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Hydroxygruppe

Hydroxygruppe

Die Hydroxylgruppe (auch Hydroxygruppe) (-OH) ist die funktionelle Gruppe der Alkohole und Phenole. Sie kommt aber auch bei Zuckermolekülen und – zusammen mit der Carbonylgruppe – als Carboxylgruppe in den Carbonsäuren vor. Zur Aufklärung der Struktur eines einfachen Alkohols, zum Beispiel unseres Trinkalkohols Ethanol, trägt ein Experiment bei, bei dem man Natrium zu Ethanol gibt. Das dabei entstehende Gas lässt sich als Wasserstoff identifizieren. Quantitative Messungen haben zudem ergeben, dass pro Molekül Alkohol jeweils nur ein Atom Wasserstoff freigesetzt wird. Aus dieser Tatsache wird auf das Vorhandensein der funktionellen Hydroxylgruppe (-OH) geschlossen, die als typisches Merkmal der Alkohole gilt. Die Hydroxylgruppe verleiht dem Alkoholmolekül polare Eigenschaften. So können sich zum Beispiel zwischen Ethanolmolekülen Wasserstoffbrücken ausbilden. Dadurch kommt es zu einer Anziehung und Vernetzung benachbarter Alkoholmoleküle, was schließlich den flüssigen Aggregatzustand des Ethanols bedingt. Phenolische Hydroxyfunktionen haben im Gegensatz zu alkoholischen saure Eigenschaften, da das entstehende Phenolat mesomerie stabilisiert ist. Das gilt zwar auch für aliphatische Enole, doch bei diesen liegt bei der Keto-Enol-Tautomerie im Gegensatz zu den Phenolen fast ausschließlich das Keton vor, weil es energetisch begünstigt ist. Bei den Phenolen ist es aber wegen der Ausbildung des aromatischen Systems genau umgekehrt (vgl. Hückel-Regel). Die Hydroxylgruppe darf nicht mit dem negativ geladenen OH-Ion verwechselt werden, siehe Laugen. Siehe auch: Hydroxyverbindungen Kategorie:Funktionelle Gruppe ja:ヒドロキシル基

Funktionelle Gruppe

In der Chemie versteht man unter funktionellen Gruppen Atomgruppen in organischen Verbindungen, die die Stoffeigenschaften und das Reaktionsverhalten der sie tragenden Verbindungen maßgeblich bestimmen. Im Fall von anorganischen oder metallorganischen Verbindungen werden auch einfache Alkyl- oder Arylgruppen als funktionelle Gruppen angesehen. Alle organischen Seitenketten beziehungsweise funktionellen Gruppen werden unter der allgemeinen Bezeichnung Organylgruppe zusammengefasst. Chemische Verbindungen, die die gleichen funktionellen Gruppen tragen, werden auf Grund ihrer ähnlichen Eigenschaften zu Stoffklassen zusammengefasst.

Nomenklatur

Grundsätzlich zu bevorzugen ist die sogenannte substitutive Nomenklatur, welche im Folgenden beschrieben wird. Nach dieser Nomenklatur findet sich die funktionelle Gruppe entweder als Vorsilbe (Präfix) oder als Endung (Suffix) im Namen der Gesamtverbindung wieder. Die ranghöchste Gruppe wird dabei als Endung verwendet, und alle anderen, alphabetisch geordnet, als Vorsilben. Die verschiedenen Verbindungsklassen sind in der Tabelle nach abnehmender Prioriät geordnet. Zum Teil gibt es unterschiedliche Bezeichnungen, je nachdem ob das angegebene Kohlenstoffatom einen Teil des Stammsystems (siehe Stichwort Nomenklatur) darstellt (Darstellung: R-CXYZ) oder nicht (Darstellung: R-CXYZ).

Standardnomenklatur

Nomenklatur über Präfixe

Grundsätzlich nur als Vorsilben (Präfixe) werden folgende funktionelle Gruppen verwendet:

Sonderfall Mehrfachbindungen

Ebenfalls zu den funktionellen Gruppen gerechnet werden die Mehrfachbindungen: Aus Sicht der Nomenklatur werden Mehrfachbindungen aber im Allgemeinen als Teil des Stammsystems aufgefasst. Neben diesem Nomenklatursystem gibt es noch weitere, weniger gebräuchliche Systeme. Eines davon ist z.B. die radikofunktionelle Nomenklatur, nach der z.B. Chlormethan als Methylchlorid oder Ethanol als Ethylalkohol bezeichnet werden.

Eigenschaften

Oft betrachtet man ein (wenig reaktives) Grundgerüst, an das funktionelle Gruppen gebunden sind. Die meist durch Substitution angelagerten funktionellen Gruppen beeinflussen die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Ausgangsstoffes teilweise erheblich. Im folgenden ist der Vergleich des Alkans Butan mit drei seiner Derivate gezeigt: Fuktionelle Gruppen werden aufgrund der beteiligten Atome in Funktionelle Gruppe mit Heteroatomen (z.B. Ether) und in solche ohne Heteroatome (z.B. C=C Doppelbindungen, Dreifachbindungen oder Aromaten) eingeteilt. Letztere werden manchmal nicht als "vollwertige" funktionelle Gruppen betrachtet, weil sie zum einen nur als Strukturbausteine betrachtet werden, die zum anderen wenig bis gar nicht reaktiv sind.

Literatur

Hellwinkel, D.: Die systematische Nomenklatur der organischen Chemie. Eine Gebrauchsanweisung, 4. Aufl., Springer, Berlin 1998, ISBN 3-540-63221-2

Weblinks


- [http://www.iupac.org/ Offizielle Seite der International Union of Pure and Applied Chemisty]
- [http://www.acdlabs.com/iupac/nomenclature/ IUPAC-Regeln zur Nomenklatur in der organischen Chemie (englisch)] Kategorie:Chemie ja:基 ko:작용기

Phenole

Als Phenole werden in der Chemie aromatische Verbindungen bezeichnet, die aus einem Benzolring und einer oder mehrerer daran gebundener Hydroxylgruppen bestehen. Nach der chemischen Nomenklatur werden Phenole durch Anhängen der Nachsilbe -ol oder Voranstellen der Vorsilbe Hydroxy- bezeichnet. Das Phenol ist die einfachste Verbindung der Phenole mit einer Hydroxylgruppe, Summenformel C6H5OH. Weitere Phenole mit einer Hydroxygruppe sind die Kresole (o-, m- und p-Kresol), Naphthole (α- und β-Naphthol) und Thymol. Die bekanntesten Dihydroxybenzole (Diphenole), Phenole mit zwei Hydroxygruppen, sind Brenzcatechin, Resorcin, Hydrochinon und 1,4-Naphthohydrochinon. Ein wichtiges Triphenol ist das Phloroglucin, das in salzsaurer Lösung als Nachweisreagenz für den Holzstoff Lignin verwendet wird. Auch Pyrogallol, das in der chemischen Analytik zum Nachweis und zur Absorption von Sauerstoff eingesetzt wird, gehört zu den Triphenolen. Die Pikrinsäure ist ein Beispiel für ein substituiertes Phenolderivat. Weitere chemisch bedeutsame Phenolderivate sind: Salicylsäure, o- und p-Nitrophenol, Gallussäure, Eugenol, Hexachlorophen, Adrenalin und Noradrenalin. Obwohl sie Alkoholen ähneln, sind Phenole im Unterschied zu diesen schwache Säuren, da das entstehende Anion mesomeriestabilisiert ist. Mit Alkalilaugen bilden Phenole daher wasserlösliche Salze, die Phenolate. Phenole besitzen eine Keto-Enol-Tautomerie, die aber durch die energetische Begünstigung durch die Bildung des aromatischen Systems (vgl. Hückel-Regel) im Gegensatz zu den aliphatischen Enolen komplett auf der Enol-Seite liegt. Einige Phenole werden durch Destillation aus Steinkohlenteer gewonnen, andere können aus Naturstoffen isoliert werden. Die meisten werden heute aber nach dem Cumolhyroperoxidverfahren synthetisiert (Siehe dazu Phenol). Phenole sind die Grundlage zur Herstellung von Kunstharzen (Phenoplaste). Sie werden auch bei der Herstellung von Kunststoffen, Farbstoffen, Pharmazeutika und Pestiziden verwendet. Hydrochinon (1,4-Dihydroxybenzol) ist ein starkes Reduktionsmittel und wird deshalb auch als photographischer Entwickler eingesetzt. Zu den Phenolen zählen Tannine und die meisten Aromastoffe, die den Duft und Geschmack des Weines bestimmen. Andere bekannte Phenole sind das Vanillin, der wichtigste Aromabestandteil der Vanille sowie Cinnamaldehyd, ein Bestandteil der Zimtrinde.

Gesundheit - Phenole im Wein

Studien besagen, dass bei mäßigem aber regelmäßigem Genuß von Rotwein die Häufigkeit von Herzerkrankungen sinkt. Da der Rotwein sich hauptsächlich durch die Phenole vom Weißwein unterscheidet, wird angenommen, dass es durch die oxidationshemmenden Eigenschaften der Phenole zu diesem Effekt kommt. Andere Studien jedoch sprechen dem Weißwein ebenfalls gesundheitsfördernde Wirkung zu. Kategorie:Stoffgruppe Kategorie:Wein Kategorie:Gift

Zucker

Zucker (indoeuropäisch sarkara = Kieselsteine, Gemahlenes; persisch schekkar) ist Nahrungsmittel und gleichzeitig Genussmittel. Mit die Zucker bezeichnet man auch die chemische Gruppe der Kohlenhydrate. Dieser Artikel behandelt die im Haushalt bekannte Saccharose. Der Energiegehalt von Zucker beträgt 16,8 kJ pro Gramm (zum Vergleich: Alkohol liefert 29,8 kJ pro Gramm).

Zuckererzeugung

Hauptquellen sind Zuckerrohr (Anbau in den Tropen) und Zuckerrübe (Anbau in gemäßigten Breiten, z.B. Mitteleuropa). Die Saccharose ist als Substanz direkt in diesen Anbaufrüchten enthalten und wird durch Herausauslösen oder -kochen oder -pressen in wässriger Lösung extrahiert und beim weiteren Einkochen als Kristalle ausgefällt. Je nach gewünschtem Reinheitsgrad wird der Zucker wiederholt umgefällt und gereinigt. Eine allgemeinere Behandlung, die auch die chemischen Eigenschaften enthält, findet sich im Artikel Kohlenhydrate. Pflanzenarten, die für die Gewinnung von Zucker verwendet werden, finden sich im Artikel Nutzpflanzen.

Kulturgeschichte des Zuckers

Nutzpflanzen
- 8.000 v. Chr. - älteste Zuckerrohr-Funde in Melanesien, Polynesien
- 6.000 v. Chr. - Zuckerrohr gelangt von Ostasien nach Indien und Persien
- 600 v. Chr. - Zuckergewinnung in Persien: heißer Zuckerrohrsaft wird in Holz- oder Tonkegel gefüllt, in der Spitze kristallisiert der Zucker, es entsteht der Zuckerhut.
- Spätantike: Saccharum genannter Zucker ist in Rom als Luxusgut der Superreichen nachgewiesen und wird aus Indien bzw. Persien importiert.
- 1100 n. Chr. - Mit den Kreuzfahrern gelangt Zucker erstmalig wieder nach Europa
- Ab ca. 1500 - Zuckerrohr wird weltweit auf Plantagen angebaut, Zucker bleibt ein begehrtes Luxusgut für die Reichen. Es wird als Weißes Gold bezeichnet. Das gemeine Volk süßt nach wie vor mit Honig aus Zeidlerei.
- 1747 - Andreas Sigismund Marggraf entdeckt den Zuckergehalt der Runkelrübe.
- 1801 - Der Chemiker Franz Carl Achard schafft die Grundlagen der industriellen Zuckerproduktion. Die erste Rübenzuckerfabrik der Welt entsteht in Cunern/Schlesien.
- 1841 - Erster Würfelzucker der Welt, erfunden von Jakob Christian Rad (Direktor der Datschitzer Zuckerraffinerie in Böhmen) war mit roter Lebensmittelfarbe eingefärbt, weil Juliane Rad (seine Frau) sich beim Herausbrechen aus den vorher üblichen Zuckerhüten den Finger verletzt hatte und ihren Mann daraufhin bat, gleich kleinere Zucker-Portionen herzustellen. Er erfand die Zuckerwürfelpresse, stellte die ersten Würfelzucker her und schenkte die ersten, rot gefärbt, seiner Frau zur Erinnerung an den Vorfall. Frau Rad hatte die blutbespritzten Zuckerstücke dennoch ihren Gästen angeboten, da Zucker damals sehr wertvoll war.
- Ab ca. 1850 - Der Zuckerpreis fällt durch die beginnende industrielle Herstellung. Damit entwickelt sich Zucker zum Gegenstand des täglichen Bedarfs, siehe hierzu auch Abschnitt: Beginn der industriellen Herstellung von Zucker aus Rüben.

Zuckersorten

Da im Folgenden öfters von Raffinade gesprochen wird, sei hiermit angemerkt, dass es sich dabei um durch Raffination gereinigten, weißen Zucker handelt.
- Basterdzucker: fein kristallin, zur Herstellung von Backwaren, feucht, krümelig, inverthaltig.
- Brauner Zucker: grob auskristallisiert, Zwischenprodukt bei der Zuckerherstellung. Anhaftender Sirup verleiht dem Zucker Färbung und klebrige feuchte Konsistenz.
- Dekorierzucker: feinster Puderzucker und Reisstärke, zur Dekoration von Gebäck, da auf warmem Gebäck nicht schmelzend.
- Demerara-Zucker: Weißer Rohrzucker, der mit Melasse aus Zuckerrohr versetzt ist. Er bildet ein großes, leicht klebriges, blaßbraunes Kristall. Er wird häufig zu Kaffee serviert und auch bei der Herstellung von Gebäck und Süßigkeiten verwendet.
- Einmachzucker: meist aus einfachem Weisszucker hergestellt, enthält jedoch häufig als Zusatz Pektin, um das Gelieren der Früchte zu beschleunigen.
- Farin: Feiner, mehlartiger Zucker, durch Zufügen von Sirup braun gefärbt.
- Flüssiger Zucker: häufig in Nahrungsmittelindustrie angewandt; aus konzentrierter Zuckerlösung.
- Fondant: gerührte Masse aus gekochtem Zucker, für die Zubereitung von Gebäck, Pralinen und Konfekt.
- Gelierzucker: für Konfitüren, Gelees und Marmeladen; aus Raffinade mit Pektin, Zitronensäure oder Weinsäure als Geliermittel.
- Grießzucker: Grießzucker ist ein grobkörniger Kristallzucker. Kristallzucker wird in den Korngrößen Grießzucker, Sandzucker und Kastorzucker angeboten.
- Hagelzucker: sieht aus wie kleine Hagelkörner, zum Verzieren von Gebäck; aus Raffinade durch Agglomerieren hergestellt.
- Instantzucker: Rasch lösliche Raffinade, besitzt bei gleicher Süßkraft doppeltes Volumen.
- Invertzucker: Durch Hydrolyse (Inversion) von Saccharose entstandenes Gemisch, halb aus Traubenzucker, halb aus Fruchtzucker.
- Isoglucose: (auch "Glukosesirup", "Corn Sirup", "Maissirup", "Maiszucker"), in Getränken und Obstkonserven verwendet, dem Invertzucker verwandt. Vorwiegend aus Maisstärke hergestellt.
- Kandisfarin: Brauner Kandis mit kleinerer Kristallgröße. Geringere Reinheit als Kandis.
- Kandiszucker: Zuckerkristalle von unterschiedlicher Größe und Farbe; entsteht durch langsames Auskristallisieren reiner Zuckerlösung. Um braunen Kandis zu erhalten, wird karamellisierter Zucker zugefügt; gleiche Süßkraft wie Raffinade.
- Karamell: Durch Erhitzen von Traubenzucker oder Rohrzucker auf 150 bis 180°C entstehende braune Masse, die nicht kristallisiert.
- Läuterzucker: Klarer, dickflüssiger Sirup aus Invertzucker und wenig Wasser, wird meist für die Herstellung von Mixgetränken (Cocktails etc.) eingesetzt, da auch kalt schnell löslich.
- Maltose/Malzzucker: Aus Stärke gewonnener Zucker, der bei der Produktion von Alkohol zum Einsatz kommt.
- Melasse: als dunkelbrauner Sirup verbleibender "Produktionsrest" der Zuckerherstellung; dient der Alkohol- oder Hefenherstellung, wird auch als Viehfutter verwertet. Melasse aus Zuckerrohr dient der Rumherstellung.
- Milchzucker: ("Laktose", "Sandzucker") in der Milch vorkommend, besteht aus Glukose und Galaktose. In der Pharmakologie häufig als Grundlage für Tabletten dienend. Wird von vielen Menschen, besonders Nichteuropäern, genetisch bedingt nicht vertragen.
- Perlzucker: andere Bezeichnung für Hagelzucker (siehe oben).
- Pilézucker: Weißzucker aus Zuckerplatten in Stücke zerschlagen.
- Puderzucker: fein gemahlene Raffinade; bei der Herstellung von Zuckerglasuren und beim Backen von Makronen verwandt.
- Raffinade: meistgebrauchter weißer Haushaltszucker, aus Zuckerrohr oder Zuckerrüben hergestellt. Besteht zu 99,9 Prozent aus Saccharose, muss besonderen Reinheitsanforderungen entsprechen, in verschiedener Körnigkeit hergestellt.
- Raffinose: nicht süß schmeckender Zucker, kommt in vielen Pflanzen vor. Tritt häufig als Verunreinigung im Haushaltszucker auf.
- Rohrzucker: Zucker, aus Zuckerrohr hergestellt; gleichbedeutend mit Saccharose. Rohrzucker wird häufig im Erzeugerland als Rohzucker abgegeben und in speziellen Zuckerraffinerien aufgelöst, erneut kristallisiert (=raffiniert) und je nach dem Bedarf des lokalen Marktes in verschiedenen Sorten an die Verbraucher abgegeben. Vollrohrzucker ist eingedickter und getrockneter Zuckerrohrsaft ohne weitere Verarbeitung. Er besteht zu 95 Prozent aus Saccharose und anderen Zuckerarten, enthält aber auch Mineralstoffe, Spurenelemente und Vitamine.
- Sirup: Ahornsirup, Rübensirup, Birnendicksaft u. a. Sirupe durch mehrmaliges Kochen des Saftes hergestellt. Hoher Zuckeranteil: (Ahornsirup 65 %, Rübensirup 62 %, Birnendicksaft 78 %).
- Stärkezucker: alle aus Stärke (z.B. Maisstärke) hergestellten Zuckerarten, u.a.: Isoglukose, Stärkesirup, Glukosesirup, Fruktosesirup, Maltodextrin; in der Industrie zunehmend verbreitet, häufige Alternative zur Raffinade.
- Traubenzucker aus Weintrauben hergestellt besteht hauptsächlich aus Dextrose
- Vanillezucker: Feiner weißer Zucker mit echtem Vanillemark gemischt.
- Vanillinzucker: Statt echter Vanille wird Vanillin-Aroma mit feinem weißem Zucker vermischt.
- Weißzucker: auch "Grundsorte", Vorform der Raffinade.
- Würfelzucker: angefeuchtete Raffinade zu Würfeln gepresst, anschließend wieder getrocknet.
- Zuckeralkohole: als Zuckeraustauschstoffe verwendet. Zuckerabbau bei Verdauung langsamer, als normaler Zucker. Bedeutsam für nicht insulinpflichtige Diabetiker z.B. Sorbit, Xylit und Mannit.
- Zuckerkulör: Lösung aus Karamell, zum Färben von Speisen verwendet.

Physiologische und gesundheitliche Aspekte

Karamell] Zucker in der Nahrung wird, anders als Stärke, die erst durch Verdauung in Zucker umgewandelt werden muss, sehr schnell von der Darmwand aufgenommen und ans Blut abgegeben. Er erhöht daher kurzfristig den Blutzuckerspiegel und regt die Insulinausschüttung an. Durch das Insulin wird auch die Aufnahmefähigkeit des Gehirns für Tryptophan aus dem Nahrungseiweiß gefördert, wo es in das Hormon Serotonin umgewandelt wird, das eine stimmungsaufhellende Wirkung besitzt. Der Körper wird also für den Verzehr süßer Nahrung doppelt belohnt: durch einen "Energieschub" und "gute Laune". Diese Effekte halten allerdings nicht lange an, da der erhöhte Blutzuckerspiegel schnell wieder abgebaut wird. Bei stärkehaltigen Nahrungsmitteln wird der Zucker dagegen, durch den Verdauungsprozess verzögert, gleichmäßiger ans Blut abgegeben. 2003 wurde im Auftrag der World Health Organization und der Food and Agriculture Organization (FAO) ein Report von einem Gremium internationaler Experten erstellt. Er konstantierte, dass wer sich gesund ernähren wolle, nicht mehr als 10% seiner Nahrungsaufnahme aus Zucker beziehen sollte. Eine Langzeitstudie des Kopenhagener Bispebjerg-Spitals mit 5200 Männern zeigte, dass das Risiko einer Gewichtszunahme bei jenen Probanden, die ihre täglichen 5-6 Tassen Kaffee mit je zwei Stück Zucker süßten, um 40 Prozent geringer war als bei jenen, die darauf verzichteten. Als Erklärung dafür geben die Forscher eine mögliche stoffwechselanregende und appetitzügelnde Wirkung des süßen Kaffees an. Zucker und Sucht: Gelangt Zucker in die Blutbahn, löst er dort die Sekretion von Serotonin aus, das auch als Schmerzblocker bei Verletzungen ausgeschüttet wird. Nach ca einer halben Stunde fällt der Blutzuckerwert und löst eine Hypoglykamie aus http://de.wikipedia.org/wiki/Hypoglykämie. Das Gefühl der Schlappheit verbunden mit Heißhunger-Gefühl kann dann wieder mit Süßem bekämpft werden - ein Teufelskreis entsteht. Es ist ist immer noch umstritten, ob bei der Ernährung zwischen schon im Essen enthaltenem Zucker und vom Menschen hinzugefügtem unterschieden werden muss. Auf jeden Fall erhöhen versteckte Zucker in der Nahrung das Risiko, an Übergewicht/Adipositas zu leiden. Anders als der Name vermuten lassen könnte, wird die Zuckerkrankheit nicht direkt durch Zuckerkonsum verursacht. Sie beruht nach heutigem Wissensstand entweder auf einer Autoimmunreaktion, die die Bauchspeicheldrüse schädigt (Typ 1) oder auf einer genetischen Disposition zur Insulinresistenz (Typ 2), die besonders durch Übergewicht und Bewegungsmangel zum Tragen kommen kann, und deren Folge eine Zuckerunverträglichkeit ist. Zucker in der festen Nahrung sowie in süßen Getränken und Säften (Babynahrung!!!) ist von großer Bedeutung für die Entstehung von Zahnkaries, da im Mundraum lebende Streptokokken überschüssigen Zucker in Säuren umwandeln, die Mineralien aus dem Zahnschmelz lösen und ihn so schädigen. In der Alternativmedizin wird Zucker - besonders als Raffinade, also fast reine Saccharose - mit verantwortlich gemacht für eine Beeinflussung des körpereigenen Säure-Basen-Haushalts in Richtung eines geringeren pH-Werts, einer Übersäuerung. Sie gilt in der Naturheilkunde als mitverantwortlich für verschiedene Erkrankungen wie Rheuma, Migräne, Schlaganfall und Herzinfarkt, teilweise auch für Krebs. Als Indiz für eine Übersäuerung des Körpers gilt dabei der pH-Wert des Urins. Bei diesen Theorien handelt es sich um rein erdachte Behauptungen, Rückschlüsse vom Säuregehalt des Urins auf den des Körpers sind ernährungsmedizinisch nicht anerkannt, ebenso konnten Zusammenhänge zwischen Säure-Basen-Status und den genannten Krankheiten nicht wissenschaftlich belegt werden. Allgemein wird empfohlen, Zucker bzw. zuckerhaltige Lebensmittel nur in Maßen zu konsumieren um eine ausgewogene Ernährung zu gewährleisten

Beginn der industriellen Herstellung von Zucker aus Rüben

Andreas Sigismund Marggraf hatte 1747 nachgeweisen, dass im Rübensaft Zucker enthalten ist. Die Fabrikationsverfahren, die sein Schüler Franz Karl Achard um 1800 entwickelte, führten 1825 zur Entstehung der Rübenzuckerindustrie, die bereits Ende des 19. Jahrhunderts im Weltmaßstab ebensoviel Zucker erzeugte wie die traditionelle Rohrzuckerindustrie. Der Landwirtschaft war es gelungen, Rüben mit hohem Zuckergehalt zu züchten. Ganze Landstriche, wie die Magdeburger Börde, stellten sich auf den Anbau von Rüben ein. Diese Monokulturen, die viel Dünger benötigten, stimulierten ihrerseits die Entwicklung der Düngemittelindustrie. Viele Chemiker und Techniker machten, mit Rationalisierung und Automatisierung, trotz der saisonbedingten relativ geringen Auslastung der Fabriken (der so genannten Kampagne) die Rübenzuckerindustrie rentabel. Zu den Pionieren der Rübenzuckerindustrie gehört Adolph Frank, der 1858 ein Patent zur Scheidung und Reinigung von Rübensäften erhielt.

Siehe auch


- Zuckeraustauschstoffe
- Süßstoffe
- Stevia (pflanzlicher Zuckerersatzstoff aus Südamerika)
- Luo Han Guo (pflanzlicher Zuckerersatzstoff aus China)

Literatur


- Henry Hobhouse: Sechs Pflanzen verändern die Welt. Chinarinde, Zuckerrohr, Tee, Baumwolle, Kartoffel, Kokastrauch. 4. Auflage. Klett-Cotta, Hamburg 2001, ISBN 3-608-91024-7 (spannend zu lesende Geschichte mit komplett anderer Perspektive)
- Sidney W. Mintz: Die süße Macht. Kulturgeschichte des Zuckers. 2. Auflage. Campus, Frankfurt a. Main/New York 1992, ISBN 3-593-34721-0 (Originaltitel: Sweetness and power.)
- Max O. Bruker: Zucker, Zucker…. Krank durch Fabrikzucker. Emu-Verlag, Lahnstein 1991, ISBN 3-891-89034-6
- van der Poel, P.W., Schiweck, H., Schwartz, T.: Zuckertechnologie, Rüben- und Rohrzuckerherstellung 1. Auflage. Dr. Albert Bartens KG 1998, ISBN 3-87040-70-6

Weblinks


- [http://www.medizinfo.de/ernaehrung/zucker.htm
- [http://www.dtmb.de/Zucker-Museum/ Berliner Zucker-Museum]
- [http://www.wdrmaus.de/sachgeschichten/zuckerwuerfel/ Sendung mit der Maus: Zuckerwürfel]
- [http://www.medizinfo.com/ernaehrung/zucker.htm Zucker und seine Namen]
- [http://www.lexi-tv.de/lexikon/thema.asp?InhaltID=1532&Seite=1 Lexi-TV] zum Thema Zucker
- [http://www.suedzucker.de/produkt/schema/index.shtml Zuckerherstellung (www.suedzucker.de)]
- [http://www.das-eule.de/editorial12004.html Zucker: süße Mythen] - aus EU.L.E.n-Spiegel 1/2004
- [http://www.zucker.prv.pl/ "Zucker" in 220 Sprachen.]
- [http://www.oew.org/de/aktuellesartikel.php?id=106 Was ist Zucker? (Quelle: OEW)]
- [http://www.oew.org/de/machmitartikel.php?id=113 Coca Cola und Zucker? (Quelle: OEW)]
- [http://www.oew.org/de/aktuellesartikel.php?id=110 Zucker - die süße Falle? (Quelle: OEW)] Kategorie:Süßmittel Kategorie:Lebensmittel Kategorie:Biomasse ja:糖

Carboxylgruppe

Die Carboxylgruppe (auch Carboxygruppe) ist die charakteristische funktionelle Gruppe der Carbonsäuren. Sie hat die Formel -COOH. An das Kohlenstoff-Atom der Carboxylgruppe ist über eine Doppelbindung ein Sauerstoff-Atom und über eine Einfachbindung eine Hydroxylgruppe gebunden. Da das Sauerstoff-Atom auf Grund seiner starken Elektronegativität einen elektronenziehenden Effekt (-I-Effekt) auf das Kohlenstoff-Atom ausübt, wird das Kohlenstoff-Atom positiv polarisiert, es erhält eine positive Partialladung. Der partielle Elektronenmangel am C-Atom bewirkt, dass die polare Atombindung zwischen dem Sauerstoff- und dem Wasserstoff-Atom der Hydroxylgruppe noch stärker polarisiert wird, so dass das positiv polarisierte Wasserstoff-Atom in wässriger Lösung leicht als Proton auf ein Wasser-Molekül unter Bildung eines Oxonium-Ions übertragen werden kann. Das Proton der Carboxylgruppe kann somit leichter abgespalten werden, als das Proton einer Hydroxylgruppe. Zudem ist die entstehende, negativ geladene Carboxylatgruppe resonanzstabilisiert, da die negative Ladung über das C-Atom und die zwei O-Atome delokalisiert ist. So erklärt sich die höhere Acidität (Säurestärke) der Carbonsäuren gegenüber den Alkoholen. Kategorie:Funktionelle Gruppe ja:カルボキシル基

Ethanol

Ethanol (fachsprachlich für Äthanol) ist eine chemische Verbindung, die aus zwei Kohlenstoffen, Wasserstoff und einer Hydroxylgruppe (OH-Gruppe) besteht. Es handelt sich um einen Alkohol aus der Untergruppe der n-Alkanole, da in dem Molekül neben zwei Wasserstoffatomen nur eine Hydroxylgruppe an ein aliphatisches C-Atom gebunden ist. Früher wurde der Name Äthylalkohol verwendet. Häufig wird diese Verbindung umgangssprachlich als Alkohol, auch Weingeist oder Spiritus, bezeichnet, obwohl sie nur der prominenteste Vertreter einer ganzen Gruppe von Stoffen ist. Durch Gärung aus Biomasse gewonnenen Ethanol bezeichnet man auch als Agrar- oder Bioethanol. Man kann Ethanol aber auch durch die Synthese aus Wasser und Ethen unter Zugabe von Schwefelsäure als Katalysator herstellen.  

Beschaffenheit

Durch die OH-Gruppe (Hydroxylgruppe) ist Ethanol im Gegensatz zu Ethan polar. Daraus resultiert eine wesentlich bessere Wasserlöslichkeit. Als Lösungsmittel ist er deshalb für viele Stoffe besonders geeignet. So werden in der Pharmazie viele Pflanzenauszüge oder andere Medikamente als alkoholische Lösung dargeboten. Mit Wasser ist Ethanol unbegrenzt mischbar. Er bildet ein azeotropes Gemisch, so dass beim Destillieren von Ethanol kein reiner (absoluter) Alkohol, sondern ein Gemisch mit rund 6 Prozent Wasser entsteht. Um absoluten Ethanol herzustellen, muss dem destillierten Ethanol mit Hilfe von Trockenmitteln das restliche Wasser entzogen werden. Die verfahrenstechnische Trennung von Ethanol/Wasser-Gemischen erfolgt durch eine azeotrope Rektifikation. Die technische Durchführung der Azeotrop-Rektifikation erfolgt in einer Anlage mit zwei Rektifikationssäulen. In der Haupttrennsäule erfolgt die normale Rektifikation des Ethanol/Wasser-Gemischs bis in die Nähe des azeotropen Punkts. Sumpfprodukt ist Wasser. Dem Kopfprodukt (etwa 97 % Ethanol/ 3 % Wasser) wird der Hilfsstoff Cyclohexan beigemischt und das Dreistoffgemisch wird dann in die Hilfsstoff-Trennsäule geführt. Dort erfolgt eine Auftrennung in den am Sumpf anfallenden reinen Ethanol sowie in das Kopfprodukt Cyclohexan/Wasser-Gemisch. Cyclohexan und Wasser sind im flüssigen Zustand nicht mischbar und trennen sich nach der Kondensation in einem Abscheider (Dekanter). Der Hilfsstoff Cyclohexan wird am Zulauf der Hilfsstoff-Trennsäule wieder dem zufließenden azeotropen Ethanol/ Wasser-Gemisch beigemischt. Er läuft im Kreislauf im oberen Bereich der Hilfsstoff-Trennsäule und wird deshalb auch als "kopflaufender Hilfsstoff" bezeichnet. Bei Temperaturen um die -20 °C (Gefrierschrank) verdunstet Ethanol (96%) nur noch schwer und zeigt eher zähflüssige Eigenschaften. Bei -70 °C (durch Trockeneis) wird es weiter zähflüssiger.

Giftigkeit

Ethanol ist der wichtigste alkoholische Bestandteil alkoholischer Getränke. Eine übermäßige Einnahme von Ethanol kann zu den typischen Symptomen der Trunkenheit (Schwindel, Übelkeit, Orientierungsstörungen, Redseligkeit, gesteigerte Aggressivität, u. ä.) führen. Die regelmäßige Einnahme von Ethanol führt zur Alkoholkrankheit mit ihren vielfältigen Folgen wie Schädigung des Nervensystems, Epilepsie, Psychosen und Tod. Bei einer akuten Ethanolvergiftung hilft die sofortige Einnahme von viel Wasser, Herbeiführen von Erbrechen oder das Auspumpen des Magens.

Verwendung

Ethanol ist für Bakterien giftig und wird daher häufig als Desinfektionsmittel verwendet. Dabei ist die Wirksamkeit am höchsten, wenn ein Gemisch von Ethanol und Wasser mit ungefähr 70 % Alkoholgehalt verwendet wird. Auch wird durch Einreiben mit Spiritus (z. B. Franzbranntwein) die Durchblutung gefördert. Im Haushalt wird Spiritus gern als Reinigungsmittel für Glas, Chrom, Kunststoff usw. verwendet. In der Scheibenwaschanlage von Automobilen wirkt Spiritus sowohl als Reinigungs- als auch als Frostschutzmittel. Frostschutzmittel Als Brennstoff wird Ethanol in Form von Brennspiritus verwendet, beispielsweise für Rechauds sowie Camping- und Expeditionskocher. Grundsätzlich unterliegt die Verwendung von Ethanol der Branntweinsteuer. Um zu verhindern, dass Ethanol ohne Entrichtung dieser Steuer als Genussmittel getrunken oder diesen beigefügt wird, wird er vergällt. Die Verwendung vergällten Ethanols ist dann im technischen Sektor (Druckerei, Lackherstellung, Reinigungsmittelproduktion, Kosmetik etc.) steuerfrei möglich. Vergällung bedeutet, dass der Ethanol mit anderen Chemikalien, wie z. B. MEK (Butanon-2 mit 2 weiteren branntweinsteuerrechtlich vorgeschriebenen Markierungskomponenten), Petrolether, Cyclohexan, Phthalsäurediethylester oder ähnlichem versetzt wird, um ihn für den menschlichen Genuss unbrauchbar zu machen. Unter gleicher Maßgabe ist die steuerfreie Verwendung von Brennspiritus für jedermann überhaupt erst möglich. Hier wird dem Ethanol zusätzlich zum MEK noch das extrem bittere Denatoniumbenzoat (1 Gramm/100 Liter) beigemischt. Die früher übliche Verwendung von Pyridinen als Vergällungsmittel für Brennspiritus ist branntweinsteuerrechtlich zwar immer noch erlaubt, diese werden aber wegen ihrer gesundheitlichen Bedenklichkeit seit ca. 1993 von deutschen Herstellern nicht mehr eingesetzt. Zu beobachten ist zudem, dass einige Spiritusabfüller, vermutlich aus Kostengründen, keinen reinen 94-prozentigen Ethanol verwenden, sondern dem Ethanol diverse Fremdstoffe, Regenerate etc. beimischen. Hersteller, die noch reinen Ethanol verwenden, werden dies zumeist durch die Kennzeichnung "UN 1170" auf der Flasche kenntlich machen. Die Vergällungsmittel haben meist ähnliche Siedepunkte wie Ethanol, so dass sie sich durch Destillieren nur schwierig entfernen lassen. Nicht zu verwechseln ist Brennspiritus mit Trockenspiritus, der das Tetramere (CH3CHO)4 des Acetaldehyds CH3CHO ist.
Eine interessante Verwendung ist der Einsatz von Ethanol als Mittel zur Behandlung von Insektenstichen: Ein alkoholgetränktes Tuch wird dazu einige Zeit auf den frischen Stich gelegt. Die Schwellung geht zurück und der Juckreiz verschwindet, da der Alkohol viele der eingespritzen Gifte inaktiviert.

Bioethanol als Kraftstoff

Im Zusammenhang mit dem Kyoto-Protokoll wird heute häufig über die Herstellung und den Einsatz biogener Treibstoffe (also Treibstoffe biologischen oder organischen Ursprungs) und die Reduzierung von Kohlenstoffdioxid-Emissionen pro gefahrenem Kilometer debattiert. Hier kommt die Nutzpflanze Zuckerrübe ins Spiel; denn aus dem gewonnenen Zucker ist die Produktion von neuerdings steuerbefreitem Bioethanol möglich. Jener kann beispielsweise gemäß der Euronorm EN DIN 228 herkömmlichem Treibstoff direkt ohne Umbau des Motors bis ungefähr zu einem Anteil von 5 Volumen-Prozent beigemischt werden (wie es z. B. in Brasilien mit Bioethanol aus Zuckerrohr-Zucker schon seit Jahren der Fall ist). Er kann auch indirekt als Rohstoff für die Herstellung von Ethyltertiärbutylether (ETBE) genutzt werden, welcher sogar zu einem Anteil von 15 Volumen-Prozent normalem Benzin beigemischt werden kann. Die Beimischungen bewirken neben den zahlreichen Produktionsmöglichkeiten und langfristig sinkenden Preisen eine Reduzierung der anthropogenen Treibhausgase, da die energetische Nutzung von Bioethanol oder Ethern, wie ETBE CO2-neutral passiert: Das emittierte Kohlenstoffdioxid wird durch Photosynthese der Zuckerrüben wieder verbraucht. In einigen EU-Ländern (z. B. Polen, Tschechien) wird sogar eine Zwangsbeimischung von Bioethanol geprüft. Vorreiter in Europa in der Beimischung von Ethanol ist Schweden. Dort wird inzwischen der Treibstoff E85 angeboten. E85 besteht zu 85 % aus wasserfreiem Bioethanol und zu 15 % aus herkömmlichem Benzin. Für die Verwendung des E85-Kraftstoffs kommen überwiegend FFV (Flexible Fuel Vehicle) in Frage, die jegliche Ethanol-Benzin-Mischung auch unterhalb eines Anteils von 85 % Ethanol verbrennen können. Ihre Motoren sind jedoch mit zusätzlicher Sensorik und veränderten Werkstoffen für die Verbrennung dieses Kraftstoffes angepasst. Dies ist bedingt durch die vom Benzin abweichenden (Verbrennungs-)Eigenschaften des Ethanols. Aus Zuckerrüben und Zuckerrohr lässt sich außer Ethanol auch Methanol als Kraftstoff gewinnen.

Wiki/Weblinks


- [http://lambdasyn.science-hosting.de/synfiles/ethanol.htm Absolutierung von Ethanol]
- Ethanol als Energiequelle
  - [http://issct.intnet.mu/cpabs.htm Abstracts]
  - [http://www.rengen.info/?p=17 Essay]
  - [http://business.guardian.co.uk/story/0,16781,1648504,00.html Sugar powers a Revolution on Brazil's roads]

Sicherheitsdatenblätter

nur für reines Ethanol
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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 \mathrm^, \mathrm^, 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: :\mathrm :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 Tumorzellen aufspüren. In der Physik ist es einerseits selbst Forschungsgegenstand, andererseits untersucht man mit hochbeschleunigten Tritiumkernen schwere Kerne oder stellt künstliche Isotope her. Mit Hilfe der Tritium-Methode lassen sich Wasserproben sehr genau datieren. Mit einer Halbwertszeit von etwa 12 Jahren eignet es sich besonders für die Messung relativ kurzer Zeiträume (bis zu einigen hundert Jahren). Unter anderem lässt sich so das Alter teurer Weine feststellen. Es findet auch Verwendung als langlebige, zuverlässige Lichtquelle (Tritium leuchtet bläulich-grünlich) vor allem in militärischen Anwendungen. Weitere militärische Verwendung findet das Isotop in der Wasserstoffbombe und gewissen Ausführungen von Kernwaffen, deren Wirkung auf Spaltung beruht.

Rolle in der Energieversorgung

Einen besonderen Stellenwert hat Wasserstoff in der Energiewirtschaft. So sind beispielsweise die wichtigen Energieträger Erdöl und Erdgas Wasserstoffverbindungen. Aber auch mit dem Element selbst verbindet man Hoffnung auf eine Wasserstoffwirtschaft. Zwei Technologien sind in dieser Richtung wegweisend: die Brennstoffzelle und die Kernfusion.

Brennstoffzelle

Hauptartikel: Brennstoffzelle Wasserstoff wird an der Anode mit Hilfe eines Katalysators in Kationen (in diesem Fall Protonen) umgewandelt. Dies geschieht unter Abgabe der Elektronen an die Anode. So beginnt ein elektrischer Strom von der Anode zur Kathode zu fließen. An der Kathode wird das Oxidationsmittel, in der Regel Sauerstoff, durch Aufnahme der Elektronen zu Anionen (O2-). Die negativen Sauerstoff-Ionen reagieren mit den zur Kathode gewanderten H+-Ionen zu Wasser. Die auftretenden Reaktionen sind in den folgenden Gleichungen wiedergegeben: Wasser
- Anode: :\mathrm :Oxidation / Elektronenabgabe
- Kathode: :\mathrm :\mathrm :Reduktion / Elektronenaufnahme
- Gesamtreaktion: :\mathrm :Redoxreaktion / Zellreaktion Einige Punkte auf dem Weg zur praktischen Nutzung stellen folgende Ereignisse dar:
- Am 13. April 1994 stellt die Daimler-Benz AG das erste Brennstoffzellen-Fahrzeug NECAR 1 (New Electric Car) der Öffentlichkeit vor. Im Mai 1997 präsentiert die Firma den Stadtomnibus NEBUS mit Brennstoffzellenantrieb.
- 2004 wird das Wasserstoff-Leichtmobil Hysun3000 vom TÜV zugelassen.
- Am 26. Juni 2005 findet der „Eco-Marathon“ in Ladoux statt. Das PAC-II Car braucht nur 8 Liter Wasserstoff, um einmal um den Erdball zu fahren. Entwickelt wurde es von der ETHZ.

Kernfusion

ETHZ Hauptartikel: Kernfusion Schon bald nach den Anfängen der Kernphysik im ersten Viertel des 20. Jahrhunderts, wurde die Aufmerksamkeit der Physiker auf die Energiegewinnung gelenkt. Neben der Kernspaltung wurde auch der Weg einer Verschmelzung der Kerne, die Kernfusion, erforscht. Die ersten gefundenen Reaktionen sind die Proton-Proton-Reaktionen, bei denen Wasserstoffkerne direkt zu Helium verschmelzen. Das konnte die Energiegewinnung in leichten Sternen, wie unserer Sonne, größtenteils erklären. Zwischen 1937 und 1939 entwickelten Hans Bethe und Carl Friedrich von Weizsäcker eine Theorie zur Kernfusion in sehr schweren Sternen, den nach ihnen benannten Bethe-Weizsäcker-Zyklus. Darin spielt Wasserstoff die überwiegende Rolle in der Energiegewinnung. Er wird aber nicht direkt zu Helium verschmolzen, sondern fusioniert in verschiedenen Reaktionen mit Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff. Am Ende des Zyklus entsteht Helium; die anderen Elemente wirken als Katalysatoren. Während des Kalten Krieges bauten die Großmächte ihre nuklearen Waffenarsenale aus. Der Schritt zu den Fusionswaffen gelang zuerst den USA: basierend auf der Atombombe, die ihre Energie aus der Kernspaltung bezieht, konstruieren amerikanische Forscher unter Edward Teller die Wasserstoffbombe. In ihr wird durch die Kernfusion ein Vielfaches der Energie einer Uranbombe freigesetzt. 1952 testen die Vereinigten Staaten die erste Wasserstoffbombe auf einer kleinen Pazifikinsel. Es war die erste vom Menschen erzeugte Kernfusion. In der Bombe lief unter anderem folgende Kernreaktion ab: :\mathrm :Die Verschmelzung von Tritium und Deuterium erzeugt Helium, ein Neutron und Energie. Damit diese Reaktion aufrechterhalten werden kann, ist dem Fusionsmaterial das Lithiumisotop 6Li beigemengt. Die in der Primärreaktion freiwerdenden Neutronen regen die Umwandlung von Lithium in Tritium an: :\mathrm :Der Neutronenbeschuss von Lithium erzeugt Helium und den Fusionsbrennstoff Tritium. Neben der militärischen forschten die Physiker auch an einer friedlichen Nutzung der Kernverschmelzung. Früh entwickelten sie verschiedene Vorschläge zur Energiegewinnung durch Fusion. Die gewaltigen Temperaturen, die zu einer Kernfusion nötig sind, bereiten bei einer kontrollierten Reaktion aber nach wie vor Schwierigkeiten. Vor einigen Jahrzehnten wurden die ersten Forschungsreaktoren errichtet, die Wasserstoff zu Helium verschmelzen sollen. Mittlerweile existieren einige dieser Vorrichtungen; beispielsweise JET und ITER (im Bau) in Europa und ein deutscher Tokamak-Reaktor in Garching. Bis diese Technologie aber industriell ausgereift ist, vergeht wohl noch viel Zeit.

Gewinnung

Hauptartikel: Wasserstoffherstellung

Molekularer Wasserstoff

Einfache chemische Prozesse zur Produktion von H2 sind die Reaktion verdünnter Säuren mit unedlen Metallen (z. B. Zink) oder die Zersetzung des Wassers durch Alkalimetalle. In der Praxis lassen sich damit aber nur geringe Mengen des Gases herstellen. Eine Methode zur industriellen Gewinnung von molekularem Wasserstoff ist die Dampfreformierung. Unter hoher Temperatur und hohem Druck werden Kohlenwasserstoffe, wie fossile Energieträger und Biomasse, mit Wasser zur Reaktion gebracht. Beide Verbindungen setzen Wasserstoff frei. Allerdings entsteht bei diesem Prozess das giftige Kohlenmonoxid (CO), das in einer zweiten Reaktion mit dem überschüssigen Wasser erneut H2 erzeugt. Die zweite gängige Methode in der Industrie ist die partielle Oxidation. Hierbei reagiert meistens Erdgas mit Sauerstoff unter Bildung von H2 und Kohlenmonoxid. In diesem Verfahren wird Kohlenmonoxid aber nicht unschädlich gemacht und bleibt deshalb als giftiges Nebenprodukt zurück. Eine alte und effiziente Möglichkeit zur Wasserstoffgewinnung ist die Elektrolyse von Wasser. Dabei wird Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt. :\mathrm :Wasser wird durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Meist wird dem Wasser ein wenig Säure zur Katalyse der Reaktion zugesetzt. An der Kathode entsteht Wasserstoffgas, an der Anode Sauerstoffgas, im Verhältnis 2:1. Diese Reaktion lässt sich mit Solarstrom recht ökonomisch durchführen. Eine sehr moderne Methode ist das Kværner-Verfahren. Dabei zerlegt ein Plasmabrenner Kohlenwasserstoffe zu Kohlenstoff und Wasserstoff und erreicht dabei enorm hohe Wirkungsgrade. Ein anderes modernes Verfahren bedient sich der Grünalgen. Hier kommen biologische Prozesse zum Einsatz. Die benötigte Energie entnehmen die Algen einfach dem Sonnenlicht. Das Verfahren ist also sehr ökonomisch und ökologisch zugleich.

Atomarer Wasserstoff

Der atomare Wasserstoff kann durch Energiezufuhr aus dem molekularen Element erzeugt werden. Methodisch wird dieses bewerkstelligt durch die Erhitzung auf mehrere tausend Grad, elektrische Entladung bei hoher Stromdichte und niedrigem Druck, Bestrahlung mit Ultraviolettlicht, Beschuss mit Elektronen bei 10 bis 20 Elektronenvolt sowie Mikrowellenstrahlung. :\mathrm :Durch Energiezufuhr zerfällt molekularer Wasserstoff in die atomare Form. Zur Darstellung von größeren Mengen atomaren Wasserstoffs sind das Woodsche Darstellungsverfahren (Robert Williams Wood, 1898) und dasjenige von Irving Langmuir besonders geeignet.

Sicherheitshinweise

Wasserstoff ist ein hochentzündliches Gas. Gemäß EU-Vorschrift wird er mit dem Kürzel F+ als Gefahrstoff gekennzeichnet. Nach DIN EN 1089-3 werden H2-Druckgasflaschen mit roter Flaschenschulter und rotem Flaschenkörper versehen. In geringen Mengen ist Wasserstoff für Menschen ungiftig. In hohen Konzentrationen können allerdings Bewegungsstörungen auftreten. Weitere Exposition kann zur Bewusstlosigkeit und schließlich zum Erstickungstod führen. In einem solchen Falle ist die betroffene Person (unter Selbstschutz) an die frische Luft zu bringen und ein Arzt hinzuzuziehen. Bei einem Atemstillstand muss die Person künstlich beatmet werden. Beim Mischen mit Luft zu vier bis 76 Volumenprozent (Vol.-%) Wasserstoff entsteht Knallgas, das bereits durch einen wenig energiereichen Funken zur Explosion gebracht werden kann. In einem ausgewogenen Mischungsverhältnis von O2 und H2 kann eine Knallgasexplosion verheerende Wirkung haben. In jedem Fall ist darauf zu achten, keine leicht entzündlichen Materialien oder offene Flammen in der Nähe zu lagern. H2 reagiert auch heftig mit Chlor (Chlorknallgas) und Fluor. Wird molekularer Wasserstoff in einfachen Metalltanks gelagert, so kommt es wegen der geringen Molekülgröße zu Diffusion, das heißt Gas tritt langsam durch die Gefäßwände aus. Dies ist bei der Speicherung problematisch, insbesondere für Wasserstoff-betriebene Fahrzeuge, wenn diese lange an einem abgeschlossenen Platz (Garage, Tiefgarage) stehen. (Siehe dazu den nächsten Abschnitt: Speicherung.) Zudem rechnet man beim Betanken mit relativ hohen Verlusten von einigen Prozent der Gesamtmenge. Flüssiger Wasserstoff in Metalltanks neigt bei Beschädigungen oder Lecks zur Selbstentzündung. Der Austausch von Wasserstoff-Isotopen in chemischen Verbindungen kann die Toxizität der entsprechenden Verbindung beeinflussen. So ist Schweres Wasser (D2O) - das Isotop 1H wurde gegen 2H (Deuterium) ausgetauscht - im Vergleich zu Wasser giftig für viele Lebewesen. Die für Menschen gefährliche Menge ist aber recht groß und im Regelfall kaum zu erreichen.

Speicherung

Hauptartikel: Wasserstoffspeicherung Ehemalige Bedenken, Wasserstoff eigne sich nicht als Kraftstoff für Fahrzeuge, weil die Speicherung noch nicht zufriedenstellend geklärt sei, sind längst ausgeräumt. In den letzten Jahren hat sich speziell in diesem Bereich sehr viel getan. Es gibt mittlerweile neue Techniken zum Aufbau von Wasserstoff-Tanks. Darüber hinaus sind Materialien verfügbar, die auch stärksten Belastungen standhalten. Im Laufe der Entwicklung von Speichermedien für Wasserstoff gab es eine Vielzahl von Methoden, denen zum Teil hervorragende Aussichten zugesprochen wurden. Zur Zeit gibt es jedoch nur drei wirklich aussichtsreiche Speichermethoden:
- die Speicherung von gasförmigem Wasserstoff in Druckbehältern,
- die Speicherung von flüssigem Wasserstoff in vakuumisolierten Behältern,
- die Einlagerung von Wasserstoff in Metallhydriden oder in Kohlenstoff-Nanoröhren; in letzteren aber wohl nicht mehr [http://zeus.zeit.de/text/2004/20/T-Nanor_9ahrchen] Die ersten beiden Methoden erlauben eine einfache Wiedergewinnung, jedoch sind sie problematisch im Hinblick auf die Sicherheitskriterien. Bei einem Unfall mit H2-betriebenen Fahrzeugen können die Behälter leicht beschädigt werden und eventuell explodieren. Austretender Wasserstoff ist hochentzündlich und fördert die Brand- oder Explosionsgefahr. Die Druckbehälter müssen also ausreichend gegen Beschädigungen gesichert werden, was zusätzlichen Materialaufwand und größeres Gewicht bedeutet. Die Speicherung in Hydriden und Nanoröhren ist dagegen sehr sicher. Die Tanks sind allerdings sehr schwer, in einem 200-kg-Tank können nur etwa 2 kg Wasserstoff gespeichert werden, was energetisch etwa 8 Litern Benzin entspricht. Auch ist die Rückgewinnung gasförmigen Wasserstoffs komplizierter, v. a. in größeren Mengen zur gleichen Zeit. Die dazu verwendete Technik erfordert hohes technisches und physikalisches Verständnis und hochwertige Bauteile. Diese Form der Speicherung kann daher sehr teuer werden. Viele ehemalige Probleme der Wasserstoffspeicherung wurden in den vergangenen Jahren gelöst. Die Brennstoffzelle ist mittlerweile die aussichtsreichste Technologie für zukünftige Energiegewinnung aus Wasserstoff. Es ist zu erwarten, dass die verbleibenden Schwierigkeiten in naher Zukunft überwunden werden.

Nachweis

Molekularen Wasserstoff kann man durch die Knallgasprobe nachweisen. Dabei wird eine kleine, beispielsweise während einer Reaktion aufgefangene Menge eines Gases, in einem Reagenzglas entzündet. Wenn danach ein dumpfer Knall, ein Pfeifen oder ein Bellen zu hören ist, so ist der Nachweis positiv (das heißt, es war Wasserstoff in dem Reagenzglas). Der Knall kommt durch die Reaktion von Wasserstoffgas mit dem Luftsauerstoff zustande: :\mathrm (exotherme Reaktion) :Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff zu Wasser Mit der gleichen Reaktion verbrennt Wasserstoff mit einer blauen Flamme, wenn man ihn gleich nach dem Austreten laufend entzündet (Pfeifgas). Die Knallgasprobe ist die „klassische“ Methode zum Nachweis und ist besonders in Schulversuchen beliebt. Sehr viel genauer lässt sich das Element mit Hilfe der Kernspinresonanzspektroskopie (kurz NMR; nuclear magnetic resonance) nachweisen, die daher bevorzugt im Laborbetrieb angewandt wird. Dabei macht man sich quantenmechanische Gegebenheiten zu Nutze: Der Kernspin eines Wasserstoffatoms kann sich in einem angelegten äußeren Magnetfeld unterschiedlich ausrichten. Dadurch liegt der Atomkern in einem von zwei möglichen Energiezuständen vor, deren Differenz um so größer ist, je stärker das äußere Magnetfeld ist. Diese Differenz ist charakteristisch für jedes Element und kann durch Strahlungsanregung gemessen werden.

Verbindungen

Wasserstoff geht mit den meisten chemischen Elementen Verbindungen mit der allgemeinen Summenformel EHn (n = 1, 2, 3, 4) ein. Einige wenige dieser Elementwasserstoffe sind nur in Form so genannter Addukte wie Lm · EHn (L steht für einen Liganden, wie zum Beispiel PR3 (Phosphor-organische Verbindungen) oder CO (Kohlenmonoxid)) bekannt. Wasserstoff kann in Verbindungen sowohl positive als auch negative Ladungsanteile tragen. Das ist abhängig davon, ob der Bindungspartner eine höhere oder eine niedrigere Elektronegativität als Wasserstoff (2,2) besitzt. Eine Grenze zwischen den beiden Verbindungstypen lässt sich nicht scharf im Periodensystem ziehen, da zum Beispiel das Säure-Base-Verhalten mit berücksichtigt werden muss. Eine mehr oder weniger willkürliche Betrachtung besagt, dass Wasserstoffverbindungen der Elemente Bor, Silizium, Germanium, Zinn und Blei sowie alle links davon negativ polarisierten Wasserstoff beinhalten, Verbindungen mit Kohlenstoff, Phosphor, Arsen, Antimon, Bismut und allen Elementen rechts davon positiv polarisierten. Entsprechend lässt sich bei Monosilan (SiH4) die Oxidationszahl für Silizium auf +4 (Wasserstoff dementsprechend -1), in Methan (CH4) für Kohlenstoff auf -4 (Wasserstoff +1) festlegen. Zur Darstellung von Wasserstoffverbindungen EHn werden hauptsächlich drei verschiedene Verfahren genutzt:
- Die Umsetzung des entsprechenden Elements E mit Wasserstoff (H2; Hydrogenolyse) :\mathrm :Ein Element reagiert mit Wasserstoff bei Energiezufuhr zum entsprechenden Elementwasserstoff.
- Die Reaktion von Metallverbindungen des Typs MnE mit Wasserstoffsäuren (H+; Protolyse) :\mathrm :Eine Metallverbindung des Elements E reagiert mit einer Säure HA zum Elementwasserstoff und einem Metallsalz.
- Die Umsetzung von Halogenverbindungen (EHaln) mit Hydriden (H-; Hydridolyse) :\mathrm :Hydridionen setzen aus einer Halogenverbindung des Elements E den entsprechenden Elementwasserstoff frei.

Salzartige Verbindungen

In Verbindung mit Metallen kann Wasserstoff jeweils ein Elektron aufnehmen, so dass negativ geladene Wasserstoffionen (Hydridionen, H-) entstehen, die mit Metallkationen Salze bilden. Diese Verbindungen werden Hydride genannt. Salzartige Elementwasserstoffe sind von den Alkali- und, mit Ausnahme von Beryllium, den Erdalkalimetallen bekannt. Außerdem zählt man die Dihydride des Europiums und Ytterbiums (EuH2 und YbH2) dazu. Metallhydride reagieren sehr heftig mit Wasser unter Freisetzung von molekularem Wasserstoff (H2) und können sich an der Luft selbst entzünden. In der Mehrzahl sind sie aber nicht explosiv. Minerale, die Wasserstoff enthalten, sind Hydrate oder Hydroxide.

Metallartige Verbindungen

In metallartigen Wasserstoffverbindungen - mit wenigen Ausnahmen sind das die Übergangsmetallhydride - ist atomarer Wasserstoff in der entsprechenden Metallstruktur eingelagert. Man spricht in diesem Fall auch von Wasserstoff-Einlagerungsverbindungen, obwohl sich bei der Aufnahme des Wasserstoffs die Struktur des Metalls ändert (was nach der Definition für Einlagerungsverbindungen eigentlich nicht zulässig ist). Das Element besetzt die oktaedrischen und tetraedrischen Lücken in den kubisch- bzw. hexagonal-dichtesten Metallatompackungen. Die Löslichkeit von Wasserstoff steigt mit zunehmender Temperatur. Man findet jedoch selbst bei Temperaturen über 500 Grad Celsius höchstens 10 Atomprozente Wasserstoff im betreffenden Metall. Am meisten Wasserstoff können die Elemente Vanadium, Niob und Tantal aufnehmen. Bei Raumtemperatur sind folgende temperatur- und druckabhängige physikalische Zustände von Stoffen. Die Abhängigkeit des Aggregatszustandes beziehungsweise des in der Thermodynamik enger gefassten Begriffs der Phase von diesen Zustandsgrößen, wird üblicherweise in einem Phasendiagramm dargestellt.

Die klassischen Aggregatzustände

Es gibt drei klassische Aggregatzustände:
- fest - in diesem Zustand behält ein Stoff im Allgemeinen sowohl Form als auch Volumen bei.
- flüssig - hier wird das Volumen beibehalten, aber die Form ist unbeständig und passt sich dem umgebenden Raum an.
- gasförmig - hier entfällt auch die Volumenbeständigkeit, ein Gas füllt den zur Verfügung stehenden Raum vollständig aus. Einen Stoff im festen Aggregatzustand nennt man Festkörper, einen Stoff im flüssigen Aggregatzustand nennt man Flüssigkeit und einen Stoff im gasförmigen Aggregatzustand nennt man Gas. In verschiedenen Anwendungsbereichen des Begriffs unterscheidet man auch nach anderen Merkmalen:
- kristallin - ein spröder Stoff, der seine Form nicht verändert. Seine Bausteine, die Kristalle, weisen eine Fernordnung auf.
- amorph - ein Feststoff, der lediglich durch eine Nahordnung ausgezeichnet ist (siehe amorphes Material)
- gasförmig - analog zur klassischen Bezeichnung.

Teilchenmodell der Zustände

Die Eigenschaften der klassischen Aggregatzustände lassen sich mit einem Teilchenmodell erklären. Dabei nimmt man an, dass ein Stoff aus so genannten kleinsten Teilchen besteht. In der Wirklichkeit sind zwar diese kleinsten Teilchen von anderer Form (Atome, Moleküle oder Ionen), aber für die Erklärung der Aggregatzustände reicht es aus, die Teilchen als kleine, runde Kugeln anzusehen. Die mittlere kinetische Energie aller Teilchen, ist in allen Zuständen ein Maß für die Temperatur. Die Art der Bewegung ist in den drei Aggregatzuständen jedoch völlig unterschiedlich. Im Gas bewegen sich die Teilchen geradlinig wie Billardkugeln, bis sie mit einem anderen oder mit der Gefäßwand zusammen stoßen. In der Flüssigkeit müssen sich die Teilchen durch Lücken zwischen ihren Nachbarn hindurch zwängen (Diffusion, Brownsche Molekularbewegung). Im Festkörper schwingen die Teilchen nur um ihre Ruhelage.

fest

Brownsche Molekularbewegung Bewegung: Die kleinsten Teilchen sind bei einem Feststoff nur wenig in Bewegung. Sie schwingen um eine feste Position, ihren Gitterplatz und rotieren meist um ihre Achsen. Je höher die Temperatur wird, desto heftiger schwingen/rotieren sie und der Abstand zwischen den Teilchen nimmt (meist) zu. Ausnahme: Dichteanomalie. :→ Die Form des Feststoffes bleibt unverändert. :Hinweis: Betrachtet man die Teilchen mit quantenmechanischen Grundsätzen, so dürfen aufgrund der Heisenbergsche Unschärferelation eigentlich Teilchen nie ruhig stehen. Sie haben kleine Schwingungen, die man auch als Nullpunktsfluktuationen bezeichnet. Das entspricht dem Grundzustand des Harmonischen Oszillators. Anziehung: Zwischen den kleinsten Teilchen wirken verschiedene Kräfte, das sind die Van-der-Waals-Kraft, die elektrostatische Kraft zwischen Ionen, Wasserstoffbrücken oder atomare Bindungen. Die Art der Kraft ist durch den atomaren Aufbau der Teilchen (Ionen, Moleküle, Dipole, ...) bestimmt. Bei Stoffen, die auch bei hohen Temperaturen fest sind, ist die Anziehung besonders stark. :→ Stoffe im festen Aggregatzustand lassen sich nur schwer aufteilen. :→ Sie lassen sich nur schwer verformen (geringe Verformbarkeit, spröde). Anordnung: Durch die schwache Bewegung und den festen Zusammenhalt sind die Teilchen regelmäßig angeordnet. :→ Die meisten festen Reinstoffe haben deshalb eine regelmäßige Struktur (Kristall), nur wenige sind amorph. Die Teilchenanordnung in einem amorphen Festkörper ist ähnlich ungeordnet wie in der Flüssigkeit, er ist jedoch formstabil, da die Teilchenbewegungen gegeneinander weitgehend eingefroren sind. Abstand: Durch die starke Anziehung sind die Teilchen eng beieinander (hohe Packungsdichte) :→ Das Volumen eines Feststoffes lässt sich durch Kompression nicht verringern. Lediglich Temperaturänderungen bewirken Veränderung des Volumens durch Wärmeausdehnung.

flüssig

Wärmeausdehnung Bewegung: Wegen der Erhöhung der Temperatur werden die Teilchen immer schneller. Anziehung: Durch die Erwärmung ist die Bewegung der Teilchen so stark, dass die Wechselwirkungskräfte nicht mehr ausreichend sind, um die Teilchen an ihrem Platz zu halten. Die Teilchen können sich nun frei bewegen. :→ Ein flüssiger Stoff verteilt sich von alleine, wenn er nicht in einem Gefäß festgehalten wird. :→ Ein Farbstoff verteilt sich von alleine in einer Flüssigkeit (Diffusion). Abstand: Wenn der Abstand der Teilchen durch die schnellere Bewegung ein wenig größer wird (die meisten festen Stoffe nehmen beim Schmelzen einen größeren Raum ein), so hängen die Teilchen aber weiter aneinander. :→ Das Volumen einer Flüssigkeit lässt sich nicht stark durch Kompression verringern. Anordnung: Obwohl die Teilchen sich ständig neu anordnen und Zitter-/Rotationsbewegungen durchführen, kann eine Anordnung festgestellt werden.Diese Nahordnung ist ähnlich wie im amorphen Festkörper, die Viskosität ist jedoch sehr viel niedriger, d.h. die Teilchen sind beweglicher. Siehe auch: Flüssigkristall

gasförmig

Flüssigkristall Bewegung: Bei Stoffen im gasförmigem Zustand sind die Teilchen schnell in Bewegung. :→ Ein Gas oder gasförmiger Stoff verteilt sich schnell in einem Raum. :→ In einem geschlossenen Raum führt das Stoßen der kleinsten Teilchen gegen die Wände zum Druck des Gases. Anziehung: Beim gasförmigen Zustand unterliegt die Kohäsionskraft der Bewegungsenergie der kleinsten Teilchen. Durch die hohe Geschwindigkeit halten sie nicht mehr zusammen. :→ Die kleinsten Teilchen des gasförmigen Stoffes verteilen sich gleichmäßig im gesamten, zur Verfügung stehenden, Raum. Abstand: Durch die schnelle Bewegung der Teilchen in einem Gas sind sie weit voneinander entfernt. Sie stoßen nur hin und wieder einander an, bleiben aber im Vergleich zur flüssigen Phase auf großer Distanz. :→ Ein gasförmiger Stoff lässt sich komprimieren, d.h. das Volumen lässt sich verringern. Anordnung: Aufgrund der Bewegung sin