Eigenschaften des Adsorptionsprozesses. Adsorptionsprozess

Adsorption.

Sorption

Sorption(vom lateinischen sorbeo – absorbieren, einziehen) ist jeder Vorgang der Aufnahme einer Substanz ( sorbtiva) Andere ( Sorptionsmittel), unabhängig vom Absorptionsmechanismus.

Je nach Sorptionsmechanismus unterscheidet man Adsorption, Absorption, Chemisorption und Kapillarkondensation.

Adsorption

Adsorption Dies ist ein Prozess, der an der Schnittstelle stattfindet. Es betrifft nur die Oberflächenschichten der interagierenden Phasen und erstreckt sich nicht auf die tieferen Schichten dieser Phasen.

Adsorption ist das Phänomen der Ansammlung einer Substanz auf der Oberfläche einer anderen. Im Allgemeinen ist Adsorption eine Änderung der Konzentration eines Stoffes an der Grenzfläche.

Absorption

Absorption Im Gegensatz zur Adsorption handelt es sich dabei um einen Prozess, der nicht nur die Phasengrenzfläche betrifft, sondern sich auch ausbreitet für das gesamte Volumen des Sorptionsmittels.

Ein Beispiel für einen Absorptionsprozess ist die Auflösung von Gasen in einer Flüssigkeit.

Chemisorption

Chemisorption ist die Aufnahme eines Stoffes durch einen anderen, begleitet von deren chemischer Wechselwirkung.

Kapillare Kondensation

Kapillare Kondensation- Verflüssigung von Dampf in Kapillaren, Rissen oder Poren in Feststoffen.

Das Phänomen der Kondensation unterscheidet sich von der physikalischen Adsorption.

Somit unterscheiden sich Sorptionsprozesse in ihrem Mechanismus. Jeder Sorptionsprozess beginnt jedoch mit der Adsorption an der Grenze der Kontaktphasen, die flüssig, gasförmig oder fest sein können.

Adsorption

Wir möchten Sie daran erinnern Adsorption ist das Phänomen der Ansammlung einer Substanz auf der Oberfläche einer anderen. Allgemein, Adsorption nennen wir die Änderung der Konzentration eines Stoffes an der Grenzfläche.

Adsorption tritt auf allen Phasengrenzflächen auf und es können beliebige Stoffe adsorbiert werden.

Adsorptionsgleichgewicht, d.h. Die Gleichgewichtsverteilung der Materie zwischen der Grenzschicht und den angrenzenden Phasen ist ein dynamisches Gleichgewicht und stellt sich schnell ein.

Adsorption nimmt mit sinkender Temperatur ab.

Der aufgenommene Stoff, der sich noch im Volumen der Phase befindet, wird aufgerufen adsorbierend, absorbiert - Adsorbat. Substanz, an deren Oberfläche Adsorption stattfindet - Adsorptionsmittel.

Adsorption ist ein reversibler Prozess. Den umgekehrten Vorgang der Adsorption nennt man Desorption.

Die Entfernung adsorbierter Stoffe aus Adsorbentien mittels Lösungsmittel nennt man Elution.

Unterscheiden molekular Und Ionenadsorption. Diese Unterscheidung erfolgt abhängig davon, was adsorbiert wird – Moleküle oder Ionen des Stoffes.

Adsorption an der Oberfläche von Flüssigkeiten

Partikel von in Flüssigkeiten gelösten Stoffen können an der Oberfläche von Flüssigkeiten adsorbieren. Adsorption begleitet den Auflösungsprozess und beeinflusst die Verteilung der gelösten Partikel zwischen der Oberflächenschicht des Lösungsmittels und seinem Innenvolumen.

Gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik tendiert die Oberflächenenergie von Flüssigkeiten zu einem Minimum. In reinen Lösungsmitteln nimmt diese Energie durch die Verringerung der Oberfläche ab.

In Lösungen kann die Oberflächenenergie aufgrund von Änderungen der Partikelkonzentration in der Oberflächenschicht der Flüssigkeit abnehmen oder zunehmen.

Gibbs Es wurde festgestellt, dass die Verteilung eines in einer Flüssigkeit gelösten Stoffes so erfolgt, dass eine maximale Abnahme der Oberflächenspannung erreicht wird.

Er schlug auch eine Gleichung vor, die die Adsorptionsmenge bestimmt G, also ein Überschuss einer Substanz, der sich in 1 cm 2 einer Oberflächenschicht mit einer Dicke von etwa einem Molekül ansammelt, verglichen mit dem Gehalt dieser Substanz im gleichen Volumen innerhalb der Flüssigkeit.

Wo Δσ - Änderung der Oberflächenspannung entsprechend einer Konzentrationsänderung ΔС.

Größe Δσ/ΔС angerufen Oberflächenaktivität.

Somit, Adsorption G hängt von der Oberflächenaktivitätswerte Und Konzentration der Substanz C.

Wenn die Oberflächenspannung abnimmt, dann Adsorption G Es hat positiver Wert.

Positive Adsorption. Tenside.

Je stärker eine Substanz die Oberflächenspannung senkt, desto stärker reichert sie sich in der Oberflächenschicht an.

Die Konzentration des gelösten Stoffes in der Oberflächenschicht wird deutlich höher sein als im restlichen Flüssigkeitsvolumen. Der resultierende Konzentrationsunterschied führt zwangsläufig zu einer Diffusion, die von der Oberflächenschicht in die Flüssigkeit gerichtet ist und den vollständigen Übergang aller gelösten Partikel in die Oberflächenschicht behindert. Es stellt sich ein mobiles Adsorptionsgleichgewicht zwischen dem gelösten Stoff in der Oberflächenschicht und dem restlichen Flüssigkeitsvolumen ein.

Adsorption, begleitet von der Anreicherung eines Stoffes in der Oberflächenschicht, heißt positiv. Seine Grenze ist die vollständige Sättigung der Oberflächenschicht mit der adsorbierten Substanz.

Man spricht auch von positiv adsorbierenden Stoffen Tenside (Tensid). In wässrigen Lösungen die Rolle Tensid Substanzen mit fettiger und diphiler Natur (Fette, die meisten Fettsäuren, Ketone, Alkohole, Cholesterin usw.) werden eine Rolle spielen.

Negative Adsorption. Oberflächeninaktive Substanzen.

Wenn die Oberflächenspannung des gelösten Stoffes steigt, wird er aus der Oberflächenschicht in das Adsorptionsmittel gedrückt. Diese Adsorption nennt man Negativ.

Die Grenze der negativen Adsorption ist die vollständige Verdrängung des Adsorbens aus der Oberflächenschicht in das Adsorbens (Lösungsmittel).

Aufgrund der unterschiedlichen Konzentrationen Es kommt zur Diffusion, die auf die Oberflächenschicht gerichtet wird. Daher wird in der Oberflächenschicht immer eine gewisse Menge Adsorptionsmittel vorhanden sein.

Stoffe, die die Oberflächenspannung stark erhöhen, sind in der Oberflächenschicht verdünnter Lösungen fast nicht enthalten. Erst eine deutliche Erhöhung der Konzentration solcher Lösungen führt zur Bewegung merklicher Mengen gelöster Substanz in die Oberflächenschicht, was mit einer Erhöhung der Oberflächenspannung einhergeht.

Als negativ adsorbierende Stoffe werden bezeichnet oberflächeninaktiv.

Adsorption und Oberflächenspannung biologischer Flüssigkeiten

Von großer Bedeutung ist die negative und positive Adsorption verschiedener Substanzen im Blut und Protoplasma von Zellen Stoffwechsel in lebenden Organismen.

Die Oberflächenspannung biologischer Flüssigkeiten ist erheblich unten als Wasser. Daher reichern sich hydrophobe Substanzen wie Fettsäuren und Steroide an an den Wänden von Blutgefäßen, Zellmembranen, was ihr Eindringen durch diese Membranen erleichtert.

Für die Adsorption aus wässrigen Lösungen ist die Anwesenheit polarer ( hydrophil) und unpolar ( hydrophob) Gruppen.

Im Buttersäuremolekül gibt es also eine polare Gruppe UNS und hydrophobe Kohlenwasserstoffkette:

Moleküle, die gleichzeitig beide Arten von Gruppen besitzen, werden genannt diphil.

In einem diphilen Molekül mit kurze hydrophobe Kette sich durchsetzen hydrophile Eigenschaften Daher lösen sich solche Moleküle gut in Wasser und werden negativ adsorbiert.

Mit zunehmender Länge der Kohlenwasserstoffkette nehmen die hydrophoben Eigenschaften der Moleküle zu und ihre Löslichkeit in Wasser nimmt ab.

Zu den Tensiden zählen daher Stoffe mit diphiler Struktur, die eine geringere Oberflächenspannung als das Lösungsmittel aufweisen und deren Auflösung zu einer positiven Adsorption führt, die zu einem Abfall der Oberflächenspannung führt.

Tenside haben die gegenteiligen Eigenschaften.

Gleichzeitig mit der Zunahme der hydrophoben Eigenschaften von Molekülen nimmt deren Oberflächenaktivität zu. Somit kommt es zur Kettenverlängerung in der homologen Reihe von Fettsäuren, Alkoholen, Aminen usw. durch Radikale –CH2– erhöht ihre Fähigkeit zur positiven Adsorption in verdünnten Lösungen 3,2 Mal(Traube-Duclos-Regel).

Moleküle von Stoffen mit überwiegend hydrophoben Eigenschaften (Fettsäuren mit hohem Molekulargewicht usw.) befinden sich hauptsächlich auf der Wasseroberfläche und bilden Oberflächenfilme.

Bei einer geringen Anzahl solcher Moleküle bildet sich kein Oberflächenfilm. Wenn es viele Moleküle gibt, dann sind sie geordnet nebeneinander angeordnet und ihre hydrophoben Teile ragen über die Wasseroberfläche hinaus und bilden die sogenannte Langmuir-Palisade.

1 – zufällige Anordnung amphiphiler Moleküle;
2 - Langmuir-Palisade;
3 – überschüssige Moleküle;
4 – hydrophiler Teil der Moleküle;
5 – hydrophober Teil der Moleküle;

Oberflächenfolie besteht aus einer monomolekularen Schicht von Molekülen, von denen jedes einen bestimmten Bereich auf der Wasseroberfläche einnimmt. Die Dicke der Schicht und die von jedem Molekül eingenommene Fläche können berechnet werden.

So nehmen Fettsäuremoleküle mit jeweils einer polaren Gruppe (Butter-, Valerian-, Caprinsäure etc.) eine Fläche auf der Wasseroberfläche ein
21 10 -16 cm 2, unabhängig von der Länge der Kohlenwasserstoffkette.

Fettsäuren mit zwei polaren Gruppen (z. B. Ölsäure) nehmen die doppelte Fläche ein, und Moleküle mit drei polaren Gruppen (z. B. Tristearin) nehmen die dreifache Fläche ein usw.

Bei einem Überschuss einer Substanz mit überwiegend hydrophoben Eigenschaften befinden sich deren Moleküle oberhalb des molekularen Films.

Caisson-Krankheit

Die Bildung von Oberflächenfilmen erschwert häufig den Filtrationsprozess.

An der Luft-Wasser-Grenzfläche kann ein Tensid in Luftblasen in Lösung adsorbiert werden. Der Film dieser Substanz bildet eine Art Hülle um die Blase. Wenn eine solche Blase durch enge Poren im Filter gedrückt wird, kann sie sich nicht stark verformen und kann daher größere Löcher im Filter verstopfen als eine Blase ohne Folie.

Taucher, die in großen Tiefen arbeiten, erleben manchmal das sogenannte Dekompressionskrankheit. Ihren Raumanzügen wird Luft unter Druck zugeführt und dadurch lösen sich vermehrt Gase im Blut der Taucher.

Steigt man zu schnell an die Oberfläche, sinkt der Druck in den Raumanzügen stark ab, und Ein erheblicher Teil der Blutgase wird in Form von Blasen freigesetzt, auf dem sich ein Oberflächenfilm aus im Blut enthaltenen Tensiden bildet.

Gasblasen verstopfen kleine Gefäße in verschiedenen Geweben und Organen, was zu schweren Erkrankungen oder sogar zum Tod eines Menschen führt.

Eine ähnliche Pathologie kann auch durch einen starken Abfall des Atmosphärendrucks beim Druckentlasten der Raumanzüge und Flugzeugkabinen von Piloten bei Höhenflügen entstehen.

Zur Behandlung der Dekompressionskrankheit wird der Patient in eine Druckkammer gebracht, in der ein hoher Druck erzeugt wird. Gasblasen lösen sich im Blut wieder auf. Im Laufe mehrerer Tage wird der Druck in der Druckkammer langsam reduziert. Während dieser Zeit werden überschüssige Gase aus dem Blut ebenso langsam über die Lunge abtransportiert, ohne dass es zu Verstopfungen kommt.

Adsorption durch Feststoffe

Feststoffe können Gase und Dämpfe sowie Moleküle und Ionen gelöster Stoffe adsorbieren.

Die Art der Kräfte, die die Adsorption verursachen

Die Adsorption an Feststoffen kann durch das Vorhandensein anziehender Kraftfelder erklärt werden, die durch unausgeglichene Bindungen im Kristallgitter entstehen.

An hervorstehenden Stellen eines festen Adsorbens (an aktiven Zentren) ist die Adsorption besonders stark. Also Projektionen auf einem Stück Kohle 4,5 Mal Sauerstoff intensiver adsorbieren, als Aussparungen auf seiner Oberfläche.

Adsorptionskräfte setzen sich zusammen aus Valenzwechselwirkungskräfte(chemisch) und schwächer van der Waals(physisch). Die Rolle beider in verschiedenen Adsorptionsfällen ist unterschiedlich. So wird bei den meisten Gasen ganz am Anfang der Adsorption, wenn ihr Druck niedrig ist, eine chemische Adsorption beobachtet. Mit zunehmendem Druck weicht es dem physikalischen Druck, der hauptsächlich die Adsorption von Gasen bestimmt.

Die Adsorptionskräfte können recht groß sein. Um adsorbierte Wassermoleküle vollständig aus Glas zu entfernen, muss es daher im Vakuum stark erhitzt werden.

Adsorbentien Es stellt sich heraus, dass sie über starke Kraftfelder verfügen und vollständig mit adsorbierten Partikeln bedeckt sind. Bei unbedeutenden Adsorptionskräften werden nur die aktiveren Zentren von adsorbierten Partikeln bedeckt.

Die Adsorption wird nicht nur durch die Art des Adsorbens, sondern auch durch das Adsorbens beeinflusst. An festen Adsorbentien werden also jene Gase stärker adsorbiert, die sich leichter verflüssigen, d. h. deren kritische Temperatur höher ist.

Reversibilität der Adsorption

Adsorption repräsentiert reversibler Prozess. Adsorbierte Partikel bleiben nicht stationär. Sie bleiben nur für Hundertstel- und Tausendstelsekunden auf dem Adsorbens zurück und werden bei der Desorption durch neue Partikel ersetzt. Darüber hinaus sind sie nicht streng auf dem Adsorbens fixiert, sondern können sich entlang seiner Oberfläche bewegen. Dadurch ist es etabliert dynamisches Adsorptionsgleichgewicht zwischen freien und adsorbierten Partikeln.

Adsorptionsrate

Für den praktischen Einsatz verschiedener Adsorbentien ist die Adsorptionsgeschwindigkeit von großer Bedeutung.

Beispielsweise muss bei einer Gasmaske die durch die Box strömende Luft sehr schnell von Verunreinigungen giftiger Stoffe befreit werden, was nur bei hohen Geschwindigkeiten der Adsorptionsprozesse möglich ist.

Es muss darauf hingewiesen werden, dass Aktivkohle in einer Gasmaske nicht nur die Rolle eines Adsorbens für eine Reihe toxischer Substanzen, sondern auch eines Katalysators für die Zersetzungsreaktionen einiger von ihnen spielt.

Aktivkohle katalysiert insbesondere die Hydrolyse von Phosgen:

COCl2 + H2 O = HCl + CO2.

Temperaturanstieg verringert die physikalische Adsorption, da dadurch die Bewegung der Moleküle in der Adsorptionsschicht erhöht und die Orientierung der adsorbierten Moleküle gestört wird, d. h. Die Desorption nimmt zu.

Andererseits erhöht eine Temperaturerhöhung die Energie der adsorbierten Partikel, was verbessert die chemische Adsorption.

Folglich verstärkt ein Temperaturanstieg in manchen Fällen die Desorption, in anderen Fällen erhöht er die Adsorption.

Somit verringert sich bei den meisten Gasen die Adsorption durch eine Erhöhung der Temperatur. Gleichzeitig erhöht eine Temperaturerhöhung von –185 auf +20 °C die Adsorption von Sauerstoff durch Platin um das Zehnfache, da die chemische Adsorption zunimmt.

Erhöhter Druck Gase und Dämpfe erhöhen die Adsorption.

Kapillare Kondensation

Bei der Dampfadsorption wird die sogenannte Kapillarkondensation Fließt auf Kohle und anderen porösen Adsorbentien.

Es bildet sich die in den Kapillaren kondensierte Flüssigkeit konkaver Meniskus, oberhalb dessen der Dampf bei einem niedrigeren Druck gesättigt wird als über einer ebenen Oberfläche. Dies erhöht die Kondensation von Dämpfen in den Kapillaren des Adsorbens.

Bei leicht verflüssigbaren Gasen ist die Kapillarkondensation besonders ausgeprägt.

Chemisorption

Bei der Chemisorption geht der Stoff eine chemische Reaktion mit dem Adsorbens ein, Zum Beispiel:

O2 + 2Cu = 2CuO.

Wenn neu gebildet während Chemisorption Da Moleküle tief in die adsorbierende Substanz diffundieren, erfolgt die Erreichung des Sorptionsgleichgewichts langsamer, da es von der Diffusionsgeschwindigkeit abhängt.

Wenn um Chemisorption Auf der Oberfläche des Sorptionsmittels erscheinen nicht diffundierende Moleküle, d.h. Wenn sich ein Film bildet, verlangsamt dieser den Chemisorptionsprozess und stoppt ihn schließlich.

So wird eine Aluminiumplatte, die Sauerstoff absorbiert, mit einem Film aus Aluminiumoxid bedeckt, der den Chemisorptionsprozess schnell stoppt:

4Al + 3O2 = 2Al2 O3.

Chemisorption, wie jede chemische Reaktion, kann es sein exo- oder endothermisch. Folglich verstärkt ein Temperaturanstieg einige Chemisorptionsprozesse und schwächt andere.

Es ist unmöglich, vollständig zwischen Adsorption und Chemisorption zu unterscheiden. Normalerweise laufen diese beiden Prozesse zusammen ab.

Adsorption ist der Prozess der selektiven Absorption einer oder mehrerer Komponenten eines Gas- oder Flüssigkeitsgemisches durch die Oberfläche eines festen Absorbers (Adsorbens).

Die absorbierte Komponente (AC), die in einem kontinuierlichen Medium (Gas, Flüssigkeit) enthalten ist, wird als Adsorptionsmittel bezeichnet, und die in einem Sorbens enthaltene Komponente wird als Adsorbat bezeichnet. Der Adsorptionsprozess geht mit der Freisetzung von Wärme einher, deren Ausmaß von der Art der Wechselwirkung der adsorbierten Moleküle mit der Oberfläche abhängt. Danach unterscheidet man zwischen physikalischer und chemischer Adsorption.

Die physikalische Adsorption wird durch die Wirkung von Van-der-Waals-Kräften verursacht. Die bei der Adsorption freigesetzte Wärmemenge entspricht in etwa der Verdampfungswärme (1-5 kcal/mol für einfache Moleküle und 10-20 kcal/mol für große Moleküle). Die physikalische Adsorption ist ein reversibler Prozess. Die chemische Adsorption ist ein irreversibler Prozess. Die bei der chemischen Adsorption freigesetzte Wärmemenge entspricht in etwa der Wärmemenge einer chemischen Reaktion (10–100 kcal/mol). Die chemische Adsorption nimmt mit steigender Temperatur zu, die physikalische Adsorption nimmt mit steigender Temperatur ab – es kommt zur Desorption.

Adsorption wird verwendet, um Gas-(Flüssigkeits-)Gemische von unerwünschten Verunreinigungen zu reinigen oder diese Verunreinigung als Zielprodukt zu isolieren; Optimal ist die Umsetzung beider Ziele gemeinsam, d.h. die Technologie der Abfallfreiheit näher zu bringen. Aufgrund der Selektivität der Absorption verschiedener Komponenten gehört die Adsorption zu den wirksamen Trennverfahren. Gleichzeitig stellt es eine der Stufen einer heterogenen chemischen Reaktion dar – katalytisch oder nichtkatalytisch.

Nachdem die Adsorption stattgefunden hat, erfolgt die Desorption des Adsorptionsmittels. Dadurch können Sie PC (häufig das Zielprodukt) aus dem Sorbens extrahieren und das davon befreite Sorbens wiederverwenden. Dazu ist es notwendig, das Sorptionsmittel zu aktivieren, um seine Adsorptionseigenschaften wiederherzustellen. Die Phasen der Desorption und Aktivierung des Adsorbens stellen dessen Regeneration dar.

Adsorption wird in der chemischen Technologie häufig eingesetzt:

Zur Entwässerung von Gasen und deren Reinigung unter Freisetzung der Zielkomponenten;

Zur Extraktion (Regeneration) von Lösungsmitteln aus Gas- oder Flüssigkeitsgemischen;

Lösungen klären;

Zur Reinigung von Gasemissionen und Abwasser;

Für analytische Zwecke (Chromatographie-Methode).

Der Erfolg des Adsorptionsprozesses wird maßgeblich von der Wahl des Adsorptionsmittels bestimmt.

Grundanforderungen an Adsorbentien: Selektivität; möglicherweise größere Absorptionsfähigkeit; angemessene Kosten und Verfügbarkeit; einfache Desorption und Regeneration; hohe mechanische Festigkeit; Benutzerfreundlichkeit; Nichtbrennbarkeit, geringe erosive Wirkung auf Geräteelemente.

Entsprechend der Anforderung einer hohen Absorptionskapazität handelt es sich bei Adsorbentien meist um hochporöse Feststoffe, die in Form von Körnern mit einer Größe von Bruchteilen eines Millimeters bis zu mehreren Millimetern eingesetzt werden.

Je nach Größe unterscheidet man Mikroporen, Zwischenporen (Mesoporen) und Makroporen. Zu den Mikroporen zählen Poren mit einem Radius von bis zu 20 Å (1 Å = 10-10 m); sie sind vergleichbar mit der Größe von PC-Molekülen. Die spezifische Oberfläche reicht von mehreren hundert bis 2000 m2/h.

Als Zwischenporen gelten Poren mit einem Radius von 20 bis 1000–2000 Å; die spezifische Oberfläche liegt hier zwischen 10 und 500 m2/h. Es wird angenommen, dass Mesoporen zwei Rollen erfüllen: die eigentliche Adsorption und den Transport (Übertragung von PC-Molekülen auf Mikroporen).

Makroporen (ihr Radius übersteigt 2000 Å) zeichnen sich durch eine kleine spezifische Oberfläche aus (bis zu mehreren Quadratmetern pro Gramm). Ihre Hauptaufgabe ist der Transport: Übertragung von PC auf Mikro- und Mesoporen. Zu den gebräuchlichsten industriellen Sorptionsmitteln gehören: Aktivkohle (AC), Kieselgele und Aluminiumgele, Zeolithe, Ionenaustauscher.

Bei der Adsorption konzentrieren sich Gas- oder Dampfmoleküle unter dem Einfluss molekularer Anziehungskräfte auf der Oberfläche des Adsorbens. Dieser Prozess geht häufig mit chemischen Wechselwirkungen sowie einer Dampfkondensation in den Kapillarporen des festen Adsorptionsmittels einher. Es gibt noch keine allgemein anerkannte Adsorptionstheorie. Nach einer weithin akzeptierten Ansicht erfolgt die Adsorption unter dem Einfluss elektrischer Kräfte, die durch die Wechselwirkung der Ladungen der Moleküle des Adsorptionsmittels und der einzubringenden Substanz verursacht werden. Einer anderen Theorie zufolge sind Adsorptionskräfte chemischer Natur und ihre Natur wird durch das Vorhandensein freier Valenzen auf der Oberfläche des Adsorptionsmittels erklärt. Unabhängig von der Art der Kräfte, die die Adsorption bewirken, stellt sich bei ausreichender Kontaktzeit zwischen den Phasen ein Adsorptionsgleichgewicht ein, bei dem eine bestimmte Beziehung zwischen der Konzentration des adsorbierten Stoffes X (in kg/kg Adsorbens) und seiner Konzentration Y hergestellt wird in der Phase im Kontakt mit dem Adsorbens:

wobei Y die Gleichgewichtskonzentration (kg/kg des inerten Teils des Dampf-Gas-Gemisches oder der Lösung) ist;

A und n sind empirisch ermittelte Koeffizienten mit n ³ 1.

Die Abhängigkeit (1) entspricht einer bestimmten Temperatur und wird durch eine Kurve dargestellt, die Adsorptionsisotherme genannt wird.

Adsorptionsisothermen einiger Stoffe sind in Abb. dargestellt. 1. Abb. 1. Adsorptionsisothermen

(bei 20 °C):

1 - für Ethylether; 2 - für Ethylalkohol; 3 - für Benzol.

Die Konzentration eines adsorbierten Stoffes in einem Gemisch bei konstanter Temperatur ist proportional zu seinem Druck. Daher kann Gleichung (1) dargestellt werden als:

wobei A1 – Proportionalitätskoeffizient;

P ist der Gleichgewichtsdruck der absorbierten Substanz im Dampf-Gas-Gemisch.

Die Hauptfaktoren, die den Ablauf des Adsorptionsprozesses beeinflussen, sind: Eigenschaften des Adsorptionsmittels, Temperatur, Druck, Eigenschaften der absorbierten Stoffe und die Zusammensetzung der Phase, aus der sie adsorbiert werden. Die Gleichgewichtskonzentration von X nimmt mit steigender Temperatur ab und steigt mit steigendem Druck. Daher beschleunigt sich die Adsorption, wenn die Temperatur sinkt oder der Druck steigt. Die gleichen Faktoren beeinflussen in entgegengesetzter Richtung den Desorptionsprozess, der üblicherweise nach der Adsorption durchgeführt wird. Die Desorption beschleunigt sich mit steigender Temperatur des Adsorbens und sinkendem Druck darüber sowie beim Durchströmen von Dämpfen durch das Adsorbens, wodurch die absorbierte Substanz verdrängt wird. Adsorbentien zeichnen sich durch statische und dynamische Aktivität aus. Nach einer gewissen Betriebszeit hört das Adsorbens auf, die extrahierte Komponente vollständig zu absorbieren, und die Komponente beginnt durch die Adsorbensschicht zu „rutschen“. Von diesem Moment an steigt die Konzentration der Komponente im Abgas-Dampf-Gemisch an, bis ein Gleichgewicht erreicht ist. Die pro Gewichtseinheit (oder Volumeneinheit) des Adsorptionsmittels in der Zeit vom Beginn der Adsorption bis zum Beginn des „Durchbruchs“ absorbierte Substanzmenge bestimmt die dynamische Aktivität des Adsorptionsmittels. Die Menge eines Stoffes, die in der Zeit vom Beginn der Adsorption bis zur Einstellung des Gleichgewichts von der gleichen Menge Adsorbens absorbiert wird, charakterisiert die statische Aktivität. Die Aktivität des Adsorptionsmittels hängt von der Temperatur des Gases und der Konzentration der darin absorbierten Komponente ab. Dynamische Aktivität ist immer geringer als statische Aktivität; Daher wird der Verbrauch des Adsorptionsmittels durch seine dynamische Aktivität bestimmt. Adsorptionsprozesse werden periodisch oder kontinuierlich durchgeführt. Wenn sich das Adsorptionsmittel durch die Vorrichtung bewegt, erfolgt die Adsorption kontinuierlich und die Stoffbilanz des Prozesses wird durch Gleichung (2) ausgedrückt, die allen Stoffübertragungsprozessen gemeinsam ist. Die Adsorption in einer Schicht aus festem Adsorptionsmittel ist ein periodischer Prozess, bei dem sich die Konzentration der absorbierten Substanz im Adsorptionsmittel zeitlich und räumlich ändert. M = G(Y1-Y2) = L(X1-X2) (2) Nehmen wir an, dass ein Gas (in der Menge G pro Zeiteinheit), das in der Zeit dt durch eine Adsorptionsschicht der Höhe dH strömt, seine Konzentration ändert um den Wert dY und gibt somit die Stoffmenge G×dY×dt an. Gleichzeitig erhöht sich die Konzentration der absorbierten Substanz im Schichtelement um dx und die von der Schicht der Höhe dH absorbierte Substanzmenge beträgt S×dH×r×dX, wobei S die Querschnittsfläche von ist des Adsorbens, r ist die Masse des Adsorbens. Dann sieht die Materialbilanzgleichung wie folgt aus: - G×dY×dt = S×dH×r×dX (3) oder

Verfahren spontan Als Konzentration von Gasen oder gelösten Stoffen an der Grenzfläche wird bezeichnet Adsorption. Je nach Art der Kontaktphasen wird zwischen Adsorption an den Grenzen unterschieden: Gas – Feststoff, Gas – Flüssigkeit, Flüssigkeit – Feststoff und Flüssigkeit – Flüssigkeit.

Bereits 1785 hat der russische Wissenschaftler T.E. Lovitz entdeckte die Fähigkeit der Kohle, gelöste Stoffe aufzunehmen. Seitdem sind viele Arbeiten der Untersuchung von Adsorptionsphänomenen gewidmet, unter denen die Arbeiten russischer Wissenschaftler von größter Bedeutung sind: Akademiker N.D. Zelinsky, der Kohle als universelles Mittel zum Schutz vor gasförmigen Giftstoffen vorschlug; M.S. Tsvet, der eine chromatographische Methode zur Trennung von Substanzen nach ihrer Adsorptionsfähigkeit entwickelte; Akademiker K.K. Giedroyets, der die Theorie der Absorptionsfähigkeit von Böden entwickelte; Akademiker M.M. Dumansky, der eine Methode zur Herstellung aktiver Adsorbentien entwickelte. Die ausländischen Wissenschaftler Gibbs, Langmuir, Freundlich, Polyani, Branauer und andere haben viel zur Entwicklung der Theorie und Praxis der Adsorption beigetragen.

Adsorption ist eine Folge einer Abnahme der Ungesättigtheit molekularer, atomarer oder ionischer Kräfte an der Grenzfläche und wird durch die Ansammlung einer Substanz verursacht, die die freie Oberflächenenergie verringert. Adsorption ist ein spontaner Prozess, Weil Durch den Adsorptionsprozess nimmt die freie Oberflächenenergie ab und nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik sind solche Prozesse spontan.

Stoffe, die adsorbiert werden, nennt man Adsorbate(manchmal Adsorptionsmittel) und Substanzen, die an ihrer Oberfläche adsorbieren - Adsorptionsmittel.

Je nach Art der zwischen den Partikeln (Molekülen, Atomen, Ionen) wirkenden Kräfte werden Adsorbat und Adsorbens unterschieden körperlich oder Van-der-Waals-Adsorption und chemisch oder Chemisorption.

Die Art der Adsorption kann durch Untersuchung ihrer Kinetik und Energie festgestellt werden. Tatsächlich erfolgt die physikalische Adsorption unter dem Einfluss relativ schwacher intermolekularer Kohäsionskräfte (Van-der-Waals-Kräfte) und ähnelt in ihrer Natur den Kondensationsprozessen von Adsorbatdämpfen, ihre Wärme liegt nahe an der Kondensationswärme und beträgt 10 - 50 kJ /mol. Daher nimmt die physikalische Adsorption mit steigender Temperatur ab.

Chemisorption ist mit der Überlappung elektronischer Orbitale von Adsorbat- und Adsorbenspartikeln verbunden, d. h. entsteht durch ihre chemische Wechselwirkung, die jedoch nicht zur Bildung einer Volumenphase führt. Die Chemisorptionswärme ist vergleichbar mit der Wärme chemischer Reaktionen und beträgt üblicherweise 60 – 600 kJ/mol. Die chemische Adsorption nimmt mit steigender Temperatur zu.

Adsorption ist ein reversibler Prozess. Der umgekehrte Vorgang der Adsorption wird Desorption genannt.

Unterscheiden molekular und ionisch Chemisorption abhängig davon, was adsorbiert wird – Moleküle oder Ionen des Stoffes. Die Ionenadsorption wiederum gliedert sich in den Austausch und die Adsorption potentiell bestimmender Ionen.

Austauschadsorption. Die Austauschadsorption findet an der Grenzfläche Feststoff/Elektrolytlösung statt und besteht darin, dass das Adsorbens und die Lösung Kationen oder Anionen in äquivalenten Mengen miteinander austauschen, wodurch das Prinzip der elektrischen Neutralität der Elektrolytlösung und des Adsorbens erhalten bleibt.

Die Hauptfaktoren der Austauschadsorption, die ihre Spezifität bestimmen, sind: das Vorhandensein einer doppelten elektrischen Schicht auf der Oberfläche des festen Adsorptionsmittels, die Wertigkeit, der Radius und der Hydratationsgrad der Ionen der Elektrolytlösung.

Die Austauschadsorption verläuft etwas langsamer als üblich.

Um den Prozess der Austauschadsorption zu verstehen, können wir den Prozess der Bildung einer doppelten elektrischen Schicht während der Wechselwirkung eines Silberchloridpartikels mit einer Kaliumchloridlösung betrachten. Chlorionen, die mit n Partikeln kollidieren, verbinden sich mit Silberionen und bilden eine festsitzende Schicht aus C1-Ionen, wodurch die Oberfläche des Partikels aufgeladen wird. Solche Ionen werden als potentiell bestimmend bezeichnet, und zwar deshalb hinzugefügte C1-Ionen erhöhen ihre Konzentration, d.h. an der Oberfläche adsorbiert werden, nennt man diese Art der Adsorption Adsorption potentiell bestimmende Ionen.

Adsorbierte C1-Ionen laden das Partikel negativ auf und unter dem Einfluss elektrostatischer Anziehungskräfte erhöht sich die Anzahl der an der Partikeloberfläche angrenzenden K+-Ionen. Mit anderen Worten: Die Adsorption von Gegenionen erfolgt unter dem Einfluss elektrostatischer Kräfte. Da K + -Ionen durch andere Ionen gleichen Vorzeichens ersetzt werden können, die nur elektrostatisch mit dem Teilchen interagieren, werden solche Ionen als austauschbar bezeichnet, ihre Adsorption erfolgt Austausch.

Somit erfolgt die Austauschadsorption im Prozess des Austauschs von Ionen der doppelten elektrischen Schicht des Adsorptionsmittels und der Lösungsionen. Dies lässt sich schematisch durch die folgenden Gleichungen darstellen:

Adsorbens – ½H + + Na + + Cl – à Adsorbens – ½Na + + H++Cl -

Adsorbens + ½OH - + Na + + Cl - à Adsorbens + ½Cl - + Na + + OH-

Aus dem obigen Diagramm ist ersichtlich, dass sich bei der Adsorption von Ionen der pH-Wert des Mediums ändern kann (H+- oder OH-Ionen gelangen in die Lösung), die Lösung reagiert sauer oder alkalisch, diese Art der Adsorption wird als Adsorption bezeichnet hydrolytisch.

Da die Austauschadsorption chemisch ist, erfolgt der Ionenaustausch in streng äquivalenten Verhältnissen.

Austauschionen auf einer festen Oberfläche haben eine bestimmte Ladungsgröße und ein bestimmtes Vorzeichen. Um die elektrische Doppelschicht (EDL) nicht zu zerstören, dürfen Austauschionen aus der Lösung daher nur Ionen mit demselben Vorzeichen sein. In diesem Fall sollte sich die Größe der Oberflächenladung nicht ändern. Daher kann die Austauschadsorption nur ein Anionenaustausch oder ein Kationenaustausch sein.

Die Phänomene der Austauschadsorption spielen bei den in Böden ablaufenden Prozessen eine wichtige Rolle. Der Austauschkomplex von Böden ist der Soil Absorption Complex (SAC), der aus kolloidalen Partikeln besteht, die negativ geladen sind. Die austauschbaren Ionen im Boden sind Kationen. Die wichtigsten Eigenschaften des Bodens: Wasserdurchlässigkeit, Feuchtigkeitskapazität, Quellung, Struktur, pH-Wert der Bodenlösung usw. werden durch die Zusammensetzung der adsorbierten Ionen bestimmt. Beispielsweise erhalten Böden, die einen erheblichen Anteil an Natriumionen in der Zusammensetzung austauschbarer Kationen enthalten, besondere, sogenannte „Solonetz-Eigenschaften“. Sie zeichnen sich durch hohe Dispersion, dichte Zusammensetzung, hohe Alkalität, erhöhte Quellung und Viskosität sowie geringe Wasserdurchlässigkeit aus. Diese Böden sind schwer zu bearbeiten und trotz des großen Nährstoffangebots wenig fruchtbar. Wenn zu den austauschbaren Kationen des Bodens überwiegend Calciumionen gehören, weisen solche Böden eine gute Struktur, eine geringe Zerstäubung sowie eine gute Wasser- und Luftdurchlässigkeit auf. Diese Böden gehören zu den fruchtbarsten. Ein Beispiel für Böden mit einem hohen Gehalt an austauschbarem Kalzium und hervorragenden physikalisch-chemischen Eigenschaften sind Chernozemböden.

Ionenaustauschprozesse in Böden können durch das folgende Diagramm dargestellt werden:

[PPK] - 2Na + + Ca 2+ + SO 4 2- = [PPK] - Ca 2+ + Na 2 SO 4

B.P. Nikolsky und E.N. Gapon schlug eine Gleichung zur Beschreibung der Austauschadsorption vor:

Dabei sind g 1 und g 2 die Anzahl g-mol (g-eq) adsorbierter und desorbierter Ionen pro Masseneinheit des Adsorbens, und 1 und a 2 sind die Aktivitäten des Ionenaustauschs in Lösung im Gleichgewicht; z 1 und z 2 sind die Ladung der Ionen, K ist die Konstante dieses Adsorptionsprozesses.

Das Adsorptionsphänomen wird häufig in Industrie und Landwirtschaft eingesetzt. So wird Aktivkohle zur Adsorptionsreinigung (Raffinierung) von Saccharosesirup verwendet. Es sind Adsorptionskräfte, die Mineraldüngerionen (K +, PO 4 -3 usw.) und Moleküle (Harnstoff) im Boden zurückhalten. Die Adsorption von Harnstoff ist physikalisch; seine Moleküle werden vom Boden nur schwach zurückgehalten. Daher wird Harnstoff üblicherweise im Frühjahr zugegeben, um eine Verschleppung durch Frühjahrshochwasser zu verhindern. Im Herbst können Kaliumdünger auf den Boden ausgebracht werden, da die Adsorption von K+-Ionen durch chemische Kräfte (Ionenbindungen) erfolgt und stark ist.

Im Allgemeinen ist die Adsorption eine Funktion des Drucks P (für Gase) bzw. der Konzentration C (für flüssige Lösungen) und der Temperatur, d. h. wird durch eine Ebene in den Koordinaten Г = f(C,T) dargestellt. Typischerweise wird einer der Parameter konstant gehalten und die Adsorption grafisch als Kurven dargestellt.

Der zwischen dem Adsorbens und dem Adsorbens bei konstanter Temperatur in Form einer Gleichung oder Kurve hergestellte quantitative Zusammenhang wird aufgerufen Adsorptionsisotherme.

Es gibt verschiedene Arten von Adsorptionsisothermen – die einfachsten Gleichungen zur Beschreibung der Adsorption sind die Gleichung Freundlich und Gleichung Langmuir.

Freundlich-Adsorptionsisotherme. Die Adsorption eines gelösten Stoffes an einer festen Oberfläche folgt einem bestimmten Muster, nach dem die Konzentration des adsorbierten Stoffes nicht proportional zu seiner Konzentration in der Lösung ansteigt, sondern viel langsamer und proportional zur n-ten Wurzel der Lösung Konzentration. Diese Abhängigkeit bei konstanter Temperatur kann durch die folgende Gleichung dargestellt werden:

X/m = K C 1/ n

Wo X– Menge (Mol) der adsorbierten Substanz M g Adsorptionsmittel: C – Gleichgewichtskonzentration; K und 1/n sind empirische Konstanten, die für die Adsorbens- und Adsorbatdaten charakteristisch sind; der Wert von 1/n liegt zwischen 0,1 und 0,7. Diese Gleichung ist bekannt als Adsorptionsisothermen und hat die Form einer Parabel.

Zur grafischen Darstellung der Freundlich-Adsorptionsisotherme wird auf der Abszisse die Gleichgewichtskonzentration in mmol/l und auf der Ordinate der Adsorptionswert pro Flächeneinheit X/m in mmol/Gramm aufgetragen. Abbildung 7 zeigt eine grafische Darstellung der Freundlich-Gleichung.

ADSORPTION (Adsorption; Lateinisch ad – on, mit und sorbeo – absorbieren) – Absorption von Gasen, Dämpfen oder gelösten Stoffen durch die Oberfläche eines Feststoffs oder einer Flüssigkeit. Der Körper, an dessen Oberfläche die Adsorption erfolgt, wird Adsorbens genannt, der adsorbierte Stoff ist ein Adsorptionsmittel oder Adsorbat. Die Adsorption von Gasen an Feststoffen (Holzkohle) wurde 1773 vom schwedischen Chemiker C. W. Scheele und unabhängig davon 1777 vom Italiener Fontana entdeckt; Adsorption von Stoffen aus Lösungen durch Holzkohle - russischer Chemiker und Akademiker T. E. Lovitz im Jahr 1785. Die Möglichkeit der Adsorption an der Oberfläche einer Flüssigkeit und der Zusammenhang dieses Phänomens mit der Oberflächenspannung wurden erstmals 1876 vom amerikanischen Mathematiker und Physiker J. W. Gibbs theoretisch nachgewiesen. Anschließend wurde gezeigt, dass Adsorption ein äußerst häufiges Phänomen ist und fast überall vorkommt Überall dort, wo Gase, Dämpfe und gelöste Stoffe mit der Oberfläche einer Flüssigkeit oder eines Feststoffs in Kontakt kommen.

Man unterscheidet zwischen physikalischer und chemischer Adsorption. Im ersten Fall behalten die adsorbierten Moleküle ihre Individualität; Bei der chemischen Adsorption, auch Chemisorption genannt, geht das Molekül des adsorbierten Stoffes eine chemische Bindung mit der Oberfläche des Adsorbens ein. Die physikalische Adsorption, die üblicherweise einfach Adsorption genannt wird, ist ein reversibler Prozess, der mit der Herstellung eines Adsorptionsgleichgewichts endet, bei dem die Adsorptionsgeschwindigkeit gleich der Geschwindigkeit des umgekehrten Prozesses – der Desorption – ist. Die Chemisorption ist normalerweise irreversibel.

Die Adsorption geht oft mit einer Absorption (siehe), Chemisorption und Kondensation des Adsorbensdampfes in den Poren des Adsorbens einher. In all diesen Fällen wird der komplexe Absorptionsprozess als Sorption bezeichnet (siehe).

Das Ausmaß der Adsorption an der Oberfläche einer Flüssigkeit, die an ein Gas oder eine andere Flüssigkeit grenzt, wird nicht direkt gemessen, sondern mithilfe der Gibbs-Gleichung berechnet:

Dabei ist G die Menge der adsorbierten Substanz in Mol pro 1 cm 2 der Flüssigkeitsoberfläche, C die molare Konzentration des Adsorptionsmittels in der Flüssigkeit, R die Gaskonstante aus der Clapeyron-Mendeleev-Gleichung, T die absolute Temperatur, Δσ ist die Änderung der Oberflächenspannung, die einer Änderung der Konzentration des Adsorptionsmittels um ΔC entspricht.

Die Adsorptionsmenge eines Gases oder einer gelösten Substanz an einem festen Adsorptionsmittel wird direkt gemessen und in Mol adsorbierter Substanz pro 1 g Adsorptionsmittel ausgedrückt. Die Menge des adsorbierten Gases wird normalerweise durch die Gewichtszunahme des Adsorptionsmittels bestimmt, das das Gas absorbiert hat; Das Ausmaß der Adsorption eines gelösten Stoffes wird durch eine Abnahme seiner Konzentration in der Lösung bestimmt.

Die Abhängigkeit des Adsorptionswertes bei konstanter Temperatur von der Gleichgewichtskonzentration des Adsorbens, grafisch oder in Form einer Gleichung ausgedrückt, wird als Adsorptionsisotherme bezeichnet. In Abb. Dargestellt ist eine typische experimentelle Adsorptionsisotherme. Bei sehr niedrigen Konzentrationen ist das Ausmaß der Adsorption proportional zur Konzentration, was sich im linearen Verlauf der Adsorptionsisotherme im Bereich niedriger Konzentrationen ausdrückt. Bei weiterer Konzentrationserhöhung verlangsamt sich der Anstieg des Adsorptionswertes. Bei sehr hohen Konzentrationen erreicht der Adsorptionswert einen Grenzwert, der durch die Sättigung der Adsorberoberfläche mit Adsorbermolekülen erklärt wird, die eine monomolekulare Adsorptionsschicht bilden. In Fällen, in denen die Adsorptionsschicht polymolekular ist oder die Adsorption durch Kapillarkondensation erschwert wird (siehe Sorption), hat die Absorptionsisotherme eine komplexere Form.

In der Praxis wird zur analytischen Darstellung der Adsorptionsisotherme bei durchschnittlichen Konzentrationen üblicherweise die Freundlich-Gleichung verwendet:

a = kcn,

Dabei ist a der Adsorptionswert in Mol pro 1 g Adsorptionsmittel, c die Konzentration in Mol pro 1 Liter, k und n Konstanten. Die Konstante k ist numerisch gleich dem Adsorptionswert bei einer Konzentration von 1; sein Wert bestimmt die Höhe der Kurve über der x-Achse und variiert stark je nach Art des Adsorptionsmittels und Adsorptionsmittels. Die Konstante n bestimmt die Krümmung der Isotherme; sein Zahlenwert variiert kaum mit der Art des Adsorptionsmittels und Adsorptionsmittels und liegt im Bereich von 0,1 bis 0,6. Die Freundlich-Gleichung wird grafisch als Parabelkurve dargestellt (Abb.).

Für einen größeren Konzentrationsbereich wird häufiger die Langmuir-Gleichung verwendet:

wobei a und c die gleichen Werte wie in der Freundlich-Gleichung haben, a∞ und α Konstanten sind, deren Zahlenwerte von der Art des Adsorptionsmittels und Adsorptionsmittels abhängen. Ihre Konstante ist gleich dem maximalen Adsorptionswert, der einer vollständigen Sättigung der Absorberoberfläche mit Adsorbermolekülen entspricht. Die Konstante α ist gleich dem Verhältnis der Desorzur Adsorptionsgeschwindigkeitskonstanten.

Das Ausmaß der Adsorption hängt neben der Konzentration des Adsorptionsmittels auch von der Art des Adsorptionsmittels und des Adsorptionsmittels ab; Die Adsorption nimmt mit zunehmender spezifischer Oberfläche des Absorbers zu. Bei organischen Stoffen derselben homologen Reihe erhöht sich der Adsorptionswert mit einer Vergrößerung der Kohlenwasserstoffkette um eine CH 2 -Gruppe etwa um das Dreifache (Duclos-Traube-Regel). Die Adsorptionsmenge nimmt in der Regel mit steigender Temperatur ab. Das Ausmaß der Adsorption aus Lösungen hängt von der Art des Lösungsmittels ab: Je besser sich ein Stoff in einem bestimmten Lösungsmittel löst, desto schlechter wird er daraus adsorbiert.

Die Adsorption aus Lösungen starker Elektrolyte wird in folgende Typen unterteilt: Äquivalentadsorption, bei der Kationen und Anionen des Elektrolyten in äquivalenten Mengen adsorbiert werden; selektive Adsorption – in diesem Fall werden entweder Kationen oder Anionen des Elektrolyten selektiv adsorbiert; Die Oberfläche des Adsorbens erhält eine positive bzw. negative elektrische Ladung. Unter Ionenaustauschadsorption versteht man den Austausch von Kationen oder Anionen zwischen einem Adsorbens und einer Lösung (siehe Ionenaustauscher).

In einer gesättigten Adsorptionsschicht orientieren sich die Adsorbermoleküle beispielsweise an der Oberfläche wässriger Lösungen, die polaren Gruppen der adsorbierten Moleküle tauchen in die Lösung ein. Das Konzept der Orientierung von Molekülen in einer gesättigten Adsorptionsschicht spielte eine wichtige Rolle bei der Untersuchung der Struktur biologischer Membranen.

Die praktische Bedeutung von Adsorptionsphänomenen ist sehr groß. Adsorption ist die Grundlage für das Färben von Stoffen, das Gerben von Leder usw. Adsorption ist das Anfangsstadium des Prozesses der Aufnahme jeglicher Substanzen durch Zellen und Gewebe. Auch die Prozesse der Wechselwirkung von Enzymen mit Substraten, Antikörpern mit Antigenen, Polarisation und Depolarisation biologischer Membranen stehen in engem Zusammenhang mit der Adsorption.

Die Adsorption spielt im Verlauf vieler katalytischer Reaktionen (siehe Katalyse) und in der Chemie kolloidaler Lösungen eine große Rolle.

Eine Reihe von Adsorbentien (Kohle, Kaolin, Eisenhydroxid, Ionenaustauscherharze und andere) werden als Gegenmittel (siehe) zur Bindung von Giften und Toxinen, die in den Magen-Darm-Trakt gelangt sind, sowie zur Adsorption von Darmgasen bei Blähungen (siehe) verwendet ). Aktivkohle wird als Adsorptionsmittel in militärischen und industriellen Gasmasken verwendet. In der Adsorptionstechnik wird es zur Reinigung von Substanzen, auch medizinischer Art, zur Regeneration wertvoller flüchtiger Lösungsmittel sowie zur Trennung und Analyse komplexer Gemische eingesetzt (siehe Chromatographie).

Literaturverzeichnis: Adam N. K. Physik und Chemie der Oberflächen, trans. aus dem Englischen, M.-L., 1947; Bladergren V. Physikalische Chemie in Medizin und Biologie, trans. aus Deutsch, M., 1951; Brunauer S. Adsorption von Gasen und Dämpfen, trans. aus dem Englischen, Bd. 1, M., 1948, Bibliogr.; Mak Ben D.V. Sorption von Gasen und Dämpfen durch Feststoffe, trans. aus dem Englischen, M.-L., 1934.

Adsorption (von lateinisch ad – on, with und sorbeo – absorbieren), Absorption einer Substanz (Adsorbat) aus einem gasförmigen Medium oder einer Lösung durch die Oberflächenschicht einer Flüssigkeit oder eines Feststoffs (Adsorbens). Es gibt zwei Arten der Adsorption: physikalische und chemische (Chemisorption). Eine weniger starke physikalische Adsorption geht nicht mit signifikanten Veränderungen der Adsorbatmoleküle einher. Sie wird durch die Kräfte der intermolekularen Wechselwirkung verursacht, die Moleküle in Flüssigkeiten und einigen Kristallen binden und sich im Verhalten hochkomprimierter Gase manifestieren. Ein wesentlicher Unterschied zwischen physikalischer Adsorption ist ihre Reversibilität. Bei der Chemisorption gehen Adsorbat- und Adsorbensmoleküle chemische Verbindungen ein. Adsorption wird häufig sowohl durch physikalische als auch chemische Kräfte verursacht, sodass es keine klare Grenze zwischen physikalischer Adsorption und Chemisorption gibt.

Das Adsorptionsphänomen beruht auf der Tatsache, dass die Kräfte der intermolekularen Wechselwirkung an der Grenzfläche nicht kompensiert werden und die Grenzschicht daher einen Energieüberschuss aufweist – freie Oberflächenenergie. Durch die Anziehung der in der Nähe befindlichen Adsorbatmoleküle durch die Grenzflächenoberfläche nimmt die freie Oberflächenenergie ab, d.h. Adsorptionsprozesse sind energetisch günstig. Die Adsorption ist immer ein exothermer Prozess, d. h. sie erfolgt unter Freisetzung von Adsorptionswärme Hs.

Die Enthalpiewerte der physikalischen Adsorption sind aufgrund schwacher atomarer Wechselwirkungen recht hoch (ca. 10 kcal/mol). Die physikalische Adsorption ist leicht reversibel, daher kann beispielsweise bei der Gasadsorption die adsorbierte Gasschicht recht einfach durch ein anderes Gas ersetzt werden. Dieses Phänomen wird als Austauschadsorption bezeichnet.

Der Adsorptionsprozess endet mit der Einstellung des Adsorptionsgleichgewichts zwischen Adsorbens und Adsorbat. Die Gleichgewichtsbedingung ist die Gleichheit der chemischen Potentiale beider Phasen. Mit steigender Temperatur bzw. steigendem Druck des Adsorbats im Volumen nimmt die Häufigkeit des Auftreffens von Adsorbatmolekülen auf die Oberfläche des Adsorbens zu; proportional dazu erhöht sich die Adsorptionsgeschwindigkeit und die Gleichgewichtszahl der adsorbierten Moleküle nimmt zu. Die Kurven der Gleichgewichtsadsorption in Abhängigkeit von der Temperatur oder dem Druck des Adsorbats werden als Isobare bzw. Adsorptionsisotherme bezeichnet.

Adsorbierte Moleküle können sich entlang der Oberfläche bewegen und dabei oszillierende Bewegungen ausführen, indem sie sich entweder der Oberfläche nähern oder sich von ihr entfernen. Die Zeit, während der das Molekül an der Oberfläche verbleibt, wird Adsorptionszeit genannt. Mit steigender Temperatur verkürzt sich die Adsorptionszeit: Je höher die Temperatur, desto intensiver ist die Schwingungsbewegung und desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass bei solchen Schwingungen die Bindung zwischen Molekül und Oberfläche aufbricht und das Molekül die Oberfläche verlässt. Der Vorgang, bei dem adsorbierte Moleküle die Oberfläche verlassen, wird Desorption genannt. Die Adsorptionsrate (Desorptionsrate) ist das Verhältnis der Anzahl der pro Zeiteinheit adsorbierten (desorbierten) Moleküle zu einer Oberflächeneinheit oder Masse des Adsorptionsmittels. Wenn die Adsorptions- und Desorptionsraten einander gleich sind, stellt sich ein Adsorptionsgleichgewicht ein. Im Gleichgewichtszustand bleibt die Anzahl der adsorbierten Moleküle unbegrenzt konstant, wenn die äußeren Bedingungen (Druck, Temperatur usw.) unverändert bleiben.

Bei Kontakt zwischen der Oberfläche eines Kristalls und einer flüssigen Lösung gelangen Moleküle in der Lösung von der Flüssigkeit auf die Oberfläche des Feststoffs. Es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen ihren Konzentrationen in der Lösung und auf der Oberfläche des Adsorbens ein. Aus der Lösung adsorbierte Stoffe werden Tenside (Tenside) genannt. Die hohe Adsorptionsfähigkeit von Tensiden geht mit einer starken Abnahme der Oberflächenspannung der Lösung auf einer bestimmten Oberfläche im Vergleich zur Oberflächenspannung eines reinen Lösungsmittels auf derselben Oberfläche einher. Inaktive Substanzen erhöhen die Oberflächenspannung und beeinträchtigen die Adsorption.

Wenn die Adsorptionswärme mit der Oberflächenenergie des Adsorptionsmittels vergleichbar ist, kann sich während des Adsorptionsprozesses die Kristallstruktur der Oberfläche eines Festkörpers erheblich ändern, und bei der physikalischen Adsorption kommt es hauptsächlich zu einer Umstrukturierung der Oberflächen von Molekülkristallen, und zwar in der Bei der Chemisorption werden auch bei Metallen und Ionenkristallen Veränderungen in der Oberflächenstruktur beobachtet. Auf der Oberfläche adsorbierte Filme verändern die Eigenschaften der Oberfläche stark und wirken sich in einigen Fällen auf dickere oberflächennahe Schichten aus.

Adsorption spielt bei vielen natürlichen Prozessen eine wichtige Rolle, etwa bei der Bodenanreicherung und der Bildung sekundärer Erzlagerstätten. Der Adsorption ist es zu verdanken, dass die erste Stufe der Aufnahme verschiedener Stoffe aus der Umwelt durch Zellen und Gewebe biologischer Systeme, die Funktion biologischer Membranen, die ersten Stufen der Wechselwirkung von Enzymen mit dem Substrat und Schutzreaktionen gegen toxische Stoffe entstehen ausgetragen. Viele Adsorbentien (Aktivkohle, Kaolin, Ionenaustauscher etc.) dienen als Gegenmittel und absorbieren und entfernen Schadstoffe aus dem Körper. Adsorbentien haben normalerweise eine große spezifische Oberfläche – bis zu mehreren hundert m 2 /g. In der Industrie erfolgt die Adsorption in speziellen Geräten – Adsorbern; Wird zum Trocknen von Gasen, zur Reinigung organischer Flüssigkeiten und Wasser sowie zum Sammeln wertvoller oder schädlicher Industrieabfälle verwendet.