-
Verfahren zur Untersuchung des Verlaufes von chemischen Reaktionen
und anderen Vorgängen in Elektrolyten Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Untersuchung des Verlaufes ;von chemischen Reaktionen und anderen Vorgängen
in Elektrolyten. Sie stützt sich auf die bekannte, von dem Erfinder früher festgestellte
Tatsache, daß ein Elektrolyt, der sich in einem magnetischen Feld befindet, in Bewegung
versetzt wird, wenn er mit festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen in Berührung
gebracht wird und diese Berührung mit einer Ionenbewegung ohne Anschluß an einen
äußeren metallischen Stromkreis verbunden ist.
-
Die Erfindung beruht auf. der Erkenntnis, daß die Größe und Richtung
der Kraft, welche sich in der Bewegung des Elektrolyten äußert, in einem solchen
gesetzmäßigen Zusammenhang mit den Vorgängen steht, die sich in dem Elektrolyten
abspielen, daß dieser Zusammenhang praktische technische Bedeutung gewinnt, um aus
dem Auftreten einer Kraft sowie aus ihrer Richtung und Größe bestimmte Rückschlüsse,
z. B. auf den Elektrolyten, den mit ihm in Berührung gebrachten Stoff oder den Vorgang
selbst zu ziehen. Das Verfahren nach der Erfindung besteht demgemäß darin, daß die
mechanischen Kräfte gemessen werden, die in dem Elektrolyten unter der Einwirkung-des
magnetischen Feldes auftreten.
-
Da äußerst geringe Stoffmengen, welche sich z. B. bei einer chemischen
Reaktion in der Zeiteinheit umsetzen, die genannte Erscheinung bewirken, so ist
das Verfahren nach der Erfindung ein neues Mittel für technische Untersuchungen
verschiedener Art. Beispielsweise ergibt die gemessene Kraft ein Maß für den Dissoziationsgrad
- des Elektrolyten.
-
Das Verfahren ermöglicht ferner auf einfache Weise z. B. die Bestimmung
der Wasserstoffionenkonzentration von Säuren. Ferner läir?.' es sich zu Korrosionsprüfungen
verwendet indem die Größe der auftretenden Kraft Maß für die chemische Angreifbarkeit
des mit dem Elektrolyten in Berührung gebrachten Prüfkörpers liefert, während das
Ausbleiben einer Kraftwirkung bedeutet, daß der Körper vollkommen korrosionsfrei
ist.
-
Mißt man die Kraft, die auftritt, wenn man zwei Elektrolyten in dem
magnetischen Felde übereinanderschichtet, so erhält man ein Maß für die Diffusionsgeschwindigkeit.
Das gleiche gilt für Gase (z. B. Sauerstoff), die in den Elektrolyten hinein diffundieren.
-
Die Größe und Richtung der Kraft ist abhängig von der Stärke und
Richtung des Magnetfeldes und des elektrischen Ionenstromes.
-
Den Sitz der Kraft bildet aber nicht allein die Berührungsfläche zwischen
dem Elektrolyten und dem mit ihm in Berührung gebrachten Stoff, sondern der ganze
Elektrolyt.
-
Durch diese Erkenntnis ist es erst möglich, aus der Kraft auf den
jeweiligen Vorgang im Elektrolyten unmittelbar Rückschlüsse zu ziehen. Daraus folgt
weiterhin, daß sich das Kraftfeld am besten über den ganzen Elektrolyten erstrecken
muß.
-
Zur Durchführung des Verfahrens eignet sich grundsätzlich die an
sich bekannte Einrichtung, die bei der Entdeckung der eingaiigs erwähnten Bewegung
eines Elektrolyten im magnetischen Felde verwendet worden ist.
-
Sie besteht aus einemElektromagneten, dessen Pole einander gegenüberstehen
und zwischen sich im Luftraum den Behälter zur Aufnahme des Elektrolyten aufnehmen.
Die Pole können derart gestaltet werden, daß zwischen ihnen ein divergentes Feld
entsteht, wenn auf das Vorhandensein einer radialen Komponente der Kraft Wert gelegt
wird. Die Anwendung der Einrichtung zur Durchführung des Meßverfahrens, das den
Gegenstand der Erfindung bildet, war aber bisher nicht bekannt.
-
Will man die Kraft unmittelbar messen, so bringt man z. B. in den
Behälter einen Körper, der drehbar aufgehängt ist und von dem rotierenden Elektrolyten
gegen eine Richtkraft mitgenommen wird. Sein Ausschlag oder aber die durch von Hand
vorgenommene Rückdrehung in die Anfangslage ermittelte Größe der Richtkraft ergibt
ein Maß für die gesuchte Kraft. Statt dessen kann man aber auch den Behälter, der
den Elektrolyten aufnimmt, selbst drehbar aufhängen. Diese Anordnung gestattet die
Untersuchung auch in dem Fall, daß die Feldstärke nicht ausreicht, die Flüssigkeit
gegenüber dem Behälter in eine beobachtbare Drehung zu versetzen.
-
Dies wird immer dann eintreten, wenn die innere Reibung der Flüssigkeit
sehr groß ist.
-
Da die Feldstärke) die nötig ist, um die 3 Flüssigkeit gegenüber
dem Behälter in LFXotation zu versetzen, mithin von der inneren Reibung der Flüssigkeit
abhängt, gestattet ,-dsas Verfahren auch die Ermittlung der Zähigeit einer dissoziierten
Flüssigkeit.
-
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung
einiger Ausführungsbeispiele für die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens
hervor, die in der Zeichnung schematisch wiedergegeben sind.
-
Abb. I zeigt eine Ausführung mit Elektromagneten und - feststehendem
Elektrolytbehälter, teilweise im Schnitt, Abb. 2 einen Einzelteil der Einrichtung
nach Abb. I, Abb. 3 eine zweite Ausführungsform mit feststehendem Behälter, Abb.
4 eine Ausführung mit permanentem Magneten, Abb. 5 und 6 zwei Ausführungen mit drehbarem
Behälter und Abb. 7 eine dritte Ausführung mit feststehendem Behälter.
-
In Abb. I ist I ein Elektromagnet mit den zylindrischen Polen 2 und
3 von ungleichem Querschnitt, die im Polzwischenraum ein divergentes, im wesentlichen
kegelförmiges Feld erzeugen, das den ganzen Elektrolyten durchsetzt. Pol 3 geht
durch eine Bohrung 4 des Elektromagneten I und ist mittels Schraube 5 gegen Pol
2 verstellbar. Pol 3 besitzt eine Längsbohrung 5, durch welche ein Torsionsfaden
6 hindurchführt, der mit dem oberen Ende an einer Aufhängung 7 hefestigt ist und
an seinem unteren Ende einen Tauchkörper 8 (Abb. 2) aus Platindraht mit Zeiger 9
trägt. Dler Tauchkörper 8 ist mittels einer Schraube Io in ein Glasschälchen II
versenkbar, das den Elektrolyten 12, z. B. verdünnte Säure, enthält.
-
Am Boden des Schälchens II befindet sich ein Metallscheibchen 13,
z. B. aus Zink, das an seiner Unterseite zum Schutz vor dem Angriff des Elektrolyten
mit Paraffin überzogen ist. Wird der Elektromagnet erregt, so rotiert der Elektrolyt
und nimmt den Tauchkörper 8 unter Torsion des Fadens 6 mit. Der Zeigerg gibt dann
auf einer nicht gezeichneten Skala den Torsionswinkel an. Der Torsionswinkel kann
aber auch durch Rückdrehung in die Nullage bestimmt werden. Für kleine Kräfte kann
Spiegelablesung benutzt werden.
-
Die Einrichtung dient z.B. zur Bestimmung der Wasserstoffionenkonzentration
des Elektrolyten oder zur Bestimmung des Grades der Korrosionsfestigkeit der Metall
scheibe.
-
Ferner dient sie zur Bestimmung der Diffusionsgeschwindigkeit,
wenn
man in dem Glasschälchen Elektrolyten, die ineinander diffundieren oder miteinander
reagieren, übereinanderschichtet.
-
Das gleiche gilt für Gase (Sauerstoff), die mit dem Elektroylten
im Schälchen oder mit einem Metallscheibchen durch den Elektrolyten hindurch reagieren.
-
Die Reaktionen müssen in verdünnten Elektrolyten ausgeführt werden,
wenn dabei so große Gas- oder Wärmemengen entwickelt werden, daß sie die Rotation
der Flüssigkeit stören, indem sie selbst eine Bewegung der Flüssigkeit bervorrufen
oder Thermo ströme oder Thermodiffusionsströme ver--a1lassen.
-
Bei der Einrichtung nach Abb. 1 wirkt die horizontale Komponente
des Magnetfeldes, bei der nach Abb. 3 hingegen die vertikale.
-
Der Elektromagnet nach Abb. 3 besitzt zylindrische Pole 2 und 3 mit
gleichem Querschnitt, die fest mit dem Magnetjoch verbunden sind. Im Glasschälchen
II befindet sich der Elektrolyt 12 und ein zylindrischer Metaliring I3', der an
der Außenseite paraffiniert ist. Die Messung der Kraft erfolgt wie in Abb. I..
-
Bisher glaubte man, daß die beobachtete Drehung der Flüssigkeit nur
bei Anwendung starker Elektromagnete eintritt. Die weitere Erforschung hat aber
ergeben, daß man das Verfahren nach der Erfindung auch mit permanenten Magneten
durchführen kann. Hierdurch wird das Meßgerät vereinfacht und verbilligt. Außerdem
läßt sich die Konstanz des Feldes leichter aufrechterhalten als mit Elektromagneten.
-
Abb. 4 zeigt einen permanenten Hufeisenmagneten I mit fest daran
sitzenden Weicheisenpolen 2 und 3, die einen konischen Polzwischenraum bilden und
dort einen bedeutend geringeren Querschnitt als I aufweisen, um die Feldliniendichte
im Reaktionsraum zu -erhöhen und daher eine genügende Feldstärke auch ohne elektromagnetische
Erregung des Feldes zu erhalten. Auf gleiche Weise kann man die Verstärkung -des
Feldes im Pol tischenraum eines Elektromagneten bewirken.
-
Abb. 5 zeigt eine Ausführung, die sich durch besonders günstige Form
des PDlraumes auszeichnet. Der permanente oder elektrisch erregte Magnet besteht
aus einem. Pol oder Pol--schuh 2, der in dem unteren Schenkel des Magnetjoches I
eingeschraubt und mittels einer Weicheisenmutter 2' festgezogen ist. Der zweite
Pol oder Polschuh 3' ist mit dem oberen Schenkel des Magnetjoches I fest verbunden
und als Ring ausgebildet, der zur Auf- --nahme des Schälchens II' dient und oberhalb
-des Poles 2 und zentrisch -dazu angeordnet ist.
-
Der Abstand der beiden Pole 2 und 3' kann durch Verschrauben des
Poles 2 in 1 geändert werden. Durch diese Polraumform ist das Meßschälchen -allseits
zugänglich. Es kann insbesondere von unten durchleuchtet oder von oben beleuchtet
werden und läßt jede Meßmethode zu. Bei geeigneter Wahl der Abmes--sungen kann das
Schälchen zwangsläufig zentrisch in das Magnetfeld eingeführt werden.
-
Durch die Verstellung des Poles 2 kann man den Behälter an die jeweils
empfindlichste Stelle des Magnetfeldes bringen, je nachdem es sich um Messungen
mittels Metalischeibchen oder-Metallringen mit Glasschalen oder mit Metallgefäßen
allein handelt. Abb. 5 zeigt auch eine besondere Einrichtung zur Bestimmung der
K -aft. Das Schälchen 11', das z. B. selbst aus -dem zu untersuchenden Metall bebesteht,
hängt mit seinem Rand in einem Drahtring 14' einer Aufhängung 14 und an einem empfindlichen
Torsionsfaden -6. Im Polraum befindet eine Drehung des frei hängenden Schälchens
samt Inhalt auch dann statt, wenn die Flüssigkeit gegenüber dem Schälchen -seIbst
nur eine geringe -Drehung ausführt. Eine-be obachtbare Drehung der Flüssigkeit relativ
zum Schälchen tritt dann nicht ein, wenn die innere Reibung der Flüssigkeit im Reaktionsraum
sehr groß ist. Die Einrichtung nach Abb. 5 gestattet aber auch in diesem Falle die
Bestimmung der Kraft, da der Behälter selbst gedreht wird.
-
In Fällen, wo dagegen bei feststehenden Schälchen lebhafte Drehung
der Flüssigkeit eintritt, ist im allgemeinen ihre Reibung im Reaktionsraum so gering,
daß im frei hängenden Schälchen an einem weniger empfindlicher Torsionsfaden nur
ein geringer Ausschlag und außerdem Flüssigkeitsdrehung gegenüber dem Schälchen
eintritt. Um nun den Ausschlag in einem solchen Fall zu vergrößern, kann man den
inneren Bewegungswiderstand im Schälchen vermehren.
-
Abb. 6 sieht zu diesem Zweck beispielsweise eine mit dem Schälchen
11' verbundene Abdeckung vor, die kammartige Zinken I6 besitzt, welche in den Elektrolyten
r2 hinein---ragen und seinen Bewegungsdruck auf die waagschalartige Aufhängung 14
und den Torsionsfaden 6 übertragen.
-
Bei der Einrichtung nach Abb. 7 schwimmt auf dem Elektrolyten 12
im feststehenden Schälchen II ein Korkscheibchen 17 mit seiner bei 19 gefiihrten
Achse 18 und einem Zeiger 20, der die Drehung des Elektrolyten anzeigt.
-
Es kann aber auch eine Spiralfeder 21 mit der Achse I8 und dem feststehenden
Lager 19 verbunden sein. Der Zeiger 20 mißt dann durch einen Anschlagwinkel die
Rotation der Flüssigkeit. Das Schälchen II wird bei dieser Anordnung durch Senken
des Poles 2 aus dem Polraum entfernt.
-
Allgemein sei noch folgendes bemerkt: Bringt man fein zerteilte Stoffe,
wie Bärlappsamen, auf die Flüssigkeitsoberfläche oder Schwebestoffe in die Flüssigkeit,
so läßt sich ihre Drehung mittels Verfilmung auf an sich bekannte Weise bestimmen
und insbesondere die Drehgeschwindigkeit leicht messen. Die Polraumform der Abb.
5 ist wegen der guten Belichtungsverhältnisse für diese Beobachtungsform besonders
geeignet.
-
Das Verfahren nach der Erfindung ist auch mit einigen Tropfen Elektrolyt
durchführbar, so daß die Meßeinrichtungen kleineAbmessungen aufweisen können und
sich für die Mikroanalyse eignen.
-
Für die Untersuchung magnetischer Metalle kommen nur die Ausführungsformen
mit feststehenden Reaktionsbehältern in Betracht, wobei diese im Polraum befestigt
werden müssen, damit nicht durch magnetische Kräfte die Messung störende Ortsverlagerungen
der Stoffe erfolgen.
-
Für nicht oder schwach paramagnetische oder schwach diamagnetische
Metalle eignen sich die Verfahren mit beweglichem Reaktionsraum.
-
Für die Bestimmung der Konzentration (W asserstoffionenkonzentration)
von dissoziierten Flüssigkeiten eignen sich zur Einleitung der Reaktion Amalgame
der Metalle wegen ihrer gleichmäßigen Auflösung im Elektrolyten in besonderem Maße,
wie überhaupt gleichmäßig verlaufende Reaktionen für Meßzwecke auszuwählen sind.
-
Man kann die Auflösung eines Metalles in einem Elektrolyten dauernd
oder von Zeit zu Zeit verfolgen, indem man das magnetische Feld dauernd oder zeitweise
einwirken läßt.
-
Im ersten Fall tritt infolge der Flüssigkeitsbewegung eine beschleunigte
Korrosion des Metalls ein, im zweiten eine langsame, von der Diffusionsgeschwindigkeit
der Reaktionsstoffe abhängige.
-
Die Vorgänge im Elektrolyten können aber auch durch Zusatz von Stoffen
besonders beschleunigt werden, wodurch die auftretenden Kräfte auf das Vielfache
erhöht werden.