Physisorption

Hauptartikel: Adsorption

Die Physisorption ist eine Form der Adsorption, bei der − im Unterschied zur Chemisorption − ein adsorbiertes Molekül durch physikalische Kräfte auf einem Substrat gebunden wird. Physikalische Kräfte sind Kräfte, die nicht durch chemische Bindungen hervorgerufen werden, daher relativ schwach sind. In der Regel sind die Bindungsenergien der Physisorption im Bereich von 4 bis 40 kJ/mol. 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).

Abhängig von der Adsorbat-Adsorbens-Kombination sind jedoch auch größere Bindungsenergien möglich. 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.

Da sich die chemischen Strukturen des physisorbierten Stoffes nicht wesentlich verändert, ist dieser Prozess prinzipiell reversibel. Da in der Regel keine Aktivierungsenergie zu überwinden ist, verläuft die Bedeckung des Adsorbens sehr rasch. Oberflächen von Festkörpern sind daher an Luft immer mit einer dünnen Schicht aus adsorbierten Stoffen 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 Aktivkohle.