Titel: Toepler, über eine einfache Barometer-Luftpumpe ohne Hähne, Ventile und schädlichen Raum.
Autor: Toepler, August
Fundstelle: 1862, Band 163, Nr. CXIII. (S. 426–432)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj163/ar163113

CXIII. Ueber eine einfache Barometer-Luftpumpe ohne Hähne, Ventile und schädlichen Raum; von Dr. August Toepler, Chemiker in Poppelsdorf.

Mit Abbildungen auf Tab. VI.

Eine gute Kolbenluftpumpe gehört zu den physikalischen Apparaten, deren Anfertigung mit mancherlei Schwierigkeiten verknüpft ist. Durch andauernden Gebrauch, wie ihn wissenschaftliche Zwecke häufig voraussetzen, treten selbst bei den bewährtesten Constructionen leicht Störungen ein, deren Ausgleichung sowohl Zeit, als große Sorgfalt erfordern. Dahin gehören Abnutzung und Undichte von Kolben, Hähnen und Ventilen u.s.w. Zur Beseitigung aller dieser Uebelstände bietet sich die Anwendung des Barometers als naheliegendes Mittel, und es ist zu verwundern, daß bei den günstigen Erfolgen, welche sich auf diese Weise erzielen lassen, Luftpumpen der genannten Art bis jetzt so wenig in Gebrauch gekommen sind.

Geißler in Bonn construirte zum Evacuiren seiner elektrischen Röhren einen sehr einfachen Apparat, der gewiß eine allgemeine Beachtung verdient, da mittelst desselben bequem sehr hohe Verdünnungsgrade erreicht werden können. Die Anordnung der Geißler'schen Luftpumpe ist in Fig. 23 gegeben.

Ein weites Glasrohr a, k, dessen Länge die Barometerhöhe übersteigt, trägt an seinem oberen Ende eine starkwandige Glaskugel A von |427| 800 bis 1000 Kubikcentim. Inhalt. Dicht über der Glaskugel A ist ein wohlschließender Glashahn H angebracht, dessen doppelte Bohrung eine abwechselnde Verbindung der Kugel A mit dem Rohr b oder mit dem zur Seite angeschmolzenen offenen Glasgefäß c erlaubt. Das Rohr b führt zu dem zu entleerenden Recipienten. Ein weiter Kautschukschlauch n, m (oder eine Combination von Glas- und Kautschukröhren) verbindet das untere Ende des Rohres a, k mit dem beweglichen Gefäß D. Letzteres besteht aus einer am Boden durchbohrten, umgekehrten Glasflasche, welche mit Quecksilber gefüllt wird. Verschiedene neben dem Glasapparat k, b anzubringende Etagen gestatten das Gefäß D in beliebig hohe oder niedrige Lagen zu versetzen. Hebt man D empor, so wird bei der in Fig. 23 angedeuteten Stellung des Hahnes die Luft durch das Quecksilber aus A verdrängt. Man läßt so lange Quecksilber zufließen, bis dasselbe nach c überzutreten beginnt. Senkt man nun D, bei veränderter Hahnstellung, hinreichend hinab, so entleert sich das Quecksilber aus A und bewirkt eine entsprechende Luftverdünnung im Recipienten. Es ist ohne weitere Erörterungen klar, daß durch Wiederholung der genannten Manipulationen ein beliebiger Verdünnungsgrad im Recipienten erzeugt werden kann, falls die Verdrängung der Luft aus A bei jedesmaligem Emporheben von D eine vollständige ist. Das zu Ende eines jeden Hubes nach c zu viel übergeflossene Quecksilber kehrt durch den äußeren Luftdruck beim Beginn des nächst folgenden Hubes von selbst wieder nach A zurück.

Durch Combination dreier Barometer ist es mir gelungen, ohne Hülfe von Hähnen oder Ventilen einen Apparat herzustellen, welcher allen Anforderungen an eine gute Luftpumpe entspricht. Da sich der Apparat sehr leicht herstellen läßt, und man mit seiner Hülfe erstaunlich hohe Verdünnungsgrade erzielen kann, so dürfte eine Mittheilung desselben am Platze seyn.

In dem Schema Fig. 24 bedeutet g, a ein weites Glasrohr, welches gerade wie bei Geißler's Apparat in einer großen, dickwandigen Glaskugel A endigt, und vermittelst eines weiten Kautschuk-Schlauches n, f mit dem Halse der geräumigen, umgekehrten Flasche D verbunden ist. Vom oberen Theile der Glaskugel führt ein abwärts gekrümmtes, enges Rohr q, b, c zum Gefässe G. Die Länge des letztgenannten Rohres betrage vom höchsten Punkte b bis zum offenen Ende c etwas mehr, als die größte Barometerhöhe (etwa 29 bis 29 1/2 Pariser Zoll). Dicht unter der Kugel A mündet bei a in das weite Rohr a, g das aufwärts gekrümmte Rohr a, s dessen höchster Punkt s reichlich um die Barometerhöhe über dem höchsten Punkte b des Rohres q, b, c erhaben ist. Bei s krümmt |428| sich das Rohr a, s wieder nach unten und steht mit dem Recipienten B in fortwährender Verbindung. Das ganze Röhrensystem von g bis s kann ohne Schwierigkeit von einem Glasarbeiter im Zusammenhange hergestellt werden.66) Man befestigt es mit dem Recipienten zusammen auf ein passendes Holzgestell; an letzterem sind zugleich in verschiedener Höhe Etagen anzubringen, um das auf einem niedrigen Dreifuß ruhende Gefäß D in beliebiger Höhe aufstellen zu können. Ist D mit Quecksilber gefüllt, und hat man auch G mit soviel Quecksilber versehen, daß das Ende des Rohres b, c etwa 1/2 Zoll unter den Spiegel eintaucht, so ist der Apparat zum Gebrauche hergerichtet. Der Hahn h bleibt während der ganzen Dauer des Versuchs geschlossen, da er nur den Zweck hat, nach Beendigung des Gebrauchs den Recipienten B wieder bequem mit Luft zu füllen. Mit den Functionen des Apparates steht er in keinerlei Beziehung; auch kann er durch eine unwesentliche Modification ganz vermieden werden.

Der Gebrauch des Apparates macht eine Unterscheidung in zwei von einander getrennte Manipulationen nöthig:

1) Hebt man D bis zur Höhe der Kugel A empor, so wird in dieser die Luft durch Quecksilber verdrängt, und entweicht in rasch auf einander folgenden Blasen durch das Quecksilber in G. Gleichzeitig steigt auch in a, s das Quecksilber um einige Zolle und comprimirt die Luft in B um Weniges. Diese Compression beim ersten Hube kann jedoch bei nur einigermaßen geräumigen Recipienten ganz außer Acht gelassen werden.67) Man läßt das Quecksilber in A durch entsprechendes Heben von D bis zum Punkte q emporsteigen. Entweichen bei c keine Luftblasen mehr, so wird D in die tiefste Stellung gebracht, wie sie gerade in Fig. 24 veranschaulicht ist. Während das Quecksilber in A rasch sinkt, treten aus a Luftblasen und steigen in A empor. Ist das Quecksilber in a, g bis unter den Punkt a gesunken, so hat sich die Luft in B auf den Raum A, B ausgedehnt. Gleichzeitig ist der Raum des Gefäßes G, welches die äußere Luft absperrt, langsam im Rohre b, c bis zu einer Höhe emporgestiegen, welche der Spannungsdifferenz entspricht. Durch abermaliges Emporheben von D kann man die aus B nach A übergetretene Luftmenge bei c hinausdrängen, da nun die Mündung a durch |429| das steigende Quecksilber in A abgesperrt wird. Die Spannung in A wächst; daher fällt das Quecksilber in b, c rasch, während dasselbe in a, s über das Niveau in A emporsteigt. Es ist, wie leicht einzusehen, die Summe der beiden Quecksilbersäulen in den seitlichen Barometerrohren in jedem Augenblicke gleich der Spannungsdifferenz zwischen der verdünnten Luft in B und der Atmosphäre.

Nachdem der Quecksilberspiegel in A wieder bei q angelangt ist, wiederholt man die einfache Manipulation des Auf- und Niederstellens mit dem Gefässe D, bis bei c keine oder nur noch unbedeutende Luftblasen entweichen. Der Apparat läßt sich somit mit der Kolbenluftpumpe vergleichen, wenn man das Barometer A, g mit dem beweglichen Gefäß D als den Stiefel, das Quecksilber als den Kolben und die beiden Barometer b, c und a, s als die Ventile betrachtet.

Bei dem vorherbeschriebenen Verfahren bleibt b, c nach jedem Kolbenzuge mit Luft gefüllt, und zwar hat dieselbe die Spannung von einer Atmosphäre, vermehrt um die bei c zu überwindende kleine Quecksilberhöhe. Diese Luftmenge, da sie sich in A beim Sinken des Quecksilbers wieder ausdehnt, stellt also gewissermaßen den schädlichen Raum der Luftpumpe dar.

2) Durch eine einfache Modification des Verfahrens läßt sich, wenn die Verdünnung in B schon weit genug fortgeschritten ist, auch der schädliche Raum entleeren. Man hat das Gefäß D nur am Ende eines jeden Kolbenhubes soweit emporzuheben, daß das Quecksilber von q über b nach G überzufließen beginnt. Das Rohr b, c, falls seine Dimensionen richtig gewählt sind, füllt sich fast augenblicklich mit Quecksilber, während die Luft vollständig bei c hinausgedrängt wird. Bringt man hierauf das Gefäß D rasch in seine tiefste Stellung, so entsteht über dem Quecksilber in A eine Toricellische Leere, mit welcher der Recipient in Verbindung gesetzt wird, sobald der Spiegel in A bis unter den Punkt a gesunken ist. Es ist klar, daß durch entsprechende Wiederholung des letzteren Verfahrens auch in B die Verdünnung bis zu jeder beliebigen Grenze gebracht werden kann. Bei den ersten nach dieser Manier ausgeführten Kolbenzügen sieht man in A von a aus wieder Luftblasen emporsteigen. Bei fortgesetztem Pumpen nimmt dieß jedoch bald ein Ende. Alsdann behält die Quecksilbersäule in b, c während des ganzen Kolbenzuges die volle Barometerhöhe, und nur in dem Augenblicke, in welchem die Oeffnung a frei wird, erkennt man an einer momentanen Zuckung der Quecksilberkuppe in b, c, daß in der That noch eine geringe Luftmenge aus B nach A übertritt. Diese Zuckung wird immer schwächer und zuletzt unsichtbar. Ich habe bei einem Apparate, dessen Kugel (A) |430| nahe 700 Kubikcentim. Inhalt hatte, einen aufgekitteten Recipienten von 1 1/2 Liter Inhalt so vollständig entleert, daß mit einer sehr starken Loupe in dem oben erwähnten Augenblicke auch nicht die mindeste Zuckung der Quecksilberkuppe in b, c zu bemerken war.

Zur Erreichung so hoher Verdünnungsgrade ist es jedoch unerläßlich, daß der Apparat im Innern vollkommen trocken sey. Enthält er Feuchtigkeit, so verschwindet diese zwar rasch aus B und A, condensirt sich aber in feinen Tröpfchen im oberen Theile von b, c. Diese Tröpfchen verdunsten bei jedem neuen Kolbenzuge, und verdichten sich wieder an derselben Stelle, wenn das Quecksilber in A steigt. Durch langes Pumpen lassen sie sich nur schwierig verdrängen. Rasch und sicher gelingt dieß indessen, wenn man den Hahn h mit einer Chlorcalciumröhre verbindet und bei geöffnetem Hahn einige Kolbenzüge vollführt.

Sollten sich bei a oder an einer anderen Stelle des Rohres a, s kleine Luftbläschen zwischen Glas und Quecksilber anhängen, so können dieselben ganz außer Acht gelassen werden, da ja a, s als ein Theil des Recipienten betrachtet werden kann. Je weiter die Verdünnung fortschreitet, desto vollkommener schmiegt sich übrigens das Quecksilber den Glaswandungen an.

Durch das wiederholte Ueberfließen bei b würde das Quecksilber in D allmählich abnehmen, und dadurch dem weiteren Auspumpen sehr bald eine Grenze setzen, falls man das Quecksilber nicht wieder aus G nach D zurückschafft. Allein glücklicherweise erspart der Apparat dem Experimentirenden diese Mühe. Ist nämlich das Rohr b, c nur um Weniges länger, als der Barometerstand beträgt, und ist in G das Niveau durch das Ueberfließen etwas gestiegen, so wird die Niveaudifferenz bis b sehr bald kleiner als die Barometerhöhe. Da nun im letzten Stadium des Auspumpens in A zu Anfang eines jeden Kolbenzuges eine Toricellische Leere entsteht, so fließt das nach G zu viel übergeflossene Quecksilber ganz von selbst wieder nach A zurück, und in kurzer Zeit ist das Niveau in G wieder um die Barometerhöhe unter b gesunken. Das Gefäß G wird am unteren Theile zweckmäßig ziemlich eng zu wählen seyn, so daß das Uebertreten des Quecksilbers sogleich eine bedeutende Niveaudifferenz bewirkt, und somit das spätere Zurückfließen rascher von Statten geht. Oben erweitert sich G in der in Fig. 24 angedeuteten Weise, um das Hinausschleudern des Quecksilbers durch die heftig entweichenden Luftblasen zu verhindern. Ist das in D eingegossene Quecksilberquantum nicht größer als hinreicht, um die Röhren sammt A und G zu füllen, so hat man gar nicht zu befürchten, daß durch eine Unvorsichtigkeit das Quecksilber in G zum Ueberfließen kommt.

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In dem zuletzt besprochenen Stadium des Auspumpens bedarf es keiner Hebung der Flasche D auf die Höhe b, g (abgesehen von dem ersten in dieser Weise ausgeführten Kolbenzuge). Je weiter die Verdünnung fortschreitet, desto geringer wird die Höhe, bis zu welcher D emporzuheben ist, um das Quecksilber zum Ueberfließen zu bringen. Es dürfte dieser Umstand wohl als ein Vorzug gegenüber der Geißler'schen Luftpumpe betrachtet werden, abgesehen davon, daß die Aufmerksamkeit des Experimentators nicht durch das Umstellen eines Hahnes beansprucht wird.

Soll die Luft aus b, c vollständig verdrängt werden, so muß der Quecksilberstrahl eine zusammenhängende, das Rohr vollständig ausfüllende Säule bilden. Man erreicht dieß ohne alle Schwierigkeit, indem man den inneren Rohrdurchmesser nicht über 2 bis 3 Millimeter wählt, und beim Biegen des Rohres zu starke Krümmungen, namentlich Einschnürungen, vermeidet. Auch ist es gut, wenn sich das Rohr bei q conisch in die Kugel A erweitert.

Wenn bei Geißler's Apparat die schiefe Bohrung des Hahnes nicht genau auf das Verbindungsrohr mit der Kugel paßt (was sehr leicht eintreten kann), so bleibt wegen der Capillar-Contraction des Quecksilbers in den auf diese Weise entstehenden Winkeln ein kleines Residuum von Luft von 1 Atmosphäre Spannung, welches nicht zu entfernen ist Anders verhält es sich bei dem Apparat Fig. 24. Wenn auch bei q, b einige Luftbläschen etwa durch nicht ganz passende Form der Biegung zurückbleiben, so haben dieselben im letzten Stadium des Evacuirens doch nur eine sehr geringe Spannung, da sie ungefähr in der Höhe des Barometerstandes liegen. Ueberdieß habe ich bemerkt, daß selbst bei ungünstiger Form der Strahl immer continuirlich wird, sobald die Verdünnung einmal weit genug fortgeschritten ist. Hauptsächlich aus diesem Grunde lassen sich hohe Verdünnungsgrade sicherer mit letzterem, als mit Geißler's Apparat erreichen.

Für das Rohr a, s reicht eine Weite von 2, für a, g von 4 bis 5 Linien aus. Ferner ist es rathsam, in das Rohr a, s auf der mittleren Barometerhöhe über b eine Kugel von 1 bis 1 1/4 Zoll Durchmesser (i Fig. 24) einzuschalten, denn bei den letzten Kolbenzügen erhebt sich das Quecksilber in a, s erst wenn der Spiegel in A bei q anlangt. Es stellt sich fast in einem Augenblicke in a, s die Barometerhöhe her, und leicht kann ohne die Kugel i das Quecksilber bis in den Recipienten geschleudert werden. Der Kautschukschlauch n, f ist vor dem Gebrauche mit einer dichten Spirale von leinenem Bande und hierauf mit starkem Bindfaden zu umwinden. So geschützte Schläuche ertragen mit vollkommener Sicherheit einen Druck von 2 bis 3 Atmosphären.

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An den Stellen, wo das Kautschukrohr mit Glasröhren verbunden wird, adhäriren oft Luftblasen mit großer Hartnäckigkeit, und gelangen erst später zuweilen in das Rohr a, g, um nach A in störender Weise emporzusteigen. Geißler bringt daher bei n noch eine 1 bis 1 1/2 Zoll weite Glaskugel an, in welcher alle durch den Schlauch mechanisch fortgerissene Luft zurückgehalten wird. Ist a, g sowie der Schlauch n, f von geringerer Weite, so ist die Kugel n entbehrlich.

Noch ist zu bemerken, daß nach vollendetem Auspumpen der Hahn h nicht geöffnet werden darf, falls das Quecksilber in a, g nicht unter dem Punkte a steht, d.h. also, wenn sich D nicht in der tiefsten Stellung befindet, da sonst die von h über B und s eindringende Luft das etwa über a befindliche Quecksilber mit solcher Heftigkeit in den lerren Raum A schleudert, daß die Kugel leicht Gefahr läuft, zertrümmert zu werden. Auch die zu Anfang des Versuchs in A emporsteigenden Blasen bringen häufig Stöße hervor. Allein dieselben sind nie so heftig, daß sie den Apparat gefährden. Kugeln von 400 Kubikcentim. Inhalt und noch nicht 1 Millimeter Wandstärke haben sich bei vorsichtiger Befestigungsweise (welche allerdings durchaus verlangt wird) als genügend haltbar erwiesen. Es scheint, daß der Luftdruck, indem er die Kugel von außen allseitig zusammenpreßt, dieselbe gegen innere Stöße widerstandsfähiger macht.

Die im Vorhergehenden beschriebene Barometer-Luftpumpe vereinigt Einfachheit sowohl in der Herstellung als im Gebrauche, da sich das Auspumpen nur auf die bequeme Manipulation des Auf- und Niedersetzens der Flasche D beschränkt. Sie erfordert weder die Aufmerksamkeit, noch den Kraftaufwand, den eine Kolbenluftpumpe beansprucht. Namentlich ist hervorzuheben, daß sie in Bezug auf den Grad der Luftverdünnung, welchen sie zuläßt, nicht leicht von irgend einer Kolbenluftpumpe erreicht werden dürfte. Aus diesem Grunde möchte sie wohl bei wissenschaftlichen Untersuchungen im chemischen Laboratorium gute Dienste leisten, da hier ohnedieß größere Quantitäten von Quecksilber zur Verfügung stehen. Zu derartigem häufigerem Gebrauche befestigt man das Röhrensystem am bequemsten ein für allemal auf eine passende Weise an der Wand.

Es bedarf schließlich kaum der Erwähnung, daß sich der Apparat auch mit noch einfacheren Mitteln aus einer Glasflasche, gut schließenden Kautschukpfropfen und passend gebogenen Glasröhren herstellen läßt. Fig. 25 zeigt eine solche Anordnung, welche aus dem Vorhergehenden ohne Erläuterung klar ist. Obgleich ein zusammenhängendes Röhrensystem unter allen Umständen vorzuziehen ist, so habe ich mich doch überzeugt, daß selbst bei jener höchst einfachen Construction der Apparat mit einer recht guten Kolbenluftpumpe concurriren kann.

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Das Verbindungsrohr von s bis zum Recipienten kann ein Metallrohr seyn, da es mit dem Quecksilber nicht in Berührung kommt. Bei s ist alsdann für eine zuverlässige Kittung oder Verschraubung zu sorgen.

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Ganz kleine Recipienten setzt man erst auf den Teller, nachdem die Kugel A sich ganz mit Quecksilber gefüllt hat.

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