Physisorption

Die Physisorption ist eine spezielle Form der Adsorption, bei der im Unterschied zur Chemisorption das Adsorbatmolekül durch physikalische Kräfte an das Substrat gebunden wird.

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Physikalische Kräfte sind dabei als Kräfte zu verstehen, die keine chemische Bindung bewirken, d. h. nur so schwach sind, dass die Orbitalstruktur nicht geändert wird. Weiter sind diese Wechselwirkungen im Gegensatz zu chemischen Bindung meist ungerichtet.
Eine Form solcher Kräfte sind die Van-der-Waals-Kräfte, also die elektrostatische Wechselwirkung zwischen induzierten, fluktuierenden Dipolen. Genauer spricht man hier von London'schen Dispersionskräften. Da die Elektronen im Molekül nicht fixiert sind, entsteht durch Schwankungen ihrer Verteilung ein temporäres Dipolmoment, dessen zeitlicher Mittelwert jedoch Null ist. Trotz seiner Kurzlebigkeit kann dieses temporäre Dipolmoment in einem benachbarten Molekül ein antiparalleles Dipolmoment induzieren, wobei die wirkenden Kräfte umgekehrt proportional zur sechsten Potenz des Abstands r sind (1/r⁶).

Wesentlich stärkere Kräfte entstehen durch die Wechselwirkung mit den festen Dipolen an polaren Oberflächen (Salze) oder den Spiegelladungen, wie sie in elektrisch leitfähigen Oberflächen (Metalle) auftreten. Diese Wechselwirkungen sind aber schon so stark, dass sie teilweise als Chemisorption angesehen werden müssen.

Eigenschaften der Physisorption

Die wichtigste Eigenschaft der Physisorption (im Gegensatz zur Chemisorption) ist die geringe Veränderung des Adsorbats und Adsorbens. Bis auf Relaxationen des Substrat-Gitters finden keine Veränderungen des Adsorbens statt. Im Adsorbat werden lediglich die Bindungen leicht verändert, was sich in veränderten Schwingungsfrequenzen bemerkbar macht. In der Regel sind die Bindungsenergien der Physisorption in der Größenordnung 0,5 eV/Atom und geringer, insbesondere da die physisorbierten Adsorbate in mehreren Lagen kondensieren. Abhängig von der Adsorbat-Adsorbens-Kombination sind jedoch auch größere Bindungsenergien möglich.

Dadurch, dass die gebundenen Stoffe in ihrer chemischen Struktur nicht verändert werden, ist dieser Prozess prinzipiell vollständig reversibel. Während der Haftzeit der Adsorbate auf dem bindenden Material können allerdings chemische Reaktionen unter verschiedenen Adsorbaten stattfinden.

Da in der Regel keine Aktivierungsenergie zu überwinden ist, verläuft die Bedeckung des Adsorbens sehr rasch. Festkörperoberflächen sind daher an Luft immer mit einer dünnen Schicht aus adsorbierten Gasen und Ölen bedeckt. Dies verhindert üblicherweise die Kaltverschweißung von Metallflächen.

Anwendungen der Physisorption

Technisch macht man sich die schnelle Adsorption von Gasen an frischen, unbedeckten Oberflächen in Sorptionspumpen zunutze.
Eine weitere Anwendung der Physisorption ist die Luft- oder Wasserreinigung mit Hilfe von Aktivkohlefiltern.