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Adsorption an Oberflächen 06:01 min

Textversion des Videos

Transkript Adsorption an Oberflächen

Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es um Adsorption an Oberflächen. Das ist ein weiteres Video zum Thema "Heterogene Gleichgewichte". Um ausreichend Vorkenntnisse zu besitzen, ist es ratsam, sich bereits die Videos "Gesättigte Lösungen und Löslichkeit", "Nernst-Verteilungsgesetz" und "Henry-Dalton-Gesetz" anzuschauen. Mein Ziel ist es, euch in diesem Video ein grundlegendes Verständnis der Adsorption zu vermitteln. Der Film ist in vier Abschnitte gegliedert: 1. Adsorption 2. Adsorbentien 3. Bedingungen für die Adsorption 4. Anwendung   1. Adsorption Adsorption findet immer an einem Feststoff statt. Als Partner des Feststoffes benötigt man Teilchen. Entweder Gasteilchen oder Flüssigkeitsteilchen oder Teilchen in Lösung. Frei bewegliche Teilchen haben die Eigenschaft, sich auf der Feststoffoberfläche anzulagern. Dieses Anhaften von Teilchen auf einer Feststoffoberfläche bezeichnet man als Adsorption. Die Teilchen bilden meist auf der Feststoffoberfläche nur eine einzelne Schicht, einen sogenannten Monolayer, aus. Die Teilchen auf der Feststoffoberfläche stehen dabei mit den Teilchen aus dem Gas beziehungsweise aus der Flüssigkeit im Gleichgewicht. a) ist das Adsorbens, das heißt der Feststoff, der die Teilchen adsorbiert. b) ist das Adsorbat, das heißt die Teilchen der Gasphase. c) ist die Gasphase. Der Prozess der Adsorption wird durch sogenannte Adsorptionsisothermen, das heißt Prozesse bei gleich bleibender Temperatur, beschrieben. N ist hier die Teilchenzahl oder ein Maß für diese.  Nm ist die Teilchenzahl, die bei Sättigung erreicht wird. Die Temperatur T1 ist kleiner als die Temperatur T2. Das kann man daran erkennen, dass bei T1 die Sättigung schneller erfolgt. Der Bereich 3 beschreibt die Kondensation. Hier ist das Adsorbens nicht mehr in der Lage, weitere Teilchen aufzunehmen. Die Adsorption wird beschrieben bei steigendem Druck beziehungsweise bei steigender Konzentration.   2. Adsorbentien Aus der Vielzahl von Adsorbentien möchte ich einige bekannte aufzählen. Aktivkohle, Aluminiumoxid, Heilerde, Molsiebe und Zeolithe. Obwohl diese Stoffe verschieden sind, ergibt sich die Frage: "Welche gemeinsame Eigenschaft besitzen sie, die sie zu Adsorbentien macht?" Diese Frage werden wir unter anderem beantworten, wenn wir 3. die Bedingungen für die Adsorption besprechen. Stellvertretend für die Adsorbentien möchte ich hier das Bild von Heilerde einblenden. 1. Das ist die Beantwortung unserer aus 2 gestellten Frage: Das Absorbens muss eine große Oberfläche aufweisen, damit es das Adsorbat aufnehmen kann. 2. Und das ist, glaube ich, selbstverständlich: Das Adsorbat muss in ausreichend hoher Konzentration vorliegen, damit es überhaupt vorrätig für die Adsorption ist. Statt Konzentration kann man bei Gasen auch den Druck verwenden. 3. Es müssen mäßige Temperaturen vorhanden sein, damit die adsorbierten Moleküle sich nicht wieder ablösen. Man arbeitet bei Adsorptionsprozessen unter isothermen Bedingungen. Betrachtet man den Prozess der Adsorption vom Standpunkt der Thermodynamik, so kann man sagen, dass eine ausreichen hohe Adsorptionsenergie vorhanden sein muss, damit der Prozess überhaupt abläuft. Eindrucksvolle Beispiele für diese Aussage liefern die Metalle Chrom und Eisen und einige Gase. Bei den Gasen handelt es sich um Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff und Ethen (auch Ethylen genannt). Die molaren Enthalpien gebe ich in Kilojoule pro Mol an (kJ/mol). Vom Betrag her sind diese Werte negativ. Kohlenstoffmonoxid auf Chrom ergibt einen Wert von -192. Wasserstoff auf Chrom liefert eine molare Enthalpie von -188. Der Wert auf Eisen ist etwas niedriger mit -134. Einen gewaltigen Wert erhält man für die Wechselwirkung von Ethylen auf Chrom, mit -427. Der entsprechende Wert für Eisen ist deutlich niedriger, -248.   4. Anwendung Die beiden wesentlichen Anwendungen der Adsorption an Oberflächen sind die Stoffreinigung und Stofftrennung. Sie werden für unterschiedlichste Arten von Filtern verwendet. Als zwei Beispiele möchte ich den Gasmaskenfilter und den Zigarettenfilter nennen. In der Medizin verwendet man Adsorptien, um unliebsame Substanzen bei Entzündungen des Magen-Darm-Traktes bzw. bei Blähungen zu beseitigen. Als letztes Beispiel unter der Vielzahl von Anwendungen möchte ich die Feintrennung der Stoffe bei der Luftzerlegung nennen. Die Anlagen, in denen man die Adsorption nachschaltet, bezeichnet man als Luftzerlegungsanlagen.

Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute. Auf Wiedersehen.

2 Kommentare
  1. Dankeschön.

    Von André Otto, vor mehr als 2 Jahren
  2. sehr gut beschrieben

    Von Kyrillos G., vor mehr als 2 Jahren

Adsorption an Oberflächen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Adsorption an Oberflächen kannst du es wiederholen und üben.

  • Definiere den Begriff Adsorption.

    Tipps

    Der Begriff Adsorption stammt vom lateinischen adsorbere =„ansaugen“ ab.

    Lösung

    Der Prozess der Adsorption beschreibt das Anhaften von Teilchen an einem Feststoff. Diese Teilchen können gasförmig oder flüssig sein, aber auch gelöste Feststoffteilchen in einer Lösung. Die Adsorption ist ein Gleichgewicht. Im Gleichgewicht liegen dabei die anhaftenden Teilchen mit den freien Teilchen.

  • Nenne die Anwendungen der Adsorption.

    Tipps

    Die Adsorption wird ähnlich wie die Chromatographie verwendet.

    Lösung

    Die Adsorption ist genau wie auch die Filtration, Destillation, Chromatographie, usw. ein Trennverfahren. Trennverfahren haben im Grunde zwei Aufgaben. Zum einen sollen sie eine Komponente in einem Stoffgemisch von anderen Komponenten trennen. Zum anderen werden Trennverfahren verwendet, um nach einer Synthese das Produkt zu reinigen.

  • Benenne die wesentlichen Schritte der Adsorption.

    Tipps

    Der abgebildete Vorgang ist ein Gleichgewicht.

    Lösung

    Die Adsorption beschreibt einen Vorgang, bei dem sich Teilchen an einen Feststoff anhaften. Dieser Prozess stellt ein Gleichgewicht dar. Im Gleichgewicht liegen dabei anhaftende Teilchen und die Teilchen in Gasphase vor. Es lösen sich also immmer wieder Teilchen und gleichzeitig haften andere Teilchen wieder an. Das Anhaften wird dabei als Adsorption bezeichnet, das Lösen als Desorption.

    Feststoffe, die in der Lage sind, Teilchen an sich haften zu lassen, werden Adsorbens genannt, die Teilchen, die anhaften, als Adsorbat. Es bildet sich eine Schicht aus, wobei die Teilchen die gesamte Oberfläche des Adsorbens bedecken, man spricht auch von einem Monolayer.

  • Erkläre die Entfärbung von Cola mit Aktivkohle.

    Tipps

    Was unterscheidet eine braune Flüssigkeit von einer farblosen Flüssigkeit?

    Welche Funktion hat die zusätzliche Schicht Aktivkohle im Filterpapier?

    Lösung

    Würde man Cola durch ein Filterpapier gießen, würde sich das Filtrat nicht von der Cola unterscheiden. Das Ausschlaggebende bei diesem Versuch ist die Schicht Aktivkohle. Sie besitzt eine sehr große innere Oberfläche. Sie besitzt also in ihrer Struktur sehr viele Hohlräume. Dadurch lassen sich an ihr viele Moleküle adsorbieren. Aktivkohle ist also ein gutes Adsorbens. Aber welche Teilchen aus der Cola haften denn nun an der Aktivkohle? Unter anderem werden die gelösten Farbstoffmoleküle adsorbiert, die die Cola braun färben. Das lässt sich gut beobachten, da das erhaltene Filtrat farblos ist.

    Verbessern lässt sich die Entfärbung übrigens, wenn du vor der Filtration eine Suspension aus Aktivkohle und Cola herstellst und die Aktivkohle eine Weile in der Cola rühren lässt. Die Kontaktzeit ist größer und die Adsorption damit vollständiger.

  • Bestimme die Isotherme zu folgendem Beispiel.

    Tipps

    Überlege dir, wie sich die Anzahl der adsorbierten Teilchen verändert, wenn der Druck steigt.

    Lösung

    Bei einer Adsorptionsisotherme lassen sich gut die einzelnen Schritte der Adsorption erkennen. Zunächst steigt die Teilchenanzahl, die adsorbiert wird. Dieser Anstieg erfolgt sehr steil. Sind dann alle Plätze auf dem Adsorbens mit Teilchen belegt, bleibt die Anzahl der Teilchen konstant. Es können einfach nicht mehr Teilchen vom Adsorbens aufgenommen werden als freier Platz vorhanden ist. Dieser konstante Wert stellt die Sättigung des Adsorbens dar und liegt natürlich höher, wenn auch die innere Oberfläche des Adsorbens höher liegt.

    Diese klassische Adsorptionsisotherme setzt einige vereinfachte Annahmen voraus. So wird angenommen, dass alle Plätze auf dem Adsorbens gleich „beliebt“ sind und es keine Wechselwirkungen zwischen den anhaftenden Teilchen gibt. Außerdem wird vereinfacht davon ausgegangen, dass sich nur Monolayer bilden. Die Isotherme, die nach diesen Annahmen entsteht, wird auch „Langmuir-Isotherme“ bezeichnet.

  • Entscheide, welche Adsorbenten hydrophil und welche hydrophob sind.

    Tipps

    Hydrophile, also wasserliebende Verbindungen, sind polar.

    Lösung

    Die Adsorption wird unter anderem zur Reinigung von Substanzen verwendet. Um aus einem Stoffgemisch nun gezielt Substanzen herauszutrennen, muss das Adsorbens selektiv sein und unterschiedliche Adsorptionstendenzen aufweisen. Um unpolare Komponenten abzutrennen, können hydrophobe Adsorbenten verwendet werden und um polare Komponenten abzutrennen, sind hydrophile Adsorbenten nützlich.