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Der Tanz der Moleküle: Wie läuft die Adsorption in der Natur leise ab?
Adsorption ist der Prozess, bei dem Atome, Ionen oder Moleküle einer Substanz in einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem gelösten Feststoff an einer Oberfläche haften bleiben. Bei diesem Vorgang bildet sich auf der Oberfläche des Adsorbens ein dünner Film, das sogenannte Adsorbat. Die Adsorption unterscheidet sich von der Absorption, bei der eine Flüssigkeit (Absorptionsmittel) in einer Flüssigkeit oder einem Feststoff (Absorptionsmittel) gelöst oder eingedrungen wird. Die Adsorption ist ein Oberflächenphänomen und unterscheidet sich deutlich von der Absorption.
Die Funktionsweise vieler natürlicher und künstlicher Systeme hängt von den subtilen Effekten von Adsorptionsphänomenen ab, darunter die Adsorption von Schadstoffen aus der Luft und die Reinigung von Wasser.
Der Adsorptionsprozess kann in physikalische Adsorption (Physisorption) und chemische Adsorption (Chemisorption) unterteilt werden. Bei der physikalischen Adsorption wirken vor allem schwache Van-der-Waals-Kräfte, bei der chemischen Adsorption hingegen starke kovalente Bindungen. Dieser Vorgang kann auch durch elektrostatische Anziehung erfolgen. Die Art der Adsorption kann die Struktur des Adsorbats beeinflussen. So kann beispielsweise die physikalische Adsorption eines Polymers aus einer Lösung zu einer gequetschten Struktur auf der Oberfläche führen. Dieser Prozess kommt nicht nur in der Natur vor, sondern wird auch häufig in der Industrie eingesetzt, beispielsweise bei Hybridkatalysatoren, Aktivkohle, Adsorptionskühlern und in der Wasseraufbereitung.
In der Pharmaindustrie wird die Adsorption auch genutzt, um die Einwirkung bestimmter Arzneimittel auf das Nervensystem zu verlängern, wobei es sich dabei um eine weniger bekannte Anwendung handelt.
Adsorptionsisotherme
Die Adsorption von Gasen und gelösten Stoffen wird üblicherweise durch Isothermen beschrieben, das heißt durch die Beziehung zwischen der Menge des Adsorbats auf dem Adsorbens und seinem Druck (bei Gasen) oder seiner Konzentration (bei flüssigen gelösten Stoffen) bei konstanter Temperatur. Bisher wurden fünfzehn verschiedene Isothermenmodelle entwickelt, eines der ersten davon wurde 1906 von Freundlich vorgeschlagen.
Freundliches Modell
Die Freundlich-Isotherme basiert auf einer empirischen Formel, die die Masse des Adsorbens, die Masse des Adsorbats und dessen Druck beinhaltet und die Änderungen im Adsorptionsprozess prägnant beschreibt. Obwohl diese Formel die Isotherme unter bestimmten Bedingungen nicht völlig genau beschreiben kann, stellt sie einen wichtigen Fortschritt in der Adsorptionsforschung dar.
Langmore-Modell
Bis 1918 hatte Langmuir ein semi-empirisches Isothermenmodell auf Grundlage der statistischen Thermodynamik entwickelt, das ein breites Anwendungsspektrum hatte. Die Schlüsselannahme dieses Modells besteht darin, dass alle Adsorptionsstellen gleichwertig sind und dass eine Stelle nur ein Molekül aufnehmen kann. Obwohl diese Annahmen in der Realität nicht unbedingt zutreffen, bleibt das Langmuir-Modell für die meisten Adsorptionsmodelle die bevorzugte Wahl.
Der Adsorptionsmechanismus von Langmuir zeigt, dass Gasmoleküle ein Gleichgewicht mit Adsorptionsstellen bilden und mit bestimmten Geschwindigkeitskonstanten adsorbieren und desorbieren können.
BET-Modell
Mit der Zeit haben Wissenschaftler entdeckt, dass adsorbierte Moleküle oft nicht in einer einzigen Schicht vorliegen, sondern mehrere Schichten bilden können. 1938 führten Bruner, Emmett und Taylor die BET-Theorie ein, um dieses Phänomen zu erklären. Diese Theorie modifiziert den Mechanismus von Langmuir, kann den Prozess der Mehrschichtadsorption analysieren und ein genaueres mathematisches Modell liefern.
Thermodynamische Eigenschaften der Adsorption
Die Adsorptionskonstante ist eine Gleichgewichtskonstante und folgt daher der Van't Hoff-Gleichung. Diese Gleichung zeigt die Beziehung zwischen der Adsorptionswärme (ΔH) und der Adsorptionsgleichgewichtskonstante (K) und offenbart somit die thermodynamischen Eigenschaften des Adsorptionsprozesses. Auf diese Weise gelang es den Wissenschaftlern, ein tieferes Verständnis der Mechanismen der Adsorption und ihrer Auswirkungen auf das System zu erlangen.
Wenn wir uns tiefer mit dem Phänomen der Adsorption befassen, beginnen wir, ihre Bedeutung in einer großen Bandbreite natürlicher und künstlicher Prozesse zu erkennen.
Adsorption spielt in Ökosystemen, industriellen Prozessen und im täglichen Leben eine unverzichtbare Rolle. Wenn wir über die technologischen Anwendungen dieses Phänomens und seine Auswirkungen auf die Umwelt nachdenken, können wir nicht umhin, uns zu fragen: Wie kann uns die Adsorption mehr Möglichkeiten zwischen der Entwicklung neuer Technologien und der Wahrung des ökologischen Gleichgewichts eröffnen?
