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Die Oberflchenspannung von Goldlamellen.

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D i e Obe~ejttichenspannungvon Goldlumellefi
Vow G. T a m m a m a u n d W. B o e h n t e
(Mit (i Figuren)
Lamellen ocler Niidelchen metsllischer Stoffe schrumpfen
sclion bei Tcniperaturen weit UII terlialb ilirer Sclimelzpunkte,
was an den abgerundeten Formen ihrer aus uictallischeii
Lijsungen ausgeschiedenen Kristiillclien xi1 erkeiinen ist. Rei
nichtmetallischeu Stoffen sclieint dieses Schrumpfen auch in
der niichstcn Kiihe ihres Sclrmelzpixnlites, wie hei den feinsten
Eisniidelchen von Scliiieefliocken, nicht beolmhtet zii sein.
Die Geschv indiglteit cles Schunipfens von Fliissiglteitslamellen ist sehr groW (zerplatzende Seifenblasen). Bei nietallischen Lamellen wiichst die Sclirumpfungsgeschwindigkeit mit
11achsender Temperatiw sehr stark an, was auf starlie, die
Schrumpfuug behindcrnde Reibung hinweist.
Mit maclisender, die Lanielle delinender Kraft nimnit bei
einer bestirnmten Tempemtur die Scliruinpfungsgeschwindigkeit
nb und geht bei grofjeren Kraften i n eine Verlangerung der
Lamelle iiber, deren Geschwindigkeit mit dehnender Kraft anTvachst. Die Kraft, bei der keine Lhgenandermig der Lamelle
eintritt, ist das Doppelte der Oberfliichenspannung. Hierdurch
ist ein Verfdiren zur Bestimmuiig der Oberflachenspannung
gegeben.
1. Versuchsverfahren
Zur Herstellung der Goldfolieri I) wurde ein Zinkpliittchen
von 0,l mm Dicke einseitig verkupfert und auf Hochglanz poliert.
,4uf diesem wurde eine Goldscliicht von gewiinschter Dicke aus
einem Goldbade, das in 100 cm3 1 g SuC1, und 2 g KCN enthielt, rnit einer Stronistiirke von 0,2 niA pro Quadratzentimeter
elektrolytisch niedergeschlagen. Diese Goldscliicht wurde ver~~
1) K. Miiller, Sitzungsbericht d. l’reu0. Akad. 26. S. 464. 1026.
l‘ammann u. BoelLme.
OberSludLenspannu~agvon Goldlamellen 8‘21
kupfert, so daR dws Metallplii,ttchen aus vier Schicliten bestand.
Die Zinkscliicht urcle in einer 16 prozentigen Salzsaurelosung,
die bciden Kupferschichten in einer 20 prozentigen Ammoniumlwsulfatliibung geliist. Die zuriickbleibende Golclschicht wurde
gewaschen, auf eine Glasplatte gebracht, getrocknet, mit einer
Rasierklinge von der Glasplatte abgehoben und auf der Glasplatte zurechtgeschnitten, so daD die Breite des Streifens imnier
5 mm unrl ihre Liinge zwischen 5-6 mm schmaukte. Darauf
wurden die Enden der Folie fiber zwei Nickelstreifen geschlagen und mit einer Liisung von Kolophoniuni in hlkohol
verklebt. Diese beiden Enden dicnten als Narken, deren Abstiinde gemessen nurden. An den verltlebten Teilen cler Bolie
waren Schrumpfungserscheinungen nicht zu beobachten. Das
Xittelstiick der Lamelle schrumpfte nicht iiur seiner L h g e
nach, sondern auch in seiner Breite, indem die Riinder des
Nittelstuckes sicli konvex nach innen kriimmten und auf der
Oberflliche Langsfdtchen entstanden. Die beiden Nickelstreifen
trugen Drahtschlingen, eine derselben diente zum Aufhangen
an einem Porzellanrohr, die andere zum Anhiingen von GeJ\ ichten. Nach der Herstellung der arinierten Golclfolie wurde
sie in das Ofenrohr gefuhrt.
Das Erliitzen wurde in der Luft rorgenommen. Die Gasatmosphgre, in der die Erhitxung der Folie vorgenommen
uird, ist besonders beim Silber von groBem EinfluR auf die
Schruni1)fungserscheinung.l) Bei Goldfolien mit einer Dicke
von 0,7 ,u ist aber die Temperatur des Beginns der Echrurnpfung
im Valtuum und in der Luft fast dieselbe.
2. Schrumpfungstemperatur
Zur Bestininiung der Temperaturen, bei denen Schrnmpfung
eintritt, erhitzt man die zu untersuchende Lamelle und miat
liierhei ihre Liinge. Die Lange der Lamelle wiichst init der
Teniperatur durch die Kiirmeausdehnung ein wenig, erreicht
ein Maximum, nimmt dann langsani und schlie6lich schnell ab.
Die Temperatur des Maximums ist praktisch die des Beginns
1) T. T u r n e r , Roy. Soc.Proc. ser. A. 81. S. 301.1908; Y. C. C h a p m a n u. H. L.l’orter, Roy.Soc.l’roc.ser. A. 83. S. 66. 1910; H. S c h o t t k y ,
Giitt. Sachr. Math. I’hys. Klasse 1912. S. 480; I. S a w a i u. M. N i s h i d a
%. anorg. u. allg. Chem. 190. 8. 373. 1‘330.
822
Annalen der Physik. 5. Folye. Band 12. 1932
der Schrunipfung, da die U%rmeausdehnung der Lamelle sehr
gering ist. I n Fig. 1 ist die Langenanderung einer elektrolytisch hergestellten Goldlamelle von 0,s p Dicke in Abhangigkeit von der Temperatur fur zwei verschieciene Erhitzungsgeschrvindigkeiten angegeben. Die so bestimmten
1lemperaturen
1
cles Schrumpfungsbeginns sind in Abhangigkeit
voii der Dicke der Lamellen in
Fig. 2 dargestellt. Die Kurve 1
bezieht sich auf die elektrolytisch hergestellten, die Kurve 2
Fig. 1
Scl~iumpfungstemperaturen fiir
verschiedene Dicken
Fig. 2
auf Goldschllgerhautchen. l) Die Schrumpfungstemperaturen der
Goldschliigerhkutchen liegen bei derselben Dicke bei etwa 2000
hiiheren Temperaturen als die der elektrolytisch hergestellten
Lamellen. Der Grund hierfiir ist wohl in der verschiedenen
Struktur der Lamellen ZLI suchen. Die elektrolytischen Lamellen
liaben eine gleichnd3ige Diclic, was aus Wiigungen von Stiicken
derselben Lainelle folgt, sie bestehen aus kleinen Kijrnern, deren
Durchmesser in der Regel ihrer Dicke entspricht. Die Dicke
der Goldschliigerfolie muB eine recht ungleichmaflige sein, denn
beiin starken Schrumpfen dieser Folien entstehen in ihnen
Liicher. Es miissen also diinncre Teile zuerst geschrumpft
sein. TT‘enn die Golclschliigerfolien aus einem Gitterwerk dicker
Streifen bestehen, zwischen denen diinnere Schichten sich Lefinden, so wird ihre Schruinpfung durch die Dicke dieser
Streifen bestiiiimt. Leitet man die Dicke der Polien aim
ihrem Gewicht und ihrem Placheninhalt ah. so erhiilt man
1) I.Sawai u.~I. Sisl1ida , Z. a nor~ . u. a llg. Che m.lS’S.S.11I).1930.
Tamnzann u. Boehnae. Oberflachenspannung von Goldlamellen 823
bei einem solchen Stiickchen zu kleine, die Schrumpfung bestimmende Dicken. AuBerdem enthielten die Goldschliigerhiiutchen 1,97 Proz. Ag, das miiglicherweise auch ihre
Schrumpfungstemperaturen erhohte.
3. Die Schrumpfungsgeschwindigkeit
Die Schrumpfungsgeschwindigkeit , die relative Langenabnahme d I / 1 einer Lamelle pro Minute, wurde in folgender
Weise ermittelt. Die Lamelle wurde in den Ofen konstanter
Temperatur gebracht. Die Annahme der Teinperatur des Ofens
durch die Lamelle dauerte etwa 15 Sek. I n Fig. 3 sind fur
einen Versuch die T e r t e A l l 1 in Abhhgigkeit von der Zeit
wiedergegeben. Anfangs nimmt
die LSnge der Folie linear
~~
3000 4000 5000 600d
Fig. 3
Schrumpfungsgeschwindigkeit.
fur verschiedene Dicken
Fig. 4
init der Zeit ah, doch schon nach etwa 5 Min. beginnt cine
Verzogerung dieser Abnalmnie, und nach e t m 15 Min. Bndert
sich die Liinge nicht mehr nierklich. Mit der Dicke nimmt
die anfiingliclie Schru~i~pfungsgeschwindigkeit- bei der1 . d ~
selben Temperatur ab. Mit wachsender Teiiiperatur nimint
sie linear zu. Die starke Abnahiiie der Schrumpfungsgeschwindigkeit nach deni Verlauf von etwa 5 Min. entspricht
iiicht ihrer Dickenzunahme, sondern meist daranf hin, daW in
der Lamelle die Schrumpfung nicht gleichmaflig vor sich geht.
Resonders ihre seitliche Schrumpfung und die bei ihr entstehenden F d t c h e n in der Schrumpfungsrichtung mogen sie
verzogern.
824
Annalen der Physik. 5 . Folge. Band 12. 1932
Die Temperatureu des Uegiiins der Schrumpfung fiir verschiedene Dicken kann man auch aus der bbhangigkeit der
Schrumpfungsgeschwindigkeit von der Temperatur ableiten
(Fig. 4). Extrapoliert man a m diesen Geraden die Teniperaturen,
bei denen die Schrumpfungsgeschwindigkeiten null werden, und
vergleicht sie mit denen nach Fig. 1 gefundenen Schrumpfungstemperaturen, so findet mau Ubercinstinimung, wie aus folgencler Tabelle zii erschen ist:
~-
Dicke in p
I
1
-~~
~
0,28
0.44
I
~-
-~
Nach Fig. 4
-~
~~-~~
~~
0,67
-
Nach Fig. 1
'
~
2400
380
1
430°
~~
230
385
423"
4. Die Bestimmung der Oberflachenspannung
Stellt man die Anfangsgeschwindigkeiten der Langenhderungen bei kunstanter Temperatur and gleicher Dicke 1)
Isothermen der Schrumpfungsgcschwindigkeit bei verschiedenen 1,auten
Fig. 5
OberflLchenspnnnung des Goldes
Fig. 6
der Lanielle (0,65 p) in Abhangigkeit von der Belastung auf
1 cin der Lamellenbreite dar, so erhalt man die Knrven der
Fig. 5. Nit wachsender Temperatur wiichst die Anderung der
A1
Geschwindigkeit der LBngenyLnderung d
1
(2
A '- in AhhiingigdP
1) Die Lamellen der Dicke 0,65 p wurden aus einem groaen Vorrat
von fast gleich dicken JAamellen ihrem Gewicht nach ausgesucht.
T a m m a m u. Boehrtbe. Oberfl~chenspa?znun~
von GoldlainelIeiL 825
Beit von cler Last sclinell an. Die Schnittpunkte der Jsotlicmnen
iiiit der Nullaclise der LBrigen~ndernugsordinategeben die
Lasten, v elclie der doppelten Oberflliclienspannung das Gleichgewicht halten. Interpoliert man die Lasten dieser Sclinittpunkte, so ergeben sich folgende Oberflachenspaiin~~n~eii:
700" = 1230 ~ ~ I ~ / C I I I
750°= 1220 ,,
800'= 1200 .,
850°= 1180 ,,
Die Isothermen, welche die BbhQngigkeit der Anfangsgeschwindigkeiten der Langeniinderungen von der Last wiedergeben, schneiden niit v achsender Temperatnr die Nullaclise
der Langenordinate niit wachsendeni M-inkel. Die Isothermen
sclbst haben Wendepunkte, die bei den Sullwerten der LBngenanderungen liegen. Der Tangens des Winlcels der Taiigente
in dieseni Wendepunkte mit der Bhszisse ist gleich cl
(-&)
-___.
11
Bei verschiedenen Teinperaturen hat tg
~~~
~
700
tg
fx
0,015
1
550"
0,065
ri
1
800"
E
G
P
folgende Werte :
~
1
y 1
S5Oo
-
~-~.
2,04
Nit 11 achsender Annrilierung an den Schmelzpunkt des
Goldes v\-8clist tg ct sehr schnell an, weil die Reibnng bei
der Schrunipfung und Dehnung stark abnimint. Fur eine
Lanicalle aus ffiissigem Gold wiirde tg a einen aul3erordentlich
grofien TTe'ert haben. Die Messnngen der Gescliwindigkeit der
Langenanderungen in Abhangigkeit voii der Last konnten bei
Teinperaturen iiber 850 O nicht 'ausgefiihrt verden, weil nach
Einfiihrung der belasteten Lamellen diese bei 900' sclion
nach eirier lialben Minute rissen. Bei 850' riB etwa die
Halfte der Lamellen. Die Lamellen bestanden, wie erwalint,
aus kleinen Kiirnern, zwischen denen sich wahrscheinlich Beiniengungen befanden, die bei 900' schnielzen miigen, wodurch das ReiBen schon bei Belastnngen unter 50 nig/cni
erfolgte.
Annabn der Physik. 5 . Folge. Band 12. 1932
826
5 . Die Oberfliichenspannung
von flussigem und kristallisiertem Golde
Die Oberflhhenspannungen von Aiissigein Golde sind nacli
dem Blasendruckverfahren in Abhangigkeit von der Temperatur
yon F. S a u e r w a l d und TI'. K r a u s e l ) bestimnit worden. Die
Oberfliichenspannungen des fliissigen und die des kristallisierteii Goldes iindern sicli linear niit der Temperatur. Beiin
Schmelzpunkt ist die OherHach~~nspannuiig
des kristallisierten
Goldes nur uin etma 1 Proz. grd3er als die des fliissigen. Bei
der Ih-istallisation des Goldes tritt eine Volumenverkleinerung
von 5 Proz. ein, dementsprechend wachst der iniiere Druck
(Kohasionsdruck) bei der Kristallisation uiid iiiit ihrn die Molekularattraktion, uiit cler auch die Oberfl%chenspannung wiichst.
Dem entspricht auch ein dnwachsen cler Oberfliichenspannung
bei der I<ristallisation.
1) F. S a u e r w a l d u. W. K r a u s e , Z. anorg. u. allg. Chem. 181.
192'3.
(Eingegangen 22. November 1931)
s. 353.
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