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Ostwald Reifung Die ist ein von selbst ablaufender kolloidchemischer Prozess disperser Materie der um 1900 vom Universal

Ostwald-Reifung

Die Ostwald-Reifung ist ein von selbst ablaufender kolloidchemischer Prozess disperser Materie, der um 1900 vom Universalgelehrten und späteren Nobelpreisträger für Chemie, Wilhelm Ostwald, entdeckt und nach ihm benannt wurde.

Ostwald-Reifung

Die Reifung geschieht in inhomogenen Feststoffen oder flüssigen Lösungen. Kleine Kristalle oder gelöste Partikel lösen sich auf und lagern sich an größeren Kristallen oder Partikeln ab.

Ostwald-Reifung bei in Formaldehyd gelösten Palladium Nanopartikeln nach 6 (a), 24 (b), 48 (c) und 72 Stunden (d). Die kleinen Pd Partikel lösen sich auf und die Großen wachsen.
Das Wachstum von Blasen in einem flüssigen Schaum durch Ostwald-Reifung. Zunächst innerhalb eines gleichmäßigen Rasters von Silikon-Nadeln, dann ohne Silikon-Nadeln; jeweils in 16-fachem Zeitraffer.

In kolloiden Systemen tritt die Ostwald-Reifung auch in Wasser-in-Öl-Emulsionen auf, während es in Öl-in-Wasser-Emulsionen zur Flockung kommt.

Die Ostwald-Reifung beruht auf der Krümmungsabhängigkeit des Dampfdrucks bzw. der Löslichkeit eines feinen Pulvers, im Wortlaut Ostwalds: „da nach bekannten Prinzipien ein feines Pulver löslicher sein muss als ein grobes, ebenso wie kleine Tröpfchen einen größeren Dampfdruck haben als große“ (Gibbs-Thomson-Effekt). Der Dampfdruck- bzw. Konzentrationsunterschied in einem geschlossenen System wird ausgeglichen, indem ein Materiestrom von den kleinen zu den großen Kolloiden fließt. Folglich schrumpfen die kleinen, die großen aber wachsen weiter. Sobald der Radius eines kleinen Kolloids einen kritischen Wert unterschreitet, wird es energetisch instabil, löst sich vollständig auf (Kelvin-Instabilität) und gliedert sich gegebenenfalls größeren Partikeln an. Folglich verringert sich die Zahl der Kolloide mit fortschreitender Evolution (Vergröberung) und es kommt zu einer Phasentrennung. Während der Ostwald-Reifung wird die freie Energie (Oberflächenspannung) des Systems minimiert. Dies ist von Bedeutung für die praktische Anwendung in der Produktion von Emulsionen oder Salben, bei der Bewertung der Stabilität von Schäumen oder bei der Wolkenpunkt-Extraktion. Die Ostwald-Reifung ist nephelometrisch über den Tyndall-Effekt messbar.

Ein gleichartiger Effekt tritt in der Metallkunde bei der Alterung und beim Kornwachstum in polykristallinen Festkörpern, insbesondere Legierungen auf, besonders während der Kornvergröberung, nachdem das Kornwachstum abgeschlossen ist. Während der Alterung einer metallischen Legierung bilden sich Ausscheidungsteilchen einer zweiten Phase durch Keimbildung in der Matrixphase, die dann wachsen und auch vergröbern durch Ostwald-Reifung (auch Umlösung genannt), die quantitativ durch Carl Wagners Theorie der Ostwald-Reifung beschrieben wird.

Carl Wagner hatte seine Theorie der Ostwald-Reifung unabhängig von der von Lifshitz und Slyozov entwickelt, so dass die Theorie der Ostwald-Reifung auch kurz LSW-Theorie genannt wird. Die Theorie sagt die Kinetik der Ostwald-Reifung voraus, indem der mittlere Teilchendurchmesser proportional zur dritten Wurzel der Zeit wächst, und die Teilchengrößenverteilung, die bezogen auf die mittlere Teilchengröße zeitlich konstant bleibt. Die Theorie gilt nur für Legierungen entsprechend einer verdünnten festen Lösung mit der Diffusion als langsamster und damit geschwindigkeitsbestimmender Prozess der Ostwald-Reifung, so dass die Vergröberungsgeschwindigkeit proportional zum Diffusionskoeffizienten der Matrix und zur Löslichkeit und zur Grenzflächenenergie der Ausscheidungsteilchen ist. Die Übereinstimmung von Theorie und Experiment wurde vielfach festgestellt, beispielsweise auch in Stählen, wobei bei der Ausscheidung mehrerer Karbidphasen nebeneinander sich nicht nur die kleineren Teilchen zugunsten der größeren Teilchen, sondern auch die Teilchen der löslicheren Karbidphase zugunsten der der weniger löslichen Karbidphase auflösen. Auch konnten im Rahmen der LSW-Theorie die Effekte äußerer Kräfte auf den Verlauf der Ostwald-Reifung beschrieben werden, wie für die Orientierungsauslese ausgeschiedener Fe16N2-Teilchen in einem Fe-N-Mischkristall durch ein äußeres Magnetfeld und für die Orientierungsauslese ausgeschiedener Au-reicher Teilchen in einem Fe-Mo-Au-Mischkristall durch eine äußere mechanische Spannung gezeigt wurde.

In analoger Weise beschrieb Mats Hillert die Kornvergröberung in polykristallinen Metallen und Legierungen.

Weblinks Bearbeiten

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Wilhelm Ostwald: Über die vermeintliche Isomerie des roten und gelben Quecksilberoxyds und die Oberflächenspannung fester Körper. In: Zeitschrift für Physikalische Chemie. Bd. 34, 1900, S. 495–503.
  2. Ostwald, W. (1896). Lehrbuch der Allgemeinen Chemie, vol. 2, part 1. Leipzig, Germany.
  3. Ostwald, W.: Studien über die Bildung und Umwandlung fester Körper. In: Zeitschrift für Physikalische Chemie. 22. Jahrgang, 1897, S. 289–330 (wikimedia.org [PDF]).
  4. Zhaorui Zhang, Zhenni Wang, Shengnan He, Chaoqi Wang, Mingshang Jin, Yadong Yin: Redox reaction induced Ostwald ripening for size- and shape-focusing of palladium nanocrystals. In: Chem. Sci. 6. Jahrgang, Nr. 9, 2015, S. 5197–5203, doi:10.1039/C5SC01787D, PMID 29449925, PMC 5669216 (freier Volltext).
  5. Zhandong Huang, Meng Su, Qiang Yang, Zheng Li, Shuoran Chen, Yifan Li, Xue Zhou, Fengyu Li, Yanlin Song: A general patterning approach by manipulating the evolution of two-dimensional liquid foams. In: Nature Communications. 8. Jahrgang, 2017, S. 14110, doi:10.1038/ncomms14110, PMID 28134337, PMC 5290267 (freier Volltext), bibcode:2017NatCo...814110H.
  6. Arthur T. Hubbard: Encyclopedia of Surface and Colloid Science. CRC Press, 2004, ISBN 978-0-8247-0759-0, S. 4230 (google.com [abgerufen am 13. November 2007]).
  7. C. Wagner: Theorie der Alterung von Niederschlägen durch Umlösen (Ostwald-Reifung). Zeitschrift für Elektrochemie Bd. 65, Nr. 7/8 (1961), S. 581–591.
  8. М.Лифшиц, В.Слёзов // ЖЭТФ 35, 479 (1958); I.M. Lifshitz, V.V. Slyozov: The Kinetics of Precipitation from Supersaturated Solid Solutions. In: Journal of Physics and Chemistry of Solids. 19. Jahrgang, Nr. 1–2, 1961, S. 35–50, doi:10.1016/0022-3697(61)90054-3, bibcode:1961JPCS...19...35L.
  9. Wolfgang Pitsch und Gerhard Sauthoff: Kinetik und Morphologie verschiedener Gefügereaktionen. In: Werkstoffkunde Stahl, Band 1, Hrsg. Verein Deutscher Eisenhüttenleute, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York (ISBN 3-540-12619-8) und Verlag Stahleisen, Düsseldorf (ISBN 3-514-00251-7) 1984, S. 115–138.
  10. Gerhard Sauthoff: Zur Orientierungsauslese von Fe16N2-Teilchen im Eisen-Stickstoff-Mischkristall durch ein äußeres magnetisches Feld. In: Zeitschrift für Metallkunde. Band 68, Nr. 1, 1977, S. 22–26.
  11. (Memento des Originals vom 6. Februar 2017 im Internet Archive)  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/adw-goe.de (abgerufen am 6. Februar 2017): Die Wirkung äußerer Kräfte auf Ausscheidungsvorgänge in Metallen. In: Jahrbuch der Akademie der Wissenschaften zu Göttingen. 1977. Vorträge gehalten in der öffentlichen Sitzung am 25. November 1977.
  12. M. Hillert: On the Theory of Normal and Abnormal Grain Growth. Acta Metallurgica, Bd. 13, Nr. 3 (1965), S. 227 ff.
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Die Ostwald Reifung ist ein von selbst ablaufender kolloidchemischer Prozess disperser Materie der um 1900 vom Universalgelehrten und spateren Nobelpreistrager fur Chemie Wilhelm Ostwald entdeckt und nach ihm benannt wurde 1 2 3 Ostwald ReifungDie Reifung geschieht in inhomogenen Feststoffen oder flussigen Losungen Kleine Kristalle oder geloste Partikel losen sich auf und lagern sich an grosseren Kristallen oder Partikeln ab Ostwald Reifung bei in Formaldehyd gelosten Palladium Nanopartikeln nach 6 a 24 b 48 c und 72 Stunden d Die kleinen Pd Partikel losen sich auf und die Grossen wachsen 4 source source source source source source source source Das Wachstum von Blasen in einem flussigen Schaum durch Ostwald Reifung Zunachst innerhalb eines gleichmassigen Rasters von Silikon Nadeln dann ohne Silikon Nadeln jeweils in 16 fachem Zeitraffer 5 In kolloiden Systemen tritt die Ostwald Reifung auch in Wasser in Ol Emulsionen auf wahrend es in Ol in Wasser Emulsionen zur Flockung kommt 6 Die Ostwald Reifung beruht auf der Krummungsabhangigkeit des Dampfdrucks bzw der Loslichkeit eines feinen Pulvers im Wortlaut Ostwalds da nach bekannten Prinzipien ein feines Pulver loslicher sein muss als ein grobes ebenso wie kleine Tropfchen einen grosseren Dampfdruck haben als grosse Gibbs Thomson Effekt Der Dampfdruck bzw Konzentrationsunterschied in einem geschlossenen System wird ausgeglichen indem ein Materiestrom von den kleinen zu den grossen Kolloiden fliesst Folglich schrumpfen die kleinen die grossen aber wachsen weiter Sobald der Radius eines kleinen Kolloids einen kritischen Wert unterschreitet wird es energetisch instabil lost sich vollstandig auf Kelvin Instabilitat und gliedert sich gegebenenfalls grosseren Partikeln an Folglich verringert sich die Zahl der Kolloide mit fortschreitender Evolution Vergroberung und es kommt zu einer Phasentrennung Wahrend der Ostwald Reifung wird die freie Energie Oberflachenspannung des Systems minimiert Dies ist von Bedeutung fur die praktische Anwendung in der Produktion von Emulsionen oder Salben bei der Bewertung der Stabilitat von Schaumen oder bei der Wolkenpunkt Extraktion Die Ostwald Reifung ist nephelometrisch uber den Tyndall Effekt messbar Ein gleichartiger Effekt tritt in der Metallkunde bei der Alterung und beim Kornwachstum in polykristallinen Festkorpern insbesondere Legierungen auf besonders wahrend der Kornvergroberung nachdem das Kornwachstum abgeschlossen ist Wahrend der Alterung einer metallischen Legierung bilden sich Ausscheidungsteilchen einer zweiten Phase durch Keimbildung in der Matrixphase die dann wachsen und auch vergrobern durch Ostwald Reifung auch Umlosung genannt die quantitativ durch Carl Wagners Theorie der Ostwald Reifung beschrieben wird 7 Carl Wagner hatte seine Theorie der Ostwald Reifung unabhangig von der von Lifshitz und Slyozov 8 entwickelt so dass die Theorie der Ostwald Reifung auch kurz LSW Theorie genannt wird Die Theorie sagt die Kinetik der Ostwald Reifung voraus indem der mittlere Teilchendurchmesser proportional zur dritten Wurzel der Zeit wachst und die Teilchengrossenverteilung die bezogen auf die mittlere Teilchengrosse zeitlich konstant bleibt Die Theorie gilt nur fur Legierungen entsprechend einer verdunnten festen Losung mit der Diffusion als langsamster und damit geschwindigkeitsbestimmender Prozess der Ostwald Reifung so dass die Vergroberungsgeschwindigkeit proportional zum Diffusionskoeffizienten der Matrix und zur Loslichkeit und zur Grenzflachenenergie der Ausscheidungsteilchen ist Die Ubereinstimmung von Theorie und Experiment wurde vielfach festgestellt beispielsweise auch in Stahlen wobei bei der Ausscheidung mehrerer Karbidphasen nebeneinander sich nicht nur die kleineren Teilchen zugunsten der grosseren Teilchen sondern auch die Teilchen der loslicheren Karbidphase zugunsten der der weniger loslichen Karbidphase auflosen 9 Auch konnten im Rahmen der LSW Theorie die Effekte ausserer Krafte auf den Verlauf der Ostwald Reifung beschrieben werden wie fur die Orientierungsauslese ausgeschiedener Fe16N2 Teilchen in einem Fe N Mischkristall durch ein ausseres Magnetfeld 10 und fur die Orientierungsauslese ausgeschiedener Au reicher Teilchen in einem Fe Mo Au Mischkristall durch eine aussere mechanische Spannung 11 gezeigt wurde In analoger Weise beschrieb Mats Hillert die Kornvergroberung in polykristallinen Metallen und Legierungen 12 Weblinks BearbeitenOstwald Reifung kinetische 3D Gitter Monte Carlo SimulationEinzelnachweise Bearbeiten Wilhelm Ostwald Uber die vermeintliche Isomerie des roten und gelben Quecksilberoxyds und die Oberflachenspannung fester Korper In Zeitschrift fur Physikalische Chemie Bd 34 1900 S 495 503 Ostwald W 1896 Lehrbuch der Allgemeinen Chemie vol 2 part 1 Leipzig Germany Ostwald W Studien uber die Bildung und Umwandlung fester Korper In Zeitschrift fur Physikalische Chemie 22 Jahrgang 1897 S 289 330 wikimedia org PDF Zhaorui Zhang Zhenni Wang Shengnan He Chaoqi Wang Mingshang Jin 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