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Gerät zur Gefrierpunkts- Osmometrie
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Die Neuerung bezieht sich auf ein Gerät zur Gefrierpunkts-Osmometrie,
mit einer Kühleinrichtung, mit einem Messgefäss zur Aufnahme einer Probelösung und
mit einem Auslösedraht zur Einleitung der Kristallisation. Ein derartiges Gerät
dient zur Bestimmung'der Gesamtzahl der osmotisch aktiven Teilchen der in einem
Lösungsmittel gelösten Substanzen.
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Bei bekannten Geräten für die Gefrierpunkts-Osmometrie wird der Auslösedraht,
der in der Probelösung hängt, beim Erreichen der Unterkühlungstemperatur der Probelösung
elektromechanisch in horizontaler oder vertikaler Richtung in vibrationsartige Bewegungen
versetzt, wodurch die Kristallisation eingeleitet wird. Ein derartiges Gerät arbeitet
besonders bei höheren Konzentrationen und Viskositäten der Probelösungen nicht immer
zuverlässig und eignet sich nur für Probevolumen von mehr als 0,05 ml.
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Bei einem weiteren bekannten Gerät zur Gefrierpunkts-Osmometrie wird
der Auslösedraht in der Kühleinrichtung für die Probelösung auf eine Temperatur
unterhalb des Gefrierpunktes der Probelösung abgekühlt. Kurz vor Erreichen der Unterkühlungstemperatur
wird an diesem Gerät der Auslösedraht manuell aus dem Kühlbereich hochgezogen und
anschliessend in die Probelösung eingetaucht.
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Mit diesem Gerät sind zwar exakte Messungen möglich, die Reproduzierbarkeit
der Messergebnisse hängt jedoch von der individuellen und manuellen Bedienung der
mechanischen Auslösevorrichtung, d.h.des Auslösedrahtes ab. Ausserdem ist eine Automatisierung
dieses bekannten Gerätes nur mit grösserem mechanischen Aufwand möglich.
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Der Neuerung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur Gefrierpunkts-
Osmometrie der eingangs genannten Art zu schaffen, das mit geringem Aufwand automatisch
arbeitet, um so die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse zu gewährleisten.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Neuerung vor, dass oberhalb der
Einfüllöffnung des sich in der Kühleinrichtung für die Probelösung befindenden Messgefässes
eine zweite Kühleinrichtung für die Spitze des Auslösedrahtes angeordnet ist und
dass eine Hubeinrichtung zur Bewegung des
Auslösedrahtes mit seiner
in der zweiten Kühleinrichtung unterhalb des Gefrierpunktes der Probelösung abgekühlten
Spitze in die im Messgefäss in der ersten Kühleinrichtung unterkühlte Probelösung
vorgesehen ist. Nach Erreichen der normierten Unterkühlungstemperatur der Probelösung
wird die mit Eiskristallen behaftete Spitze des Auslösedrahtes mittels der Hubeinrichtung
in die Probelösung getaucht, wobei spontan die Kristallisation der Probelösung zuverlässig
einsetzt.
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Zur Bestimmung der Gesamtzahl der osmotisch aktiven Teilchen der in
einem Lösungsmittel gelösten Substanzen wird die zu messende Probelösung in dem
Messgefäss mit Hilfe der ersten Kühleinrichtung unter den Gefrierpunkt abgekühlt,
ohne dass die Kristallisation einsetzt. Der Temperaturverlauf wird dabei mit einem
Thermistor -Temperaturfühler kontinuierlich gemessen, der in der zu messenden Flüssigkeit
angeordnet ist.
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Nach Erreichen einer vorher normierten Temperatur unterhalb des Gefrierpunktes
der Probelösung wird die Kristallisation eingeleitet. Dies geschieht mit dem Auslösedraht,
dessen untere Spitze mit der zweiten Kühleinrichtung zuvor soweit abgekühlt wurde,
dass kleine Eiskristalle in Folge von kondensiertem Wasser an dieser haften. Beim
Erreichen
der normierten Unterkühlungstemperatur wird die mit den
stark'unterkühlten Eiskristallen behaftete Spitze des Auslösedrahtes in die unterkühlte
Flüssigkeit getaucht, wobei spontan die Kristallisation des Lösungsmittel der Flüssigkeit
einsetzt. Während des Kristallisationsprozesses - bei gleichzeitiger Wärmeabfuhr
durch die erste Kühleinrichtung- stellt sich eine definierte lösungsmittelspezifische
Kristallisationstemperatur ein, die im Falle von reinem Lösungsmittel für eine kurze
Zeit nahezu konstant ist. Bei der kontinuierlichen Temperaturmessung in der Probelösung
ergibt sich nach Einleiten der Kristallisation ein Temperaturanstieg bis zum Gefrierpunkt
des Lösungsmittels und anschliessend ein sogenanntes Gefrierplateau.
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Danach sinkt die Temperatur entsprechend der weiteren Wärmeabfuhr
weiter ab.
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Im Falle von Lösungen ergibt sich eine um einen bestimmten Wert niedrige
Kristallisationstemperatur als die des reinen Lösungsmittels. Diese Gefrierpunktserniedrigung
ist durch das Raoult'sche Gesetz definiert und ist abhängig von der lösungsmittelspezifischen
molalen Gefrierpunktserniedrigung und der osmolalen Konzentration der gelösten Substanzen.
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Während des Kristallisationsprozesses reichert sich die gelöste Substanz
in der flüssigen Phase entsprechend der fortlaufenden Kristallisation der gesamten
Probe an. Bei
der kontinuierlichen Temperaturmessung in der Probelösung
ergibt sich nach Einleiten der Kristallisation ein Temperaturanstieg bis zu einem
Temperaturwendepunkt.
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Die Temperaturdifferenz zwischen dem Gefrierpunkt des reinen Lösungsmittels
und der Wendepunktstemperatur der Lösung ist ein relativer Messwert. Dieser ist
einerseits von der osmolalenKonzentration der Lösung und der lösungsmittelspezifischen
molalen Gefrierpunktserniedrigung und andererseits von dem zum Messzeitpunkt nach
der Auslösung der Kristallisation bereits konzentrierter gewordenen Restlösung abhängig.
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Die Bestimmung der osmolalen Konzentration durch Messen der Gefrierpunktserniedrigung
unter Anwendung der Unterkühlung vor der Auslösung der Kristallisation kann nur
unter normierten Verhältnissen mit vorangehender Eichung mit Lösungen bekannter
osmolaler Konzentration erfolgen.
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Die stark von der exakten Einhaltung der Unterkühlungstemperatur,
an der die Kristallisation eingeleitet wird, abhängige Reproduzierbarkeit der Messergebnisse
wird durch vorliegende Neuerung absolut gewährleistet.
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Das neuerungsgemässe Gerät hat den weiteren Vorteil, dass auf einfache
Weise mit einem Schwellwertschalter, der mit der elektronischen Temperaturmessanordnung
verbunden
ist, durch elektromechanische Abwärtsbewegung exakt die
Kristallisation eingeleitet werden kann. Die vertikale Bewegung des insbesondere
als stabförmiger Metallkörper ausgebildeten Auslösedrahtes kann mit einem Hubmagneten
oder einem exæntrischen Motorantrieb erreicht werden.
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Die Neuerung wird nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 das erste Ausführungsbeispiel mit einer Hubeinrichtung
mittels Hubmagneten und Fig. 2 das zweite Ausführungsbeispiel mit einer Hubeinrichtung
mit einem exzentrischen Motorantrieb.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Gerät zur Gefrierpunkts-Osmometrie
wird die sich im Messgefäss 4 befindende Probelösung 2 mit einer ersten Kühleinrichtung
1 unter den Gefrierpunkt abgekühlt. Ein Messgefässhalter 5 ist organisch an einer
zweiten Kühleinrichtung 6 angebracht und trägt sowohl das auf den Messgefässhalter
5 aufgesteckte Messgefäss 4 als auch einen Thermistor- Temperaturfühler 3, dessen
aktive Spitze sich in der zu messenden Probelösung 2 befindet.
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Der als stabförmiger Metallkörper 7 ausgebildete Auslösedraht
wird
durch einen Hubmagneten 8 in einer oberen Position gehalten, so dass die untere
Spitze des Metallkörpers 7 an der zweiten Kühleinrichtung 6 auf eine Temperatur
unterhalb des Gefrierpunktes der Probelösung abgekühlt wird.
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Durch Änderung der elektrischen Spannung am Hubmagneten 8 wird bei
Erreichen der normierten Unterkühlungstemperatur durch eine vertikale Verschiebung
mittels des Hubmagneten 8 die abgekühlte Spitze des stabförmigen Metallkörpers 7
in die Probelösung 2 eingetaucht, wodurch spontan die Kristallisation einsetzt.
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Zum Auswechseln des mit der Probelösung gefüllten Messgefässes 4 ist
die zweite Kühleinrichtung 6 mit einer Führungsvorrichtung 10 verbunden, die es
gestattet, die zweite Kühleinrichtung 6 mitsamt dem an dieser angebauten Messgefässhalter
5 und dem Hubmagneten 8 mit stabförmigen Metallkörper 7 aus der unteren in eine
obere Position zu bringen.
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Das in der Fig. 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel ist bis
auf den Hubmagneten 8 mit dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel
identisch. Zur vertikalen Verschiebung des stabförmigen Metallkörpers 7 ist dieser
exzentrisch an einem Elektromotor 9 angebracht. Der stabförmige Metallkörper 7 besteht
hier aus einem elastischen Edelstahlodraht, der die exzentrische Bewegung im oberen
Teil aufnimmt und seinerseits im unteren Teil durch entsprechende Führungen geführt
wird.
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