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XI. Versuche iiher die Dichtigkeit des Eises hei oerschiedenen Temperaturen;

uon C. R r u n n e r nus Bern.

z u Anfang des letzten Jahrbunderts stellte M u s s c h e n - b r o e k die-Theorie auf, dafs das Eis dadmch entstebe, dafs eine feine Materie, die in der Atmosphare enthal- ten sey, sich mit dern Wasser verbinde. Er glaubte, je niedriger die Temperatur sey, desto mehr iiehme das Eis von dieser feinen Materie in seine Zwischenrauine auf und dehne sich in dem namlichen Verhaltnisse aus I ) .

- D o r t o u s d e M a i r a n , ein franzasischer Academi- ker, setzte diese Theorie in einem eigenen Werke wei- ter auseinander, und stellte mehrere Versuche an, um die Ausdehnung des Eises bei wachsender Kalte zu be- weisen. In einem Gefafse mit Wasser, das sich mit ei. ner Eisdecke tiberzogen hatte, durchstach er deli Boden, so dafs das Wasser ausfliefsen konnte; d a n n setzte e r das Gefrifs mit dem Eisgewolbe wahrend mehrerer Stun- den oder einiger Tage einer grofsen Kalte aus, und fand nun beinabe immer , dafs iiachher das Eisgewiilbe con- vexer war, als zu Anfang, woraiis er schlofs, dafs sich das Eis ausgedehnt hatte; dabei nahm er aber die durch die Kalte erfolgte Zusaminenziehung der Wsnde des Ge- fafses nicht in Betracht. Ferner liefs er ein Stuck Eis, dessen specifisches Gewicht er durch Wagung in Was- ser bestimmt hatte, 8 Tage lang dem Froste ausgesetzt, wog cs d a m wieder iu Wasser von 1; O R., und fand nun seine relative Grirfse um & vermehrt, d. h. wah- rend es zuvm iin Verhiiltnifs von 14 zu 13 leichter als

1) EJJA IJC pj5ysi7ur. Leyden 1739. T. Z p . 444 heifst es: ,gIus Ic froid cst dpra rt h n g , plus nrrssi In gfmr sc gonflc r i sc rurcye.L' -

Poggendoifl's Annal. Bd. J,XIV. 9

114

Wasser war, so fand er jetzt das Verhaltnifs 12 : I1 I ) .

Urn deli Wer th dieses Versuchs beurrheilen zu kirnnen, fehlen die genauen Angaben der mannichfaltigen dabei in Betracht kommeiiden Umsttinde.

Diese alte Ansicht von M u s s c h e n b r o e k und M a i - r a n , dafs das Eis, den Erfahrungeii an den ubrigen festeii Kiirpern zuwider, sich diircli Kalte ausdehnc, ist von P l a c i d u s H e i i i r i c h schon im J. 1907 *) widerlegt worden, indem er direct die Langenzusaminenziehung ei- lies Eiscylinders bestiminte, - eine Methode, die, wenn gleich nicht auf groCse Genauigkeit Anspruch machend, doch im Allgemeinen ein richtiges Hesultat lieferte. Ein H Zoll langer Eiscylinder zieht sich, nach H e i n r i c h , bei einer Temperaturabnahme von 10" R. um den 34s1en Theil einer Linie zusammen, was einein Zusammenziehungs- Coefficienten von 0,000024 fur 1 O C. eutspricht.

Dieses Resultat wurde sofort allgemein Ton den Phy- sikern angenommen.

In der neuesten Zeit hat das Eis in hohem Grade die Aufmerksamkeit der Naturforscher in Anspruch ge- nommen , besonders derjenigen , welche fur grofsartige geologischo Phanomene im Eise die Erkliirung suchen. Urn so auffallender ist es, dak bei deli vielen Untersu- chungen, die uber Eis und Gletscher angestellt wurden, bis vor einein Jahre nicht auch eine Wiederholung des alten Versuchs von H e i n r i c h veranstaltet worden ist; da gewifs das Verhalten des Eises bei verschiedenen Tempe- r a t u r e ~ ~ fur eine solche Theorie nicht ohne Wichtigkeit und jetzt besondcrs wiinschenswerth ist, iiachdem durch die be- kannte Gletschertheorie von F o r b e s ) das Eis gleich- Sam aus der Kategorie der festen Karper gerissen wird.

Im Ietzten Jahre machte Hr. Dr. P e t z h o 1 d t ') Ver-

1) Dissertution sur /u glace. Paris 1749. p . 269. 2 ) Gilbert ' s Annrlen, Bd. 26 S. 228. 3 ) The glacier theory. 4 ) Beitrige zur Geognooir von TjroI.

Edinb. Rev. 1812. 1843.

115

suche bekannt , welclie die Uichtigkeitsbestimmutig des Ejses bei verschiedenen Ternperaturcn zum Zwecke hat- ten. E r liefs Wasser in eiiiein silbernen Kastcn gefrie- ren, den er bei verschiedenen Temperatoren in Aether W O ~ . Aus seinen Versuchen glaubte Hr. P e t z b o l d t die merkwurdige Thatsache berechnen zu konnen, dafs dutch Kiilie dar Eis sich ausdehrre, und griindete sofort eine iieue Theorie der Gletscher darauf.

Irn Verlaufe des vertlossenen Monats December habe ich einige Experimente uber das specifisclre Gewicht des Eises angestellt. Hr. Prof. M a g i i u s liatte die Giite, mir die Bcnutzung seines Laboratoriums und deli Ge- brauch seiner Insfrulneritc zu gcstatten.

Vorerst suchte ich mir vollkommen Iuftfrcies Eis zu verscbaffen, was mit einigen Schwierigkeiteii vcrbuiideii war. Kocht inaii destillirtes Wasser aus und k f s t es gefriereo, so nilnmt es beiin Erkalten wieder so vie1 Luft a d , dafs das Eis, namentlich in der Mitte der Masse, volI Blasen wird. Dieses srichte icli durch Uebergierseii mit Terpentin61 uninittelbar nach dcin Auskochen zu ver- meiden, was aucli ziernlich vollkoininen gclaiig: lriebei erhielt ich aber Eis, welclres voll klciner Risse war, die es unbrauchbar zu incinein Zwecke machten. - Als nun nach deli ersten kalten Tagen bedeutende Qriantitiiteii von Fluheis berbeigefiihrt wurden, fand icli in diesen Vorrathen einzelne Stiicke, die vollkommen klar und bla- senfrei waren, und sich dalier auPs Beste zu meinen Ver- suchen eigneteti.

F. C. A c h a r d , Mitglied der Academic der Wis- senscbaften zu Berlin, giebt bei Gelegenheit von elek- trischen Untersuchungen init Eis ' ) eine Melhode an, sich blasenfreies Eis zu verschaffen: E r brachte ein unit Wasser gefiilltes cylindrisches Gefsfs dicht an ein Feii- ster in einem nur wenig gebeizten Zirnnier; die aufsere Kalte VOR -70 R. verwandelte zrinachst das Wasser 1 ) Chemiich-physische Schriften. Berlin 1580.

8*

1 I6

auf der dem Fenster zugewaadten Seite i i i Eis, wiihrcnd der iibrige Theil flussig blieb. Er erhielt dadurch cine Eismasse, von halbmondfOrmigem Durchscbnitt, die voll- kommen luftfrei war. Obgleicli ich mir bereits auf 811-

dere W e i s e reines Eis verscliafft hatte, wollte ich es nicht unterlassen , A c h a r d's Metbode zu priifen. Ich stellte den Versuch mit Hiilfe eiiier kaltmachenden Mi- schung an, und crhielt ein Eisstiick, das zwar iiicht voll- koinmen blascnfrei, doch bedeutend klarer war, als das Eis, wie mail es gcwiil\nlich e r l d t .

Meine Adgabe , die nichtigkeit cles Eises bei ver- schiedenen Temperatrireii zii untersucheri , glaubtc ich dadurch a m sichersten zii liisen, dafs icb durch directe W:igungen den Gewichtsverlust bcstiininte, welchen ein Stiick Eis bei rcrschiedenen Temperaturen in einer Flus- sigkeit erlitt.

Die Flussigkeit, in welchcr das Eis gewogen wurde, war anfangs frisch rectificirtes Terpcntiiiiil, splter recti- ficirtes Steiniil. Letzteres eigriet sich wohl deshalb bes- ser dazu, weil seiii specifisches Gewicht kleiner ist: i i h fand, dafs nonientlich bei sehr niedrigen Temperaturen, die W#sungen irn erstcren etwas scliwieriger wareii we- + y i i der gcringen l)iffcrcnz in der Eigenschwcrc des Ei- ses uiid der Flussigkcit ). Ferncr beinerkte ich , dais im Terpentiiiiile dns Eis schoii bei einer Tcmpcratur von --In,5 zu schmelzen an fhg t , was jede W i g u n g bei dic- ser oder einer noch hllheren Temperatur unmiiglich macht. neiin Stein61 findet diefs nicht statt.

Iliese Erscheinting, dafs das Eis schoir 1"; unter dem Frostpunkte iin Terpentiniil schmilzt, ist eiii Beweis von der Aufliislichkeit des Terpenlinides in Wasser. Eis in Alkobol getaucht, schmilzt schoii bei der griib- ten K&lte, die man hervorbriiigcn k;i i i i i , weil schon bei dieser sehr niedrigen Temperatur die Verwandlschaft des

1 ) Hr. O s a n n gicbt a n , dafs sogar Eis auf Trrpcniin61 rcllwimmc

(Kartner'a Archiv, Hil. XIX. S. IUO.)

117 Wassers zuin Alkohol seine eigene Erstarrungskraft uber- windet. Eben so, wenn das Eis im. Terpentindl bei - 1 Grad sclimilzt, liegt der Grund davon darin, dafs bei dieser Temperatur die Verwandtschaft des Wassers zum T e r p e n t i d seine eigene Erstarrungskraft iiberwin- det. Im Stein61 scbinilzt das Eis bei einer Temperatur, die dem Frostpunkt so iiahe liegt, dai's der Unterschied nicht genau beobachtet werdeii kaiin; diel's ist ein Be- weis, dafs Steindl in Wasser noch schwerer, vielleicht gar nicht 1i)slich ist. - Ich glaube, dafs diets eine Methode an die Hand giebt, uin die Aufldsliclikeit solcher Flus- sigkeiten zu bestimiiien, die n u r in geringem Grade dariu 1i)slich sind, wie Aether, 3therische Oele etc.

Urn mich aber auch zu iibeneugen, dafs bei den Temperaturen, bei welchen die WYgungen stattfanden, die angewandten Flussigkeiten vou dem Eise nichts auf- nebmen, wog ich ein EisstIick in dein Oele. Ich Iiefs es darin liegen uod wog es nach Verlauf von 24 Stuu- den wieder bei der narnlicheu Temperatur. Auf diese Weise fand ich, im TerpentinGl bei eiiiem 2286 Milli- sraminen schwerem Eisstiick eioen Gewich tsunterschied VOD 1 Milligrm., bei einem 2138 Milligrm. schweren in Stein61 keinen Unterschied. - Man darf deinnach an- uehmen, dafs das Eis in den beiden Flussigkeiten keine Veranderung erleide.

Das specifiscbe Gewicht der Fliissigkeiten bei den verschiedenen Temperaturen wurde gefunden, indem icb den Gewichtsverlust eines Stuck Glases in dem Oele immer unmittelbar vor und nach der Wagung des Ei- ses bestimmte, und spater das namliche Sttick Glas in Wasser wog.

Noch war zu uiitersuchen, in wiefern das Eis die WIrme leite, um sicher zu seyn, dafs es bei den Ver- suchen vollstandig die Temperatur des umgebenden Me- diums aogenommeu habe. Ich liefs zu diesem Ende die Kngel eines Thermometers so in Eis einfrieren, dafs sie

118

von allen Seiten mit einer weiiigstens d Linien dicken Eishulle umgeben war. Dieses mit Eis umgebene Ther- mometer, welches zuerst bis - 1 0 ° abgekuhlt worden, nahm, frei in die Luft gehlngt, die umgebende Tempe- ratur von -3" in Zeit von einer halben Stunde an, und in Stein61 oder Terpentin61 brauclite es nicht ljiiiger als 3 Minuten, uin sich in's Gleichgewicht mit der Umge- bung zii setzen.

Auf der Wage , die icli benutzte, konnte icli den vierten Theil cines Milligrammen noch in i t Bestimintheit schRtzen, und eben so zeigte ein genaues G r e i n e r ' - sches Thennometer noch deli vierten Theil von Grade11 der huuderttheiligeu Sknle an. Die Versuche wurdeii in einein kalten Zimmer bei einer Temperatur, die natiir- lich immer uuter 0" war, aogestellt.

Nach den angefuhrten vorlPufigen Untersucbungeii wurden die Experimerite auf folgende Wcise angestellt. Das klare Eisstiick befesligte ich an eiiiein Menschen- haare, was bei der ganzen Versrlchsreihe immer b s schwierigste war, entfernte das durch die Wartiie der Hand erzeugte Wasser von dem Eise, und, nachdem die- ses wenigstens eine halbe Stuiidc 1ang frei in der Luft gehangen hatte, befestigte ich es an der kurzen Schale der hydrostatischen Wage. Die Gewichtsbestiininung ge- schah durcli die Metliode der Tnrirung, indein ich au f die niidere Schale so vie1 Tarn legte, bis das Gleichge- wicht hergestellt war; so wie dieses erreicht war, tauchte ich das Eis schnell in die Flussigkeit, aus welcher es nun nicht iiiehr entfernt werden durfte, dainit es nicht durch Verdunstung an der Luft einen Gcwichtsverlust erlitte. - Dic Gewiclitsverininderung des Eises in der Fliissigkeit faud ich durch Auflegen von Gewichten auf die Schale, an welcher das Eis hing. Nach dieser W3- gung entfernte ich die Fliissigkeit mit dcm Eise von der Wagc , und bestimmte durcb Gewichtsersehung das ab- solute Gewicbt des Eises.

119

Die Flnssigkeit rnit dem Eise bracbte ich iu eine kaltmachende Mischung, die von Zeit zu Zeit erneuert wurde, wodurch das Oel auf eiiier annahernd constan- ten Temperatur sich erhielt. Die Fliissigkeit wurde im- mer wenigstens zwei Stundeii lang bei dieser Tempera- tur erhalteii, so dafs man wohl annehmen durfte, dafs die Temperatur des darin befindlichen Eises vollstandig 'sich mit der des Oeles in's Gleichgewicht gesetzt batte.

Dann wurde von Neuem die Fliissigkeit, ohne sie aus der umgebenden kaltmachenden Mischring zu entfer- nen, zur Wage gebracht, das Haar, w e l c h das Eis trug, an der kurzen Schale befestigt rind der Gewichts- verlust bei dieser niedrigen Temperatur bestimmt. Das Thermometer, welches in die Fliissigkeit tauchte, zeigte wahrend der Wagung ihre Temperatur an. - Eben so liels ich das Glas, welches zur Bestimmuog des specifi- schen Gewichtes der Flussigkeit angewandt wurde, und auf gleiche Weise, wie das Eis, an einem Haare befe- stigt war, bei den in Stein61 angestellten Bestimmungen wahrend der ganzen Zeit in der Fliissigkeit, damit es beim Einsenken keine Temperaturverhderung veranlasse. Bei den Wagungen in Terpentind stellte ich eine eigene Reihe von Versuchen zur Bestimmung des specifischen Gewichts der Flussigkeit bei den verschiedenen Tempe- raturen an.

Die so gefundeneii Resultate siiid in folgeiiden Ta- bellen angegeben:

120

No. d Ver-=

S U b r .

1 2

E i 5. G l a s . Abrolutu Gcwicht

= 26 110,25. Abrolutw Gewichtrvcr-

Temperrtor. Gcwicht dw lust d u E i ru Gemchrcverlust dw Eircr. im Oelc Glaw im Ode.

- 0°,75 12894,25 11210,5 6776,2 -14 I dito 1 11332,5 1 6859

Abrolutw Gewichtsver- Vcr- Temperrtur. Gcwicht lust dw Eisu

No. S U h . dul+ dcs ELu. im Ocle.

9 I - 6O,25 I 6528 1 6398,25

G l r r . Abaolntw Gewicht

=26118,5. Gcwichtr-

Temperrtor rcrl. d. G h - scs im Ocls.

I

121

In diesen Tabellen sind alle Daten zur Berechiiuiig des specifischen Gewichtes der Fliissigkeiten und des Ei- ses bei deu verschiedenen Temperatwen gegeben.

Um das specifische Gewicht des Oeles bei den ver- schiedenen Temperaturen zu bestilnmen , ist eine Cor- rection fur die Zusamnienziehung des Glases niithig. Nimmt man den Kubik- Ausdehnungs - Coefficienten des Glases fur eineii Grad c=0,000023 an, so ist bei einer Ten- peratur von - - t o das corrigirte Gewicht des verdrang- ten Oel-Voluinens =g( 1+0,000025.l), wenn g den durch W$guiig bestimmten Gewichtsverlust des GIases im Oele ausdruckt. - Eben so mufs fur die Wagung des Glases im Wasser auch noch die Dichtigkeit des Wassers auf O o reducirt werden, was uach den von Halls t riim angcgebenen Tabellen leicht auszufiihren ist.

Endlich war iioch eine Correction nothwendig bei der Bestimmung des absoluten Gewichts des Eises. Da man nlimlich bei den Wagungen des Eises in der Luft nur das eigentliche Gewicht minus das Gewicht dcs ver- drangten Voluinens Luft erhalt, so mufs dieses letztere noch zu der gefundenen ZahI addirt werden. Das Vo- lumen des Eises kann leicht berechnetl werden ; nilnmt man nun das Gewicht eines Cubikcentimeters Luft bci Oo und 28 Zoll Barom. gleich 1,3 Milligrm. an, so ist das wabre Gewicht des Eises G=g+u.1,3, wenn g daa gefuiidene Gewicht und Y das Volumen des Eisstiicks in Cubikcentimetern ausgedrtickt ist.

Nach dieser Methode habe ich folgende Correctio- nen der absoluten Gewichte des Ekes angebracht.

1 3 6 9

10

c. c. 14,07 13,07 27,57

7,13 6,07

I2894,22 12991,23 25258

6325 5852,5

+ia,3 +18,3 +33,84 + 9,26 + 7,9

Berechnung des specifischen Gewichtes des Eises bei ver- schiedenen Temperaturen.

(Das specifiselie Gewiclrt des Waswrs Lei 0' = I gcretrt. )

1) h u s den W s g u n g e n i m SteinGI.

Gewiclrisrerlust drs G1ases in Wnsser bei 0' =8502,3.

I 2 l I

So. des Vrrouclrs.

: I 5

I . I emperatur. Spec. Gcvviclrt (lei Oels

Spec. Gewicht des Eises.

- 0",75 -1.1 - 0",78 -16 ,5 -14 ,5 - 30,3 -19 ,5 - 4 ,5

1 0,80702 0,7978 1 0,60936 0,90872 0,79921 0,s I99.i 0,79976

0,91801 0,91933 o,9 1 a1 3 0,9 1952 0,9 I988 0,9 I637 0,92014 0,9 1866

2 ) A u s d e n W s g u n g e n i m T e r p e n t i n o l I ) .

Gcwiclitsverlust des Glases in Wasser bei 0' =8505.

I Spec. Gewicht Spec. Gewiclrt , des Oelr. des Eiscs. Temperatur. I I -

NCL des Vrrsuchs.

9 I - 6",25 I 0,99994 I 0,91949 0,89887 0,91855

I 1 - 6 ,75 1 0,90119 1 0,91961 0,902 4 9 0,91959

13 1 0,91412 1 0,92315 - S",75

I ) Die absoluten Zahlen, welche sich aus dm in Tcrpmtiniil ange-

12.3

Uas speciiische Gewicht des Eises bei Ou kann iiacli diesen Tabellen =0,9180 geselzt werden. Dieses Re- sultat n;ihert sich der Zalil, welche B e r z e l i u s in sei- nem Lelirbuche annimmt: 0,916. Am niichsten koinmt &tin die Angabe von T h o m s o n: 0,92 (das Wasser bei + 120,44 R. als Einheit genomnien). T h o m s o n brachte Eis in Alkohol, welcben er mit so vie1 Wasser verdiinnt hatte, dafs das Eis iiberall darin stehen blieb, ohne zu steigen oder zu sinken. Das Eigengewicht des Eises war nun das der Fliissigkeit. Mehr schon weicht die Angabe von O s a n n ab, welcher Eis in Wasser wog: 0,926. Wahrend endlich die von I r v i n e ( 0,937 ) uiid D uiii a s (0,950) ) gefundenen Zahlen bedeutend grd- h e r sind, ist diejenige von P l a c i d u s H e i n r i c h (0,905) offenbar zu klein.

Aus den obigen Tabellen ersieht man ferner, wie das spec. Gewicht des Eises mit der Tempera turabnahme zunimmt. Diese Zunahme ist so grofs, daL, wie ich durcli Berechnung gefunden habe, der Unterscliied im Ge- wichtsverluste des Eises im Oele bei Versucli No. 2 -20 Milligrin., bei Versucli No. 7 -40 Milligrin. be- tragen miifste, wcnn iiiaii annelimen wollte, d a b das spec. Gewicht des Eises bei O " , 1 4 " und 19" das nam- liche ware, natiirlich miifste der Unterschied noch grii- h e r seyn, weiin das Eigengewicht des Eises bei niedri- geren Teinperaturen kleiner ware als bei 0".

stellten Wigungcn ergrbeo , weicheu etwas von denjenigen a b , die PUS den Versuclicn in Steinol berechnet sind; dieses riihrt wolil da- her, dafs bei den W3gungen in Terpentinol das specifische Gewicht der Fliissigkeit nicht unmittelbar, wie in der Versuchsreihe mit SteinGI, Lei den gleicheii Temperaturen beobachter wurdc, bsi welchen dia WBgungen des Eisw statrfanden, soodern aus andern Dalen durcli Interpolation bereclinet werden mufste. Aus diesem Grunde sind wohl die aus dcr Versuchsreihe in Stein61 abgeleiteten Zahlen vorzuaielien, das Gesctz aber dcr Zusammenziehung des Ekes durch Kdte ergicbt sich auPs deiitlirliste auch IU> dcr z w e i t i Tabelle.

1 ) TraitC de chimir, T. I p. 19.

'Tempe- ratur.

-lU C. -2 -3 -4 -5 -6 -7

Spez. Gew. Trmpe- Spcc. tiew. Tcmpe- Spec. Gew. dw Eirer. dcr Eires. I ratur. 1 Jer Eirer. I ratur. I

0,91f3122 - So C. 0,91890 0,9 1980 0,9 1991 0,92002 0,92013 0,92025

0,91823 - 9 0,91834 -10 0,91845 -11 0,911156 -12 0,91868 13 0,91679 1114 I 0,91957

Aus ineiiieu Versucheii geht also liervor, dap das Eis , ganz norrnol , sich durch Kiilre zusnmmenricht, was deli Angaben des Hrn. P e t z h o Id t geradezu wider- spricht.

Aus den gefundeneii spec. Gewichte dcs Eises bci verschiedenen Temperaturen habe ich folgende Zahleii als Coefficienten der liiieareii Zusniniiienziehung drs Ei- ses fiir eiiien Grad C. berechiiet: Aus den Versuclieii 1 uiid 2 0,0000416

3 - 1 0,0000315 6 - 7 0,0000395 Mitlel 0,01100375 oder I-$ou.

Die Zusammcniiehutrg des Eises diuch Temperatur- errziedrigwig belriigl dernnach rnelrr RIS bei alleti feslen Korperrr, wornit birher Yersuche angestelh warden sind ).

Aus diescn Daten liabe ich folgeiide Tafel berechiiet:

S p c c i f i r c h e r Gewic lr t d e s E i s c s b e i v c r s c h i e d e n c n T e m p e - ral i i re n.

Das Warrrr bri 0' = I gesc~rt.

Vergleieht uiau hielnit das Verhalten des Wassers in flilssiger Form, dessen Ausdehnuiig D e s p r e t z ') bis -20° C. untersucht hat, so stellt sich das merkwiirdige Resultat heraus, dafs das Wasser id fliissiger Form durcli Temperaturerniedrigung sic11 ausdehnt , wahrend es in fester Form durch dieselbe Temperaturveranderung sicli zusammenzieht. 1) Der griirsil: Ausdchnungr-Coe~cicnt, den ich angegebcn findc, irk

rlcr vnn S rn en t o n fiir gchirnrncr1w Zink gehindenc: 0,003108 fur loo', also fir 1' ~0,0000310 (Gchler ' s Wijrtcrb. Bd. 1 S. 585).

'2) Ann. d c chiiir. c t d c phys. T. 70 p. 24. (Ann, Bd. 62 S. 284.) .-- -.