dc.contributor.author
Klein, Juliane
dc.date.accessioned
2018-06-08T00:03:22Z
dc.date.available
2003-01-10T00:00:00.649Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/11391
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-15589
dc.description
0\. Titelblatt und Inhaltsverzeichnis
1\. Einleitung 3
2\. Methodische Grundlagen der Messung 5
2.1. Speicherung von elektrisch geladenen Teilchen 5
2.2. Mie - Streuung 16
3\. Messapparatur und Datenauswertung 34
3.1. Der experimentelle Aufbau 34
3.2. Datenauswertung 43
4\. Theorie der Elektrolyte und Datenauswertung 61
4.1. Ionen in Lösung 62
4.2. Nukleation 80
4.3. Verdampfung 108
4.4. Der Einfluss der Ladung auf die Thermodynamik von Tröpfchen 115
5\. Messergebnisse und ihre Diskussion 117
5.1. Einleitung 117
5.2. Phasendiagramm für MgCl2 / H2O 119
5.3. Phasenübergang flüssig -> fest 122
5.4. Phasenübergang flüssig -> gasförmig 150
6\. Zusammenfassung 163
7\. Literaturverzeichnis 166
dc.description.abstract
In der vorliegenden Arbeit wurden Messungen an levitierten, unterkühlten
Tröpfchen von wässrigen Lösungen verschiedener Konzentrationen in einer
elektrodynamischen Falle vorgestellt. Hierfür wurde eine Apparatur aufgebaut,
die es gestattet, Mikrotröpfchen (ca. 20 - 80 mm Durchmesser) berührungsfrei
über einen langen Zeitraum bei Temperaturen zwischen -100 °C und 25 °C zu
speichern. Zur Untersuchung von Phasenübergängen in diesen Tröpfchen wurden
die Mie - Streuung und der Depolarisationsgrad des gestreuten Lichtes
verwendet. Dabei wurde auf der einen Seite die Nukleation einer festen Phase
aus der unterkühlten Flüssigkeit und auf der anderen Seite das Verdampfen der
unterkühlten Lösung untersucht. Es wurden folgende Ergebnisse erzielt: 1\.
MgCl2 - Lösungen niedriger Konzentration können in vergleichbarer Weise wie
reines Wasser unterkühlt werden. Es wurden die homogenen Nukleationsraten von
7 10-5 molaren (7 10-4 wt%) und 7 10-6 molaren (7 10-5 wt%) Lösungen bei -35
°C bestimmt. Der Wert J = 2.4 106 cm-3s-1 für die verdünntere Lösung liegt
nahe bei dem für reines Wasser. Für die konzentriertere Lösung wurde eine
Nukleationsrate von J = 3.6 105 cm-3s-1 gefunden. Dieser Wert liegt deutlich
unter dem für reines Wasser (J 3 106 cm-3s-1). Das heißt, mit zunehmender
Elektrolytkonzentration nimmt bei gegebener Temperatur (T = -35.5 °C) die
Nukleationsrate für Eis ab. 2\. Für die 7 10-6 molare Lösung wurden bei T =
-35.5 °C formal zwei verschiedene Nukleationsraten gefunden. Dieser Befund
weist darauf hin, dass es sich bei dieser stark verdünnten Lösung wie beim
Wasser um ein mikroheterogenes System handelt. 3\. Bei deutlich höher
konzentrierten Lösungen (7 10-2 molar; 0.7 wt%) wird ebenfalls noch der
Phasenübergang zu Eis beobachtet. Jedoch nahmen die Nukleationszeiten für die
Eisnukleation erwartungsgemäss deutlich zu. Der Grund liegt in der höheren
Viskosität der unterkühlten Lösung, die eine geringere Nukleationsrate zur
Folge hat. Aufgrund der langen Nukleationsraten muß auch das Abdampfen von
Wasser aus der unterkühlten flüssigen Phase mitberücksichtigt werden. Deshalb
wurden auch Verdampfungsraten von Wasser aus unterkühlter Lösung gemessen. 4\.
Außer von der Konzentration ist die Viskosität und die Nukleationsrate von
Elektrolytlösungen stark von der Temperatur abhängig. Für eine Konzentration
von 0.38 mol/l (3.5 wt%) wurde bei T = -100 °C wegen der viskositätsbedingt
stark herabgesetzten Nukleations- und Kristallisationsrate im
Beobachtungszeitraum kein vollständiges Erstarren registriert. 5\. Ab einer
Konzentration von 0.99 mol/l (8.8 wt%) wurde nach entsprechend langer
Nukleationszeit, die vom Verdampfen des Tröpfchens und damit dessen
Konzentrationszunahme bekleidet war, anstatt Eisnukleation die Nukleation
eines Salzhydrates beobachtet. 6\. Im Konzentrationsbereich zwischen 0.3 und
0.9 mol/l (ca. 3 bis 8 wt%) traten bei T=-46.8 °C metastabile feste Phasen
auf, die sich nach sehr kurzen Nukleationszeiten (t < 1 s) aus der
unterkühlten Flüssigkeit herausbildeten. Anschließend verflüssigten sie sich
wieder, und gegebenenfalls fand ein Phasenübergang in die thermodynamisch
stabile feste Phase statt. 7\. Bei den Experimenten zur Verdampfung
unterkühlter MgCl2-Tröpfchen wurde herausgefunden, dass bei verdünnten
Lösungen (c < 0.1 mol/l) noch näherungsweise ein quadratischer Zusammenhang
zwischen Durchmesser und Zeit besteht. Für diesen Fall konnte ein
Verdampfungskoeffizient bestimmt werden. Bei den höheren Konzentrationen kann
der Verdampfungsprozess nicht mehr durch ein einfaches Quadratgesetz
beschrieben werden. Für diese Lösungen (0.62 molar 5.6 wt%; 0.99 molar 8.8
wt%) wurde bei T = ?46.8 °C mit Hilfe der modifizierten Maxwell-Gleichung die
Änderung der Verdampfungsrate und des Dampfdrucks beim Verdampfen ermittelt.
8\. Während die mit niedrigkonzentrierten Lösungen erzielten Ergebnisse im
Rahmen der derzeitigen Modellvorstellungen zumindest qualitativ inerpretiert
werden können, lassen sich die an hochkonzentrierten Lösungen beobachteten
Effekte mangels geeigneter Modelle nur noch phänomenologisch beschreiben. Aus
diesem Grund müssen in Zukunft nicht nur weitere thermodynamische und
kinetische Daten zu stark unterkühlten bzw. übersättigten Elektrolytlösungen
gesammelt werden. Es müssen für diese metastabilen Phasen auch geeignete
Modelle geschaffen werden, welche die Ergebnisse qualitativ und quantitativ
erklären können.
de
dc.description.abstract
Supercooled electrolyte solutions continue to be an area of experimental and
theoretical interest. Due to the lack of data many phenomena referring to
these metastable phases are still not understood. The kinetic and dynamic
behaviour of aqueous supercooled MgCl2 - droplets have been investigated in
this work. Electrolyte droplets of different concentrations at different
temperatures have been studied. Homogeneous nucleation rates and evaporation
rates are presented. For studying supercooled droplets an electrodynamic
balance has been constructed. In this technique the solution droplets are
trapped by electrodynamic fields in order to avoid the contact to foreign
surfaces. As a result a high degree of supercooling is achieved. For the
investigation of phase transitions within these droplets the Mie - scattering
were used. Whereas the results obtained for very diluted solutions can be
interpreted in comparision to pure water, for higher concentrated solutions
the processes occurring at the phase transition are much more complex such as
the appearance of metastable solid phases.
en
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
phase transition
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::540 Chemie::540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
dc.title
Untersuchung von Phasenübergängen an unterkühlten, wässrigen MgCl2 - Tröpfchen
in einer elektrodynamischen Falle
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Helmut Baumgärtel
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Eugen Illenberger
dc.date.accepted
2002-11-11
dc.date.embargoEnd
2003-03-12
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-2003000078
dc.title.translated
Studies of phase transitions in supercooled, aqueous MgCl2 - droplets stored
in an electrodynamic balance
en
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000000913
refubium.mycore.transfer
http://www.diss.fu-berlin.de/2003/7/
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000000913
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access