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Adsorption an Oberflächen

Erfahre, wie Teilchen an Feststoffoberflächen haften und welche Unterschiede zwischen Adsorption und Absorption bestehen. Entdecke die physikalische und chemische Adsorption sowie Beispiele und Anwendungen. Interessiert? Dies und vieles mehr findest du im folgenden Text.

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Was ist Adsorption?

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André Otto
Adsorption an Oberflächen
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Grundlagen zum Thema Adsorption an Oberflächen

Absorption an Oberflächen – Chemie

Auch wenn du den Begriff Adsorption möglicherweise noch nie gehört hast, das Prinzip der Adsorption begegnet dir ständig im Alltag. Bei der Adsorption bleiben Teilchen von Flüssigkeiten oder Gasen auf der (porösen) Oberfläche eines Feststoffs haften. In diesem Lerntext wird auf einfache Weise erklärt, was Adsorption ist und was der Unterschied zwischen adsorbieren und absorbieren ist.

Um die folgenden Inhalte besser zu verstehen, solltest du die Videos gesättigte Lösungen, nernstscher Verteilungssatz und das Henry-Dalton-Gesetz angeschaut haben.

Was ist Adsorption an Oberflächen? – Definition

Unter der Adsorption versteht man das Anhaften von Teilchen aus Flüssigkeiten oder Gasen auf Feststoffoberflächen aufgrund von intermolekularen Kräften. In der Regel bilden die Teilchen dabei auf der Feststoffoberfläche nur eine einzige Schicht aus. Diese einzelne Schicht wird als Monolayer bezeichnet. Die Teilchen auf der Oberfläche stehen dabei mit den Teilchen aus der Gas- bzw. der Flüssigkeitsphase in einem Gleichgewicht. Eine Adsorption stellt ein heterogenes Gleichgewicht dar.

Adsorption und Absorption unterscheiden sich voneinander. Unter der Absorption wird das Eindringen eines Stoffs in das Innere eines Materials verstanden. Beispielsweise spricht man von der Absorption, wenn ein Schwamm Wasser aufsaugt.

Unterschied Absorption und Adsorption (Definition)

Grundlagen und Begriffe der Adsorption

Bei der Adsorption wird zwischen der chemischen und der physikalischen Adsorption unterschieden. Die physikalische Adsorption beruht auf Bindungskräfte wie den Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, den Van-der-Waals-Kräften oder den Wasserstoffbrückenbindung.

Die chemische Adsorption beruht auf den unterschiedlichen chemischen Bindungskräften wie der Atombindung oder Ionenbindung.

Wichtige Begriffe zur Adsorption sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst:

Begriff Erklärung Beispiele
Adsorbens Feststoff: Adsorption der Teilchen
Große und poröse Oberfläche
Aktivkohle, Aluminiumoxid, Heilerde, Molsiebe und Zeolithe
Adsorbat Teilchen der Gas- oder Flüssigphase
Es muss in ausreichender Konzentration vorliegen.
Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff, Ethen
Adsorptiv Teilchen, die nicht direkt an das Adsorbens angelagert sind, sondern frei in der gasförmigen oder flüssigen Phase vorliegen

Adsorptionsisothermen und Adsorptionswärme

Damit die Adsorption überhaupt an einer Oberfläche stattfinden kann, muss das Adsorbat in ausreichend großer Konzentration vorliegen. Es muss außerdem eine mäßige Temperatur vorliegen. Das bedeutet, dass es nicht zu warm sein darf, damit sich die adsorbierten Moleküle nicht wieder von der Oberfläche lösen. Je wärmer es ist, desto schneller löst sich das Adsorbat wieder von der Oberfläche. Dieser Vorgang heißt dann Kondensation. Die mäßige Temperatur ist dabei abhängig von der Oberfläche und dem Adsorbat. Je kälter es ist, desto mehr Adsorbat bleibt an der Oberfläche haften.

Der Begriff Adsorptionsisotherme beschreibt den Gleichgewichtszustand der Adsorption eines Stoffs an einer Oberfläche bei konstanter Temperatur.

Damit der Vorgang der Adsorption überhaupt abläuft, muss eine ausreichend große Adsorptionsenergie vorhanden sein. Bei der Adsorption verändert sich der Wärmeinhalt (Adsorptionsenthalpie) des Adsorbens und des Adsorbats. Man spricht auch von der Adsorptionswärme. Die frei werdende Bindungsenergie bei einer Adsorption beträgt ca. 10 bis 50 $\pu{kJ//mol}$.

Die Tabelle zeigt Beispiele für die Adsorptionsenergie zwischen den Metallen Chrom $\ce{Cr}$ und Eisen $\ce{Fe}$ und den Gasen Kohlenstoffmonoxid $\ce{CO}$ , Wasserstoff $\ce{H2}$ und Ethen $\ce{C2H4}$ .

$\pu{kJ//mol}$ $\ce{Cr}$ $\ce{Fe}$
$\ce{CO}$ −192
$\ce{H2}$ −188 −134
$\ce{C2H4}$ −427 −248

Beispiele und Anwendungen der Adsorption

Mithilfe der Adsorption sind zum Beispiel verschiedene Trenn- und Reinigungsverfahren möglich. Weißt du auch, was ein Trennverfahren ist, das auf der Adsorption beruht? Beispielsweise handelt es sich bei der Chromatografie wie bei der Dünnschichtchromatografie um ein Trennverfahren mittels Adsorption. Bei dem Vorgang der Chromatografie findet eine Adsorption von Teilchen auf der Oberfläche eines Feststoffs statt. Da die Flüssigkeit oder das Gas als Adsorbat unterschiedlich stark an der Oberfläche haftet, kann ein Gemisch aus unterschiedlichen Stoffen getrennt werden.

Die Adsorption wird im Alltag zum Beispiel bei Zigarettenfiltern und Gasmaskenfiltern eingesetzt.

Dieses Video

In diesem Video lernst du, auf welcher Grundlage die Adsorption beruht, was bei einer Adsorption passiert und welche Bedingungen für eine Adsorption vorliegen müssen.

Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!

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Vorschaubild einer Übung

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.

3 Kommentare
  1. Das video hat mir das thema gut erklärt :)

    Von Janne Hinrichsen, vor mehr als 4 Jahren
  2. Dankeschön.

    Von André Otto, vor etwa 8 Jahren
  3. sehr gut beschrieben

    Von Kyrillos G., vor etwa 8 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.

  • 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.

  • 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.

  • 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.

  • 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.

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