Lexikon der Geowissenschaften: Adsorption
Adsorption, bezeichnet die Anlagerung eines Stoffes aus einer Gas- oder Flüssigphase an die Oberfläche eines Festkörpers (Adsorbens). Während im Inneren eines Festkörpers die Atome in elektromagnetischer Wechselwirkung mit anderen Atomen des Festkörpers stehen, üben die oberflächennahen Atome auch eine Wirkung auf die umgebende flüssige oder gasförmige Phase aus. Das Phänomen der Adsorption ist also Ausdruck des Abbruchs der atomaren Raumordnung des Festkörpers an seiner Oberfläche. Das Ausmaß der Adsorption ist von der Größe der Oberfläche, der Konzentration bzw. dem Partialdruck des adsorbierten Stoffes und der Temperatur abhängig. Zudem spielt die Oberflächenstruktur und -beschaffenheit des Adsorbens eine wichtige Rolle, so daß dasselbe Substrat verschiedene Aktivitätsstufen aufweisen kann. Feinkörnige Gesteine besitzen eine höhere Sorptionsfähigkeit als grobkörnige. Kolloidale Teilchen oder großflächige Moleküle erhöhen die entsprechende Wirksamkeit. Die Beziehung zwischen der Konzentration eines Stoffes in Lösung bzw. dem Druck eines Stoffes in Gasphase und der an einer Oberfläche adsorbierten Menge dieses Stoffes wird ausgedrückt über Adsorptionsisothermen. Die bekanntesten sind die Langmuir-Adsorptionsisotherme und die Freundlich-Adsorptionsisotherme.
Die Adsorption beruht zum einen auf elektrostatischer Anziehung und London-van-der-Waals-Kräften (Bindungsenergie 10-40 kJ/mol) und wird dann auch als Physisorption bezeichnet. Zum anderen treten chemische Bindungen (Elektronentransfer, Elektronenbindungen) auf, die unter dem Begriff der Chemisorption (Bindungsenergie >40 kJ/mol) zusammengefaßt werden. Adsorbierte Stoffteilchen können in einer Reihe von Beziehungen zur Adsorberoberfläche stehen. Mit zunehmenden Abstand zur Oberfläche lassen sich innersphärische Komplexe (spezifische Adsorption), außersphärische Komplexe (unspezifische Adsorption) und der diffuse Ionenschwarm unterscheiden ( Abb. ). Die abstoßende oder anziehende Wirkung eines Adsorbens auf sein Umfeld kann auf positive oder negative Ladungsüberschüsse, bedingt durch Ionenaustausch oder Fehlstellen in der Raumordnung des Festkörpers (Kristallgitter) selbst, beruhen (permanente Ladung). Zum anderen geht sie von der Protonierung und Deprotonierung der randständigen Atome aus, die vom pH-Wert des Mediums abhängig sind (temporäre Ladung).
Die Gesamtladung einer Partikeloberfläche (Oberflächenpotential) setzt sich zusammen aus der permanenten, strukturellen Ladung (σ0), dem Protonierungsgrad (σH) und dem Ladungsbeitrag inner- (σIS) und außersphärischer (σOS) Komplexe. Die Summe von (σ0+σH) wird auch als intrinsische Oberflächenladungsdichte bezeichnet, die Summe aus (σIS+σOS) auch als Sternschichtladungsdichte. Es bestehen eine Reihe von Modellen, die die chemischen Konzepte zur Adsorbensoberfläche mit elektrostatischen Überlegungen (Ladungsdichte, elektrische Potentiale) zu verknüpfen versuchen. Die bekanntesten sind die Modelle nach Gouy-Chapman und Stern-Grahame, das "Oberflächenkomplexierungs/Diffuse-Schicht-Modell" (SCF/DLM) und das "Modell der konstanten Kapazitäten" (CCM).
Bei einer Adsorption findet i.a. gleichzeitig eine Desorption statt, dabei werden schon gebundene Stoffe gegen die sich neu anlagernden Stoffe ausgetauscht und gelangen in die Umgebung bzw. Lösung. Adsorption findet im Gegensatz zur Absorption auschließlich an Oberflächen statt. Ein Beispiel für Adsorption im Boden ist die Fähigkeit verschiedener Bodenbestandteile, Kationen zu binden. Damit tragen sie zur Kationenaustauschkapazität des Bodens bei. Weiterhin ist die Adsorption für viele Stoffe einer der wichtigsten Retardationsfaktoren beim Transport von Stoffen im Untergrund. Ihr kommt bei der Reinigung z.B. mit Schwermetallen oder organischen Substanzen belasteter Stoffe besondere Bedeutung zu.
Adsorption: Schematischer Ausschnitt einer Oxidoberfläche mit Oberflächenhydroxylgruppen (1), innersphärischen (2) und außersphärischen Komplexen (3) und dem diffusiven Ionenschwarm (4). Adsorption:
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