DE704096C - Verfahren zur Gasanalyse - Google Patents

Description

Zum Nachweis von Gasen hat man bereits die Änderung des elektrischen Widerstandes verschiedener Stoffe bei der Berührung mit Gasen benutzt. Beispielsweise hat man mit Eisenoxyden oder Kupferoxyd gesättigte oder überzogene Körper aus Asbest, Knochenasche, Ton oder Porzellan verwandt, um den reduzierenden oder oxydierenden Charakter von Ofengasen durch die Widerstandsänderung beim Übergang der Oxyde in Metalle zu prüfen. Insbesondere hat man auch schon die Widerstandsänderung der Metalle selbst, beispielsweise von Platin, Palladium, Iridium oder Palladium-Silber-Legierungen, bei der Berührung mit Gasen zum Nachweis dieser ausgewertet. Hierfür benutzt man beispielsweise ein Metallband oder einen Metalldraht, dessen Widerstandsänderung in einer Wheatstoneschen Brückenschaltung bestimmt wird.

ao Die Änderung des elektrischen Widerstandes beruht darauf, daß der Draht oder das Band aus dem Metall das Gas infolge Adsorption aufnimmt, wodurch das Gitter des Metalls aufgeweitet und so der elektrische Widerstand ein wenig geändert wird. Diese Änderung des elektrischen Widerstandes beträgt jedoch nur wenige Prozente des ursprünglichen Wertes, in einem günstigen Fall etwa 2 bis 3%. Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues, weit empfindlicheres Verfahren zur Gasanalyse. Sie beruht auf der Beobachtung, daß äußerst dünne Metallschichten in Gegenwart von geringen Mengen eines bestimmten Gases bei bestimmten Temperaturen eine außergewöhnliche Steigerung des elektrischen Widerstandes erfahren; diese überraschende Erscheinung wurde bei Metallschichten mit einer Dicke unter 0,2 μ ermittelt, welche erfindungsgemäß verwendet werden. Derart dünne Metallschichten werden unter genau

festzulegenden Bedingungen, von denen die Temperatur die wichtigste ist, durch Anwesenheit von geringen Gasmengen, die teilweise nur noch als Spuren bezeichnet werden können, so verändert, daß ihr elektrischer Widerstand oft sogar um viele Zehnerpotenzen zunimmt. Hierbei sind die Bedingungen, unter denen die Widerstandserhöhung eintritt, insbesondere die Temperatur, für die einzel ίο nen Gase so spezifisch, daß die Erscheinung ohne weiteres zum Nachweis eines bestimmten Gases benutzt werden kann.

Die dünne Metallschicht besteht bei dem neuen Verfahren zur Gasanalyse beispielsweise aus einem Edelmetall, etwa einem Platin metall, insbesondere aus Palladium, und ist auf elektrischen Nichtleitern, z. B. Glimmer, keramischen Materialien, Glas oder Quarz, aufgebracht. Die Dicke der Metallschicht wird zweckmäßig so gewählt, daß der elektrische Widerstand einer Fläche von ι qcm zwischen 100 und 1000 Ohm liegt. Die bei dem neuen Verfahren benutzten Schichten können also so dünn sein, daß sie für Licht schon teilweise durchlässig sind. Sie werden vorzugsweise im Hochvakuum hergestellt, um die Anwesenheit von Gasresten auszuschalten. Bei Festhalten bestimmter Bedingungen, indem also vor allem in einer gegebenen An-Ordnung konstante Temperaturen und Zeiten eingehalten werden, läßt sich die Größe der Widerstandsänderung zur quantitativen Gasbestimmung verwenden.

Diese Beschreibung der Erfindung zeigt, daß sie in ihren Wirkungen vollkommen verschieden ist von dem bisher bekannten Effekt, der bei der Einwirkung von Gasen auf dikkere Schichten auftritt. Die Ursache hierfür liegt in einem grundsätzlichen Unterschied der zugrunde liegenden Erscheinungen. Während bei dickeren Schichten, wie oben auseinandergesetzt, die Adsorption der Gase die Ursache für eine sehr geringe Änderung des elektrischen Widerstandes bildet, beruht die außergewöhnlich hohe Änderung des elektrischen Widerstandes bei dem Verfahren nach der Erfindung auf einer chemischen Reaktion der Gase mit den äußerst dünnen Metallschichten. Bekanntlich reagiert jedes Metall mit einem Gas von einer ganz bestimmten Temperatur an, wobei die Reaktionsgeschwindigkeit innerhalb weniger Temperaturgrade sehr stark anwächst. Während beispielsweise Palladium bei 300 mit Wasserstoff noch nicht reagiert und sich deshalb der elektrische Widerstand lediglich wegen der geringen Adsorption des Gases um einige wenige Prozente ändert, reagiert das gleiche Metall mit Stickstoff schon bei einer Temperatur von 280" derart, daß sich der elektrische Widerstand innerhalb weniger Sekun- i den von einem endlosen Wert auf einen praktisch unendlichen Wert steigern läßt.

Die eben beschriebene Widerstandsänderung der Metalle unter der Einwirkung von Gasen läßt sich praktisch nur auswerten, wenn das Metall in so dünner Form vorliegt, daß verhältnismäßig wenige Atomschichten zur Reaktion zur Verfugung stehen. Bei größerer Schichtdicke tritt der Effekt praktisch nicht mehr in Erscheinung. Der Grund liegt darin, daß nahezu jedes Metall in Gegenwart von Gasen gewisse Passivierungserscheinungen zeigt, indem nur wenige Atomschichten der Oberfläche mit dem Gas unter Bildung einer chemischen Verbindung reagieren, die das darunterliegende Metall vor der Berührung mit dem reaktionsfähigen Gas schützt. Nach Bildung dieser Oberflächenschicht hört also die Reaktion auf. Deshalb wird erfindungsgemäß eine Schichtdicke unter 0,2 μ angewandt, die eine außergewöhnliche Steigerung des elektrischen Widerstandes bei Berührung mit Gasen erfährt, der im günstigsten Fall von einem endlichen Wert sogar auf einen unendlichen Wert gesteigert werden kann.

Während bei den Adsorptionseffekten, die bei den bisher bekannten Verfahren ausgewertet wurden, eine Abhängigkeit von der Temperatur nur in sehr geringem Maße auftritt, liegt der Wert des vorliegenden Verfahrens gerade in der Tatsache, daß die auf wenige Grade beschränkte Reaktionsfähigkeit des Metalls mit dem bestimmten Gas ausgenutzt wird. So reagiert z. B. Palladium mit Stickstoff bei einer Temperatur von 230⁰ noch nicht merkbar, während bei einer Temperatur von 280" die Reaktion schon so stark ist, daß innerhalb kürzester Zeit der Widerstand too auf einen praktisch unendlich großen Wert steigt.

Beispiel e

i. Auf einer Unterlage von Muskowit befindet sich eine Schicht von Palladium mit einer Oberfläche von 2X3 cm, deren Dicke so bemessen ist, daß der 3 cm lange und 2 cm breite Streifen einen Widerstand von 200 Ohm aufweist. Wird über diese Palladiumschicht bei einer Temperatür von 280^ C bei Atmosphärendruck stickstoffhaltiger Wasserstoff geleitet, so reagiert die Schicht mit dem Stickstoff derart, daß ihr Widerstand innerhalb weniger Minuten auf Werte oberhalb von 100 000 Ohm steigt. Wasserstoff allein ruft bei der genannten Temperatur keine Widerstandsänderung der Palladiumschicht hervor.

2. Auf einer Unterlage von Muskowit befindet sich eine Rliodiumschicht von 3 cm iao Länge und 2 cm Breite, deren Dicke so bemessen ist, daß sie bei den angegebenen

Ausdehnungen einen Widerstand von 200 Ohm aufweist. Wird über diese Schicht bei Temperaturen von 5 20° bei Atmosphärendruck Stickstoff geleitet, der durch Spuren von Sauerstoff verunreinigt ist, die unter Vioo⁰/⁰ des Stickstoffgehaltes liegen, so steigt der Ohmsche Widerstand innerhalb weniger Minuten auf Werte über 100 000 Ohm. Stickstoff allein ergibt unter den angegebenen Bedingungen keine Widerstandsänderung.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Gasanalyse., bei dem man die zu untersuchenden Gase auf Metallschichten, die auf elektrischen Nichtleitern aufgebracht sind, einwirken läßt und die Änderung des elektrischen Widerstandes beobachtet, dadurch gekennzeichnet, daß Metallschichten mit einef Dicke unter 0,2 α verwendet werden.