Adsorption und Oberflächenthermodynamik

Oberflächen speichern überschüssige freie Energie als Oberflächenspannung, und Moleküle reichern sich an Grenzflächen durch Adsorption an, beschrieben durch Isothermen, die die Oberflächenbedeckung mit Druck oder Konzentration in Beziehung setzen.

Definition

Adsorption ist die Anreicherung von Molekülen an einer Grenzfläche, und Oberflächenthermodynamik ist die thermodynamische Beschreibung von Grenzflächen durch Oberflächenspannung, freie Oberflächenenergie und die Beziehungen, die gekrümmte und adsorbierende Oberflächen regeln.

Scope

Dieses Thema behandelt die Thermodynamik von Grenzflächen und das Phänomen der Adsorption: Oberflächenspannung und freie Oberflächenenergie, die Young-Laplace- und Kelvin-Gleichungen für gekrümmte Grenzflächen und die Gibbs-Adsorptionsisotherme, die den Oberflächenüberschuss mit Änderungen der Oberflächenspannung in Beziehung setzt. Es entwickelt Adsorptionsisothermen, einschließlich des Langmuir-Modells für die Monoschichtadsorption und der BET-Erweiterung für Mehrschichten, die Unterscheidung zwischen Physisorption und Chemisorption sowie die Messung der Oberfläche. Die katalytische Rolle der Adsorption wird mit der Kinetik verknüpft, und kolloidale sowie Selbstorganisationsphänomene werden in verwandten Themen behandelt.

Core questions

• Wie entsteht Oberflächenspannung als freie Energiekosten für die Schaffung einer Grenzfläche?
• Wie verknüpft die Gibbs-Adsorptionsisotherme den Oberflächenüberschuss mit der Oberflächenspannung?
• Wie beschreiben die Langmuir- und BET-Isothermen die Monoschicht- und Mehrschichtadsorption?
• Was unterscheidet Physisorption von Chemisorption?

Key concepts

• Oberflächenspannung und freie Oberflächenenergie
• Young-Laplace- und Kelvin-Gleichungen
• Gibbs-Adsorptionsisotherme
• Langmuir- und BET-Isothermen
• Physisorption versus Chemisorption

Key theories

Langmuir-Adsorptionsisotherme

Die Modellierung einer Oberfläche als feste Anordnung äquivalenter, nicht wechselwirkender Stellen ergibt eine Bedeckung, die mit Druck oder Konzentration ansteigt und bei einer vollständigen Monoschicht sättigt, dem Referenzmodell für Adsorption.

Gibbs-Adsorptionsisotherme

Die Menge eines gelösten Stoffes, die sich an einer Grenzfläche ansammelt, ist thermodynamisch damit verbunden, wie der gelöste Stoff die Oberflächenspannung senkt, was erklärt, warum oberflächenaktive Substanzen sich stark an Grenzflächen konzentrieren.

Clinical relevance

Adsorption und Oberflächenthermodynamik steuern die heterogene Katalyse, die Gasspeicherung und -trennung durch poröse Materialien, die Wirkung von Detergenzien und Tensiden, die chromatographische Trennung, die Oberflächenmessung von Katalysatoren und Pharmazeutika sowie die Benetzung und Kapillarität in Böden und biologischen Geweben.

History

Gibbs begründete die Thermodynamik der Oberflächen in den 1870er Jahren; Langmuirs Untersuchung von Monoschichten und Adsorption in den 1910er Jahren, ausgezeichnet mit dem Nobelpreis von 1932, und die Brunauer-Emmett-Teller-Mehrschichttheorie von 1938 etablierten die quantitative Analyse von Adsorption und Oberfläche.

Key figures

• Irving Langmuir
• J. Willard Gibbs
• Stephen Brunauer

Seminal works

• langmuir1916
• adamson1997

Frequently asked questions

Was ist der Unterschied zwischen Physisorption und Chemisorption?

Physisorption beinhaltet schwache Van-der-Waals-Anziehungskräfte, ist leicht reversibel und kann mehrere Schichten aufbauen, während Chemisorption tatsächliche chemische Bindungen mit der Oberfläche eingeht, viel stärker ist, in der Regel auf eine Monoschicht beschränkt ist und für die Katalyse von zentraler Bedeutung ist.

Warum macht Oberflächenspannung kleine Tröpfchen kugelförmig?

Oberflächenspannung ist der Energieaufwand für die Grenzflächenfläche, daher minimiert ein System seine freie Energie, indem es die Oberfläche minimiert; für ein gegebenes Volumen hat die Kugel die geringste Oberfläche, weshalb freie Tröpfchen diese Form annehmen.