Objekt des Monats

aus dem Museum der Sternwarte Kremsmünster

August 2019

Natterer-Röhre, gefüllt mit gasförmigem und flüssigem CO2, in schwarzem, grün gefüttertem Lederetui mit der Aufschrift: Acidum carbonicum liquidum Glas, Kohlendioxid, Holz, Papier, Samt Glasröhre: 8 mm Durchmesser, 28,4 cm Länge Größe des Etuis: 32 x 3 x 3 cm, Inv. Nr.: 12100614 Foto: P. Amand Kraml

Natterer-Röhre

Bei einer Veranstaltung im Kaisersaal des Stiftes kamen Herr Prof. Reinhard Folk und ich kurz ins Gespräch und wie so oft bekam ich die Frage gestellt, ob in der Sternwarte ein bestimmtes Objekt vorhanden sei. In der Frage ging es um die Natterer-Röhre. Natürlich kann ich in vielen Fällen nicht sofort sagen, ob etwas in den Sammlungen zu finden ist, besonders dann, wenn es sich um Objekte der Depotbestände handelt. Ein Bild, das Herr Prof. Folk schickte, brachte Herrn Zeisler und mich bald auf die richtige Fährte. Die Suche nach der Aufschrift Acidum carbonicum ließ uns in der Datenbank der Physikalischen Sammlungen fündig werden. Die Sternwarte hat wirklich eine Natterer-Röhre. Der Blick in die Zusammenstellung der in den Gymnasial-Jahresberichten angegebenen Sammlungszugänge gibt dann auch noch Auskunft, wie wir im Schuljahr 1857 zu diesem Stück kamen: 29. tropfbare Kohlensäure in einer zugeschmolzenen Glasröhre; 30. reines Glyzerin. Diese Chemiekalien, sowie 8 der oben angeführten technologischen Wandtafeln sind gleichfalls ein Geschenk des Herrn Professors Dr. Josef Redtenbacher.
Josef Redtenbacher (1810-1870) stammte aus Kirchdorf und besuchte das Stiftsgymnasium 1819-1827. P. Marian Koller war mit der Familie Redtenbacher in Kirchdorf schon vor seinem Klostereintritt bekannt und war dann auch der Lehrer von Josef Redtenbacher, der zur Zeit des Geschenks ans Gymnasium Professor der Chemie an der Universität Wien war. (Koller und Redtenbacher: Reslhuber, 5)
Aber auch der Name Natterer ist an der Sternwarte Kremsmünster kein unbekannter. Die Bezeichnung Natterer-Röhre geht ja auf den Mediziner Johann August Natterer (1821-1900) zurück. Und dieser war Sohn von Josef Natterer jun. (1776-1852), dem ersten Kustos des k. k. Hofnaturalienkabinetts und Neffe von Johann Natterer (1787-1843), der durch seine Expeditionen in Brasilien bekannt geworden war. (Zu Vater und Onkel siehe auch Objekt des Monats 2019-09)
Die folgende Beschreibung der Natterer-Röhre verdanken wir Prof. Reinhard Folk.

Etikette auf dem Etui Acidum carbonicum liquidum Foto: P. Amand Kraml

Natterer-Röhre 3 mit flüssigem und gasförmigem Kohlendioxid bei Zimmertemeratur Foto: P. Amand Kraml

In den frühen Jahren des 19. Jahrhunderts stellte sich die Frage, ob jedes Gas durch Druck oder Temperaturänderungen verflüssigt werden kann und ob es permanente Gase gibt. Im Jahre 1844 konstruierte Johann A. Natterer (1821 - 1900), ein gebürtiger Wiener, noch als Studierender der Medizin eine Vorrichtung, die es ermöglichte, Kohlensäure leicht in größerer Menge in flüssiger und fester Form herzustellen und machte seine Versuche zum Gegenstande seiner Inauguraldissertation, die in Wien im Jahre 1847 unter dem Titel Die coerciblen Gase erschien. [1] Er konstruierte dazu eine international beachtete Kompressionspumpe für hohe Drucke und es gelang ihm, damit flüssiges aber auch festes Kohlendioxid herzustellen. Dennoch scheiterte er, wie auch andere, die vermeintlichen permanenten Gase zu verflüssigen.

Sein Name ist auch mit einem Demonstrationsinstrument - der NATTERER RÖHRE - verbunden. Es ist eine versiegelte Glasröhre, die Kohlendioxid (CO₂) enthält und mit der sich die Phänomene beim Phasenübergang vom gasförmigen in den flüssigen Zustand zeigen ließen. Ein tieferes Verständnis der Zustandsänderungen bestand zu diesem Zeitpunkt noch nicht. Das Zustandsdiagramm von CO₂ konnte erst 1869 durch Thomas Andrews (1771 - 1833) gefunden werden [2] und eine theoretische Erklärung erfolgte 1876 in der Doktorarbeit von Johannes Diderik van der Waals (1837 - 1923). Dabei zeigte sich, dass es eine Trennlinie (Dampfdruckkurve) zwischen der gasförmigen und flüssigen Phase gibt. Doch diese Linie endet bei einem kritischen Wert von Temperatur und Druck, dem KRITISCHEN PUNKT. Dieser wurde zwar schon 1822 von Charles Cagniard de la Tour (1777 - 1859) entdeckt, seine Bedeutung wurde aber erst später erkannt. Befindet sich nämlich eine Substanz oberhalb dieser Temperatur, kann ihr Gas nicht mehr durch Erhöhung des Drucks verflüssigt werden.

Die Natterer Röhre dient auch heute noch im Unterricht an Schulen und Universitäten [3] dazu, das Verhalten um den kritischen Punkt zu demonstrieren. Es wurde Kohlendioxid (genannt Acidum Carbonicum) als Substanz gewählt, weil seine kritische Temperatur bei 31°Celsius liegt und daher eine Erhöhung oder Erniedrigung der Temperatur leicht durchführbar ist. Allerdings ist die Substanz dabei unter dem hohen kritischen Druck von etwa 73 bar.

Das Set zur Demonstration bestand oftmals aus drei verschiedenen Röhren, in denen sich bei Zimmertemperatur die flüssige Phase und die gasförmige Phase (die Phasen haben unterschiedliche Dichte) im Gleichgewicht nach der Maxwellschen Regel befinden (siehe Abb. 1(a) die Punkte 1, 2 und 3). Die Volumina sind jedoch so gewählt, dass für 1 Mol Substanz das Volumen V1 kleiner, das Volumen V2 gleich und das Volumen V3 größer als das kritische Volumen Vc ist. Die Zustände von CO₂ werden also formal durch die offenen Punkte 1, 2, 3 auf der Horizontalen durch die geschwungene Kurve dargestellt, [4] die mit T bezeichnet ist. Erhöht man nun die Temperatur, so steigt der Druck p bei gleichbleibendem Volumen (strichlierte Linien). Um die Demonstration vorzuführen wird die jeweilige Natterer Röhre in einem Stativ senkrecht fixiert, wie in Abb. 1(b) gezeigt. Zur Temperaturerhöhung dient heutzutage ein Föhn.

In der Natterer Röhre 1 steigt beim Erwärmen der Meniskus (die Trennungsfläche zwischen Flüssigkeit und Gas), da der Flüssigkeitsanteil zunimmt. Er bewegt sich nach oben, der Zustandspunkt verlässt das Koexistenzgebiet (unterhalb der parabelähnlichen Kurve) und gelangt in den Bereich III oberhalb der parabelähnlichen Kurve aber unterhalb der kritischen Temperatur. Erreicht die Substanz die kritische Temperatur Tc (Punkt auf der Isotherme, die mit Tc bezeichnet ist), ist die gesamte gasförmige Phase in die flüssige übergegangen. Das ganze Rohr ist dann ganz von der einen Phase im Bereich I erfüllt.

Da die Natterer Röhre 3 nur wenig flüssiges CO₂ enthält, verdampft dieses beim Erwärmen, der Meniskus bewegt sich nach unten, die gasförmige Phase nimmt auf Kosten der flüssigen Phase zu. Erreicht die Substanz die kritische Temperatur Tc (Punkt auf der Isotherme, die mit Tc bezeichnet ist), ist die gesamte flüssige in die gasförmige Phase übergegangen. Sie befindet sich dann bei weiterer Erwärmung in dem Bereich I oberhalb dieser Isotherme.

Abbildung 1: (a) Das Phasendiagramm von CO2 und das Verhalten der drei Natterer Röhren für die Volumina 1 bis 3; © Skriptum Universität Zürich (b) die in einem Stativ eingespannte Natterer Röhre und der Föhn zum Erwärmen. © Jean-Michel Laffaille

Die Natterer Röhre 2 wiederum enthält gerade so viel CO₂ (nahezu gleiche Teile in gasförmiger und flüssiger Phase), dass beim Erreichen von Tc der kritische Wert des Drucks pc (Punkt auf der kritischen Isotherme und Maximum auf der parabelähnlichen Kurve) erreicht wird. Beim Erwärmen bleibt der Meniskus auf gleicher Höhe, verschwindet jedoch bei der kritischen Temperatur Tc. In diesem Fall zeigt sich noch ein anderes Phänomen. Kommt man aus dem Bereich I (nur eine Phase in der Röhre) durch Abkühlen, so bilden sich unmittelbar vor Erreichen der kritischen Temperatur Bereiche unterschiedlicher Dichte mit der gasförmigen bzw. der flüssigen Phase. An diesen Bereichen wird das Licht gestreut und es bildet sich ein undurchsichtiger Nebel. Dieses Phänomen war als kritische Opaleszenz bekannt und wurde 1911 von Marian Smoluchovski (1872 - 1917) als Lichtstreuphänomen an Dichte-Fluktuationen erklärt. In diesem Zusammenhang bezieht er sich in seiner Arbeit auf die Natterer Röhre und diskutiert die beobachteten Verhältnisse [5] . Wird die kritische Temperatur unterschritten, verschwindet der Nebel und der Meniskus wird schlagartig sichtbar. Oftmals wurde nur diese Natterer Röhre angekauft, um das Phänomen der kritischen Opaleszenz zu zeigen.

[1]
M. Bamberger, Über die Industrie komprimierter und verflüssigter Gase. Vorträge des Vereins zur Verbreitung naturwissenschaftlicher Kenntnisse in Wien. Wien 1909 siehe auch Paolo Brenni, Johann A. Natterer (1821-1900) and His Pumps for Liquifying Gases Bulletin of the Scientific Instrument Society No. 117, pp. 1 - 8 (2013)

[2]
Thomas Andrews, On the Continuity of the Gaseous and Liquid States of Matter Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Vol. 159, pp. 575-590 (1869)

[3]
Wie das Vorlesungsskript der Universität Zürich, im Internet https://www.uzh.ch/cmsssl/physik/dam/jcr:02950d5f-b1e3-4729-885a-7db6aca8dadc/Ergaenzung_VanderWaals.pdf zeigt.

[4]
Es herrscht in allen drei Röhren bei dieser Temperatur der gleiche Druck.

[5]
Beitrag zur Theorie der Opaleszenz von Gasen im kritischen Zustande Bull. Int. Acad. Sci. Cracovie. Classe des sciences math. et naturelles. 1911, pp. 493–502

Quellen und Literatur:

ANDREWS, Thomas 1869: On the Continuity of the Gaseous and Liquid States of Matter Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Vol. 159, 575-590

BAMBERGER, M. 1909: Über die Industrie komprimierter und verflüssigter Gase. Vorträge des Vereins zur Verbreitung naturwissenschaftlicher Kenntnisse in Wien, Wien

BRENNI, Paolo 2013: Johann A. Natterer (1821-1900) and His Pumps for Liquifying Gases Bulletin of the Scientific Instrument Society No. 117, 1 - 8

SMOLUCHOWSKI, M. 1911: Beitrag zur Theorie der Opaleszenz von Gasen im kritischen Zustande in: Bulletin de L'Académie des Sciences de. Cracovie. Classe des sciences math. et naturelles. Série A, 493–502

Programm des kaiserl. königl. Gymnasiums zu Kremsmünster für das Schuljahr 1857, Linz 1857

KRAML, P. Amand 2013: Zugänge der Lehrmittelsammlungen aus dem Bereich der Physik und Chemie veröffentlicht in den Jahresberichten des Gymnasiums, Typoskript, Kremsmünster

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(c) Reinhard Folk und P. Amand Kraml 2019-11-09
Letzte Änderung: 2019-11-16