Ostwald-Reifung

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche
Ostwald-Reifung

Die Ostwald-Reifung ist ein von selbst ablaufender kolloidchemischer Reifeprozess disperser Materie, der um 1900 vom Universalgelehrten und späteren Nobelpreisträger für Chemie, Wilhelm Ostwald, entdeckt und nach ihm benannt wurde.[1]

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 und löst sich vollständig auf (Kelvin-Instabilität). 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.[2] Carl Wagner hatte seine Theorie der Ostwald-Reifung unabhängig von der von Lifshitz und Slyozov[3] 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.[4]

In analoger Weise beschrieb Mats Hillert die Kornvergröberung in polykristallinen Metallen und Legierungen.[5]

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. C. Wagner:Theorie der Alterung von Niederschlägen durch Umlösen (Ostwald-Reifung). Zeitschrift für Elektrochemie Bd. 65, Nr. 7/8 (1961), S. 581-591.
  3. 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, Nr. 1–2, 1961, S. 35–50. Bibcode: 1961JPCS...19...35L. doi:10.1016/0022-3697(61)90054-3.
  4. 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.
  5. M. Hillert:On the Theory of Normal and Abnormal Grain Growth. Acta Metallurgica, Bd. 13, Nr. 3 (1965), S. 227 ff.