-- Kryoskopie(I)METER
-- Anwendungsbeispiel --
Kryoskopie - Gefrierpunktsbestimmung,
Testprogramm
Der Gefrierpunkt reiner Stoffe kann zur
Justierung der Temperaturmessung dienen. Ein dazu gleiches Verfahren kann über
die kolligativen Eigenschaften einer Lösung, durch die Messung der Gefrierpunktserniedrigung, die Bestimmung der Teilchenzahl in
einer Lösung ermöglichen (Osmolalität, Molekulargewichtsbestimmung).
Die Kalibrierung der Temperaturmessung ist häufiger
durchzuführen, wenn im mK-Bereich korrekt gemessen werden soll. Für den
einfachen Temperaturbereich genügt der
Eispunk
t
des Wassers als Fixpunkt vielen Anforderungen. Das hier präsentierte
Messprogramm stellt dazu ein Verfahren zur Verfügung: Reines Wasser wird in einem Temperiergefäß vorgelegt
(Bild rechts: die beiden oben eingesetzten Temperaturfühler
schimmern durch das gefrorene Wasser). Die Temperaturfühler
werden mindestens 60mm tief in das Wasser eingeführt und dort mittig fixiert.
Der Thermostat kühlt das Wasser herunter. Ab -5°C kann mit spontanem
gefrieren gerechnet werden. Tritt dies ein, gefriert ein Teil der
Wassermenge und die Temperatur schießt augenblicklich zum Eispunkt (0,000
±0,002 °C).
Die Temperatur bleibt dann stabil, bis alles flüssige Wasser gefroren
ist (Plateauphase). Das Diagramm unten zeigt ein Messdatendiagramm
(die Temperaturmesswerte sind als graue Kreise markiert), das entsprechend dem
Messprogramm erzeugt wurde. Es ist mit Kommentierungen der jeweiligen
Ablaufstadien versehen.
Das steuernde Messprogramm ist als Auto-Repeat-Programm ausgelegt: Es
wiederholt den ganzen Prozess unermüdlich. D.h. das Wasser wird gefroren,
danach aufgetaut und wieder gefroren – so können z.B. Aussagen über die
Stabilität und Wiederholbarkeit einer Kalibrierung gewonnen werden. In der
sich sehr stabil gerierenden Plateauphase, kann sehr bequem studiert werden,
ob etwa mechanische oder durch Felder bedingte Einflüsse z.B. auf die
Messleitungen auftreten. -- Das Programm kann so eingestellt werden, dass das
völlige Durchfrieren abgewartet wird. Die Temperatur fällt dann, nach dem
0°C-Plateau langsam ab. „Langsam“ wegen der schlechteren Wärmeleitfähigkeit
des festen Eises.
Das verwendete Wasser muss hohen Reinheitsanforderungen entsprechen und sollte
von CO2-freieer Luft gesättigt sein.
Wenn ein Temperaturunterschied von mehr als einem Millikelvin zwischen der
Erstarrungs- und Schmelztemperat
ur
auftritt, ist das Wasser evtl. nicht in Ordnung.
Das
Diagramm rechts zeigt Ergebnisse des Messprogramms, indem es zur
Kryoskopie verwendet wurde. Nach jedem Gefrier-Zyklus wurde eine
bestimmte Menge NaCl hinzugefügt.
Aufbau
Das Temperiergefäß (Bild oben) wird mit 160mL reinem Wasser gefüllt (für die
Messung der Gefrierpunktserniedrigung ist die Menge genau abzuwiegen). Alles
muss sehr sauber sein, auch der Magnetrührfisch der dazugegeben wird. Über die
Gefäßaufnahme am i-Magnetrührer wird ein größeres Stück Alufolie gelegt, dann
das Gefäß eingesteckt. In dem mittig durchbohrten, thermisch gut
isolierter Gefäßdeckel werden die Temperaturfühler gesteckt. Sie ragen ca.80mm
weit in das Temperiergefäß. Die Schläuche zum Huber Ministat
(Heiz/Kühlthermostat) werden am Gefäß angeschraubt. (Der Thermostat kann über
eine Schaltbox am Stromnetz angeschlossen sein, damit das Programm ihn am Ende
einer Messung standbyfrei abstellen kann.)
Benötigte Geräte und Materialien: Doppelwandtemperiergefäß DK2, i-Magnetrührer,
Rührstäbchen, Alufolie, Huber-Thermostat (mit seriellem Interface 'cc3'),
I-SIF, Standardthermometer, optional eine
I-Schaltbox3, das Lösungsmittel (Wasser) und ggf. den zu lösenden
Stoff. -- Das Messprogramm kann durch Entfernen einiger Zeilen problemlos
auf nur einen Temperaturfühler, ohne I-SIF oder ohne Standardthermometer, ohne
i-Magnetrührer und ohne Schaltbox eingerichtet werden.
Ablauf
Nach dem die Apparatur aufgebaut ist und die Geräte angeschalten sind, wird
das Messprogramm gestartet. (Wenn die Temperatur unter 12°C beträgt, wird
geheizt, bis dies der Fall ist). Unter rühren - zur schnelleren Temperierung -
wird gekühlt, bis die Temperatur einen vorgegebenen Wert unterschreitet. Der
Rührer wird ausgeschalten, damit die Probe unterkühlen kann. Der Thermostat
wird so geregelt, dass sich die Temperatur der Kühlflüssigkeit 5K unter der
aktuellen Probentemperatur befindet. Parallel wird auf einen plötzlichen
Temperaturanstieg gelauert. Falls die Probentemperatur 7.5K unter der
Erwarteten Gefriertemperatur ist, wird der Rührer eingeschaltet, um das
Gefrieren zu induzieren. Mit der plötzlich eintretenden Vereisung wird der
I-SIF Temperaturfühler über eine Minute in hoher Frequenz ausgelesen, um den
Verlauf im Temperatursprung aufzuzeichnen. Danach werden die
Temperaturfühler und öfter auch Luftdruck, Luftdichte und die Temperatur des
AD-Wandlers (I-SIF) aufgezeichnet. Die Verfolgung der Plateautemperatur läuft
über eine festgelegte Anzahl Messzyklen fort - oder bis die Probe ganz
durchgefroren ist. Die vollständige Vereisung wird durch einen dann
eintretenden Abfall der Fühlertemperatur angezeigt. Diese Messung ist dann
beendet; per Autorepeat beginnt eine neue Messung mit dem Aufheizen.
... Bei Kryoskopieverfahren kann nach dem Auftauen die abgewogene Stoffmenge
zugegeben werden und eine ungefähr erwartete Gefriertemperatur angegeben
werden.
Zum Messprogramm
In der nächsten Sektion ist das Messprogramm aufgelistet, danach folgt eine
Beschreibung verschiedener Anpassungsmöglichkeiten und der Downloadlink für
das Messprogramm. Am besten Sie laden es in den Messprogrammeditor, wodurch
Sie zu den einzelnen Anweisungen, wenn Sie in eine Zeile klicken,
weitere Informationen erhalten. Das Hauptprogramm zwischen Zeile 1. bis 31.
gibt zuerst eine Begrüßung (1.), dann werden die Grundeinstellungen gesetzt
(4. bis 6.). Die wesentlichen Funktionen werden über die Zeilen 10. bis 15.
aufgerufen. ('Sub' und 'Menü' kennzeichnet Unterprogramme, die sich im Listing
weiter unten finden. 'Menü'-Programme erweitern die Bedienoberfläche durch
Menübefehle beim Ablauf des Programms). Mit dem Unterprogramm "Temperatur-Sprung
Erwarten" (Block e) wird eine neue Funktion vorgestellt: "Auto-Programme".
Auto-Programme, einmal gestartet, rufen sich selbst immer wieder auf. Sie sind
für Überwachungs- und Regelungsfunktionen vorgesehen. Hier als Watch-Dog, um
dem Temperatursprung zu finden.