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Re: Ressourcen
Chris2 - 11.05.2005, 22:33Ressourcen
Eisen
Eisen ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit Symbol Fe (lat. Ferrum, Eisen) und Ordnungszahl 26. Es ist ein Metall der 4. Periode in der 8. Gruppe im Periodensystem. Der Name Eisen ist entweder auf das urkeltische Wort isorai oder auf das indogermanische Wort eison (glänzend) zurückzuführen.
rel. Atommasse: 55,847
Schmelzpkt.: 1808 K
Siedepkt.: 3023 K
Dichte: 7,87 g/cm³
EN.: 1,6
Ionisierungseng.: 7,870 eV
Konfiguration: [Ar] 3d6 4s²
Oxidationszahlen: 6, 4, 5, 3, 2, 1, 0, -1, -2
Atomradius: 124,1 pm (a)
Ionenradius: 67 pm (+3); 82 pm (+2)
Entdeckung und historische Bedeutung
Die Fähigkeit, Metalle zu verarbeiten oder Legierungen mit besseren Werkstoffeigenschaften zu bilden, kann für die zivilisatorische Entwicklung des Menschen als so wichtig erachtet werden, daß ganze Epochen danach benannt wurden. Bekanntermaßen folgte nach dieser Einteilung auf die Bronzezeit eine Zeitspanne, in der man auch die Verhüttung von Eisenerz nach und nach beherrschte. Zwar kannten unsere Vorfahren Eisen aus vereinzelten Zufallsfunden schon, als sie die Verarbeitung von Kupfer zu ihrer ersten großen Blüte gebracht hatten. Die ersten Funde gediegenen Eisens stammen vermutlich aus Meteoriten. Doch die Verarbeitung von Eisen war wesentlich schwerer als die der weicheren Metalle Kupfer, Silber und Gold sowie Blei und Zinn. Erste Hinweise für die Verwendung von Eisen geben ägyptische Grabbeigaben aus dem Jahre 3200 v. Chr. Seit ca. 2000 vor Christus wendeten sich die Menschen verstärkt dem Eisen zu. In noch einfachen, recht primitiven Öfen, die mit reichlich Holzkohle befeuert wurden, gelang die Gewinnung von Eisen aus Erzen. Mit diesem Metall konnte man nun wesentlich härtere Waffen herstellen, als man es mit Bronze konnte. Aber Waffen aus Eisen sollten noch Jahrhunderte eher die Ausnahme bilden. Sie waren einfach zu teuer, um ganze Armeen damit auszurüsten. Erst die Römer setzten massiv auf Eisenwaffen und ein Großteil der römischen Militärmacht gründete sich auf ihre überlegene Waffentechnik. Seit dem frühen Mittelalter konnte man Schachtöfen bauen, in denen man deutlich höhere Temperaturen erzeugen konnte und die gewissermaßen als Vorläufer der Hochöfen betrachtet werden können. Mitte des 14. Jahrhundert beschreibt Agricola bereits ausführlich unterschiedliche Methoden zur Eisenverhüttung. Die Ersetzung der Holzkohle durch Steinkohle und Koks sowie die schrittweise Verbesserung der Schmelzöfen im späten 18. Jahrhundert erhöhte auch die wirtschaftliche Bedeutung des Metalls. In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts wurden dann alle wichtigen Verfahren zur Stahlerzeugung entwickelt: 1855 das Bessemer-Verfahren, 1864 das Siemens-Martin-Verfahren, 1877 das Thomas-Verfahren und 1880 das Elektroverfahren nach Siemens. In unserem Jahrhundert kam das Sauerstoff-Aufblas-Verfahren von Durrer und Hellbrügge (1948) hinzu. Zwar sind Eisen und Stahl auch heute nicht aus der modernen Industriegesellschaft wegzudenken. Aber immer mehr traditionellen Einsatzbereiche werden von leichteren Metallegierungen oder von Kunststoffen ersetzt. Die Zeit, in der die Schwerindustrie das Rückgrad der Wirtschaft war, ist ohnehin längst zu Ende.
Vorkommen
Das Universum besteht zu 0,0014 Atomprozent aus Eisen. Mit dieser Häufigkeit steht es an 9. Stelle. Viele Meteore bestehen aus massivem Eisen. Sein Anteil an der Bildung der Erdkruste wird mit allgemein mit 4,7 Gewichtsprozent angegeben. Es ist nach Sauerstoff, Silicium und Aluminium das vierthäufigste Element und das wichtigste Schwermetall überhaupt. Mit einiger Sicherheit kann man sagen, daß der innere und äußere Erdkern (Radius zusammen knapp 3500 km) im wesentlichen aus Eisen besteht. Abgesehen von gediegenen Eisenvorkommen aus Meteoriten und vereinzelten Einsprengseln des reinen Metalls in Basaltgestein kommt Eisen in der Natur stets gebunden vor. Dabei überwiegen die oxidischen Formen des Eisens. Über 400 Eisen-Mineralien sind bekannt, von denen hier nur die bekanntesten genannt werden sollen: Roteisenstein (Hämatit), Magneteisenstein (Magnetit) und Brauneisenstein (Limonit) sind Eisenoxide; Spateisen (Siderit) ist ein Carbonat; Eisenkies (Pyrit bzw. Markasit) und Magnetkies (Magnetopyrit) sind sulfidische Formen; Olivin ist ein Silicat.
Eigenschaften
Eisen ist ein relativ hartes, dehnbares, silberfarbenes Schwermetall. Das Element hat Modifikationen, wobei die a-Modifikation ferromagnetisch (bis 769°C) und die g-Modifikation paramagnetisch ist. An trockener Luft bildet es eine dünne Oxidschicht und das Metall verändert sich nicht. Anders dagegen an feuchter Luft, wo es eine rötliche Schicht bildet, die man als Rost kennt. Bei Rost handelt es sich um ein Eisen(III)-oxidhydrat, wobei das Metall wegen der Porosität dieser Rostschicht über kurz oder lang stark korrodiert. Diese Korrosion muß durch Schutzanstriche oder metallische Überzüge (z.B. durch Verzinken) unterbunden werden. Von nichtoxidierenden Säuren (z.B. Salzsäure) wird Eisen sehr schnell unter Freisetzung von Wasserstoffgas angegriffen. Gegen oxidierende Säuren (z.B. konzentrierte Schwefelsäure) ist es resistent. Gegen Alkalilaugen ist es weitgehend beständig. Erst bei stark konzentrierten, erhitzten Laugen (z.B. Natronlauge) reagiert es oberflächlich durch Bildung einer Trieisentetroxid-Schicht; ein Vorgang, den man sich auch technisch zunutze gemacht hat (Brünieren). Entsprechend seiner Elektronenkonfiguration kann Eisen in Verbindungen maximal die Oxidationsstufe +6 erreichen. Praktisch sind aber nur +2 und +3 von Bedeutung. Von den Verbindungen des Eisens seien hier nur die folgenden genannt: Eisen(II)-oxid, Eisen(III)-oxid, Eisen(II,III)-oxid, Eisen(II)-carbonat, Eisen(II)-sulfat, Eisen(II)-sulfid, Eisen(II)-hydroxid, Eisen(III)-hydroxid und Eisen(III)-chlorid. Eisen hat eine ausgeprägte Fähigkeit zur Komplexbildung. So ist es das Zentralatom im roten Blutfarbstoff Hämoglobin.
Isotope
Eisen hat vier stabile Isotope, von denen Fe-56 mit 91,7% den größten Anteil hat. Danach folgen Fe-54 (5,8%), Fe-57 (2,2%) und Fe-58 (0,3%). Von den neun Radionukliden haben Fe-60 mit 300.000 Jahren und Fe-59 mit 2,7 Jahren die längsten Halbwertszeiten. Fe-49 zerfällt dagegen mit einer Halbwertszeit von nur 75 Millisekunden. Das radioaktive Isotop Eisen-59 wird in der Medizin für diagnostische Zwecke eingesetzt.
Lutinum
Lutinum kommt auf unserer Erde nicht vor, daher die Beschreibung eines ähnlichen Elements, nämlich des Lutetiums.
Lutetium ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Lu und der Ordnungszahl 71.
Das Gruppe 3- und Periode-6-Element wird den Metallen der seltenen Erden zugeordnet.
rel. Atommasse: 174,967
Schmelzpkt.: 1929 K
Siedepkt.: 3588 K
Dichte: 9,84 g/cm³
EN.: 1,1
Ionisierungseng.: 5,426
Konfiguration: [Xe] 4f14 5d 6s²
Oxidationszahlen: 3
Atomradius: 173,4 pm
Ionenradius: 85 pm (+3)
Namensbedeutung
Lutetia (lat.): alter Name für Paris (engl.: lutetium)
Wasser
Wasser (auch Wasserstoffoxid, Hydrogeniumoxid, Diwasserstoffmonoxid, Dihydrogeniumoxid oder Dihydrogenmonoxid) ist eine chemische Verbindung (Molekül) aus Sauerstoff und Wasserstoff (chemische Formel: H2O). Die Bezeichnung Wasser wird besonders für den flüssigen Aggregatzustand verwendet, im festen, also gefrorenen Zustand wird es Eis genannt, im gasförmigen Zustand Wasserdampf oder einfach nur Dampf.
Wasser ist wegen seiner besonderen chemischen und physikalischen Eigenschaften (vor allem des Dipolmoments, der Wasserstoffbrückenbindung und der Dichteanomalie) essentiell und Entstehungsort des Lebens; in Organismen und in unbelebten Bestandteilen der Geosphäre spielt es als vorherrschendes Medium bei allen Stoffwechselvorgängen bzw. geologischen und ökologischen Elementarprozessen die wichtigste Rolle (zum Beispiel Photosynthese, Klima). Die Erdoberfläche ist zu ca. 70% von Wasser bedeckt (Ozeane), aber nur 0,3% sind als Trinkwasser zu erschließen.
Entstehung und Vorkommen
Die Herkunft des Wassers auf der Erde, insbesondere die Frage warum auf der Erde deutlich mehr Wasser vorkommt als auf den anderen erdähnlichen Planeten, ist bis heute nicht befriedigend geklärt. Zwar dürfte ein Teil des Wasser auf der Erde durch das Ausgasen der Magma entstanden sein, also letztlich aus dem Erdinneren stammen, ob dadurch aber die Menge an Wasser erklärt werden kann ist fragwürdig. Weitere grosse Anteile könnten aber auch durch Einschläge von Kometen oder wasserreichen Asteroiden auf die Erde gekommen sein. Messungen des Verhältnisses von Deuterium zu Protium (D/H-Verhältnis) deuten dabei eher auf Asteroiden hin, da in Wassereinschlüssen in kohligen Chondriten ähnliche Verhältnisse gefunden wurden wie in ozeanischem Wasser, wohingegen bisherige Messungen dieses Isotopen-Verhältnisses an Kometen nur schlecht mit irdischem Wasser übereinstimmten.
In den Urozeanen vorkommender Schwefelwasserstoff und in der Atmosphäre vorhandenes Kohlendioxid wurde von autotrophen Schwefelbakterien (Prokaryoten) unter Zufuhr von Lichtenergie zum Aufbau organischer Verbindungen genutzt, wobei Wasser und Schwefel entstanden:
4H2S + CO2 -> CH4 + 2 H2O + 4S
(Photosystem I).
Die heute größte Menge an Wasser wird biochemisch synthetisiert.
Die Wasservorkommen der Erde belaufen sich auf ca. 1,38 Milliarden km³. Der weitaus größte Teil, 97,4% davon ist das in den Weltmeeren vorkommende Salzwasser. Nur 2,6% davon (36 Millionen km³) liegen als Süßwasser vor. Das meiste Süßwasser ist als Eis an den Polen und in Gletschern gebunden; nur 0,3% der weltweiten Wasservorräte (3,6 Millionen km³) sind als Trinkwasser verfügbar.
Molekül-Geometrie
Das Wassermolekül besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Geometrisch ist das Wassermolekül gewinkelt (VSEPR-Theorie: AB2E2-Typ, die zwei Wasserstoffatome und die zwei Elektronenpaare sind in die Ecken eines gedachten Tetraeders gerichtet). Der Winkel, den die beiden O-H-Bindungen einschließen beträgt 104,45°. Er weicht aufgrund des erhöhten Platzbedarfs der freien Elektronenpaare vom idealen Tetraederwinkel ab. Die Bindungslänge der O-H-Bindungen beträgt jeweils 95,84 Picometer.
Dipolmoment
Sauerstoff hat eine höhere Elektronegativität als der Wasserstoff. Durch die dreieckige Geometrie des Moleküls und die unterschiedlichen Partialladungen der Atome hat es auf der Seite des Sauerstoffs negative und auf der Seite der beiden Wasserstoffatome positive Polarität. Diese bewirkt das Dipolmoment, das in der Gasphase 1,84 Debye beträgt. Eine Erklärung für die winklige Anordnung der beiden Wasserstoffmoleküle, wegen der es erst zur Dipolbildung, und damit zu den besonderen Eigenschaften des Wassers kommt, liefert die VSEPR-Theorie anhand der beiden einsamen Elektronenpaare auf dem Sauerstoffatom. Durch die unterschiedlichen Partialladungen kann das Molekül von bestimmten elektromagnetischen Wellen, den Mikrowellen, in Schwingungen versetzt werden, welche zur Erwärmung des Wassers führen.
Wasserstoffbrückenbindung
Wassermoleküle wechselwirken miteinander über Wasserstoffbrückenbindungen und besitzen dadurch ausgeprägte zwischenmolekulare Anziehungskräfte. Es handelt sich dabei um keine beständige, feste Verkettung. Der Verbund der Wassermoleküle, die über Wasserstoffbrückenbindungen verkettet sind, besteht nur Bruchteile von Sekunden, dann lösen sich die einzelnen Wassermoleküle wieder aus dem Verbund und verketten sich mit anderen Wassermolekülen. Dieser Vorgang wiederholt sich ständig.
Für die Ausbildung der Wasserstoffbrückenbindungen ist unter anderem der kleine Durchmesser des Wasserstoffatoms von Bedeutung, da es sich nur so in ausreichendem Maße dem Sauerstoffatom nähern kann. Die höheren Homologen des Wasser, zum Beispiel Schwefelwasserstoff H2S, bilden derartige Bindungen aufgrund der geringeren Elektronegativitätsdifferenz zwischen den Bindungspartnern nicht aus.
Die Verkettung der Wassermoleküle durch Wasserstoffbrückenbindungen ist die Ursache für viele besondere Eigenschaften, zum Beispiel dafür, dass Wasser trotz der geringen molaren Masse von rund 18 g/mol unter Standardbedingungen flüssig ist. H2S liegt im Gegensatz dazu gasförmig vor. Auch dass Wasser seine größte Dichte bei 4 Grad Celsius hat (Dichteanomalie) und somit Eis auf flüssigem Wasser schwimmen kann, ist auf die Wasserstoffbrückenbindungen zurückzuführen.
Schweres, halbschweres und überschweres Wasser
Neben dem "normalen" Wasser gibt es noch das sogenannte "schwere Wasser" (Deuteriumoxid), das "halbschwere Wasser" und das "überschwere Wasser" (Tritiumoxid). Bei schweren Wassern sind die normalen Wasserstoffatome (Protium, Symbol H) durch ihre schweren Isotope Deuterium oder Tritium ersetzt. Schwere Wasser unterscheiden sich bezüglich ihrer physikalischen (höherer Schmelzpunkt, höherer Siedepunkt, größere Dichte) und chemischen Eigenschaften von herkömmlichem Wasser. Aufgrund des hier besonders großen Massenunterschieds zwischen Protium und Tritium oder Deuterium (eben die zwei- bzw. dreifache Masse) ist hier der kinetische Isotopeneffekt besonders ausgeprägt. Folglich wird bei Ersatz des normalen Wassers bei chemischen Gleichgewichtsreaktionen die Gleichgewichtslage verändert, was zum Beispiel im menschlichen Körper zu gesundheitlichen Folgen führen kann.
Deuteriertes Wasser wird aufgrund der anderen Spineigenschaften als Lösungsmittel für NMR- Analytik benutzt.
Dichteanomalie
Wasser hat seine größte Dichte bei 4°C (bei Normaldruck), bei dieser Temperatur hat es eine Dichte von 1 g/cm³. Die derzeit genauesten Werte die publiziert wurden liegen bei 999,974950 ± 0,00084 kg/m³ bei 3,983 ± 0,00067°C. Die Werte stellen einen Mittelwert der von verschiedenen physikalischen Instituten veröffentlichten Zahlen dar (Stand 2001). Die Dichteanomalie des Wassers besteht darin, dass es sich unterhalb von 4°C trotz weiterer Temperaturverringerung wieder ausdehnt, was man von keinem anderen Stoff kennt.
Im festen Aggregatzustand – hier Eis – wird normalerweise eine hohe Fernordnung durch Ausbildung eines Kristallgitters erreicht. Im flüssigen Zustand herrscht eine Mischung von Ordnung und Chaos und die Moleküle brauchen durch ihre höhere Geschwindigkeit mehr Platz. Darum erhöht sich das Volumen und die Dichte wird geringer. Im gasförmigen Zustand ist die maximale Unordnung erreicht und die Atome brauchen maximalen Raum für die Bewegung.
Der Grund der Anomalie des Wassers ist die Verkettung der Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenbindungen. Dadurch ist die resultierende Struktur im festen Zustand größer als bei beweglichen Molekülen. Dies ist ein fortschreitender Vorgang, d. h., dass schon im flüssigen Zustand so genannte Cluster aus Wassermolekülen vorhanden sind. Bei 3,98°C ist der Zustand erreicht, bei dem die einzelnen Cluster das geringste Volumen einnehmen und damit die größte Dichte haben. Wenn die Temperatur weiter sinkt, wird durch die weiteren Kristallstrukturen mehr Volumen benötigt. Wenn die Temperatur steigt, benötigen die Moleküle wieder mehr Bewegungsfreiraum und das Volumen steigt.
Die sprunghafte Volumenzunahme des Wassers um ca. 9% beim Gefrieren (im Diagramm entsprechend bei abnehmender Dichte) und die dabei auftretenden großen Kräfte bewirken ein Bersten von Rohren, Mauerwerken, Straßenbelägen und Aufschüttungen. Zur Vorsorge werden die Gartenleitungen im Winter entleert, Mauerwerke gestrichen und Aufschüttungen so angelegt, dass das Wasser abfließen kann.
Wasserstoff
Wasserstoff ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol H (für hydrogenium = Wassererzeuger; von altgriechisch υδωρ = Wasser und γεννάει = erzeugen, da es Bestandteil des Wassers ist) und der Ordnungszahl 1.
Man unterscheidet zwischen atomarem Wasserstoff (H) und der dimerisierten Form, dem molekularen Wasserstoff (H2). Nur diesen findet man unter Normalbedingungen vor.
rel. Atommasse: 1,00794
Schmelzpkt.: 14,01 K
Siedepkt.: 20,28 K
Dichte: 0,084 g/L
EN.: 2,2
Ionisierungseng.: 13,598 eV
Konfiguration: 1s
Oxidationszahlen: 1, -1
Atomradius: 37,3 pm
Ionenradius: 21 pm (-1)
Allgemein
Wasserstoff wurde 1766 durch den englischen Privatgelehrten Henry Cavendish entdeckt. Es ist ein Element der 1. Periode und der I. Hauptgruppe des Periodensystems mit der Ordnungszahl 1. Wasserstoff ist das am einfachsten gebaute Element und besteht nur aus einem Proton und einem Elektron. Es ist das häufigste Element im Weltall. Das uns bekannte Weltall setzt sich zu 92,71% aus Wasserstoff und zu 7,19% aus Helium zusammen; der Anteil der übrigen Elemente wird auf nur 0,10% geschätzt. So verwundert es nicht, daß auch die großen Planeten unseres Sonnensystems wie z.B. Jupiter und Saturn überwiegend aus Wasserstoff bestehen. Der Massenanteil von Wasserstoff auf der Erde liegt bei 0,12%. In der Erdkruste ist Wasserstoff mit 2,88% nach Sauerstoff (60,43%) und Silicium (20,48%) immerhin das dritthäufigste Element. Im menschlichen Körper hat es sogar einen Anteil von 60,56 Atomprozent.
Eigenschaften
Wasserstoff ist mit 0,084 g/L (bei 1013 hPa) das leichteste Element. Unter Normalbedingungen ist Wasserstoff ein zweiatomiges und gasförmiges Molekül. In der Gasphase ist es farb- und geruchlos und ohne Geschmack. Bei -253°C (20 K) wird es flüssig und erstarrt bei -259°C (14 K) zum Feststoff. Bei Raumtemperatur ist es sehr beständig und reaktionsträge. In Gemischen mit Luft, Sauerstoff und Chlorgas reagiert Wasserstoff explosionsartig (Knallgas- oder Chlorknallgasreaktion). Bei höheren Temperaturen reagiert es mit vielen Metallen und Nichtmetallen heftig, wobei die entsprechenden Hydride gebildet werden. In Wasser ist es nur sehr wenig löslich. Charakteristisch ist seine Fähigkeit, in Metalle einzudringen und mit ihnen nichtstöchiometrische Metallhydride zu bilden. Das Element ist für alle Organismen der Erde essentiell. - Die wohl wichtige und bekannteste Wasserstoffverbindung ist Wasser. Alle anderen Verbindungen, in denen Wasserstoff als Bestandteil vorkommt, werden bei den jeweiligen Elementen beschrieben.
Isotope
Im Normalfall setzt sich Wasserstoff aus Atomen zusammen, in deren Kern sich lediglich ein einzelnes Proton befindet. Daneben gibt es die Isotope des Wasserstoff. Deuterium weist im Kern zusätzlich ein Neutron auf. Seine relative Atommasse ist mit 2,014102 nahezu doppelt so groß wie die von normalem Wasserstoff. Der Anteil von Deuterium am irdischen Wasserstoff beträgt nur 0,0156%. Daneben gibt es ein weiteres Isotop, das zwei Neutronen besitzt und Tritium genannt wird. Tritium hat eine relative Atommasse von 3,016049. Es ist instabil und daher radioaktiv. Bei den Zerfallsprozessen werden Neutronen ausgeschleudert; die Halbwertszeit beträgt 12,35 Jahre. Auf natürliche Weise entsteht Tritium auf der Erde nur in geringsten Mengen in der oberen Atmosphäre. Ganz überwiegend wird es künstlich in Kernreaktoren oder atomaren Wiederaufbereitungsanlagen erzeugt. Auch bei der Explosion von Wasserstoffbomben wird es in großen Mengen freigesetzt.
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