: Physikalische Chemie, Wiesbaden, Vieweg+Teubner Verlag, 2011
  2. Peter W. Atkins, J. d.: Physikalische Chemie, Weinheim, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2006
  3. Schlenk, M.: Skript Adsorption, Grundpraktikum Physikalische Chemie Universität Bayreuth, Bayreuth, 2012
  4. https://encrypted.google.com/books?id=i1ibqyp0FrUC&printsec=frontcover&source=, 25.10.2013
  5. http://www.wo-ist-gott.info/sites/wer-oder-was-ist-gott/jesus/wunder/jesus-verwandelt-wasser-wein.htm, 01.11.2013
  6. http://de.wikipedia.org/wiki/Sorptionsisotherme, Lizenz: gemeinfrei; Urheber: Rosentod 04.11.2013

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 18.01.16