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Die Absorption von Kohlendioxyd durch Kohle.

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797
9. D i e Ahsorption vorn Kohlendioxyd
durcit EohZe;
vow A l e x a n d e r E. M. G e d d e s .
Es ist schon lange bekannt, dab Kohle, welche auf eine
hohe Temperatur im Vakuum erhitzt worden ist, die Eigenschaft besitzt, groBe Gasmengen zu absorbieren. Diese Erscheinung ist Gegenstand von vielen Untersuchungen gewesen,
besonders von Saussurel), Chappuis2) und Kaysers), und
in neuer Zeit von Dewar4) und Baerwald.6) Der Hauptzweck dieser Untersuchungeu war die Abhangigkeit der absorbierten Gasmenge von Temperatur und Druck klarzulegen.
K a y s e r , Bunsen6) und spater P. Millfarth') versuchten die
Abhangigkeit der kondensierten Gasmenge von der absorbierten
Flache dadurch aufzufinden, daB sie Glasf aden als absorbierende
oder vielmehr adsorbierende Substanz benutzten.
Im Jahre 1881 stellte K a y s e r dak Adsorptionsgesetz auf
2, = a
blogp,
+
worin v die Anzahl Kubikzentimeter Gas, welche 1 ccm Kohle
adsorbiert, und p den Druck in Millimeter Quecksilber bedeuten. a und b sind Konstanten, die von der Temperatur
abhangen. ,,Mit Ausnahme der niedrigsten Drucke," sagt er,
,,stimmen die berechneten Werte mit den gefundenen bis auf
einige Prozente uberein." Es ist leicht einzusehen , warum
dieses Gesetz bei sehr niedrigen Drucken nicht gelten kann,
denn unter diesen Bedingungen wird logp, und folglich auch
die absorbierte Gasmenge v, sehr groB.
1) S a u s s u r e , Gilberts Ann. 47. 1814.
2) P. C h a p p u i s , Wied. Ann. 12. p. 161. 1881.
3) H.K a y s e r , Wied. Ann. 12. p. 526. 1881.
4) J. D e w a r , Proc. Roy. SOC. p. 122. 1904.
5) H.B a e r w a l d , Ann. d. Pbys. 23. p. 84. 1907
6) R. B u n s e n , Wied. Ann. 22. p. 145. 1884.
7) P. Miilfarth, Ann. d. Phys. 3. p. 328. 1900.
198
A. E. M ; Geddes.
Die vorliegende Arbeit wurde daher unternommen, urn
erstens ein Gesetz aufzufinden, welches die Versuchsergebnisse
besser decken sollte, und zweitens, urn zu finden, ob der Vorgang ein umkehrbarer sei, d. h. ob das Gas von der Kohle
durch einfache Druckverminderung vollstandig aufgegeben werde.
Der endgiiltig benutzte Apparat war vollstandig aus Glas,
und bestand wesentlich aus fiinf verschiedenen Teilen ; alle
Verbindungen waren von dem Lotrohr zusammengeblasen, rnit
Ausnahme derjenigen zwischen dem Kolben, welcher die Kohle
enthielt, und dem iibrigen Teil des Apparates. Dies war nicht
zu vermeiden, da der Kolben aus Quarz, wahrend der iibrige
Apparnt aus gewohnlichem Sodaglas bestand. An dieser Stelle
diente ale Verbindung ein Stiiclr dicken Gummischlauches,
welches rnit Siegellack uberzogen war. Diese Verbindung
zeigte sich vollstandig luftdicht , denn keine Druckiinderung
war am Manometer wahrzunehmen, wenn der Apparat leer
gepumpt und einige Tage stehen gelassen wurde.
Die Quecksilberluftpumpe zum Entleeren des Apparates
war angeschmolzen. Das so erhaltene Vakuum war augerst
gut. Die Pumpe wurde von Max Stuhl-Berlin gebaut.
Die fiinf Teile des Apparates waren:
I. ein Gasentwickler mit Trockeneinrichtung,
11. ein Reservoir zum Sammeln des getrockneten Gases,
111. eine kleine Kugel zum Messen der Gasmenge, die
jedesmal in den absorbierenden Teil hineingefuhrt wurde,
IV. ein Manometer rnit verbundenem Barometerrohr zum
Messen des Druckes,
V. die Absorptionskugel aus Quarz und die Glasverbindungsrijhren.
Ausfuhrliche Beschreibung des Apparates :
I. Ein K i p p scher Apparat diente als Kohlendioxydentwickler, der mit dem Trockenapparat in Verbindung stand.
Dieser bestand, der Reihe nach, aus 1. zwei Waschflaschen
mit konzentrierter Schwefelsaure, 2. einer Chlorcalciumrohre,
3. einer Phosphorpentoxydrohre. Die Lange der beiden Rohren
zusammen betrug etwa 1 m.
11. Das Gasreservoir war eine Kugel von 200-300 ccm
Kapazitat. Die Form zeigt Fig. 1. Das Gas von dem Trockenapparat tritt durch den Hahn A in die Kugel ein. Wenn C
Absorption
VOR
Kohlendioxyd durch Kohle.
799
voll ist, was das Manometer G zeigt, wird A geschlossen;
dann steht das Quecksilber auf dem Niveau EE. Urn das
Eindringen der AuSenluft in die Kugel durch
die Gummiverbindung zu verhindern, wurden
ein Kapillarriihrchen B’ und ein Hahn B a n
die Kugelriihre angeschmolzen. Dann kann
das Quecksilber in die Kugel durch die Kapillare B’ eintreten, wahrend die Luft, die F
sich moglicherweise durch Eindringen zwischen
Gummi und Glas sammeln kann, durch den
Hahn B herausgetrieben werden kann.
111. Die MeBkugel war bei B (vgl. Fig. 1)
Fig. 1.
an dem Reservoir angeschmolzen, und stand
in Verbindung damit durch den Hahn D. Am anderen Ende
konnte die MeBkugel durch den Hahn E abgeschlossen werden,
welcher mit einer Rohre in Verbindung steht, die zu dem Absorptionsteil des Apparates fiihrt.
IV. Das Manometer zeigt Fig. 2. Das Barometerrohr A
taucht in ein kleines GtefaB, welches in einem groberen GefaB B
liegt. Das kleine GefaB hat den Zweck, das
Eintreten von Luftblasen in das Barometerrohr zu verhindern, die m6glicherweise durch
die Gummiverbindung C hineindringen kiinnten.
Durch den Hahn E kann man etwaige Luftblasen austreiben, die durch die Verbindung D
in das Manometer gelangen. Das ganze Manometer war so an einem hiilzernen Gestell befestigt, daB das Barometerrohr A senkrecht
beweglich war. Auf diese Weise kann man
das Quecksilber immer auf den Fixpunkt P
bringen. Auf dem hiilzernen Gestell liings
des Barometerrohres war eine Skala so anFig. 2.
gebracht, daB man die Niveaudifferenz des
Quecksilbers bei 3,und im Barometerrohr mittels des Kathetometers sofort ablesen, und daher den Druck des sich im
Apparat befindlichen Gases finden konnte.
Die Volumina der verschiedenen Teile des Apparates
wurden auf folgende Weise bestimmt. Das Folumen der MeBkugel (d. h. das Volumen B P in Fig. 1) wurde vor dem An-
$00
A. E. M Geddes.
schrnelzen durch Auswagen mit Quecksilber gefunden. Dann
wurden die verschiedenen Teile des Apparates miteinander
verbunden, und die MeBkugel mit trockener Luft gefiillt. Darauf
lie6 man diese Luft sich in die vorher evakuierten Verbindungsrohren ausdehnen. Eine Ablesung des Druckes am Manometer
und des Barometerstandes gestattete dann das Volumen der
Verbindungsrohren auszurechnen. Nun wurde der Hahn C
(vgl. Fig. 3) geoffnet, welcher die Absorptionskugel rnit dem
iibrigen Apparat verbindet. Nach Ablesung des neuen Druckunterschiedes konnte man, mit Hilfe der Gasgesetze, das
Volumen der Absorptionskugel ausrechnen.
Die zur Absorption benutzte Kohle war KokosnuBkohle.
Um das spezifische Gewicht der Kohle zu bestimmen, wurde
sie zu einem feinen Pulver zerrieben, gegliiht, urn die letzten
Spuren von Feuchtigkeit zu entfernen, und in ein Wage-,
gliischen gebracht. Die Dichte wurde durch W&gung sowohl
in absolutem Alkohol als in luftfreiem, destilliertem Wasser
festgestellt. Es wurde darauf geachtet, genugende Zeit zur
innigen Mischung der Fliissigkeit mit der Kohle zu geben. I n
den beiden Fallen war das spezifische Gewicht praktisch
identisch und betrug im Mittel 2,545.
Die Absorptionskugel wurde dann entfernt, gewogen und
rnit Kohle geftillt, welche nicht pulverformig, sondern in kleinen
Stucken war. Die Kugel wurde wieder gewogen und in genau
dcrselben Stellung mit dem Apparat wieder verbunden. Der
Unterschied der beiden Wagungen gab das Gewicht der benutzten Kohle.
Um die Kohle von Luft und Feuchtigkeit zu befreien,
wurde der ganze Apparat evakuiert, die Absorptionskugel in
in einen Ofen gestellt und erhitzt, und die so abgegebene Luft
rnit der Pumpe entfernt. Die Kugel wurde 6-7 Stunden im
Ofen gelassen, urn sicher zu gehen, daE alle Luft entfernt sein
sollte. Es wurde darauf geachtet, daB die Temperatur hoch
genug war, urn die letzten Gasspuren frei zu machen, aber
doch nicht so hoch, um die Kugel zu erweichen.
Urn die Temperatur der Kugel wahrend der Versuche
konatant zu halten, wurde ein Thermostat rnit elektrisch betriebenem Ruhrwerk benutzt. Die so erhaltene Temperatur
blieb innerhalb
C. konstant.
Absorption v o n Kohlendioxyd durch Kohle.
801
Fig. 3 zeigt die verschiedenen Teile des Apparates, deren
Volumina bekannt sein mugten.
.
.
Das Volumen zwischen den Hlihnen A, B
. .
= 14,247 ccm
Das Volumen zwischen den Hahnen B, C, D und
dem Quecksilberniveau im Manometer. . . . . = 20,216 ccm
Das Volumeu der leeren Kugel E . . . . . . . = 29,774 cem
Das Gewicht der in Kugel E enthaltenen Kohle, . = 16,555 g
Das spezifische Gewicht der Kohle . . . . . . . = 2,545 g
Daher ist das von der Kohle eingenommene Volumen = 6,504 ccm
und das ubrige Volumen der Kugel E . . . . . = 25,270 ccm
Fig. 3.
Persuchsverfahren. Sobald alles Gas von der Kohle durch
Erhitzen und Evakuieren entfernt worden war, wurde der
Hahn C (Fig. 3) geschlossen. Der ubrige Apparat wurde dann
mehrere Male mit CO, ausgewaschen, um sicher zu gehen,
daS keine Spuren fremder Gase im Apparat geblieben waren.
Das hodhste von der Pumpe zu erhaltene Vakuum wurde dann
erzielt, und die Hahne B und D geschlossen. Nun wurde das
Gas von dem Reservoir in A B durch A hineingelassen, das
Manometer am Reservoir reguliert, um das Gas in A B auf
Atmospharendruck zu bringen, und A geschlossen. Darauf
wurde B geoffnet, so dalj dns Gas sich i n die Kugel E und
die Verbindungsrohren ausdehnen konnte. Obgleich die Absorption zuerst ziemlich schnell vor sich geht, bedarf es zur
vollstandigen Absorption einer gewissen Zeit. Es wurde
experimentell gefuriden, daB nach 24 Stunden die Absorption
eine fast vollstandige war. Fur die Absorption jedes hineingefuhrten Volumens wurde daher ein Tag gegeben, worauf der
Druck am Manometer abgelesen wurde.
Annalen der Physik. IV. Folge. 29.
52
A. E. M; Geddes.
802
T a b e l l e 1.
Gepamtmenge
Gesam tmenge
von CO,, absorbiert
von 1 ccm Kohle
Druck
in mm Hg
28
1,998 ccm
543
70
3,767
7,
577
10,184
115
5,270
,,
603
10,420
,,
,,
211
6,038
7,
619
10,680
,,
276
6,865
,,
329
7,643
8,151
,,
,*
,'
Druck
iu mm Hg
393
yon CO,, absorbicrt
von 1 ccm Kohlc
9,936 ccm
637
10,357
71
654
11,040
,,
670,5
11,155
683
11,252
689,5
11,408
437
8,704
,l
470
9,210
,,
511
9,534
7,
,,
,,
Tab. I zeigt die yon einem Kubikzentimeter Kohle ab.
sorbierte Menge CO, und den entsprechenden Druck in Millimeter Quecksilber bei 14' C.
Um eu lernen, ob der Vorgang ein reversibler sei, wurde
der Hahn C (Fig. 3) bei dem Druck 689,5 mm geschlossen
und der Apparat evakuiert. Uarauf wurde D geschlossen uiicl C
geijffnet, um das Gas sich ausdehnen zu lassen. Fur jede
Ausdehriung wurde dieselbe Zeit gegeben, als fur die Absorptionen gegeben worden war. Tab. Ia zeigt die Drucke
und die entsprechenden von der Kohle zuriickgehalteneii Gasmengen bei 14O C.
Ein Vergleich der beiden Tabb. I und I a zeigt, da8 das
Gas durch einfache Druckverminderung nicht vollstandig abgegeben, sondern da6 eine betrachtliche Menge von der Kohle
zuruckgehalten wird. Um zu finden, ob diese zuriickbleibende
Menge durch ein hoheres Vakuum zu entfernen ware, wurde
der Druck wahrend 7 Tagen allmahlich von 12 mm (Tab. I a )
bis zu 4 mm Hg vermindert. Bei diesem Druck hielt jedes
Kubikzentimeter Kohle noch 2,053 ccm Gas zuriick. Rei
14' C. ist daher der Vorgang nur teilweise reversihel.
803
Absorption von Kohlendioqd durch Kohle.
Tabelle Ia.
Druck
in mm Hg
Druck
in min Hg
699,5
36,5
433,5
33,5
285
31,O
195,5
141
27,O
105,5
24,O
85,5
20,o
75
18,5
59,5
16,5
25,5
49,5
14,5
43,5
12
Die nachste Versuchstemperatur war 31 O C. Diese Temperatur wurde gewahlt, urn zu sehen, ob in der Nahe der
kritischen Temperatur irgend ein besonderes Verhalten zu
beobachten ware. Bevor das CO, wieder in Beriihrung mit
der Kohle kam, wurde diese 6-7 Stunnden im Ofen gegliiht,
und das so abgegebene Gas vollstandig abgepumpt. Das Verfahren war genau dasselbe wie bei 14O C. Tab. I1 enthalt
die Resultate bei 31 O C.
T a b e l l e 11.
Druck
in mm Hg
41,5
120
194
276
340
405
Gesamtmenge
Cesamtmenge
CO,, absorbiert
von 1 ccm Kohle
(on CO,, absorbiert
von 1 ccm Kohle
Druck
in mm Hg
1,653 ccm
453
6,368 ccm
2,916
3,952
11
534
,l
602
7,117
7,602
),
,l
678
8,239
ll
,)
698
8,604
8,870
4,683
5,383
5,889
),
713
on
52 *
71
11
,)
A. 8.M Geddes,
804
Wie bei 14O C., so auch bei 31 O C. wurde die Reversibilitat des Vorganges untersucht. Das Resultat war dasselbe,
wie Tab. IIa zeigt.
Der Ausdehnungsraum war hier nicht so groB wie bei
14O C., da der Teil A B (Fig. 3) abgeschlossen war. Diese
Anordnung hatte den Vorteil, da8 man eine gro6ere Anzahl
Ablesungen bei hijheren Drucken erhalten konnte. Die Versuchszahlen der beiden Tabellen deuten kein eigentumliches
Verhalten bei dieser Temperatur an.
T a b e l l e IIa.
Druck
in mm Hg
co,
Geeamtmenge CO,
von 1 ccm Kohlc
zuriickgehalten
Gesamtmenge
von 1 ccm Kohle
zuriickgehalten
713
55,5
3,914 ccm
498,5
47
360
39
3,758
3,634
268,5
33,5
3,522
19
205,5
29,5
3,419
,,
156,5
25,5
3,332
77
122,5
23,5
99,5
20,o
82
17,5
3,244
3,177
3,117
>,
,,
,>
.,
,t
67,5
Um das Verhalten des Gases oberhalb der kritischen
Temperatur zu studieren, wurde fur die nachste Versuchsreihe
die Temperatur 35O C. gewahlt. Wie bei 31° C. wurde die
Kugel erhitzt und vollstindig ausgepumpt, bevor man das
CO, eintreten lieB. Tab. 111 gibt die Resultate fur die Absorption bei 35O C. wieder. Die Umkehrbarkeit des Vorganges bei 35O C. wurde auch untersucht. Tab. IIIa gibt die
R%sultate wieder. Der Ausdehnungsraum war derselbe wie
bei 31° C.
805
Absorption von Kohlendioxyd durch Kohle.
T a b e l l e 111.
Druck
in mm Ilg
50
132
215,5
288,5
356,5
417,5
465,5
506
516
569,5
Geeamtmenge
von CO,, absorbiert
Druck
Gesamtmenge
CO,, absorbiert
von 1 ccm Kohle
YOU
1,662 ccm
60 1
626
647
665,5
680
686,5
700
704,s
710
715
2,825 ,,
3,731 ,,
4,489 ,,
5,077 ,,
5,507 7,
5,918 !,
6,276 :,
6,509 .,
6,824 ,.
7,030 ccm
7,226
7,405
7,505 ,,
7,593
7,733 ,,
7,802 ,,
7,871 ,,
7,942 ,,
7,984 ,,
,,
,,
,,
T a b e l l e IIIa.
Druck
in mni Hg
Gesamtmenge CO,
von 1 ccm Kohle
zuriickgehal ten
1
Druck
in mm Hg
Gesamtmenge CO,
von 1 ccm Kohle
zuriickgehalten
I
I
715
494
352,5
261,5
2 00
156
123
98,5
79,5
7,984 ccm
6,927 ,,
6,091
5,409
4,881
4,437
4,079
3,682
3,548
1,
67
56
47,5
1,
40
,*
9,
:,
$1
7,
34,5
29,5
25,5
24,5
20,o
3,327 ccm
3,160 7,
3,002 1,
2,871 1 ,
2,754 ,,
2,655 ,,
2,569
2,475
2,416
9)
7,
,,
Das gleiche Resultat wird hier erhalten, wie in den beiden
fruheren Fiillen. Eine gewisse Menge Gas wird von der Kohle
zuruckgehalten. Daher fallen die Absorptions- und die Ausdehnungskurven nicht zusammen.
Alle in den sechs Tabellen gegebenen Volumina sind auf
760 mm Druck und 14O C. reduziert.
Die in Tabb. I, 11,I11 gegebenen Zahlen wurden zunachst
auf Millimeterpapier als Kurven, mit Abszissen als Volumina
und Ordinateu als Drucke aufgezeichnet. Die so erhaltenen
806
A. 8.M. Geddes.
Punkte lagen alle auf ahnlichen Kurven. Die Ubereinstimmung
der Punkte mit der Kurve war so gut, besonders bei 31° C.
und Xio C., dab man auf irgend ein Absorptionsgesetz schlieben
mubte. Das Kaysersche Gesetz
2)
=a
+ blogp
wurde unzulanglich gefunden. Die h d e r u n g der urspriinglichen Form der Kurve aber gab Veranlassung zur Idee, anstatt
Drucke und Volumina deren Logarithmen als Ordinaten bzw.
Abszissen zu gebrauchen. Die so erhaltenen Punkte lagen
innerhalb der Versuchsfehlergrenzen , auf einer ganz geraden
Linie. Urn diese Aufzeichnungsmethode zu erleichtern ist
logarithmisches Papier gebraucht worden, mit befriedigenden
Resultaten. Das Gesetz muB daher der Form sein
)
y =axn,
wo y die von einem Kubikzentimeter Kohle absorbierten Kubikzentimeter CO,, und 3 den Druck in Zentimeter Quecksilber
bedeuten. a ist eine Konstante, deren GroBe von dem Schnittpunkt der y-Achse mit der Linie gegeben wird. n ist auch
eine Konstante, die von der Neigung der Linie abhaingt, da
n = tan{Neigungf ist. Denn wenn wir die Logarithmen von
beiden Seiten der Gleichung nehmen
y = ft 2'"
oder
,
v = apiL,
wo u und p Volumen und Druck bedeuten, haben wir
log v
oder
(1)
= n logp
z =?
+ log a ,
l l + c,
welche die Gleichung einer geraden Linie ist. n ist die Tangente
der Neigung und c die Konstante f i r die betrachtete Temperatur.
Die in Tabb. I, I1 und 111 gegebenen Volumina und
Drucke sind auf logarithmisches Papier aufgezeichnet worden.
Fig. 4 zeigt die Kurven. Die Abszissen stellen die Drucke
in Zentimeter Quecksilber und die Ordinaten die Volumina
in Kubikzentimeter dar. Die drei geraden Linien in Fig. 4
)
Absoyption von Kohiendioxyd durch Koh2e.
807
entsprechen den Temperaturen 1 4 O C., 31° C. und 35O C. Die
Werte fur die Tangenten der Neigung der drei Linien sind
nI4 = 0,498,
nS1 = 0,570,
n36 = 0,588.
Fig. 5.
Fig. 4.
Aus Fig. 4 kann man auch die Werte von a fur die drei
Linien finden. Zwei von den Linien schneiden die y- oder
u-Achse unterhalb des Anfangspunktes. Das zeigt, dab log a
808
A. E. X Geddes. Absorption v. Kohlendioxyd dureh Kohle.
negativ ist, oder mit anderen Worten, daB a ein Bruch ist.
Die Werte von c in Qleichung (I), wie sie Fig. 4 gibt, sincl:
e14 = log,, ar4 = log,, 1,356,
eS1= log,, aSl = log,, 0,140 ,
ca6 = log,, aS6= log,, 0,629.
Man erhalt so drei Werte fur a und n. Der Temperaturbereich ist aber sehr begrenzt, so da8 man aus diesen
Resultaten keine genauen Schliisse uber die Abhangigkeit von a
und n von der Temperatur ziehen kann.
Ich beabsichtige aber die Untersuchung uber einen vie1
groderen Temperaturbereich auszudehnen, urn , wenn moglich,
diese Abhangigkeit klarzulegen.
Aus den Kurven in Fig. 4 ist aber ersichtlich, daB fiir
die untersuchten Temperatur- und Druckbereiche die Absorption von CO, durch Kohle einem Gesetz der Form v = up"
folgt, wo v das von einem Kubikzentimeter Kohle absorbierte
Volumen CO, in Kubikzentimeter bedeutet und p den Druck
in Zentimeter Quecksilber.
In Fig. 5 sind die in Tabb. Ia, IIa und IIIa gegebenen
Volumina mit den entsprechenden Drucken aufgezeichnet. In
diesem Falle aber liegen die Punkte nicht auf geraden Linien.
Auch scheint das Verhalten in den drei Fallen nicht genau
dasselbe zu sein. Das Abgeben des Gases folgt daher nicht
einem Gesetz, welches dem Absorptionsgesetz ahnlich ist.
Hrn. Prof. Dr. Niven bin ich zum gro5ten Danke verpflichtet fur die Anregung zur vorliegenden Arbeit und fur
das stetige Interesse und die Unterstiitzung bei ihrer Ausfiihrung. Ihm sage ich an dieser Stelle meinen aufrichtigsten
Dank.
A b e r d e e n , The University, 21. Mai.
(Eingegangen 84. Mai 1909.)
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