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Ballon

Ballon

Ein Ballon // (süddt., österr. und schweiz. //) ist ein gasdichter Beutel, der meistens mit Luft (Heißluftballon, Luftballon) oder einem leichten Traggas wie Helium oder Wasserstoff gefüllt wird (Gasballon). Er kann in gefülltem Zustand verschlossen sein und dabei auch unter Druck stehen oder mit der Öffnung nach unten offen sein, so dass das leichte Gas nicht entweichen kann. Bis in das 20. Jahrhundert wurden Ballone und Luftschiffe auch als Aerostaten bezeichnet.

Funktionsweise

Aerostat Ist der Ballon mit erhitzter Luft oder leichtem Gas gefüllt, so dass sein Gesamtgewicht (bestehend aus Nutzlast, Hülle, Füllung) geringer ist als das Gewicht der Luft, die er verdrängt, verfügt er über statischen Auftrieb. Auch Ballons, die mit Luft oder mit einem Gas, das schwerer als Luft gefüllt sind, können kurzzeitig fliegen und zwar entweder indem man das Ballongas aus ihnen entweichen lässt, wobei der Ballon in Folge des auftretenden Rückstoßes vom Boden abhebt, oder in Form des Ballonhelikopters. Weil aber auf diese Weise nur kurze Flugzeiten (maximale Dauer eine Minute) und geringe Flughöhen möglich sind, spielen diese Möglichkeiten des Ballonflugs nur bei Spielzeugen und zur Demonstration des Hubschrauberprinzips bzw. des Rückstoßantriebs eine Rolle.

Ballongas

Ballongas ist ein Gas, das aus einem Helium-/Luftgemisch besteht. Der einzige Unterschied zwischen Ballongas und Helium ist die Reinheit. Für Ballons, die nicht fliegen sollen, wird meist Luft, Stickstoff oder seltener Lachgas verwendet; für Ballons, die fliegen sollen hingegen ein Traggas wie Helium oder Ballongas. Aus Gründen des Brandschutzes werden heute nur Helium oder Gemische aus Helium und Luft verwandt. Früher waren aber Ballone mit Wasserstofffüllung üblich, und alle deutsche Zeppeline vor dem 2. Weltkrieg fuhren mit Wasserstoff. Siehe auch: Traggas

Geschichte

Traggas Ein Pionier der Ballontechnologie war der französische Physiker Jacques Charles, der mit verschiedenen Füllgasen experimentierte und am 3. Dezember 1783 in Paris eine erste Ballonfahrt unternahm. Bereits am 4. Juni desselben Jahres war den Flugpionieren Joseph Michel und Jacques Etienne Montgolfier der Flug im ersten Heissluftballon der Welt, der Montgolfière, geglückt. Am 5. September 1862 stiegen der Meteorologe James Glaisher und sein Pilot Henry Coxwell in einem Ballon mit offener Kabine bis auf 11.300 m auf. Glaisher verlor wegen der dünnen Luft das Bewusstsein und Coxwell konnte nur mit letzter Kraft mit den Zähnen das Steuerventil öffnen, um den Ballon zum Absinken zu bringen. Erstmals mit luftdicht verschlossener Kabine stieg der Physiker Auguste Piccard 1932 bis auf 16.201 m (Luftdruckmessung) bzw. 16.940 m (geometrische Messung) Höhe. Den Rekord halten Malcolm D. Ross und Victor E. Prather, die 1961 über dem Golf von Mexiko auf 34.668 m Höhe stiegen. Den Höhen-Weltrekord für unbemannte Ballone hält nach der Ausgabe des Guinness-Buchs von 1991 mit 51,8 Kilometern ein Winzen-Ballon mit einem Volumen von 1,35 Millionen Kubikmetern Volumen, der im Oktober 1972 in Chico, Kalifornien, USA, gestartet wurde. Dies ist die größte Höhe, die ein Flugkörper erreicht hat, der zum Fliegen primär auf das Medium Luft angewiesen ist. Nur Raketen, Raketenflugzeuge und Geschosse können größere Höhen erreichen. Die sowjetische Venussonde Vega setzte 1984 in der Atmosphäre der Venus zwei Wetterballons aus, die über zwei Tage hinweg vom Mutterschiff verfolgt werden konnten.

Arten und Verwendung

Freiballons sind im Gegensatz zu Fesselballons nicht mit dem Erdboden verbunden. Sie werden vom Wind durch die Luft getrieben. Fesselballon

kleine Ballons (Inhalt einige Liter)

- Luftballon
- Spielzeug, zum Beispiel Ballonhelikopter oder Wasserbombe
- Dekoration
- Ballonpost im Rahmen von Ballonwettbewerben und als Träger von Propagandamaterial
- Fetischobjekt für sogenannte Looner
- Solarballon
- Gärballon (großes Gefäß aus Glas, auch Weinballon genannt) (Hier trifft obige Definition mit statischem Auftrieb nicht exakt zu.)
- Demonstration des Rückstoßantriebs durch Ausströmenlassen des Gases (Ballonrakete) Ballonrakete

mittlere Ballons (Inhalt einige hundert bis 4000 Liter)

- Transport und Abwurf von Brandbomben (im Zweiten Weltkrieg, siehe auch: FUGU-Ballon)
- Transport und Abwurf von Flugblättern (im Zweiten Weltkrieg und im Kalten Krieg)
- Transport von Messgeräten, beispielsweise Wettersonden (siehe: Wetterballon)
- als Fesselballon (zum Beispiel Werbeträger)
- zum Hochschleppen von Drahtantennen für mobile Lang- und Längstwellensender
- Partyballon (kleiner Heißluftballon)
- als Deckenballon zur Messung der Wolkenhöhe
- als FlyingScreen Ballon [http://www.flyingtv.de FlyingScreen]zur Darstellung von Filmen und Bewegt Bildern an schwer zugänglichen Orten und zu Werbezwecken. Deckenballon

große Ballons (Inhalt 2200 bis 12000 Kubikmeter)

- als Fesselballon
- manntragender Beobachtungsballon (bis zum Zweiten Weltkrieg)
- Sperrballon zur Abwehr von feindlichen Flugzeugen (Zweiter Weltkrieg)
- zum Positionieren von Atombomben für die Durchführung oberirdischer Atombombentests
- Personenbeförderung
- Heißluftballon
- Gasballon (beispielsweise Wasserstoffballon)
- lenkbare Ballons - siehe Luftschiff
- Forschungsballon zur (meistens Heliumfüllung) Atmosphären- und Stratosphärenforschung (z.B. die Manhigh-Flüge der USA), im Unterschied zum Wetterballon mit aufwändiger Instrumentierung. Auch als Träger von ferngesteuerten Teleskopen, Project Stratoscope
- Spionageballon Im Kalten Krieg wurden Höhenballons von den USA als Kameraträger zur militärischen Aufklärung verwendet.
- als Rockoon zum Start von Raketen
- als Träger von Atombomben für Atombombentests in der höheren Atmosphäre Rakete Eine weitere Anwendung ist der - wie jeder Satellit mit einer Rakete in den Orbit geschossene - Ballonsatellit, der nur zum Erreichen eines großen Volumens mit winzigen Mengen Gases gefüllt ist.

Literatur

- Eine beachtenswerte Abhandlung zur Geschichte der Ballonfahrt findet sich in dem Buch von Andreas Venzke: Pioniere des Himmels; Verlag Artemis und Winkler 2002 ISBN 3-53807-143-8

Weblinks

- [http://lcweb2.loc.gov/pp/tiscquery.html Library of Congress] Alte Bilder zum Thema Ballon Kategorie:Ballon ja:風船

Süddeutschland

Mit der Angabe Süddeutschland wird ein nicht eindeutig abgegrenztes Gebiet im Süden Deutschlands umrissen. Im Allgemeinen bezeichnet man damit die Bundesländer Baden-Württemberg, Bayern, den südlichen Teil von Hessen südlich von Frankfurt am Main und manchmal auch die Pfalz und das Saarland. Das Saarland, Rheinland-Pfalz, Baden-Württemberg und der Süden Hessens bilden auch Südwestdeutschland. In Schleswig-Holstein wird gelegentlich scherzhaft die Nordgrenze Süddeutschlands bereits südlich der Elbe (unterhalb Hamburgs) gezogen. Wie bei anderen Regionsbegriffen existiert auch in diesem Falle keine definierte Grenze für "Süddeutschland". Meistens wird der Main als Grenze angegeben, denn ein Teil Hessens, die Oberrheinische Tiefebene, liegt auch südlich des Mains und hat eine besondere kulturelle und sprachliche Verbindung zu Süddeutschland. Die Bevölkerung dieser Regionen fühlt sich im Hinblick auf ihre Geschichte und ihrer Mentalität stärker zusammengehörig gegenüber anderen Regionen, wobei die Bayern da noch eine Sonderrolle spielen.

Siehe auch

- Süddeutscher Staat
- Länderfinanzausgleich
- Mitteldeutschland
- Westdeutschland
- Ostdeutschland
- Norddeutschland Kategorie:Deutschland Kategorie:Region in Deutschland

Schweizer Hochdeutsch

Schweizer Hochdeutsch ist die Standardsprache in der Deutschschweiz. Sie wird in der Schweiz (so wie auch in den anderen deutschen Mundartgebieten) auch Schriftdeutsch genannt. Sie unterscheidet sich von den anderen nationalen Varietäten durch einige sprachliche Besonderheiten, die in der Schweiz als Helvetismen bezeichnet werden.

Verwendung

Mundart (Dialekte) und Standardsprache stehen in einem Diglossie-Verhältnis zueinander, das heisst, dass die beiden Sprachformen unterschiedliche Funktionen und Geltungsbereiche haben. Es gibt also in der Schweiz, anders als im übrigen oberdeutschen Sprachraum, zwischen den beiden Polen Dialekt und Hochdeutsch keine graduellen Unterschiede, wie das sonst im südlichen und mittleren deutschen Sprachraum üblich ist. Die Bezeichnung "Schriftdeutsch" deutet auf die hauptsächliche Verwendung der Standardsprache hin. Gesprochen (und geschrieben) wird sie in einigen speziellen Bereichen wie in der (Hoch-)Schule, den Radio- und Fernsehnachrichten oder bei der Kommunikation mit Fremdsprachigen, aber nicht als Umgangssprache. Schweizerdeutsch, also die schweizerdeutschen Mundarten des Alemannischen, zur Verdeutlichung manchmal auch als Schwyzerdütsch bezeichnet, wird vorwiegend für die mündliche Kommunikation verwendet. Dabei spielt es keine Rolle, aus welcher sozialen Schicht die Sprecher stammen oder um welche Themen es sich handelt. Sogar in Radio und Fernsehen wird oft Dialekt gesprochen, und ebenfalls in den Deutschschweizer Parlamenten. Im geschriebenen Bereich wird das Schwyzerdütsch gelegentlich verwendet, vor allem in informellen Kommunikationsformen wie SMS, E-Mails und in privaten Notizen. Die Dialektliteratur ist, gemessen an der standardsprachlichen Literatur, nur wenig verbreitet.

Einstellung der Schweizer zur Standardsprache

Schriftdeutsch wird von den dialektsprachigen Schweizern nur ungern angewandt. Trotzdem wechseln viele Schweizer, sobald sie ihr Gegenüber hochdeutsch sprechen hören, reflexartig ins (Schweizer-) Hochdeutsch. Wenn aber anschliessend andere Deutschschweizer zu einem in Schriftdeutsch geführten Gespräch stossen, wechselt der Sprecher oft wieder in den Dialekt. Viele Deutschschweizer empfinden die Standardsprache als zu Deutschland gehörend. Umgekehrt schätzen es Angehörige anderer Sprachgruppen, insbesondere die französischsprachigen Schweizer, wenn die Deutschschweizer sich mit Schriftdeutsch verständlich zu machen versuchen. Denn in den Schulen der nicht deutschsprachigen Schweiz wird die deutsche Standardsprache vermittelt, nicht Schweizerdeutsch.

Schule

Die mittelmässigen Resultate von Deutschschweizer Schülern im sprachlichen Bereich der Pisa-Studie führten dazu, dass die Förderung der Standardsprache (Schriftdeutsch) wieder vermehrt verlangt wird (Stand 2003). Insbesondere wird in Zürich ab 2005 überall in der Schule und auch im Kindergarten Hochdeutsch gesprochen. Ob es sich bewährt, bleibt abzuwarten.

Siehe auch

- Variantenwörterbuch des Deutschen

Literatur

- [http://www.vein.hu/german/regionalitaet.pdf Csaba Földes: Deutsch als Sprache mit mehrfacher Regionalität: Die diatopische Variationsbreite. In: Muttersprache (Wiesbaden) 112 (2002) 3, S. 225-239]
- [http://www.germanistik.unibe.ch/siebenhaar/SiebenhaarFolder/pdf/Siebenhaar_Wyler_97.pdf Beat, Wyler Alfred. Dialekt und Hochsprache in der deutschsprachigen Schweiz. 1997.]
- [http://www.germanistik.unibe.ch/siebenhaar/SiebenhaarFolder/pdf/Siebenhaar_Mda_Std_unv1996.pdf Beat Siebenhaar. Das Verhältnis von Mundarten und Standardsprache in der deutschen Schweiz] Kategorie:Schweizer Sprache Kategorie:Deutsche Sprache

Beutel

Ein Beutel ist ein hohler, dünnwandiger, leicht verformbarer Gegenstand, der zur Aufnahme von anderen Gegenständen geeignet ist. Er hat eine meistens verschließbare Öffnung, durch die er gefüllt und geleert werden kann.

Material

Beutel können aus unterschiedlichsten Materialien bestehen. Beispielsweise:
- Leder, dann spricht man von einem Lederbeutel (u.a. in Spanien als Weinbeutel verbreitet)
- Noch heute bewahren viele Menschen Wasser in einem so genannten Wasserbeutel auf.
- Kunststoff, dann spricht man von:
- Kunststoff- oder Plastiktüte
- Gefrierbeutel
- Papier
- Staubsaugerbeutel
- Papiertüte
- Haut und anderes Gewebe
- Beuteltiere wie z.B. die Kängurus ziehen ihre Jungen in einem Beutel an der Vorderseite ihres Bauches groß.
- Schleimbeutel bezeichnen in der Anatomie kleine Beutel, die mit Synovialflüssigkeit gefüllt sind. Sie befinden sich an den Stellen, an denen Muskeln direkt über den Knochen ziehen.
- Stoff, so zum Beispiel der Turnbeutel oder Beutel, die der Lagerung von getrocketem Obst oder Kräuter dienen

Andere Begriffe mit Beutel als Wortbestandteil:

- Windbeutel kann man essen
- Bocksbeutel sind eine spezielle Form von Weinflaschen, vor allem für Frankenwein, aber auch für portugiesischen Vinho verde.
- Kulturbeutel dienen (anders als der Name vermuten lässt) zur Aufbewahrung von Wasch- und Kosmetikartikeln
- Wird jemand gebeutelt, so wird er (buchstäblich oder im übertragene Sinne) geschüttelt wie ein Beutel, der am Bändsel getragen wird.

Behandlung des Beutels in Literatur und Musik

- Schobert & Black: Beutelgesang Kategorie: Behälter

Luft

Luft bezeichnet das Gasgemisch der Erdatmosphäre und besteht hauptsächlich aus den zwei Gasen Stickstoff (78 %) und Sauerstoff (21 %). In vergleichsweise hohen Konzentrationen kommen ferner Argon (0,9 %) und Kohlenstoffdioxid (0,03 %) vor. Im natürlichen Zustand ist die Luft geruchs- und geschmacklos. Der in der Luft enthaltene Sauerstoff ist für alle aeroben Landlebewesen überlebensnotwendig. Alle Tiere benötigen ihn zur Atmung. Pflanzen benötigen das in der Luft enthaltenen Kohlenstoffdioxid zur Photosynthese. Für fast alle Pflanzen ist dies die einzige Kohlenstoffquelle.

Zusammensetzung

Die aktuelle Zusammensetzung der Luft in der Höhe von Normalnull ist in der rechten Tabelle wiedergegeben, wobei man zwischen Hauptbestandteilen und Spurengasen differenziert.

Stickstoff

Als ein chemisch inertes Gas ist der in molekularer Form auftretende Stickstoff äußerst reaktionsträge. Im Stickstoffkreislauf kann er nur durch die Prozesse der Stickstofffixierung in für Lebewesen nutzbare Verbindungen überführt werden, die ihn für den Aufbau ihrer Aminosäuren benötigen. Den gegenteiligen Prozess bezeichnet man als Denitrifikation. Technisch wird der Luftstickstoff über das Haber-Bosch-Verfahren zur Düngemittelherstellung verwendet. Diese Prozesse gleichen sich weitestgehend aus und haben rein mengenmäßig nur einen geringen Effekt auf die Konzentration des Stickstoffs in der Atmosphäre.

Sauerstoff

Sauerstoff stellt das wichtigste Oxidationsmittel dar und verleiht der heutigen Atmosphäre daher auch ihrer oxidierenden Charakter. Der Sauerstofff wird unter anderem für alle chemischen Verbrennungsvorgänge und die biologische Atmung benötigt. Gebildet wird er wiederum über die Photosynthese, wobei die hierüber im Laufe der Erdgeschichte hergestellte Menge etwa das zwanzigfache der heute in der Atmosphäre vorliegenden Menge beträgt.

Argon

Argon ist ein vergleichsweise gut wasserlösliches Edelgas, als solches jedoch reaktionsträge und ohne weitere Bedeutung.

Wasserdampf

Umgebungsluft ist nicht komplett trocken, deshalb enthält diese zusätzlich je nach Luftfeuchtigkeit null bis zu etwa vier Volumenprozent Wasserdampf, der Rest der Luft teilt sich dann nach den nach den in der Tabelle angegebenen Werten auf. Die üblichen Werte des Wasserdampfgehalts schwanken zwischen einem Zehntel Volumenprozent an den Polen und drei Volumenprozent in den Tropen, mit einem Mittelwert von 1,3 % in Bodennähe. Sie werden durch unterschiedliche Feuchtemaße angegeben.

Variabilität in der Zeit

Die Konzentrationen der Atmosphärengase sind ihrem Charakter nach metastabil, denn auch wenn sie sich in der Lebenszeit eines Menschen nur geringfügig ändern, so sollten sie deswegen nicht mit Naturkonstanten verwechselt werden. Dies zeigt sich in der seit Jahrmilliarden andauernden Entwicklung der Erdatmosphäre, die auch heute noch nicht abgeschlossen ist und in deren Zuge sich die Zusammensetzung der Erdatmosphäre mehrmals grundlegend gewandelt hat. Erst seit etwa 350 Millionen Jahren kann man dabei von unserer heutigen Atmosphäre sprechen. Die größten aktuellen Veränderungen der Luftzusammensetzung stellt die Zunahme des Kohlendioxidgehaltes um etwa 40 % seit Beginn der Industrialisierung dar. Dies ist im Zusammenhang mit dem anthropogenen Treibhauseffekt eine der Ursache für die globale Erwärmung. Formal gehört Kohlendioxid dabei zu den Spurengasen, es wird als das fünfthäufigste Atmosphärengas und aufgrund seiner Bedeutung für Klima und Lebewesen jedoch häufig zu den Hauptbestandteilen der Luft gerechnet. Größere Schwankungen über teils wenige Jahre und Jahrzehnte sind auch bei den Spurengasen zu verzeichnen, denn gerade anthropogene Emissionen können deren geringe Konzentrationen schon bei vergleichsweise unmaßgeblichen Ausstoßmengen beeinflussen. Ebenso zeigen Vulkanausbrüche häufig einen kurzfristigen Einfluss.

Variabilität im Raum

globale Erwärmung in Abhängkeit von der Höhe.]] Die angegebenen Konzentrationen stellen globale Mittelwerte dar und beziehen sich auf Normalnull, besitzen aber eine weitesgehende Gültigkeit in der gesamten Homosphäre, also bis in eine Höhe von etwa 100 Kilometern. Da in verschiedenen Höhenlagen spezifische Prozesse der Atmosphärenchemie wirken, gibt es jedoch auch teilweise erhebliche Abweichungen. Ab der Homopause stellt die Abnahme der Konzentration schwerer Gase mit der Höhe und damit die relative Anreicherung leichterer Gase einen generellen Trend dar. In der hohen Atmosphäre sind daher Wasserstoff und Helium anteilsmäßig sehr viel bedeutender als in Bodennähe, jedoch ist die Luftdichte und damit das absolute Vorkommen der Gase entsprechend gering.

Substanzen geringerer Konzentration

Zusätzlich sind auch hier nicht aufgelistete Anteile von Wasserdampf, Methan, Distickstoffoxid (sinkend ab 7 km), Kohlenmonoxid und Ozon vorhanden. Außerdem treten folgende Stoffe in geringen Spuren auf:
- Fluoroform
- Peroxiacetylnitrat
- Chloroxide
- andere Stickoxide (neben N₂O)
- Schwefeldioxid
- Radon
- Quecksilber

Kohlenstoffdioxid

Die biologische Hauptbedeutung des Kohlenstoffdioxids liegt in seiner Rolle als Kohlenstofflieferant für die Photosynthese, weshalb sich die atmosphärische Kohlenstoffdioxidkonzentration stark auf das Pflanzenwachstum auswirkt. Durch den lichtabhängigen Stoffwechselzyklus der Pflanzen, also der Wechselbeziehung zwischen Atmung und Photosynthese, können die bodennahen CO₂-Konzentration im Tagesgang schwanken. Es zeigt sich bei ausreichender Pflanzendecke ein nächtliches Maximum und dementsprechend ein Minimum am Tag. Der gleiche Effekt kommt auch im Jahresverlauf zum tragen, da die außertropische Vegetation ausgeprägte Vegetationsperioden besitzt. Dies hat auf der Nordhalbkugel ein Maximum im Zeitraum März bis April und ein Minimum im Oktober oder November zur Folge. Auch anthropogene Emissionszyklen können eine Rolle spielen, zum Beispiel mit dem Einsetzen der Heizperiode bei sinkenden Temperaturen. Als übergeordneter Trend wird eine stetige Zunahme des Kohlenstoffdioxids in der Atmosphäre gemessen, wobei die Konzentration Mitte des 18. Jahrhunderts bei etwa 280 ppmv lag. Dies entspricht einer Steigerung von etwa 40 %, wobei die Steigerungsraten selbst immer weiter zunahmen und auch heute noch zunehmen. Sie liegen bei etwa 1,6 ppmv/a. Die Quellen hierfür sind vielschichtig, haben den Kohlenstoffzyklus jedoch nachhaltig destabilisiert und tragen über den anthropogenen Treibhauseffekt zur globalen Erwärmung bei. Lokal und gerade nahe industriellen Ballungsgebieten kann die Kohlenstoffdioxid-Konzentration auch deutlich über den Normalwerten liegen. Werte von 400 ppmv sind dabei recht häufig. Den Rekord hat der ehemalige Londoner Wintersmog mit 3.000 ppmv (0,3 %) aufgestellt.

Ozon

Ozonwerte werden nicht in Anteilen, sondern in der Dobson-Einheit angegeben. Da die Werte zudem von der Höhe (Ozonschicht, Bodennahes Ozon), sowie von Wetterlage, Temperatur, Schadstoffbelastung und Uhrzeit abhängen, und Ozon sich sowohl schnell bildet als auch wieder zerfällt, ist es in obiger Tabelle nicht aufgelistet.

Physikalische Größen der Luft

Luftdichte

Unter Normalbedingungen ist die Luftdichte gleich 1,293 kg/m³.

Luftdruck

Die Gewichtskraft der von der Erdanziehung beschleunigten Luftsäule erzeugt einen statischen Luftdruck, der mit dem jeweiligen Messpunkt variiert. Dieser ist jedoch zusätzlich von thermischen (Temperatur) und dynamischen Einflüssen (Wetterbedingungen) abhängig.

Lufttemperatur

Als Lufttemperatur wird jene Temperatur der bodennahen Atmosphäre bezeichnet, die weder von Sonnenstrahlung noch von Bodenwärme oder Wärmeleitung beeinflusst ist. Die genaue Definition durch Wissenschafter und Techniker ist je nach Fachgebiet etwas verschieden. In der Meteorologie wird die Lufttemperatur in einer Höhe von zwei Metern gemessen, wofür die klassischen, weiß gestrichenen Wetterhäuschen in freier Umgebung dienen.

Luftfeuchtigkeit

Bei der Luftfeuchtigkeit handelt es sich um den Anteil des Wasserdampfs an der Luft. Sie wird über verschiedene Feuchtemaße wie Dampfdruck und Taupunkt sowie relative, absolute und spezifische Luftfeuchte quantifiziert.

Andere

Unter Normalbedingungen ist die Schallgeschwindigkeit gleich 331,5 m/s. In Näherung zur trockenen Luft, mit den molaren Massen aus den jeweiligen Artikeln der einzelnen Elemente und den entsprechenden Naturkonstanten, besitzt Luft eine molare Masse von 28,9634 g/mol. Der Brechzahl der Luft beträgt unter Normalbedingungen für sichtbares Licht ungefähr 1,00029. Sie hängt von Druck, Temperatur und Zusammensetzung der Luft ab, vor allem aber von der Luftfeuchtigkeit. Entsprechend der Brechzahl ändert sich auch die Lichtgeschwindigkeit innerhalb der Luft. Spezifische Wärmekapazität: :

c_p

= 1,005 kJ/(kg K) = 0,279 kWh/(Tonne K) (isobar) :

c_v

= 0,718 kJ/(kg K) = 0,199 kWh/(Tonne K) (isochor)

Luftverschmutzung und Luftreinhaltung

Die Luftverschmutzung ist der auf die Luft bezogene Teilaspekt der Umweltverschmutzung. Gemäß dem Bundes-Immissionsschutzgesetz ist Luftverschmutzung eine Veränderung der natürlichen Zusammensetzung der Luft, insbesondere durch Rauch, Ruß, Staub, Aerosole, Dämpfe oder Geruchsstoffe. Von besonderer Schädlichtkeit sind dabei erhöhte Ozonwerte (Smog) und Schwefeldioxidkonzentrationen (saurer Regen). In den meisten Industrieländern ist die lokale Luftverschmutzung in den letzten Jahrzehnten stark zurückgegangen. Gleichzeitig hat jedoch der Ausstoß von Treibhausgasen wie Kohlendioxid weiter zugenommen. Die lokale und regionale Luftverschmutzung ist aber insbesondere für Länder der dritten Welt sowie Schwellenländer wie zum Beispiel Russland oder China noch ein erhebliches Problem.

Kulturelle Bedeutung

Die griechischen Naturphilosophen hielten Luft für eines der vier Grundelemente, aus denen alles Sein besteht. Dem Element Luft wurde der Oktaeder als einer der fünf Platonischen Körper zugeordnet.

Siehe auch

- Luftverflüssigung

Weblinks

- [http://www.cmdl.noaa.gov/hats/graphs/graphs.html Entwicklung der Spurengasanteile der Luft im Laufe der letzten 15 Jahre] Kategorie:Meteorologie Kategorie:Stoffgemisch Kategorie:Gas ja:空気 ko:대기 ms:Udara simple:Air

Luftballon

Ein Luftballon ist, mit Ausnahme von Folienballons, ein elastischer Hohlkörper, der mit Gas befüllbar ist, und sich dabei um ein vielfaches seiner ursprünglichen Größe ausdehnt. Er ist zumeist aus Gummi, Kunststoff oder umweltfreundlichem Naturkautschuk hergestellt. Die Füllung besteht in der Regel aus Luft oder Helium. Der erste Gummiballon wurde im Jahre 1824 in London von Professor Michael Faraday hergestellt. Er verwendete Rohgummi zum basteln einer Tüte, die er mit Wasserstoff füllte. Nach seinem Bericht dehnte sich diese Tüte sehr stark aus, wurde transparent und schwebte zur Decke. Im Jahre 1825 wurde diese Erfindung bereits von dem Engländer Thomas Hancock als Set verkauft, wobei man aus der Rohgummimasse mittels einer Spritze die Ballons selbst herstellen musste. Da unvulkanisierter Gummi sehr klebrig ist, war die Haltbarkeit gering. Vulkanisierte Luftballons wurden erstmals 1847 von J.G. Ingram in London hergestellt und verkauft. Ballons werden aus flüssigem Latex hergestellt. Die Farbe der Ballons entsteht dabei durch Zugabe von pigmentierten Farbkörpern. Unpigmentierte Gummiballons sind weiss-gelblich, und werden beim Aufblasen klar. Die Haltbarkeit der Ballons kann durch die Pigmente beeinträchtigt werden. Dem Naturlatex werden zur Ballonherstellung weitere Zusätze beigegeben (Weichmacher, Öle, etc). Anschließend werden die Ballonformen, die aus Glas oder Keramik bestehen, und in einem Gerinnungsbad aus Calciumnitrat, Wasser und Alkohol beschichtete wurden, in einem stumpfen Winkel, um Tropfenbildung zu vermeiden, in den Latex getaucht. Nach einem Trocknungsprozess werden mit zwei rotierenden Bürsten ein Stück des Ballonhalses aufgerollt, um so einen Ring am Mundstück zu erzeugen. Die Form wird nun in heißem Wasser gewaschen um überschüssiges Nitrat zu entfernen, und der Latex anschließend vulkanisiert. Der fertige Ballon wird nun mit Luft von der Form abgestreift.

Form und Außenhaut

Latex Der übliche Luftballon ist birnenförmig und wird daher auch als Rundballon bezeichnet. Es gibt ihn aber auch in Form von Herzen, Hasen, Donuts und einer nahezu grenzenlosen Formenvielfalt. Insbesondere während der Faschingszeit und zu Hochzeiten werden auch hin und wieder aufgeblasene Kondome als Luftballons verwendet. 1912 wurde von dem Amerikaner Harry Rose Gill, Gründer der Anderson Rubber Company in Akron, Ohio, der erste nicht runde Ballon hergestellt: der Zeppelin. Der Beginn der Figurenballons. Ein Figurenballon besteht aus mehreren Luftkammern und ist, technologisch gesehen, ein sehr anspruchsvoller Ballon. Auf den Übergängen der einzelnen Kammern lastet beim gefüllten Ballon eine enorme Zugkraft, die Konstruktion und Material vor erhebliche Probleme stellt. Um einen, aus mehreren Luftkammern bestehend Ballon, aufzublasen, ist es wichtig, mit der oberen Kammer zu beginnen, wobei man darauf achtet, langsamer zu blasen, als bei herkömmlichen Rundballons, da die Druck- und Zugkräfte auf der Latexhaut sehr unterschiedlich verteilt auftreten. Naturkautschuk wird zu Latex weiterverarbeitet und ist kompostierbar. Latexluftballons sind in den meisten Fällen gesundheitlich unbedenklich. Einige, dem Latex beigemengte Weichmacher gelten jedoch als Krebs erregend. Nitrosamine sind Lösungsmittel aus dem Herstellungsverfahren und werden von den meisten Ballonherstellern durch aufwendiges Spülen aus den Ballons entfernt. Des Weiteren werden aus Kunststoffen Folienballons hergestellt, welche ebenfalls mit Luft oder Helium befüllbar sind. Die Folien werden mit Metall bedampft, und anschließend mit verschiedenen Motiven bedruckt. Folienballons sind auf Grund der Metallbeschichtung in der Lage Kurzschlüsse in Oberleitungen z.B. von Straßenbahnen oder S-Bahnen zu verursachen. Metallisierte Luftballons dürfen daher auf den meisten Volksfesten nicht verkauft werden.

Füllung

Ist ein Luftballon aufgeblasen, wird dieser entweder an der Öffnung verknotet, oder mit einem im Handel erhältlichen Schnellverschluss verschlossen. Folienballons verschließen sich selbstständig durch ein Ventil. Helium ist auf Grund seiner atomaren Struktur in der Lage, leicht aus einem Ballon zu entweichen. Daher verliert ein mit Helium gefüllter Ballon schon nach 4-12 Stunden seine Auftriebskraft. Die atomare Struktur von Latex ist sehr porös und lässt Gas (Luft) entweichen. Die Luftballonhersteller bieten daher z.B. speziell heliumtaugliche Produkte an. Die Gummihaut dieser Ballons ist dicker und wurde in ihrer molekularen Struktur verdichtet. Im Handel befinden sich auch Mittel, die man nachträglich in die Ballons einbringen kann, damit die "Flugzeit" der Ballons noch weiter verlängert wird (z.B. HiFloat) Zum Aufblasen von Luftballons finden neben Luft, Gase, die leichter sind (Traggas, zum Beispiel Helium) Verwendung. In der Regel werden sie jedoch mit Umgebungsluft befüllt bzw. mit Lungenkraft aufgeblasen. Kaum Anwendung findet hingegen Wasserstoffgas, da es explosionsgefährlich ist, und die Außenhaut durch seine noch geringe Teilchengröße als Helium noch schneller passieren könnte. Helium ist hingegen nicht giftig oder brennbar. Als besonderer Gag können in einem Ballon ein oder mehrere kleine Leuchtstäbe untergebracht werden. Hierbei sind mit Helium gefüllte Luftballons mit zwei Leuchtstäben im Innern bei guter Gasfüllung noch voll flugfähig und können sogar zum Transport einer Ballonpost eingesetzt werden.

Werbeluftballons

Um Luftballons zu bedrucken werden sie zuerst zu etwa 75 – 80 % ihres eigentlichen Fassungsvermögens aufgeblasen. Dadurch erreicht man die optimale Spannung der Ballonoberfläche zur Aufnahme der Druckfarbe. Gedruckt wird im Offset Verfahren oder im Siebdruck Verfahren. Beim Offsetdruck wird das Motiv seitenverkehrt auf eine Metallplatte geätzt, die dann eingefärbt wird. Der Luftballon wird nun über die Platte abgerollt und nimmt dabei die Farbe auf. Der Siebdruck arbeitet mit einem feinen Kunststoffgewebe. Auf fotomechanischem Wege wird das Motiv ebenfalls seitenverkehrt auf das Gewebe aufgebracht. Durch diese Stellen lässt sich hinterher die Farbe pressen, der Rest der Gewebefläche wird dabei undurchlässig. Der Ballon wird dann wie im Offsetdruck über die Druckfläche gerollt und nimmt dabei die Farbe auf. Sofort nach dem Druck wird langsam die Luft abgelassen während die Farbe trocknet. Anschließend werden die bedruckten Ballons in rotierenden Trommeln mit Heißluft wieder geschrumpft sodass sie ihr ursprüngliches Aussehen wieder erlangen. Diese Methode zur Schrumpfung kann man auch mit einem normalen Fön bei Luftballons anwenden, die schon mal aufgeblasen wurden.

Verwendung

Siebdruck Luftballons werden in unterschiedlichen Bereichen und zu unterschiedlichen Zwecken eingesetzt. Sie finden Anwendung in der Wissenschaft (z.B. Meteorologie), in der Medizin, im Flugwesen, im Showbiz (Modellierballons), in der Kunst, als Werbeträger, als Dekorationsgegenstand, Spielzeug, Kondomersatz etc. Mit Traggasen gefüllte Luftballons werden bei Ballonwettbewerben zum Verschicken der Ballonpost genutzt. Sie können auch als leicht handhabbare Starthilfen für Drachen oder für Experimente mit fliegenden Lichteffekten verwendet werden. Luftballons, mit Helium aufgeblasen, finden Verwendung als Inhalationsgefäß, da hierdurch die Stimmlage der Sprechstimme beeinflusst wird. Mit Flüssigkeiten gefüllte Luftballons stellen meist Wasserbomben dar, sie werden jedoch auch als Waffen eingesetzt. Dies kann von Farbstoffangriffen (z.B. gegen Pelztierprodukte) bis hin zu Brandbeschleunigern reichen. Den meisten unbekannt ist die Verwendung von Luftballons im Fetisch Bereich, siehe unter: Looner.

Weblinks

Kategorie:Ballon

Helium

Helium - der Name stammt vom altgriechischen Wort ἥλιος (hélios) = Sonne - ist das zweitleichteste chemische Element und wurde erstmals aufgrund seiner Spektrallinien im Licht der Sonne nachgewiesen. Helium ist das leichteste Edelgas; sein Elementsymbol ist He. Das farb- und geruchlose sowie ungiftige Gas ist inert, das heißt es geht nur unter extremen Bedingungen einige wenige chemische Verbindungen ein, die alle unter Normalbedingungen instabil sind. Anwendung findet Helium zum Beispiel in flüssiger Form als Kühlmittel, in gasförmigem Zustand dient es als Traggas für Gasballone und Luftschiffe. Helium ist auch für die Theoretische Chemie und die Atomphysik von besonderem Interesse. Das Heliumatom ist das erste Element das aus mehr als zwei Teilen, dem Kern und zwei Elektronen, besteht, weshalb die atomare Schrödingergleichung, anders als beim Wasserstoff, nicht mehr exakt gelöst werden kann.

Aufbau

Bohrsches Atommodell

Wasserstoff Nach dem veralteten Bohrschen Atommodell besteht ein Heliumatom aus einem Atomkern, der aus zwei Protonen und zwei Neutronen aufgebaut ist, sowie zwei Elektronen, die auf der ersten Elektronenschale um den Atomkern kreisen.

Molekülorbital-Modell

Beim Helium ist das 1s-Orbital mit einem Elektronenpaar besetzt. Bei der Kombination zweier dieser Atomorbitale ist sowohl das bindende als auch das antibindende Molekülorbital mit je einem Elektronenpaar besetzt. Ihre Wirkungen heben sich gegenseitig auf, es kommt keine Bindung zustande.

Eigenschaften

Im gasförmigen Zustand

Helium ist nach Wasserstoff das chemische Element mit der geringsten Dichte und besitzt die niedrigsten Schmelz- und Siedepunkte aller Elemente. Daher existiert es nur unter sehr extremen Bedingungen als Flüssigkeit oder Feststoff. Ein Kubikmeter Helium hat bei normalem Druck und einer Temperatur von 20 °C eine Masse von nur 179 g. Luft ist dagegen sieben mal so schwer. Helium ist ein Edelgas, das heißt, dass dieses Gas aufgrund seiner voll besetzten äußersten Elektronenschale chemisch sehr reaktionsträge ist. Es ist jedoch möglich, unter extremen Bedingungen eine chemische Verbindung von Helium mit einem Proton (HeH⁺) zu erzeugen. Diese Verbindung ist bei Normalbedingungen sehr instabil und kann nicht in Form eines Salzes wie HeH⁺X^- isoliert werden. :

\mathrm

:In einem Gemisch aus Helium und Wasserstoff bildet sich während einer elektrischen Entladung ein Heliumhydrid-Ion Eine entsprechende Reaktion kann zwischen zwei Helium-Atomen ablaufen, wenn die zur Ionisierung notwendige Energie zugeführt wird. :

\mathrm

Wie alle anderen Edelgase hat Helium metastabile Energieniveaus, die es dem Element erlauben, ionisiert zu bleiben, selbst wenn es sich in einem elektrischen Feld mit einer Spannung befindet, die unter ihrem Ionisationspotenzial liegt. Wenn es nicht ionisiert ist, ist Helium ein guter elektrischer Isolator.

Im flüssigen Zustand

Helium I

Unter dem Siedepunkt bei 4,21 Kelvin und über dem Lambdapunkt bei 2,1768 Kelvin ist das Isotop ⁴He eine farblose Flüssigkeit. Es wird Helium I genannt. Wie andere extrem kalte Flüssigkeiten siedet Helium I, wenn es erhitzt wird, und zieht sich zusammen, wenn seine Temperatur verringert wird. Bei Erreichen des Lambdapunktes expandiert es spontan. Der Grad der Expansion verringert sich, bis ungefähr 1 Kelvin erreicht werden. Bei dieser Temperatur stoppt die Expansion, und das Helium beginnt, sich wieder zusammenzuziehen.

Helium II

Flüssiges ⁴Helium entwickelt unterhalb seines Lambdapunktes sehr ungewöhnliche Eigenschaften. Helium mit diesen Eigenschaften wird als Helium II bezeichnet. Das Sieden von Helium II ist wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit nicht mehr möglich; Erhitzung bewirkt stattdessen eine direkte Verdampfung der Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand. Helium II ist ein superfluider Stoff. So fließt es etwa durch kleinste Öffnungen in Größenordnungen von 10^-7 bis 10^-8 Meter und hat keine messbare Viskosität. Jedoch konnte bei Messungen zwischen zwei sich bewegenden Scheiben eine Viskosität ähnlich der von gasförmigen Helium festgestellt werden. Dies wird mit einer Theorie erklärt, nach der sich in flüssigem Helium unterhalb des Lambdapunktes sowohl ein Anteil an Heliumatomen ohne jegliche Viskosität und ein Anteil von Heliumatomen mit Viskosität befindet. Viskosität Helium II zeigt wie andere superfluide Flüssigkeiten den Onnes-Effekt: Wenn eine Oberfläche aus dem Helium hinausragt, bewegt sich das Helium auf dieser entlang. Helium II entweicht auf diese Weise aus einem Behälter, der nicht versiegelt ist. Wenn es einen wärmeren Bereich erreicht, verdunstet es. Aufgrund dieses Kriechverhaltens und der Fähigkeit des Heliums II, selbst durch kleinste Öffnungen auszulaufen, ist es sehr schwierig, flüssiges Helium in einem begrenzten Raum zu halten. Es ist ein sehr sorgfältig zu konstruierender Behälter nötig, um Helium II aufzubewahren, ohne dass es entweicht oder verdunstet. Die Wärmeleitfähigkeit von Helium II ist größer als die jeder anderen bekannten Substanz. Sie ist eine Million mal höher als die von Helium I und mehrere hundert Mal höher als die des Kupfers. Sie ist so hoch, weil die Wärmeübertragung durch quantenmechanische Effekte bestimmt wird. Die meisten gut wärmeleitenden Materialien besitzen ein Valenzband freier Elektronen, die die Hitze gut leiten. Helium II hat kein solches, aber leitet Hitze dennoch mit einer Geschwindigkeit von 20 Metern pro Sekunde bei 1,8 Kelvin. Dieser Vorgang kann durch eine Wellengleichung beschrieben werden. 1971 gelang David M. Lee, Douglas D. Osheroff und Robert C. Richardson, das Helium-Isotop ³He ebenfalls in einen superfluiden Zustand zu versetzten. Dieses gelang ihnen, nachdem sie das Isotop unter die Temperatur von 2,6 Millikelvin abkühlten. Dabei geht man davon aus, dass zwei Atome ³He ein Paar bilden, ähnlich einem Cooper-Paar. Dieses Paar besitzt ein magnetisches Moment und ein Drehmoment. Die drei Wissenschaftler erhielten für diese Entdeckung 1996 den Nobelpreis für Physik.

Im festen Zustand

Helium kann nur unter großem Druck und bei sehr niedrigen Temperaturen verfestigt werden. Festes Helium benötigt eine Temperatur von 1 bis 1,5 K und ungefähr 26 bar an Druck. Der bei der Verfestigung entstehende, sehr stark durchsichtige Feststoff ist sehr stark komprimierbar. Im Labor kann dessen Volumen um bis zu 30 % verringert werden. Es ist mehr als 50 Mal besser komprimierbar als Wasser. Festes Helium bildet kristalline Strukturen aus. Festes und flüssiges Helium sind optisch kaum voneinander zu unterscheiden, da ihr Brechungsindex fast der selbe ist.

Elektronische Zustände des Heliums

Abhängig von der Spinorientierung der zwei Elektronen des Heliumatoms spricht man vom Parahelium im Falle von zwei antiparallelen Spins (S=0) und von Orthohelium bei zwei parallelen Spins (S=1). Beim Orthohelium befindet sich eines der Elektronen nicht im 1s-Orbital, da dies das Pauli-Verbot verletzen würde. Die Benennung dieser Zustände geht auf einen früheren Irrtum zurück: Da der elektromagnetische Übergang zwischen dem "Grundzustand" des Orthoheliums und dem Grundzustand des Paraheliums (also dem Helium-Grundzustand) verboten ist, erscheinen die beiden "Varianten" des Heliums spektroskopisch wie zwei unterschiedliche Atome. Dies führte dazu, dass Carl Runge und Louis Paschen postulierten, Helium bestehe aus zwei getrennten Gasen, Orthohelium ("richtiges Helium") und Parahelium (für das sie den Namen "Asterium" vorschlugen).

Isotope des Heliums

³He und ⁴He

Obwohl acht Isotope Heliums bekannt sind, sind davon lediglich ³He und ⁴He stabil. In der Erdatmosphäre existiert pro Million ⁴He-Atome nur ein ³He-Atom. Jedoch variiert die Proportion der beiden Isotope je nach dem Herkunftsort der untersuchten Heliumprobe. Im interstellaren Medium sind ³He-Atome hundert Mal häufiger. In Gesteinen der Erdkruste und des Erdmantels liegt die Proportion ebenfalls weit über dem atmosphärischen Wert und variiert je nach Herkunft um den Faktor 10. Diese Variationen werden in der Geologie benutzt, um die Herkunft des Gesteines zu klären (siehe auch Natürliches Vorkommen). Gleiche Anteile von flüssigem ³He und ⁴He unter 0,8 Kelvin trennen sich aufgrund ihrer unterschiedlichen Quanteneigenschaften in zwei unvermischbare Flüssigkeiten, ähnlich Öl und Wasser. Dies geschieht, weil ³He-Atome Fermionen und ⁴He-Atome Bosonen sind.

Hypothetisches Diproton

Ein besonderes, fiktives Isotop des Heliums ist das Diproton, dass, im Falle seiner Existenz, lediglich aus 2 Protonen und 2 Elektronen bestehen würde. Dieses ist jedoch nicht möglich, da die gegenseitige Anziehung der Protonen durch die starke Kernkraft in diesem Fall nicht ausreicht, um die abstoßende elektrostatische Kraft zwischen den beiden Protonen zu kompensieren. Die Neutronen sind notwendig, um als "Kitt" den Atomkern zusammenzuhalten.

Entdeckung und Erforschung

Diproton Hinweise auf das Element Helium erhielt man zum ersten Mal aufgrund einer hellen gelben Spektrallinie bei einer Wellenlänge von 587,49 Nanometern im Spektrum der Chromosphäre der Sonne. Diese Beobachtung machte der französische Astronom Pierre Janssen während einer totalen Sonnenfinsternis in Indien am 18. August 1868. Als er seine Entdeckung bekannt machte, wollte ihm zunächst niemand glauben, da bislang noch nie ein neues Element im Weltall gefunden wurde, bevor der Nachweis auf der Erde geführt werden konnte. Am 20. Oktober des selben Jahres bestätigte der Engländer Norman Lockyer, dass die gelbe Linie tatsächlich im Sonnenspektrum vorhanden ist und schloss daraus, dass sie von einem bislang unbekannten Element verursacht wurde. Weil diese Spektrallinie nahe an der so genannten "Fraunhofer D"-Linie lag, nannte er die Linie D3, um sie von den nahe liegenden D1- und D2-Linien des Natriums unterscheiden zu können. Er und sein englischer Kollege Edward Frankland schlugen vor, das neue Element nach dem griechischen Wort für Sonne zu benennen. Da sie annahmen, dass es sich bei dem Element um ein Metall handelte, hängten sie dem Elementsnamen das Suffix -ium an. Edward Frankland Am 26. März 1895 isolierte der britische Chemiker William Ramsay Helium, indem er das Uran-Mineral Cleverit mit Mineralsäuren versetzte und das dabei austretende Gas isolierte. Er war auf der Suche nach Argon, konnte jedoch die gelbe D3-Linie beobachten, nachdem er Stickstoff und Sauerstoff von dem isolierten Gas getrennt hatte. Die selbe Entdeckung machten fast zeitgleich der britische Physiker William Crookes und die schwedischen Chemiker Per Teodor Cleve und Nicolas Langlet in Uppsala in Schweden. Diese sammelten ausreichende Mengen des Gases um dessen Atommasse feststellen zu können Bei einer Ölbohrung in Dexter in Kansas wurde eine Erdgasquelle gefunden, dessen Erdgas 12 Volumenprozent eines unbekannten Gases enthielt. Die amerikanischen Chemiker Hamilton Cady und David McFarland der Universität von Kansas fanden heraus, dass es sich dabei um Helium handelte. Sie publizierten eine Meldung, dass Helium aus Erdgas gewonnen werden kann. Im selben Jahr stellten Ernest Rutherford und Thomas Royds fest, dass Alphateilchen Heliumkerne sind. Die erste Verflüssigung Heliums wurde 1908 vom niederländischen Physiker Heike Kamerlingh Onnes durchgeführt, indem er das Gas auf eine Temperatur von unter 1 Kelvin kühlte. Er versuchte ebenfalls, es durch eine Temperatur von 0,8 K zu verfestigen, scheiterte jedoch, da Helium nur bei Druck verfestigt werden kann. Onnes beschrieb ebenfalls zum ersten Mal den heute nach ihm benannten Onnes-Effekt. Die erste Verfestigung wurde 1926 von Onnes' Student Willem Hendrik Keesom durchgeführt, der Helium auf eine ähnliche Temperatur abkühlte und einen Druck von 25 bar anwandte.

Vorkommen

Natürliches Vorkommen

Im Weltall

Willem Hendrik Keesom Entsprechend der Urknalltheorie entstand der größte Teil des heute im Weltraum vorhandenen Heliums in den ersten drei Minuten nach dem Urknall. Das große Vorkommen im Universum unterstützt die Urknalltheorie. Helium ist nach Wasserstoff das zweithäufigste Element. 23 % der Masse der sichtbaren Materie bestehen aus Helium, obwohl Wasserstoffatome 8 mal häufiger sind. Außerdem wird Helium durch Kernfusion in Sternen produziert. Dieses so genannte Heliumbrennen liefert die Energie, die die Sterne auf der Hauptreihe, also die Mehrheit aller Sterne, zum Leuchten bringt. Die ansteigende Heliumkonzentration im Kern spiegelt sich allerdings erst in den Spätphasen der Sternentwicklung wieder, da sich vorher die Materie im Kern und an der Oberfläche kaum durchmischt. Im Verlauf der Zeit reichern die entwickelten Sterne durch Sternwinde und Supernovae die interstellare Materie mit Helium und schwereren Elementen an, so dass später entstandene Sterne auch ein größeren Anteil and Helium und schwereren Elementen haben. Auf Sternoberflächen und in Nebeln kommt Helium bevorzugt neutral oder einfach ionisiert vor. Anders als in der Physik und Chemie üblich, wird in der Astronomie aber nicht die Notation mit hochgestelltem "+" (He⁺) verwendet, da andere Elemente so hochionisiert vorkommen können, dass diese Notation unpraktisch wird, z.B. sechszehnfach ionisiertes Eisen in der Sonnenkorona. Daher werden Ionisationsstufen in der Astronomie mit römischen Ziffern bezeichnet, wobei neutrales Helium als He I bezeichnet wird, einfach ionisiertes entsprechend He II und vollständig ionisiertes als He III. Helium ist auch in verschiedenen Planetatmosphären vorhanden: Wie andere Edelgase auch wird Helium in Meteoriten durch Wechselwirkung (Spallation) mit Kosmischer Strahlung erzeugt. Besonders ³He kann deswegen benutzt werden, um sogenannte Bestrahlungsalter, welches meist dem Zeitraum zwische dem Losschlagen des Meteoriten vom Mutterköper bis zu seiner Ankunft auf der Erde enstpricht, zu bestimmen. Daneben entsteht ⁴He in Meteoriten durch Zerfall schwerer radioaktiver Elemente. Auch gibt es in Meteoriten weitere Heliumanteile, welche aus der Zeit der Entstehung des Sonnensystems stammen, zum Teil aber auch aus dem Sonnenwind aufgefangen wurden. Ähnliches gilt auch für Mondgestein, welches von der Oberfläche des Mondes stammt. Da dieses oft sehr lange dem Sonnenwind bzw. der Kosmischen Strahlung ausgesetzt war ist solches Mondgestein besonders reich an Helium, insbesondere dem Isotop ³He.

Auf der Erde

Sonnenwind ⁴He entsteht im Erdinneren beim radioaktiven Zerfall (Alphazerfall) schwerer Elemente wie Uran oder Thorium, wobei Helium-Kerne als Alphateilchen ausgesandt werden und anschließend Elektronen einfangen. Es kann in verschiedenen uran- und thoriumhaltigen Mineralen wie der Pechblende gefunden werden. Aus der Entstehungszeit der Erde stammt ein Anteil von ³He im Erdmantel, der weit über dem atmosphärischen Wert liegt; das ⁴He/³He-Verhältnis liegt im oberen Erdmantel, der weitgehend entgast ist und dessen Heliumbestand daher im wesentlichen durch ⁴He aus Alpha-Zerfällen wiederaufgefüllt wird, bei etwa 86.000. Wenn das Konvektionssystem des unteren Erdmantels weitgehend von dem des oberen getrennt und der Massenaustausch zwischen beiden entsprechend gering ist, liegt das Verhältnis im unteren, kaum entgasten Mantel zwischen 2500 und 26.000, d. h. der Anteil von ³He ist noch höher. Von besonderem geodynamischen Interesse ist dies im Hinblick auf die Ursachen von Hotspot-Vulkanismus: während für Basalte von mittelozeanischen Rücken, die durch Schmelzprozesse von Material des oberen Mantels entstehen, ⁴He/³He = 86.000 typisch ist, weisen Basalte von einigen Hotspots, z. B. ozeanischen Vulkaninseln wie Hawaii und Island, Werte auf, die um etwa das drei- bis vierfache niedriger liegen. Dies wird gemeinhin damit erklärt, dass dieser Vulkanismus durch Mantelplumes verursacht wird, deren Ursprung an der Kern-Mantel-Grenze liegt und die daher zumindest teilweise aus Material des unteren Erdmantels bestehen. Helium kommt in geringen Mengen in der Erdatmosphäre (5,2 ppm) sowie in Erdgas und Erdöl (0,4 %) vor. Der Anteil Heliums an der Erdatmosphäre ist so niedrig, da das meiste Helium, das auf der Erde entsteht, wegen seiner Leichtigkeit und aufgrund der Tatsache, dass es sich kaum mit anderen Elementen verbindet, in den Weltraum entweicht. Ungefähr 1000 Kilometer über dem Meeresspiegel ist Helium das vorherrschende Element, da es sich dort ansammelt.

Künstliche Gewinnung

Erdgas mit einem Heliumanteil von bis zu 7 Prozent ist der größte und wirtschaftlich wichtigste Heliumlieferant. Da Helium sehr niedrige Schmelz- und Siedetemperaturen besitzt, sind sehr hoher Druck und sehr niedrige Temperaturen nötig, um es von den anderen, im Erdgas enthaltenen Stoffen wie Kohlenwasserstoffen und Stickstoffverbindungen zu trennen. Viele Jahre lang gewannen die USA über 90 Prozent des kommerziell benutzbaren Heliums der Welt. Noch 1995 wurden in den USA insgesamt eine Milliarde Kubikmeter Helium gefördert. Der restliche Anteil wurde von Förderungsanlagen in Kanada, Polen, Russland (wobei große Mengen in den völlig unzugänglichen Gebieten Sibiriens liegen) und anderen Ländern geliefert. Nach der Jahrtausendwende kamen Algerien und Katar dazu. Algerien konnte sich rasch zum zweitwichtigsten Heliumlieferanten entwickeln. 2002 stellte Algerien 16 Prozent des Heliums her, das in der Welt vertrieben wurde. Bei Amarillo in Texas lagerte 2004 etwa das Zehnfache des Weltjahresbedarfs an Helium. Diese ehemals strategische Reserve der amerikanischen Regierung muss jedoch aufgrund des Helium Privatization Act der Clinton-Regierung aus dem Jahr 1996 innerhalb der nächsten Jahre an die Privatwirtschaft abverkauft werden. Das Isotop ³He kann nur aus Kernreaktionen gewonnen werden und ist daher sehr teuer. Es entsteht beispielsweise beim Betazerfall von Tritium: :

\mathrm \rightarrow (125~\textrm) \, \mathrm + \beta

Tritium und Helium-4 können durch Neutronenbeschuss von Lithium in einem Kernreaktor gewonnen werden: :

\mathrm

Geschichte der künstlichen Gewinnung

Im frühen 20. Jahrhundert wurden große Mengen Helium in Erdgasfeldern der amerikanischen Great Plains gefunden und halfen den Vereinigten Staaten, der führende Weltlieferant für Helium zu werden. Nach einem Vorschlag Sir Richard Threlfalls förderte die US-Navy drei kleine experimentelle Heliumproduktionsbetriebe während des Ersten Weltkrieges. Das Ziel war, Sperrballone mit Helium als Füllgas zu gewinnen. Eine Gesamtmenge von 5700 Kubikmeter Gas mit einem Heliumanteil von 92 Prozent wurde von diesen Betrieben gewonnen, obwohl im Voraus nur wenige hundert Liter des Gases gewonnen worden waren. Kleine Mengen dieses Gases wurden im ersten heliumgefüllten Luftschiff der Welt, dem C-7 der US-Navy, das seine Jungfernfahrt auf der Strecke von Hampton Roads in Virginia nach Boiling Field in Washington, D.C. am 7. Dezember 1921 bestritt, benutzt. Die Regierung der USA ließ 1925 die National Helium Reserve in Amarillo in Texas errichten, um eine Versorgung von militärischen Luftschiffen in Kriegszeiten und Verkehrsluftschiffen in Friedenszeiten zu sichern. Obwohl die Nachfrage nach dem Zweiten Weltkrieg sank, wurde die Förderungsanlage in Amarillo erweitert, damit flüssiges Helium als Kühlmittel für Sauerstoff-Wasserstoff-Raketentreibstoff und andere zu kühlende Gegenstände bereit gestellt werden konnte. Der Heliumverbrauch der USA stieg im Jahr 1965 auf das Achtfache des Spitzenverbrauchs in Kriegszeiten. Nachdem in den USA das "Helium Acts Amendments of 1960" (Public Law 86-777) beschlossen wurde, wurden weitere fünf private Heliumförderanlagen errichtet. Das US-Minenministerium ließ dafür eine 685 Kilometer lange Pipeline von Bushton in Kansas nach Amarillo in Texas bauen. Die Reinheit des gewonnenen Heliums stieg nach dem Zweiten Weltkrieg rasant an. Wurde 1945 noch eine Mischung von 98 Prozent Helium und 2 Prozent Stickstoff für Luftschiffe benutzt, konnte 1949 bereits Helium mit einer Reinheit von 99,995 Prozent kommerziell vertrieben werden. Um einen Reinheitsgrad von 99.995 Prozent zu erreichen, ist Aktivkohle nötig, um verbliebene Verunreinigungen - meistens bestehend aus Neon - zu entfernen.

Verwendung

Neon Unter hohem Druck abgefülltes Helium ist frei verkäuflich und wird aus Erdgas gewonnen. Es wird für viele verschiedene Zwecke benutzt, für die ein Gas mit mindestens einer der vorteilhaften Eigenschaften des Heliums benötigt wird, zum Beispiel sein niedriger Siedepunkt, die geringe Dichte, die geringe Löslichkeit, die hohe Wärmeleitfähigkeit oder sein reaktionsträges Verhalten.
- Helium-Sauerstoff-Gemische (80:20) dienen für Asthmatiker als Beatmungsgas - die Viskosität des Gasgemisches ist wesentlich geringer als die von Luft und es lässt sich daher leichter atmen.
- Beim kommerziellen Tauchen werden verschiedene Gemische mit Helium wie Trimix (bestehend aus Sauerstoff, Stickstoff und Helium) als Atemgas verwendet.
- Da Helium nur ein Siebtel der Dichte von Luft hat, dient es auch als Traggas für Ballons oder Luftschiffe. Durch sein inertes Verhalten und seine Unbrennbarkeit hat es das Traggas Wasserstoff weitgehend verdrängt.
- In der Schweißtechnik wird Helium in Reinform oder als Zumischung als Inertgas eingesetzt, um die Schweißstelle vor Sauerstoff zu schützen. Zudem lässt sich bei Einsatz von Helium die Einbrenntiefe und die Schweißgeschwindigkeit steigern sowie die Bildung von Spritzern verringern, was insbesondere bei Roboterschweißungen und bei der Verarbeitung von Aluminium und rostfreien Stählen zum Einsatz kommt.
- Technisch wird verflüssigtes Helium (die Isotope ⁴He und ³He) als Kühlmittel zum Erreichen tiefer Temperaturen (etwa 1 bis 4 Kelvin) eingesetzt (siehe dazu: Kryostat). Mit ⁴He lassen sich durch Verdampfungskühlen Temperaturen bis etwa 1 K erreichen. Das Isotop ³He erlaubt den Einsatz als Kühlmittel bis etwa 1 mK. Gerade beim Einsatz von supraleitenden Magneten dient Helium als Kühlmittel, damit die Supraleiter vom Typ I unter der Sprungtemperatur bleiben. Praktische Anwendungen sind hier die Kernspintomographie (MRT), die Magnetoenzephalographie (MEG) in der Medizintechnik sowie die Magnetresonanzspektroskopie (NMR) in der Forschung. Ebenso kann komprimiertes Heliumgas als Kühlmittel eingesetzt werden, insbesondere dort, wo ein besonders inertes Kühlmittel benötigt wird. Als Beispiel sei der Thorium-Hochtemperaturreaktor (kurz THTR) genannt. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist hier die Herstellung von optischen Glasfasern in heliumgekühlten Falltürmen. Zu beachten ist, dass Helium zwar eine hohe spezifische aber eine niedrige molare Wärmekapazität besitzt. Dies ist insbesondere bei geschlossenen Apparaturen problematisch, da es im Falle eines Temperaturanstiegs (zum Beispiel bei Stromausfall) schnell zu einer massiven Druckerhöhung kommt.
- Bei Vakuumanlagen wird Helium als Lecksuchgas eingesetzt, indem die Vakuumapparatur mit einer Pumpe evakuiert wird und ein Massenspektrometer hinter die Pumpe gehängt wird. Wird nun die Apparatur mit Helium angeblasen, kann mit Hilfe des Massenspektrometers ein eventueller Heliumeintritt in die Apparatur detektiert und somit die Leckrate gemessen werden. Diese Eigenschaft wird unter anderem auch bei der Lecksuche in Chemieanlagen und bei der Fertigung von Wärmetauschern für Klimaanlagen oder Benzintanks für Autos benutzt.
- Helium wird in der Raketentechnik eingesetzt, um bei pumpgeförderten Flüssigtreibstoffraketen den verbrauchten Treibstoff zu ersetzen, damit die dünnwandigen Treibstofftanks der Raketen nicht implodieren, wenn der Treibstoff von den Treibstoffpumpen der Triebwerke aus den Tanks gesaugt wird. Bei Druckgas geförderten Flüssigtreibstoffraketen drückt Helium den Treibstoff in die Triebwerke.
- Helium wird in zwei Lasertypen eingesetzt: Dem Helium-Neon-Laser und dem Helium-Cadmium-Laser.
- Reinsthelium dient zudem als Trägergas in der Gaschromatographie (Analytik).

Gesundheitsgefahren

Es wird davon abgeraten, Helium einzuatmen oder in geschlossene Räume ausströmen zu lassen, da Helium den Sauerstoff verdrängt und somit für Sauerstoffmangel sorgt. Dies kann zu dauerhaften Gesundheitsschäden bis hin zum Tod führen. Symptome können Orientierungsschwierigkeiten und Bewusstseinsverlust sein, das Opfer bemerkt die Erstickung kaum bis gar nicht. Beim Verwenden von Helium-Flüssiggas ist die Verwendung von Schutzkleidung notwendig, um Erfrierungen zu vermeiden. Heliumbehälter stehen unter hohem Druck und dürfen daher nicht erwärmt oder mit Feuer in Verbindung gebracht werden.

Kurioses

Nach dem Einatmen von Helium ändert sich die eigene Stimme dramatisch (zu einem „Mickymaus“-Piepsen). Die Klangfarbe einer Stimme hängt ab von der Lage der Resonanzfrequenzen im Mundraum, den sogenannten Formanten. Die Lage dieser Resonanzfrequenzen wiederum ist abhängig von der Schallgeschwindigkeit (c_Luft = 350 m/s, c_Helium = 1030 m/s). Die Lage der ersten 3 Formanten ist dann in Luft: 220, 2270 und 3270 Hz; und in Helium: 320, 3900, 5500 Hz. Dadurch ergibt sich ein anderes Stimmbild, die Höhe des Tones selbst bleibt durch das Edelgas unverändert. Siehe auch: Chemikalienliste, WikiProjekt Elemente

Literatur

- Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente. Hirzel, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3
- John Emsley: The elements. 3rd Ed., Clarendon Press, 1998, ISBN 0198558198
- A. F. Holleman, Egon Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. de Gruyter, Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9
- F. A. Cotton, G. Wilkinson, C. A. Murillo, M. Bochmann: Advanced Inorganic Chemistry, 6th Ed., Wiley, 1999, Kapitel 18D, Seite 974, ISBN 0-471-19957-5
- C. E. Housecroft, A. G. Sharpe: Inorganic Chemistry. 2nd Ed., Pewson/Prentice Hall, 2005, Kapitel 22.8a, Seite 666 ISBN 0130-39913-2
- Ekkehard Fluck, Klaus G. Heumann: Periodensystem der Elemente, Tafel. Wiley-VCH, Weinheim 2002, ISBN 3-527-30716-8
- R. B. King (Hrsg.): Encyclopedia of Inorganic Chemistry. Bd. 8, Wiley, 1994, Seite 4094, ISBN 0-471-93620-0

Weblinks

- [http://periodic.lanl.gov/elements/2.html Los Alamos National Laboratory - Helium] (englisch)
- [http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/helium/heliumcs05.pdf Jahresbericht des Bureau of Land Management] (PDF, englisch)
- [http://www.webelements.com/webelements/elements/text/He/key.html WebElements.com - Helium] (englisch)
- [http://www.unifr.ch/physics/frap/ Fribourg group for Atomic Physics] (englisch) Kategorie:Chemisches Element Kategorie:Edelgas Kategorie:Periode-1-Element ja:ヘリウム ko:헬륨 ms:Helium simple:Helium th:ฮีเลียม

Wasserstoff

Wasserstoff ist das chemische Element mit der Ordnungszahl 1 und wird durch das Elementsymbol H abgekürzt (für lateinisch hydrogenium „Wassererzeuger“; von altgriechisch υδωρ „Wasser“ und γεννάει „erzeugen“). Im Periodensystem steht es in der 1. Periode und der 1. Gruppe, nimmt also den ersten Platz ein. Wasserstoff ist das leichteste und das häufigste aller chemischen Elemente. Es ist Bestandteil des Wassers und aller organischen Verbindungen; insbesondere kommt es in sämtlichen lebenden Organismen vor.

Eigenschaften

Wasserstoff ist mit nur einem Proton und einem Elektron das leichteste der chemischen Elemente. Unter Normalbedingungen ist Wasserstoff gasförmig und als solches sowohl farb- als auch geruchlos. Man unterscheidet zwischen atomarem Wasserstoff (H) und der dimerisierten Form, dem molekularen Wasserstoff (H₂). Unter den Bedingungen, die normalerweise auf der Erde herrschen, kommt Wasserstoff nur in der dimerisierten, molekularen Form vor.

Physikalische Eigenschaften

Molekularer Wasserstoff (H₂) ist ein geruchloses und farbloses Gas und etwa 14-mal leichter als Luft. Sein Siedepunkt liegt bei 20,27 Kelvin, der Schmelzpunkt bei 14,02 Kelvin. Das Diffusionsvermögen ist aufgrund der geringen Molekülmasse das höchste aller Gase und führt zu einer Reihe von technischen Problemen beim Umgang mit Wasserstoff. Beispielsweise vermag er durch die Wände von Stahlbehältern zu diffundieren und auf diese Weise langsam auszutreten. Seine Wärmeleitfähigkeit liegt ebenfalls über der anderer Gase. Die ersten Spektrallinien im sichtbaren Bereich, zusammengefasst in der so genannten Balmer-Serie, liegen bei 656 nm, 486 nm, 434 nm und 410 nm. Daneben gibt es weitere Serien von Spektrallinien im Infrarot- und eine im Ultraviolettbereich des elektromagnetischen Spektrums. Eine besondere Bedeutung in der Radioastronomie hat die 21-Zentimeter-Linie in der Hyperfeinstruktur. In einem magnetischen Feld verhält sich H₂ sehr schwach diamagnetisch. Das bedeutet, die Dichte der Feldlinien eines extern angelegten Magnetfeldes nimmt in der Probe ab. Die magnetische Suszeptibilität ist bei Normdruck

\chi_m

= 9,9x10^-9 und typischerweise einige Größenordnungen unter der von diamagnetischen Festkörpern. Gegenüber elektrischem Strom ist H₂ ein Isolator. In einem elektrischen Feld hat er eine Durchschlagsfestigkeit von mehreren Millionen Volt pro Meter.

Aggregatzustände

Bei Temperaturen unterhalb von 20,27 Kelvin verflüssigt sich das Gas und bildet eine klare, farblose Flüssigkeit. Anders als bei Helium tritt bei einfachem Wasserstoff keine Suprafluidität auf. Prinzipiell kann aber das Isotop Deuterium (²H) suprafluid werden. Senkt man die Temperatur weiter, gefriert Wasserstoff bei 14,02 Kelvin und bildet einen kristallinen Festkörper mit hexagonal dichtester Kugelpackung (hcp), wobei ein Atom von zwölf weiteren umgeben ist. Der Tripelpunkt des Wasserstoffs, bei dem seine drei Aggregatzustände gleichzeitig vorkommen, ist einer der Fixpunkte der Internationalen Temperaturskala. Er liegt bei einer Temperatur von exakt 13,8033 Kelvin. Unter extremen Bedingungen, wie sie innerhalb von Sternen herrschen, wird Wasserstoff metallisch. Dabei wird er elektrisch leitend. Über diesen Aggregatzustand sind nur wenige experimentelle Daten vorhanden, denn die Erzeugung ist im Labor äußerst schwierig und der Zustand sehr kurzlebig. Dennoch gelang 1996 einer Forschungsgruppe am Lawrence Livermore National Laboratory unerwartet der Nachweis der Existenz des metallischen Wasserstoffs. Der Zustand bestand etwa eine Mikrosekunde lang. Man vermutet, dass unter hohem Druck entstandener metallischer Wasserstoff teilweise in dieser Form bestehen bleibt, wenn er wieder in eine Umgebung mit Normalbedingungen zurückgeführt wird. Stellt sich das als wahr heraus, könnte metallischer Wasserstoff in Zukunft ein hochinteressanter Werkstoff mit bemerkenswerten Eigenschaften sein. Sind die Temperaturen und Drücke wie im Weltraum sehr niedrig, liegt in der Regel atomarer Wasserstoff vor. Die atomare Form ist sehr reaktiv und geht unter Normalbedingungen sofort Verbindungen ein (meist zu H₂).

Chemische Eigenschaften

Weltraum Wasserstoff im status nascendi, der unmittelbar nach einer Wasserstoff darstellenden Reaktion entsteht, existiert nur für höchstens 0,5 Sekunden. Innerhalb dieser Zeitspanne reagieren in der Regel zwei H-Atome miteinander. Bei diesem Zusammenschluss zu Wasserstoffmolekülen (H₂) wird sehr viel Energie pro Mol freigesetzt. Im Umkehrschluss muss diese Energie (man spricht in diesem Fall von Atomisierungsenthalpie) aufgebracht werden, um molekularen Wasserstoff in die Atome zu zerlegen: :

\mathrm

:Zwei H-Atome reagieren zu einem H₂-Molekül und setzen dabei Energie frei. Auch nach diesem Zusammenschluss liegt der Wasserstoff für kurze Zeit in einem elektronisch angeregten Zustand vor und kann so - abweichend vom "normalen" chemischen Verhalten - für verschiedene Reaktionen genutzt werden. So gelingt es zum Beispiel nicht, mit Hilfe von im Kippschen Apparat erzeugten Wasserstoff, in einer angesäuerten, violetten Kaliumpermanganatlösung (KMnO₄) oder gelben Kaliumdichromatlösung (K₂Cr₂O₇) Farbwechsel hervorzurufen. Mit direkt in diesen Lösungen, durch Zugabe von Zinkpulver generiertem Wasserstoff in statu nascendi gelingt die reduktive Farbänderung. :

\mathrm

:Nascierender Wasserstoff vermag unter sauren Bedingungen violette Permanganatlösung zu entfärben. :

\mathrm

:Unter sauren Bedingungen wird gelbe Dichromatlösung grün durch die reduktive Wirkung des nascierenden Wasserstoffs. Bei Zimmertemperatur ist Wasserstoff vergleichsweise wenig reaktiv und beständig. Gemischt mit Sauerstoff oder Chlor reagiert er jedoch explosionsartig. Bei hohen Temperaturen wird das Gas reaktionsfreudig und geht mit Metallen und Nichtmetallen gleichermaßen Verbindungen ein. Mit Chlor reagiert Wasserstoff exotherm unter Bildung von gasförmigem Chlorwasserstoff, welches in Wasser gelöst Salzsäure ergibt. Beide Gase reagieren dabei mit gleichen Stoffmengenanteilen: :

\mathrm

:je ein Chlor- und Wasserstoffmolekül reagieren zu zwei Chlorwasserstoffmolekülen Diese Reaktion ist unter dem Namen Chlorknallgasreaktion bekannt, welche sich im Gegensatz zur Knallgasreaktion (Wasserstoff und Sauerstoff) schon durch die Bestrahlung mit Licht zünden lässt.

Wasserstoffbrückenbindung

Eine wichtige Eigenschaft des Wasserstoffs ist die sogenannte Wasserstoffbrückenbindung, eine anziehende elektrostatische Kraft zwischen zwei Molekülen. Ist H an ein stark elektronegatives Atom gebunden, so befindet sich sein Elektron eher in der Nähe des Bindungspartners. Es tritt also eine Ladungsverschiebung auf und das H-Atom wirkt nun positiv geladen. Der Bindungspartner wirkt entsprechend negativ. Kommen sich zwei solche Moleküle nahe genug, tritt eine anziehende elektrische Kraft zwischen dem positiven H-Atom des einen Moleküls und des negativen Teils des anderen auf. Das ist eine Wasserstoffbrücke. Da die Wasserstoffbrückenbindung schwächer ist als die Bindungskraft innerhalb eines Moleküls, verbinden sich die Moleküle nicht dauerhaft. Vielmehr bleibt die Wasserstoffbrücke nur Bruchteile einer Sekunde bestehen. Dann lösen sich die Moleküle voneinander, um erneut eine Wasserstoffbrückenbindung mit einem anderen Molekül einzugehen. Dieser Vorgang wiederholt sich ständig. Die Wasserstoffbrückenbindung ist für viele Eigenschaften verschiedener Verbindungen verantwortlich, wie etwa DNS oder Wasser. Bei letzterem führen diese Bindungen u.a. zu der Dichteanomalie.

Van-der-Waals-Bindung

Auch bei nichtpolaren Molekülen kann es zu Ladungsverschiebungen kommen, weil manche Atome eine stärkere Affinität zu Elektronen besitzen als andere. Ein solcher Dipol besteht aber nur sehr kurzzeitig. Dennoch wirkt dann zwischen zwei temporär polaren Molekülen eine Anziehung, die sogenannte Van-der-Waals-Bindung. Sie hat eine sehr geringe Reichweite und ist noch schwächer als die Wasserstoffbrückenbindung, tritt dafür aber auch bei nichtpolaren Molekülen auf. Da Wasserstoff mit einer Elektronegativität von 2,1 einen mittleren Wert hat, kann es besonders im Verbund mit Metallen (niedrige Elektronegativität), aber auch im Verbund mit Nichtmetallen (hohe Elektronegativität) zu einer temporären Dipolbildung kommen. Die Van-der-Waals-Bindung tritt also bei Wasserstoffverbindungen relativ häufig auf.

Atom- und kernphysikalische Eigenschaften

Metall Detaillierte quantenmechanische Aspekte finden sich im Artikel Wasserstoffatom. Ein einzelnes Wasserstoffatom besteht aus einem negativ geladenem Elektron, welches über die Coulomb-Wechselwirkung an einen positiv geladenen Kern gebunden ist. Dieser besteht stets aus einem einzelnen Proton und je nach Isotop eventuell noch aus einigen Neutronen. Das Wasserstoffatom ¹H wird aufgrund seines einfachen Aufbaus als „Modellatom“ in der physikalischen Beschreibung der Atome herangezogen. So entstand am Wasserstoffatom das Bohrsche Atommodell, mit dessen Hilfe eine vergleichsweise einfache Beschreibung vieler Eigenschaften des Wasserstoffatoms möglich ist. Man stellt sich dazu vor, dass das Elektron den Kern auf einer von verschiedenen konzentrischen Kreisbahnen umläuft, ähnlich wie die Planeten die Sonne umlaufen. Laut Bohr besitzt das Elektron aber weiterhin die Möglichkeit, auf andere Bahnen zu springen, wenn es dabei Strahlung abgibt oder aufnimmt. Mit diesem Modell kann man die Spektrallinien des H-Atoms erklären, deren sichtbare Linien bei Wellenlängen 656 nm, 486 nm, 434 nm und 410 nm liegen (Balmer-Serie). Im ultravioletten Bereich liegt die Lyman-Serie mit Wellenlängen von 122 nm, 103 nm, 97 nm und 95 nm. Wichtige Serien im Infraroten sind die Paschen-Serie (1,9 µm; 1,3 µm; 1,1 µm und 1 µm) und die Brackett-Serie (4,1 µm; 2,6 µm; 2,2 µm und 1,9 µm). In allen Serien sind nur die ersten vier Linien angegeben. Bei anderen Atomen oder Betrachtung von Details versagt das Bohrsche Modell aber. Physikalisch korrekter ist die quantenmechanische Beschreibung. Das H-Atom ist das einzige, für das sich das Eigenwertproblem sowohl der nichtrelativistischen Schrödingergleichung als auch der relativistischen Diracgleichung analytisch, das heißt ohne den Einsatz numerischer Verfahren, lösen lässt. Das ist sonst nur für Ionen möglich, denen lediglich ein Elektron verblieben ist (beispielsweise

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, usw.). Andere quantenmechanische Phänomene bewirken weitere Effekte. Die Feinstruktur der Spektrallinien kommt u. a. daher, dass Bahndrehimpuls und Spin des Elektrons miteinander koppeln. Berücksichtigt man darüberhinaus auch den Kernspin, kommt man zur Hyperfeinstruktur. Eine sehr kleine, aber physikalisch besonders interessante Korrektur durch Vakuumfluktuationen, ist die Lambverschiebung. Durch all diese Korrekturen wird bereits das Spektrum des Wasserstoffs zu einem komplexen Phänomen, dessen Verständnis im Rahmen der Quantenmechanik viel theoretisches Wissen erfordert.

Isotope

Es existieren drei natürlich vorkommende Isotope des Wasserstoffs. Es ist das einzige Element, dessen natürlich vorkommende Isotope eigene Namen haben. Daneben gelang es, vier weitere Isotope künstlich zu erzeugen.

Kernspinzustände im H₂-Molekül

Unter normalen Bedingungen ist Wasserstoffgas H₂ ein Gemisch zweier Molekülarten, die sich durch die "Richtung" ihrer Kernspins unterscheiden. Diese beiden Formen sind als ortho- und para-Wasserstoff bekannt (kurz o- und p-Wasserstoff). Bei o-Wasserstoff haben die Kernspins die gleiche (parallele) Richtung, während sie beim p-Wasserstoff entgegengesetzte (antiparallele) Richtung aufweisen. o-Wasserstoff ist die energiereichere Form. Die beiden Molekülarten hängen über folgende, temperaturabhängige Gleichgewichtsbeziehung miteinander zusammen: :

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:Die beiden Formen können unter Energieaufnahme bzw. -abgabe ineinander übergehen. Am absoluten Nullpunkt findet man ausschließlich p-Wasserstoff. Unter Standardbedingungen liegen 25 % des Wasserstoffs als p-Form und 75 % als o-Form vor. Theoretische Berechnungen ergeben, dass der Anteil der o-Form nicht über diesen Anteil hinaus gesteigert werden kann. o- und p-Wasserstoff weisen leicht unterschiedliche physikalische Eigenschaften auf. So liegen beispielsweise der Schmelz- und Siedepunkt der p-Form etwa 0,1 K unter denen der o-Form. Kühlt man Wasserstoff auf -259,2 °C ab, dann geht dieser in einen schlammartigen Zustand, genannt Slush, über. Bei der industriellen Herstellung von flüssigem Wasserstoff spielt obiges Gleichgewicht eine wichtige Rolle. Der Wechsel der Kerne in die antiparallele Orientierung (→ p-Wasserstoff) erfolgt beim Abkühlen nur sehr langsam, da die Wechselwirkungen zwischen den Kernen - genauer gesagt beeinflussen sich die Kerne über ihre magnetischen Momente - nur sehr schwach sind. Deswegen versucht man, die Einstellung des Gleichgewichts durch den Einsatz von Katalysatoren zu beschleunigen.

Geschichte

Entdeckungsgeschichte

Katalysator Entdeckt wurde Wasserstoff vom englischen Chemiker und Physiker Henry Cavendish im Jahre 1766, als er mit Quecksilber und Säuren experimentierte. Als er die beiden Substanzen zusammenbrachte, entstanden im Gemisch kleine Gasbläschen. Bei einer näheren Untersuchung konnte er es nicht als eines der bekannten Gase identifizieren. Obwohl er fälschlicherweise annahm, dass der Wasserstoff ein Bestandteil des Quecksilbers sei (anstatt Bestandteil der Säure), konnte er die Eigenschaften des Gases gut beschreiben. Säure Eine genauere Analyse geschah durch Antoine Lavoisier. Der französische Chemiker entdeckte das Gas im Jahr 1787 unabhängig von Cavendish, als er in einem Experiment zeigen wollte, dass bei chemischen Reaktionen keine Masse verloren geht oder erzeugt wird. Er erhitzte Wasser in einer abgeschlossenen Apparatur und ließ den Dampf an anderer Stelle kondensieren. Dabei stellte er fest, dass die Masse des kondensierten Wassers etwas geringer war als die der ursprünglichen Menge. Dafür entstand ein Gas (H₂), dessen Masse genau der der "verlorengegangenen" Wassermenge entsprach. Sein eigentliches Experiment war also erfolgreich. Lavoisier untersuchte das entstandene Gas weiter und führte die heute als Knallgasprobe bekannte Untersuchung durch, wobei das Gas verbrannte. Er nannte es daher zunächst "brennbare Luft". Als er in weiteren Experimenten zeigte, dass sich aus dem Gas auch umgekehrt Wasser erzeugen lässt, taufte er es als hydro-gène (hydro = Wasser, griechisch; genes = erzeugend). Das Wort bedeutet demnach: "Wasser-Bildner". Die deutsche Bezeichnung lässt auf die gleiche Begriffsherkunft schließen.

Erforschung

Da Wasserstoff das einfachste Element ist, war und ist es Gegenstand intensiver physikalischer Forschung, was entscheidend zur Entwicklung der Atom- und Quantenphysik beigetragen hat. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts waren die chemischen Eigenschaften des Wasserstoffs weitgehend bekannt. Allerdings gab es noch keine Begründung für viele dieser Eigenschaften. Niels Bohr konnte mit seinem Atommodell 1913 erstmals das Linienspektrum von Wasserstoff erklären. Bohr bekam dafür den Nobelpreis. Trotz diesem überragenden Erfolg gab das Modell aber noch keine Erklärung für die später beobachtete Aufspaltung der Spektrallinien. Einer der zugehörigen Effekte ist die Aufspaltung aufgrund verschiedener Isotope im Wasserstoff-Gas. Als Harold Clayton Urey (zusammen mit Brickwedde und Murphy) flüssigen Wasserstoff über längere Zeit verdampfen ließ, entdeckte er "schweren Wasserstoff" in dem Rückstand. Als er die Spektrallinien untersuchte, konnte er daraus Deuterium identifizieren. Für seine Entdeckung erhielt er 1934 den Nobelpreis. Tritium wurde im gleichen Jahr von dem Australier Mark Oliphant gefunden. Weitere Effekte wurden von Dirac berücksichtigt. Er entwickelte eine Wellengleichung, die den Spin und die Aussagen der Relativitätstheorie miteinbezieht. 1957 entdeckte Lamb die nach ihm benannte Lambverschiebung: die ständige Erzeugung und Vernichtung virtueller Teilchen (Quantenfluktuation) bewirkt eine geringfügige Verschiebung der Energieniveaus. Gegenwärtig erzeugt man aus Wasserstoff sogenannte exotische Atome, indem Wissenschaftler beispielsweise das Elektron durch ein Myon austauschen (Myonium), oder das Proton durch ein Lambda-Teilchen. Es ist auch gelungen, Antiwasserstoff zu bilden, ein System aus einem Positron und einem Antiproton, also ein komplettes Atom aus Antimaterie. Eine andere Variante ist das Positronium, bei dem anstatt des Protons ein Positron vorhanden ist. Es lässt sich vorstellen, das daraus positronisches Wasser herstellbar ist, bei dem zwei Positronium-Teilchen an ein Sauerstoffatom gebunden sind. Die Forschung in dieser Richtung trägt dazu bei, die Struktur der Materie sowie den Anfang des Universums besser zu verstehen.

Vorkommen

positronisches Wasser Wasserstoff ist das häufigste chemische Element im Weltall. Wasserstoff macht 75 % der gesamten Masse, beziehungsweise 90 % aller Atome im Universum aus.

Außerirdische Vorkommen

Schon kurz nach der Entstehung des Universums waren Protonen und Neutronen in überwältigender Zahl vorhanden. Bei den vorherrschenden hohen Temperaturen vereinigten sich diese zu leichten Atomkernen, wie D und ⁴He. Die meisten Protonen blieben allerdings unverändert und stellten die zukünftigen ¹H-Kerne dar. Nach circa 400.000 Jahren, nachdem sich die Temperatur des Weltalls weit genug abgekühlt hatte, konnten sich Wasserstoff-Atome einfach durch Zusammenschluss der Kerne mit den Elektronen bilden. Zu diesem Zeitpunkt ist das All mit Wasserstoff gefüllt. Mit der weitergehenden Abkühlung des Universums teilte sich die Masse assymetrisch auf und formte Wolken aus Wasserstoffgas. Unter dem Einfluss der Gravitation verdichteten sich diese zunehmend, und unter enormem Druck setzte die Verschmelzung der H-Atome ein. Es entstanden erste Sterne und Sonnen. Dort fusionierten die Wasserstoff-Atomkerne vorrangig zu Helium. Besonders in sehr großen Sternen entstanden aber ebenfalls die schwereren Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff, die die Grundbausteine aller bekannten Lebensformen sind. Sterne bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff-Plasma. Die Kernfusion von Wasserstoff ¹H über die Zwischenstufen Deuterium ²H und Tritium ³H zu Helium ⁴He in Sternen bildet deren Energiequelle. In unserem Sonnensystem macht der in der Sonne enthaltene Wasserstoff den überwiegenden Großteil der gesamten Masse aus. Aber auch die schwersten Planeten bestehen zu großen Teilen aus Wasserstoff, was den Massenanteil des Elements im Sonnensystem weiter erhöht. Unter den extremen Bedingungen, die in den großen Gasplaneten Jupiter und Saturn herrschen, kann er in metallischer Form existieren. Wahrscheinlich ist der Anteil an metallischem Wasserstoff in den Himmelskörpern noch größer als bisher angenommen. Dieser Zustand ist wegen der elektrischen Leitfähigkeit besonders für die Ausbildung der planetaren Magnetfelder verantwortlich. Außerhalb unseres Sonnensystems kommt Wasserstoff auch in gigantischen Gaswolken vor. In den sogenannten H-I-Gebieten liegt das Element nichtionisiert und molekular vor. Diese Gebiete emittieren Strahlung von etwa 1420MHz, die 21cm-Linie, die von Übergängen des Gesamtdrehimpulses herrührt. Sie spielt eine wichtige Rolle in der Astronomie und dient dazu, Wasserstoffvorkommen im All zu lokalisieren und zu untersuchen. Ionisierte Gaswolken mit atomarem Wasserstoff nennt man dagegen H-II-Gebiete. In diesen Gebieten findet die Entstehung neuer Sterne statt. Mit ihrer Hilfe lassen sich Rückschlüsse ziehen auf die Zusammensetzung in der Nähe befindlicher Galaxien. Wegen ständiger Ionisation und Rekombination der Atome senden sie mitunter sichtbare Strahlung aus, die oft so stark ist, dass man diese Gaswolken mit bloßem Auge sehen kann.

Irdische Vorkommen

Auf der Erde ist der Massenanteil wesentlich geringer. Außerdem liegt - im Gegensatz zu den Vorkommen im All - der irdische Wasserstoff überwiegend gebunden und nur selten rein vor. Von keinem anderen Element sind so viele Verbindungen bekannt; die häufigste ist Wasser.

Erdkruste

Das Element kommt aber auch in allen Lebewesen, in Erdöl, Erdgas und in vielen Mineralen vor. Andere natürliche Vorkommen sind Kohle und natürliche Gase, beispielsweise Methan (CH₄).

Salz- und Süßwasser

Der wahrscheinlich größte Anteil irdischen Wasserstoffs kommt in der Verbindung Wasser vor. In dieser Form bedeckt er zu über zwei Dritteln die Erdoberfläche. Die gesamten Wasservorkommen der Erde belaufen sich auf circa 1.386 Milliarden km³. Davon entfallen 1.338 Milliarden km³ (96,5 %) auf Salzwasser in den Ozeanen. Die verbliebenen 3,5 % liegen als Süßwasser vor. Davon befindet sich widerum der größte Teil im festen Aggregatzustand: in Form von Eis in der Arktis und Antarktis sowie in den Permafrostböden v.a. in Sibirien. Der geringe restliche Anteil ist flüssiges Süßwasser und findet sich meist in Seen und Flüssen, aber auch in unterirdischen Vorkommen, etwa als Grundwasser. In den gesamten Wasservorräten ist eine unvorstellbare Menge Wasserstoff enthalten. Daher gilt H₂, das das Brennmaterial bei einer Kernfusion darstellt, als praktisch unbegrenzt vorhandene Energiequelle.

Atmosphäre

In der Erdatmosphäre liegt Wasserstoff nur in Konzentrationen unter 1 ml/m³ vor. Auch hier kommt er überwiegend als Wasserdampf (an Sauerstoff gebunden) vor. Die prozentuale Häufigkeit von ungebundenem, molekularem Wasserstoff beträgt etwa 0,083 %. Der geringe Anteil folgt aus der geringen Molekülmasse. Bei einer mittleren Temperatur der Atmosphäre von 20 °C bewegen sich die H₂-Teilchen im Durchschnitt mit fast 7000 km/h. Das ist rund ein Sechstel der Fluchtgeschwindigkeit auf der Erde. Aufgrund der Maxwell-Boltzmann-Verteilung der Geschwindigkeiten der H₂-Moleküle gibt es aber dennoch eine beträchtliche Zahl von Molekülen, die die Fluchtgeschwindigkeit trotzdem erreichen. Befinden sich diese in den oberen Schichten der Atmosphäre, können sie aus der Gashülle entweichen. Dabei kühlt das verbliebene Wasserstoffgas ab, wird aber durch Sonneneinstrahlung erneut erwärmt. Weitere H₂-Moleküle kommen aus darunterliegenden Schichten nach, und es entweicht wieder ein bestimmter Anteil, bis letztlich nur noch Spuren des Elements in der Atmosphäre vorhanden sind. Bei diesem geringen Anteil stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Entweichen und Neuproduktion (etwa aus dem Meer) ein.

Verwendung

Jedes Jahr werden weltweit mehr als 600 Milliarden Kubikmeter Wasserstoff produziert. Das Element hat zahllose Anwendungen in Industrie und Technik. Wichtige Einsatzgebiete sind:
- Energiespeicher: Beim Schweißen, als Raketentreibstoff, in neuerer Zeit immer mehr in Form von Brennstoffzellen. Auch als Kraftstoff für Strahltriebwerke oder Verbrennungsmotoren kann Wasserstoff verwendet werden - dieser Weg wird vor allem von der Firma BMW verfolgt.
- Reduktionsmittel: H₂ kann mit Metalloxiden reagieren und ihnen dabei den Sauerstoff entziehen. Es entsteht Wasser und das reduzierte Metall. Das Verfahren wird insbesondere bei metallischen Erzen angewandt, um das reine Metall zu gewinnen, und wird deshalb im Bergbau stark genutzt. Mit einem ähnlichen Verfahren kann man auch Stickoxide zu Stickstoff umwandeln (Haber-Bosch-Synthese).
- Kohlehydrierung: Durch verschiedene chemische Reaktionen wird Kohle mit H₂ in flüssige Kohlenwasserstoffen überführt. So lassen sich Benzin, Diesel und Heizöl künstlich herstellen. Momentan hat das Verfahren kaum wirtschaftliche Bedeutung. Das könnte sich aber drastisch ändern, sobald die Ölvorräte der Erde zur Neige gehen.
- Fetthärtung: Gehärtetes Fett wird oft aus Pflanzenöl mittels Hydrierung gewonnen und bildet sogenannte Transfettsäuren. Dabei werden Doppelbindungen in den Fettsäure-Ketten der Fettmoleküle mit Wasserstoff abgesättigt. Die entstandenen Moleküle haben einen höheren Schmelzpunkt, wodurch das Produkt fest wird. Auf diese Weise stellt man Margarine her.
- Kühlmittel: Aufgrund seiner hohen Wärmekapazität benutzt man Wasserstoff in Kraftwerken und industriellen Anlagen als Kühlmittel. Insbesondere setzt man H₂ dort ein, wo eine Flüssigkeitskühlung problematisch werden kann. Die Wärmekapazität kommt dort zum tragen, wo das Gas nicht oder nur langsam zirkulieren kann. Weil die Wärmeleitfähigkeit ebenfalls hoch ist, verwendet man strömendes H₂ auch zum Abtransport von thermischer Energie in große Reservoire (z. B. Flüsse). In diesen Anwendungen schützt Wasserstoff die Anlagen vor Überhitzung und erhöht die Effizienz.
- Cryogen: Wegen der hohen Wärmekapazität eignet sich flüssiger Wasserstoff als Cryogen, also als Kühlmittel für extrem tiefe Temperaturen. Auch größere Wärmemengen können von flüssigen Wasserstoff gut absorbiert werden, bevor eine merkliche Erhöhung in seiner Temperatur auftritt. So wird die tiefe Temperatur auch bei äußeren Schwankungen aufrechterhalten. Eine wichtige Anwendung findet sich beispielsweise bei der Supraleitung. Supraleitende Magnete erzeugen extrem starke Felder und werden in Teilchenbeschleunigern oder Tomografen eingesetzt.
- Traggas: In Ballons und Luftschiffe fand Wasserstoff eine seiner ersten Verwendungen. Wegen der leichten Entzündlichkeit von H₂-Luft-Gemischen führte dies jedoch wiederholt zu Unfällen. Die größte Katastrophe in diesem Zusammenhang ist wohl das Unglück der „Dixmude“ 1923, am bekanntesten wurde sicherlich die „Hindenburg-Katastrophe“ im Jahr 1937. Wasserstoff als Traggas wurde mittlerweile durch Helium ersetzt und erfüllt diesen Zweck nur noch in sehr speziellen Anwendungen. Die beiden natürlichen Isotope haben spezielle Einsatzgebiete. Deuterium verwendet man in Kernkraftwerken als Moderator. In der Verbindung als schweres Wasser bremst Deuterium schnelle Neutronen auf thermische Energien ab, so dass sie für weitere Spaltungen zur Verfügung stehen. Zu schnelle Neutronen können keine Kernspaltung auslösen und gehen dem Reaktor verloren. Daher ist die Verwendung eines Moderators wichtig für die Funktionsfähigkeit eines Kernkraftwerks. Außerdem werden deuterierte Lösungsmittel in der magnetischen Kernresonanzspektroskopie benutzt, da Deuterium einen Kernspin von null besitzt und daher in NMR-Spektren nicht sichtbar ist. In der Chemie und Biologie helfen Deuteriumverbindungen bei der Untersuchung von Isotopeneffekten (Isotopenmarkierung). Das radioaktive Isotop Tritium wird in Kernreaktoren in industriell verwertbaren Mengen hergestellt. In der zivilen Nutzung dient es in Biologie und Medizin als radioaktiver Marker. So lassen sich beispielsweise Tum

Ballon

Funktionsweise

Ballongas

Geschichte

Arten und Verwendung

kleine Ballons (Inhalt einige Liter)

mittlere Ballons (Inhalt einige hundert bis 4000 Liter)

große Ballons (Inhalt 2200 bis 12000 Kubikmeter)

Literatur

Weblinks

Süddeutschland

Siehe auch

Schweizer Hochdeutsch

Verwendung

Einstellung der Schweizer zur Standardsprache

Schule

Siehe auch

Literatur

Beutel

Material

Andere Begriffe mit Beutel als Wortbestandteil:

Behandlung des Beutels in Literatur und Musik

Luft

Zusammensetzung

Stickstoff

Sauerstoff

Argon

Wasserdampf

Variabilität in der Zeit

Variabilität im Raum

Substanzen geringerer Konzentration

Kohlenstoffdioxid

Ozon

Physikalische Größen der Luft

Luftdichte

Luftdruck

Lufttemperatur

Luftfeuchtigkeit

Andere

Luftverschmutzung und Luftreinhaltung

Kulturelle Bedeutung

Siehe auch

Weblinks

Luftballon

Form und Außenhaut

Füllung

Werbeluftballons

Verwendung

Weblinks

Helium

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Bohrsches Atommodell

Molekülorbital-Modell

Eigenschaften

Im gasförmigen Zustand

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Elektronische Zustände des Heliums

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3He und 4He

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Wasserstoff

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Kernspinzustände im H₂-Molekül