Homogene Keimbildung der holologen Reihe von 1-Alkoholen

Jan Wedekind, September 2003

Die homogene Keimbildung aus der übersättigten Gasphase wurde für die homologe Reihe von 1-Alkoholen untersucht. Die Keimbildungsraten von Ethanol, 1-Propanol, 1-Butanol und 1-Pentanol im Bereich von 10⁵ cm^-3 s^-1 < J < 10⁹ cm^-3 s^-1 sind dabei mit Hilfe der 2-Ventil-Nukleationspulstechnik experimentell für vier Keimbildungstemperaturen von 235 K bis 265 K bestimmt worden. Aus der Steigung der isotherm bestimmten Keimbildungsraten J in Abhängigkeit der Übersättigung S wurden die Größen der kritischen Cluster n* nach dem Keimbildungstheorem von Kashchiev bestimmt. Darüber hinaus sind die kritischen Übersättigungen S* für eine konstante Keimbildungsrate von J = 10⁷ cm^-3 s^-1 ermittelt worden. Die experimentellen Daten wurden mit der klassischen Keimbildungstheorie sowie mit vorhandenen Daten aus der Literatur verglichen. Die Keimbildungsraten, die kritischen Keimgrößen und die kritischen Übersättigungen der homologen Reihe zeigen ein ausgeprägtes Skalenverhalten bezüglich der Länge der Kohlenwasserstoffkette des Alkohols. Dabei sind die Keimbildungsraten und Keimgrößen bei konstanter Übersättigung und Temperatur umso höher, je kürzer die Kettenlänge des Alkohols ist. Dementsprechend größer ist die kritische Übersättigung bei konstanter Temperatur und Keimbildungsrate mit steigender Kettenlänge des Alkohols. Obwohl die klassische Theorie nur auf makroskopische Größen wie Dampfdruck, Oberflächenspannung und Dichte der Alkohole zurückgreift und diese Größen ebenfalls ein deutliches Skalenverhalten zeigen, liefert der Vergleich mit der klassischen Theorie dieses einheitliche Bild nicht. Der Vergleich der experimentell bestimmten kritischen Keimgrößen mit der Gibbs-Thomson-Gleichung zeigt dagegen angesichts der Kapillaritätsnäherung eine im Rahmen des Messfehlers erstaunlich gute Übereinstimmung. Aus der Abschätzung der Volumina der kritischen Keime zeigt sich, dass deren Radien bei gleicher Keimbildungstemperatur für die homologe Reihe überraschenderweise nahezu konstant sind.