Literatur

1

[l] G. Tamann: Lehrbuch der Metallkunde, Leipzig 1932. [a] G. 3. Hiittig, M . Kantor, Z. anal. Chem. 86, 95 [1931]. [3] P. Higuschi s. z. B. J. Amer. pharmac. Assoc. 43, 344/46

[1954] und weitare. [4] U . Bogs u. H . Moldenhauer, Pharmaz. Ind. 27, 6, 76 [1965]. [5] E. Shotton, J . J . Deer u. D. Ganderton, J. Pharmacy Pharma-

col. Suppl. 15, 106 T [1963]. [6] D. Train, Trans. Instn. chem. Engr. 35, 258 [1957] u. J.

Pharmacy Pharmacol. 8, 749 [1956]. [7] J . Maly, Pharmaz. Ind. 27, 883 [1965]. [8] C. Piihrer, Dtsch. Apotheker-Ztg. 102, 827 [1962], 105, 1150

[19651; Pharmaz. Ind. 25, 674 u. 733 [1963]; Acta Pharmac. Suevica 3, 201 [1966].

[9] C. Fuhrer, Pharmaz. Zentralhalle Deutschland 105, 436 [1966].

[lo] c f . F . Hiittig, Kolloid-Z. 96, 227 [1941]. [ 111 C. Piihrer: Arzneiformung, Probleme und Entwicklungen.

Wiss. Verlags GmbH, Stuttgart 1964, S. 58ff.

Verdampfungsmessung an Tropfen im submikroskopischen Bereich *

Harald Straubel * *

Um die Feuchteaufnahme von Tropfen oder Feststoff-Teilchen zu bestimmen, werden diese elektrisch geladen und in einem elektrischen Kondensator frei schwebend aufgehangt. Aus der zur Stabilisierung notwendigen Hohe einer Wechselspannung wird das Verhaltnis LadungIMasse direkt bestimmt. Weiterhin werden mehrere Ver- fahren zur Massebestimmung erlautert.

Die Untersuchung des Verdampfens von einzelnen Fliissig- keitstropfen erfordert eine Aufhangung dieser Tropfen ohne Beruhrung mit einem Substrat, auf dem sie sich spreiten und ihre Kugelgestalt verlieren wiirden. Daher wurde bereits ein Luftstrom als ,,Trager" verwendet, dessen Geschwindigkeit aber der jeweiligen TropfengroBe angepaBt werden muB. Verdampfung und Kondensation des Tropfens hangen jedoch nicht nur von der Stromung, sondern auch von der Feuchte der Luft ab. Beide GroBen miiiten also fortlaufend geregelt werden. Der tragende Luftstrom bewirkt in jedem Falle eine starkere Verdamp- fung.

Elektrische Tropfen-Aufhangung

Mit einer schon fruher beschriebenen Anordnung konnen elektrisch geladene Tropfen oder Festkorper in einem ge- eigneten elektrischen Feld uber Stunden vollig frei- schwebend ,,aufgehangt" werden [l]. Abb. 1 zeigt das Schema einer solchen Apparatur. Sie besteht aus einem Drei-Platten-Kondensator, dessen iiul3ere Platten an Gleichspannung liegen und das Tropfengewicht angena- hert aufheben (Millikan-Versuch). Die mittlere Platte mit einer Bohrung von einigen Zentimetern Durchmesser fuhrt eine Wechselspannung von 50 Hz symmetrisch gegen die anderen Platten. Sie bewirkt zun8chst:eine

Stabilisierung des in die Bohrung eingeworfenen Tropfens nach Lage und Richtung, so daB der Tropfen auch bei falsch eingestellter Gleichspannung das Feld nicht ver- lassen kann. 1st das Gewicht durch die Gleichspannung kompensiert, so befindet sich der Tropfen genau in der Ebene der Mittelplatte und verbleibt dort auch bei starker hde rung der Wechselspannung ( & 40%) be- liebig lange.

Erst oberhalb einer bestimmten Spannung (Sprung- spannung) setzen plotzlich vertikale Schwingungen mit wachsender Amplitude ein (Abb. 2 und 3). Dieser ,,Sprung- punkt" ergibt bei bekannter Geometrie des Kondensators mit grooer Genauigkeit sofort das Verhaltnis Ladung/ Masse des Tropfens. Verdampft der Tropfen oder wachst er infolge Kondensation, so kann diese Bnderung durch Aufsuchen des Sprungpunktes jederzeit gemessen werden.

Abb. 2 (links). Vertikalschwingungen eines Teilchens.

I I I t / Abb. 3 (rechts). Zunahme der Amplitude bei Uberschreiten der Sprungspannung . 50Hz 18310011

Abb. 1. Vorrichtung zum Aufhiingen elektrisch geladener Teil- chen. * Gekurzte Fassung des Vortrages auf der ACHEMA, 17. bis

a Teilchen, 6 Millikan-Platten, F, Platten-Abstand, R Ahstand des Teilchens vom Schlitzrand, M Spannung.

24. Juni 1970 in Frankfurt/M.

** Prof. Dr. H . Straubel, Battelle-Institut e. V. Frankfurt/M.

Chemie-Ing.-Techn. 43. Jahrg. 1971 I Nr. 15 853

Bei sehr kleinen Tropfen und entsprechend schwachen Signalen fallt die Triggerung gelegentlich aus. Dies stort nicht , wenn der Diskriminator iiber eine Ruckkoppelung mit der das Teilchen antreibenden Wechselspannung verbunden ist.

Die Erfassung von Tropfen unter 0,2 pm Dmr. fur die Messung verlangt, da13 sie mit ausreichender Genauigkeit zum optischen System zentriert werden. Dies ist durch Einblasen aus einer entsprechend kleinen Duse moglich. Einfacher ist es jedoch, mit grooen sichtbaren Tropfen zu beginnen und sie durch Verdampfen zu verkleinern, weil sich dabei ihre Lage im elektrischen Kondensator nicht verandert.

Bei der Kondensation werden praktisch keine Ladungs- trager aufgebracht, so da13 hier die reine Massezunahme aus elm im Sprungpunkt bestimmt werden kann. Anders liegen die Verhaltnisse bei der Verdampfung. Bei tech- nisch leicht realisierbaren Kondensator- Abmessungen und den dabei anwcndbaren elektrischen Feldstarken werden zum Ausschweben der Tropfen etwa 10-6 A s/g benotigt.

Ein Wassertropfen von 10 pm Dmr. wiegt ca. 5 . 10-10 g. Er mu6 also 3000 Elementarladungen tragen. Sie geben ihm gegen Luft eine Feldstarke von 1800 V/cm. Bei einer Durchbruchsfeldstarke der Luft von 33000 V/cm ist also ein ,,Abdampfen" von Ladungen nicht anzunehmen. Die Verhaltnisse werden gunstiger mit abnehmendem Tropfendurchmesser, da die die Ladungsmenge be- stimmende Masse mit r3, die Kapazitat hingegen nur mit r abnimmt und die Feldstarke mit l / r zunimmt: ein Tropfen mit r = 0,5 pm benotigt fur das Ausschweben 5 . 10-19 A s oder 3 Elementarladungen und hat gegcn Luft nur eine Feldstarke von 180 V/cm.

EinfluB elektrischer Ladungen auf die Tropfen-Verdarnpfung

Bei ungeladenen Tropfen hangt der Dampfdruck vom Tropfendurchmesser ab. Bezeichnet man den Dampf- druck der ebenen Flussigkeitsoberflache mit po, so betragt der Dampfdruck der Kugeloberflache

(M = Molmasse, R = Gaskonstante, T = Temperatur, d = Durchmesser, G = Oberfliichenspannung, e = Dichte). Der Dampfdruck wachst also mit exp( l/d).

Wird der Tropfen aus 100% rel. Luftfeuchtigkeit in ein Gebiet rnit 50% rel. Luftfeuchtigkeit gebracht, so iindcrt sich sein Durchmesser um 10% in folgenden Zeiten:

Dmr. [pm] I 0 3 1 5 10

Zeit [s] 1 3 . 1 0 - 3 10-2 0 3 1

Die elektrische Ladung Q erhoht die Verdampfungs- geschwindigkeit. Es wird jetzt

(2)

Die Zahl n der Elementarladungen 'e, die ein Wasser- tropfen bis zum Zerplatzen (uberwindung der Ober- flachenspannung) aufnehmen kann, betragt :

0.5 1 .0 5.0 10 Dmr. rum1 1 0.1

Q = n . e 17,2 . 104 7,9 . 105 2 ,3 . 1 0 6 2 3 . 107 7,2 . 107

Aus den Gleichungen bzw. Tabellen 1aBt sich folgendes entnehmen :

1.) Kleine Tropfen mussen fur langere Beobachtungen in einem sehr kleinen Feuchtegradienten gehalten werden.

2. ) Die zum ,,Ausschweben" des Tropfens notwendige Zahl n der Elementarladungen liegt sehr weit unter der ZerreiB-Grenze.

Weitere Anwendungen

AuBer fur Fliissigkeitstropfen eignet sich das Aufhange- verfahren auch zur Bestimmung der Feuchtigkeitsauf- nahme von Festkorpern, wie z. B. NaC1, MgC12, Co(II)-C12. Besonders die beiden letztgenannten Substanzen lassen sich sehr leicht elektrisch aufladen. Es geniigt, das Pulver an der wechselspannung-fuhrenden Mittelelektro- de abzustreifen. Der groBte Teil der Korner ladt sich ausreichend auf und wird von selbst in der Mittellinie aufgefangen, Abb. 7 . Man zieht mit einem ungleich- namig geladenen Stab alle Korner bis auf das zu unter- suchende heraus. Dann wird der Sprungpunkt zur Be- stimmung von e/m eingestellt und das Korn durch die Zusatzelektrode in die gewiinschte Feuchte gehoben. Die Feuchtigkeitsaufnahme wird am Absinken beobach- tet und durch Spannungserhohung an der Zusatzelektrode meBbar kompensiert.

Abb. 7. Korner von gemahlenem Querz (50 pm Dmr.) im Kondensator.

Das feucht gewordene Korn bleibt im Kondensator schwebend. Durch Warmestrahlung la13t es sich trocknen und danach wieder befeuchten. Durch einen in den Kon- densat or gehaltenen Mikroskop- Ob j ekttrager kann es trocken herausgezogen werden. Ladt man spater den Objekttrager durch Reibung etwas auf, halt ihn in den zunachst spannungslosen Kondensator und legt Spannung an, so springt das Teilchen in den meisten Fallen wieder in den Kondensator und kann erneut untersucht werden. Sollte dabei eine Umpolung der Ladung eingetreten sein, so bleibt die Stabilisierung und Fuhrung durch die Wechselspannung erhalten. Lediglich die Zusatzelektrode (Gleichspannung) mu13 umgepolt werden.

Eingegangen am 4. September 1970 [B 31001

[l] H . Straubel, Acta physica austriaca 13, 285 [1960]; Natur- wissenschaften 42, 508 [1955] ; Z. Elektrochem., Ber. Bunsen- ges. physik. Chem. 60, 1033 [1956].

[2] H . Straubel, Staiib - Reinh. d. Luft 28, 506 [1968]; diese Zeitschr. 39, 977 [1987].

Chemie-Ing.-Techn. 43. Jahrg. 1971 I Nr. 15 855