Definitionen Und Grundbegriffe

Temperatur Deﬁnitionen und Grundbegriffe

Einleitung

Das Nachschlagewerk “Temperatur - Deﬁnitionen und Grundbegriffe“ richtet sich an alle Menschen, die sich mit dem Thema Temperatur und Temperaturkalibrierung beschäftigen.

Es handelt sich um eine von mir persönlich ausgewählte Zusammenstellung an Wikipedia Artikeln, die ich im täglichen Einsatz im DAkks Kalibrierlabor benutze. Einzigartig ist, dass die Artikel in diesem Buch verschiedene, fachübergreifende Bereiche vereint. Technisch ist es nun möglich geworden, diese Artikelsammlung als gedrucktes und gebundenes Buch in dieser Form "Ofﬂine" zur Verfügung zu stellen.

In der Hoffnung, dass meine persönliche Sammlung von Wikipedia Artikeln anderen in der "Temperatur" tätigen hilfreich sein kann, ist dieses Buch entstanden.

Thomas Klasmeier im Frühjahr 2013 www.kalibrierdienst-klasmeier.de

------

Eine Ausgabe dieses Buchs können Sie direkt bei PediaPress, einem ofﬁziellem Partnerunternehmen der WikiMedia Foundation, online bestellen. Sie unterstützen damit Wikipedia mit einer Spende von 10 % des Gesamtpreises.

Darüber hinaus steht das Buch als PDF für den Desktop Computer und als Epub für ebook-Reader zur Verfügung.

Weitere Informationen darüber ﬁnden Sie unter: http://www.kalibrierdienst-klasmeier.de/temperatur-deﬁnitionen-und-grundbegriffe/

Die PDF-Datei wurde mit Hilfe des Open-Source-Werkzeugs „mwlib“ erstellt. Für weitere Informationen siehe http://code.pediapress.com/ PDF generated at: Thu, 28 Feb 2013 14:37:28 UTC Maxwell-Boltzmann-Verteilung 703

Maxwell-Boltzmann-Verteilung

Parameter

Definitionsbereich

Wahrscheinlichkeitsdichte

Kumulierte Verteilungsfunktion

Erwartungswert

Modus

Varianz

Schiefe

Wölbung

Entropie (in nats)

( : Euler-Mascheroni-Konstante)

Die Maxwell-Boltzmann-Verteilung oder auch maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung ist eine Wahrscheinlichkeitsverteilung der statistischen Physik und spielt in der Thermodynamik, speziell der kinetischen Gastheorie, eine wichtige Rolle. Sie beschreibt die statistische Verteilung des Betrags der Teilchengeschwindigkeiten in einem idealen Gas. Benannt wird sie nach James Clerk Maxwell und Ludwig Boltzmann, die sie 1860 erstmals hergeleitet haben. Wegen der vereinfachenden Voraussetzung eines idealen Gases zeigt die Geschwindigkeitsverteilung der Teilchen eines realen Gases Abweichungen. Jedoch ist bei geringer Dichte und hoher Temperatur die Maxwell-Boltzmann-Verteilung für die meisten Betrachtungen ausreichend.

Herleitung der Geschwindigkeitsverteilung in der kinetischen Gastheorie

Herleitung mit Hilfe des Boltzmann-Faktors Die Energie eines Teilchenzustands ist durch

gegeben, und die Wahrscheinlichkeit, dass er von einem Teilchen besetzt ist, durch den Boltzmann-Faktor

Gefragt ist nach dem Anteil von Molekülen mit Betrag der Geschwindigkeit in einem Intervall . Die entsprechende Zustandsdichte ist aus der Grundannahme zu ermitteln, dass die Zustandsdichte im dreidimensionalen Raum der Geschwindigkeitskomponenten konstant ist. Nach haben alle Zustände gleicher kinetischer Energie den Abstand vom Ursprung, füllen hier also eine Kugeloberfläche der Größe . Zum Intervall gehört dann das Volumenelement . Folglich ist der gesuchte Anteil von Maxwell-Boltzmann-Verteilung 704

Molekülen gleich dem Produkt aus dem Volumenelement, dem für das ganze Volumenelement konstanten Boltzmann-Faktor und einem konstanten Normierungsfaktor :

Der Normierungsfaktor kann daraus bestimmt werden, dass das Integral über die Verteilung den Wert 1 hat.

Herleitung mit Hilfe der Normalverteilung der Komponenten der Geschwindigkeit Nach der kinetischen Gastheorie bewegen sich in einem idealen Gas bei Temperatur T (in Kelvin) nicht alle Gasteilchen mit der gleichen Geschwindigkeit, sondern zufällig verteilt mit verschiedenen Geschwindigkeiten. Es wird hierbei keine Raumrichtung bevorzugt. Mathematisch lässt sich dies so formulieren, dass die Komponenten des Geschwindigkeitsvektors der Gasteilchen der Masse m unabhängig voneinander und normalverteilt sind, mit den Parametern

mittlerer Geschwindigkeit: und Geschwindigkeitsstreuung

Hier ist k die Boltzmann-Konstante. Die Dichte der Verteilung von im dreidimensionalen B Geschwindigkeitsraum, hier mit bezeichnet, ergibt sich somit als das Produkt der Verteilungen der drei Komponenten:

Zur Herleitung der Maxwell-Boltzmann-Verteilung muss man über alle Teilchen mit gleichem Geschwindigkeitsbetrag integrieren (bzw. anschaulich diese "aufsummieren"). Diese liegen auf einer Kugelschale mit Radius v und infinitesimaler Dicke um die Geschwindigkeit 0:

Dabei bezeichnet das o.g. Integral über alle Vektoren mit Beträgen im Intervall

. Da in die Definition von nur der quadrierte Betrag der Geschwindigkeiten eingeht (siehe Definition oben), der sich im infinitesimalen Intervall nicht ändert, ist das Integral einfach umzuformen:

Hierin bleibt nur noch das einfache Volumenintegral zu lösen. Es ergibt gerade das Volumen der infinitesimalen Kugelschale und man erhält so die gesuchte Maxwell-Boltzmann-Verteilung: Maxwell-Boltzmann-Verteilung 705

Bedeutung und Anwendungsbereich

Folgerungen aus den Gleichungen

• Aus obigen Gleichungen folgt, dass der Anteil f der Teilchen im Geschwindigkeitsintervall Δv direkt proportional zu Δv selbst ist, solange F(v) konstant bleibt. Wird Δv also geringfügig erhöht bzw. bezieht man mehr Geschwindigkeiten mit in das Intervall ein, unter der zusätzlichen Annahme Temperatur und molare Masse seien konstant, so steigt die Anzahl der in ihm befindlichen Teilchen bis auf geringe Abweichungen proportional zu Δv an. Mit anderen Worten: Die Verteilungsfunktion ist differenzierbar.

• Die Verteilungsfunktion besitzt eine abfallende Exponentialfunktion Stoffabhängigkeit der der Form e-x mit x = Mv2/2RT. Da der Ausdruck x sich bei Geschwindigkeitsverteilung bei 0 °C: Wasserstoff – m (H ) = 2 u konstanter Temperatur und konstanter molarer Masse direkt M 2 Stickstoff – m (N ) = 28 u 2 M 2 proportional zum Quadrat der Teilchengeschwindigkeit v verhält, Chlor – m (Cl ) = 71 u M 2 lässt sich hieraus schlussfolgern, dass die Exponentialfunktion und damit in eingeschränktem Umfang auch der Anteil der Moleküle für große Geschwindigkeiten sehr klein und dementsprechend für kleine Geschwindigkeiten sehr groß wird (für den exakten Zusammenhang siehe die Abbildungen zur Rechten). • Für Gase mit einer großen molaren Masse M wird der Ausdruck x, unter Annahme einer konstanten Temperatur, ebenfalls sehr groß und die Exponentialfunktion nimmt folglich schneller ab. Dies bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit schwere Moleküle bei großen Geschwindigkeiten anzutreffen sehr klein ist und dementsprechend sehr groß für leichtere Moleküle mit einer geringen molaren Masse Temperaturabhängigkeit der (siehe Abbildung oben rechts). Geschwindigkeitsverteilung für Stickstoff • Im gegensätzlichen Fall einer großen Temperatur und einer konstanten molaren Masse wird der Ausdruck x sehr klein und die Exponentialfunktion geht dementsprechend bei einer ansteigenden Geschwindigkeit schneller gegen Null. Bei einer sehr hohen Temperatur ist der Anteil der Teilchen daher geringer als bei einer niedrigeren Temperatur (siehe Abbildung unten rechts). • Je geringer die Geschwindigkeit, desto stärker nimmt der quadratische Ausdruck v2 außerhalb der Exponentialfunktion ab. Dies bedeutet, dass auch der Anteil der schnelleren Moleküle bei geringen Geschwindigkeiten schneller abnimmt als die Geschwindigkeit selbst, im Gegenzug jedoch auch, dass dieser bei einem Geschwindigkeitszunahme quadratisch zunimmt. Alle anderen Größen bedingen, dass sich der Anteil der Teilchen bei einer bestimmten Geschwindigkeit immer im Intervall zwischen null und eins bewegt ([0,1]). Die beiden Abbildungen zur Rechten verdeutlichen die Abhängigkeit der Maxwell-Boltzmann-Verteilung von Teilchenmasse und Temperatur des Gases. Mit steigender Temperatur T nimmt die durchschnittliche Geschwindigkeit zu und die Verteilung wird gleichzeitig breiter. Mit steigender Teilchenmasse m hingegen nimmt die durchschnittliche Geschwindigkeit ab und die M Geschwindigkeitsverteilung wird gleichzeitig schmaler. Dieser Zusammenhang zwischen Teilchengeschwindigkeit und Temperatur bzw. Teilchengeschwindigkeit und Teilchenmasse/molare Masse ist hierbei auch quantitativ beschreibbar. Siehe hierzu den Abschnitt quadratisch gemittelte Geschwindigkeit. Maxwell-Boltzmann-Verteilung 706

Bedeutung für die Thermodynamik Die Maxwell-Boltzmann-Verteilung erklärt beispielsweise den Prozess der Verdunstung. Beispielsweise kann feuchte Wäsche bei Temperaturen von 20 °C trocknen, da es in dieser Verteilungskurve einen geringen Anteil von Molekülen mit der erforderlich hohen Geschwindigkeit gibt, welche sich aus dem Flüssigkeitsverband lösen können. Es wird also auch bei niedrigen Temperaturen immer einige Moleküle geben, die schnell genug sind, die Anziehungskräfte durch ihre Nachbarn zu überwinden und vom flüssigen oder festen Aggregatzustand in den gasförmigen Aggregatzustand überzugehen, was man als Verdampfung bzw. Sublimation bezeichnet. Umgekehrt gibt es aber auch unter den vergleichsweise schnellen Teilchen des Gases immer einige, die keine ausreichende Geschwindigkeiten besitzen und daher wieder vom gasförmigen in den flüssigen oder festen Aggregatzustand wechseln, was man als Kondensation bzw. Resublimation bezeichnet. Diese Vorgänge werden unter dem Begriff der Phasenumwandlung zusammengefasst, wobei sich zwischen Teilchen, die in die Gasphase eintreten, und Teilchen, die aus der Gasphase austreten, insofern es keine Störungen von außen gibt, ein dynamisches Gleichgewicht einstellt. Dieses ist Untersuchungsgegenstand der Gleichgewichtsthermodynamik, daher nennt man es auch thermodynamisches Gleichgewicht. Die Teilchen der gasförmigen Phase üben hierbei im Gleichgewichtszustand einen Druck aus, den man als Sättigungsdampfdruck bezeichnet. Grafisch dargestellt wird das Phasenverhalten von Stoffen in deren Phasendiagramm. Siehe auch: Zustandsgleichung, Fundamentalgleichung, Thermodynamisches Potenzial, Ideales Gas, Reales Gas, Tripelpunkt, Kritischer Punkt

Teilchengeschwindigkeiten

Wahrscheinlichste Geschwindigkeit Die wahrscheinlichste Geschwindigkeit

ist die Geschwindigkeit, an der die Verteilungsfunktion ihren maximalen Wert hat. Sie kann aus der

Forderung berechnet werden.

Mittlere Geschwindigkeit Die mittlere Geschwindigkeit ist definiert durch:

Hierbei sind ( ) die einzelnen Geschwindigkeiten der Teilchen und deren Gesamtzahl.

Als Lösung des Integrals erhält man: Maxwell-Boltzmann-Verteilung 707

Quadratisch gemittelte Geschwindigkeit

Die quadratisch gemittelte Geschwindigkeit ist definiert durch:

Aus der kinetischen Gastheorie ergibt sich folgende Zustandsgleichung:

Die empirisch ermittelte Zustandsgleichung idealer Gase ist hierbei:

Setzt man den Ausdruck pV gleich erhält man:

Umgestellt nach erhält man schließlich:

Hierbei zeigt sich, dass die quadratisch gemittelte Geschwindigkeit der Gasteilchen direkt proportional zur Quadratwurzel der Temperatur ist, insofern die molare Masse konstant bleibt, was jedoch im Allgemeinen der Fall ist. Daraus lässt sich, unter der Annahme einer konstanten molaren Masse, ein wichtiger Grundsatz ableiten: Eine Verdopplung der Temperatur auf der Kelvin-Skala führt zu einer Erhöhung der quadratisch gemittelten Geschwindigkeit um den Faktor . Durch diese Grundbeziehung lässt sich die Abhängigkeit der Temperatur von der Geschwindigkeit der Teilchen nicht nur qualitativ, sondern auch quantitativ ableiten. Die Temperatur ist also auf diesem Wege durch die kinetische Gastheorie definierbar. Unter der Annahme einer konstanten Temperatur und einer variablen molaren Masse zeigt sich hierbei in gleicher Form die Abhängigkeit zwischen dieser und der quadratisch gemittelten Geschwindigkeit, wobei beide jedoch im Gegensatz zur Temperatur umgekehrt proportional zueinander sind, wie aus obiger Gleichung ersichtlich ist. Zum gleichen Ergebnis kommt man auch, wenn man F(v) in folgende Gleichung substituiert und anschließend integriert:

Die quadratisch gemittelte Geschwindigkeit ist dabei aber auch ein Maß für die mittlere kinetische Energie (E ) der kin Moleküle:

Umgestellt ergibt sich hieraus: Maxwell-Boltzmann-Verteilung 708

Harmonischer Mittelwert Für Zwecke der Stoßzeiten usw. benötigt man einen weiteren Mittelwert, harmonischer Mittelwert genannt. Der harmonische Mittelwert ist definiert durch:

Hierbei sind ( ) die einzelnen Geschwindigkeiten der Teilchen und deren Gesamtzahl.

Durch Substitution von und und integrieren erhält man:

oder

Beziehungen zwischen den Geschwindigkeiten

Im Bild zur Rechten ist die maxwell-boltzmannsche Geschwindigkeitsverteilung für Stickstoff (N ) bei drei verschiedenen 2 Temperaturen abgebildet. Es ist auch die wahrscheinlichste Geschwindigkeit und die mittlere Geschwindigkeit eingezeichnet. Dabei gilt immer, dass die wahrscheinlichste Geschwindigkeit kleiner als die mittlere Geschwindigkeit ist. Allgemein gilt:

Der Zusammenhang zwischen den Geschwindigkeiten ergibt sich dabei Maxwell-Boltzmannsche aus: Geschwindigkeitsverteilung für Stickstoff

Umrechnungsfaktoren zwischen den verschiedenen Teilchengeschwindigkeiten (gerundet)

nach↓ \ von→

1 0,886 0,816 1,128

1,128 1 0,921 1,273

1,225 1,085 1 1,382

0,886 0,785 0,724 1 Maxwell-Boltzmann-Verteilung 709

Beispielwerte für die verschiedenen Teilchengeschwindigkeiten

T \ v

100 K (−173,15 °C) 243,15 m/s 274,36 m/s 297,79 m/s 411,54 m/s

300 K (26,85 °C) 421,15 m/s 475,20 m/s 515,78 m/s 712,79 m/s

800 K (526,85 °C) 687,74 m/s 776,02 m/s 842,29 m/s 1164,02 m/s

Umrechnungsfaktoren zwischen den verschiedenen Teilchengeschwindigkeiten (genau)

nach↓ \ von→

Herleitung im kanonischen Ensemble Die Maxwell-Boltzmann-Verteilung lässt sich mit den Methoden der statistischen Physik herleiten. Man betrachtet ein N-Teilchensystem mit der Hamilton-Funktion

Zur Herleitung wird nur die Annahme gemacht, dass das Potential U konservativ, also von den unabhängig ist. Daher gilt die folgende Herleitung auch für reale Gase. Das System befinde sich im kanonischen Zustand mit der Phasenraumdichte

und der kanonischen Zustandssumme

mit

Der Parameter ist proportional zur inversen Temperatur

Der Erwartungswert einer klassischen Observablen ist gegeben durch

Für die Transformation von Wahrscheinlichkeitsdichten gilt: Gegeben sei eine Zufallsvariable und eine Wahrscheinlichkeitsdichte und eine Abbildung . Dann ist Maxwell-Boltzmann-Verteilung 710

die Wahrscheinlichkeitsdiche der Zufallsvariablen .

Nun können wir die Wahrscheinlichkeitsdichte für den Impuls irgendeines Teilchens des Systems berechnen. Nach obigem Transformationssatz gilt:

Alle Orts-Integrationen lassen sich kürzen, sowie alle Impuls-Integrationen für . Somit bleibt nur noch die -Integration übrig.

Zur Auswertung dieses Ausdrucks nutzt man im Zähler die Faltungseigenschaft der Delta-Distribution

Im Nenner integriert man über eine Gauß-Funktion; die Integration in drei Dimensionen lässt sich auf ein eindimensionales Integral zurückführen mit

Man erhält die Wahrscheinlichkeitsdichte für den Impuls irgendeines Teilchens:

Der Vorfaktor entspricht im Wesentlichen der thermischen De-Broglie-Wellenlänge . Damit lässt sich die Wahrscheinlichkeitsdichte für den Geschwindigkeitsbetrag mit dem Transformationssatz ermitteln

Die Integration führt man in Kugelkoordinaten durch und verwendet die Beziehung

Nun ist wieder die Faltungseigenschaft der Delta-Distribution zu verwenden

dabei ist die Heaviside-Sprungfunktion, die die Wahrscheinlichkeit für negative Betragsgeschwindigkeiten verschwinden lässt.

Setzt man für kommt man zur Maxwell-Boltzmann-Verteilung Maßverkörperung 711

Maßverkörperung

Maßverkörperungen oder Etalons (französisch étalon ‚Musterstück‘) sind Lehren, Messgeräte oder Bestandteile derselben, die bestimmte einzelne Werte einer Messgröße oder einer Abfolge von Werten einer Messgröße darstellen. Sie werden verwendet, um als Prototyp die Einheit einer physikalischen Größe zu definieren, als Normal zum Kalibrieren oder Eichen von Messmitteln oder als Hilfsmittel zum Messen. Die grundlegende DIN 1319 Messtechnik definiert Maßverkörperungen, englisch material measure, frz. mesure matérialisée:[1] „Gerät, das einen oder mehrere feste Werte einer Größe darstellt oder liefert“ Typische Größen, für die Maßverkörperungen verwendet werden, sind: Masse, Raummaß, Länge, Winkel, Flächenmaß sowie die elektrischen Größen Spannung und Widerstand. Beispiele für gegenständliche Maßverkörperungen: • Urkilogramm • Gewichtstücke • das Urmeter in Paris, mit dem bis 1960 das Längenmaß definiert wurde, • Parallelendmaße • Fabry-Pérot-Interferometer mit festem Spiegelabstand • Noniusstrukturen • Messzahnräder

Einzelnachweise [1] DIN 1319-1:1995-01 2. Begriffe Nr. 4.5 Maßverkörperung. S. 19 Messeinrichtung 712

Messeinrichtung

Eine Messeinrichtung ist in den „Grundlagen der Messtechnik“ in DIN 1319 als „Gesamtheit aller Messgeräte und zusätzlicher Einrichtungen zur Erzielung eines Messergebnisses“ definiert. Dieses wird in Anlehnung an die Norm nachfolgend erläutert.

Messgerät Im einfachsten Fall besteht eine Messeinrichtung aus einem einzigen Messgerät. Ein Messgerät ist ein Gerät, das zur Messung der Messgröße vorgesehen ist; dabei ist die Messgröße diejenige physikalische Größe, die als Vielfaches einer Einheit bestimmt werden soll. Bis auf einige Ausnahmen (z. B. Maßverkörperung, Normal) hat das Messgerät • eine Eingangsgröße, das ist die Größe, der die Messung gilt, und • eine Ausgangsgröße, das ist die Antwort des Messgerätes auf die Eingangsgröße. Das Gerät zählt auch dann als Messgerät, wenn der Messwert gespeichert vorliegt. Der (Messgrößen-)Aufnehmer (engl. sensor) ist der Teil eines Messgerätes oder einer Messeinrichtung, der auf die Messgröße unmittelbar anspricht. Die Ausgangsgröße kann sein • eine Anzeige in Form einer Skalenanzeige oder Ziffernanzeige oder • eine beliebige physikalische Größe oder • eine Darstellung auf Datenträgern. Wird die Eingangs- oder Ausgangsgröße durch eine physikalische Größe gleicher oder anderer Art dargestellt, so spricht man von Messsignal (Eingangssignal, Ausgangssignal). Beispiel: Bei einem sinusförmigen Ton kann das Messsignal Elektrische Wechselspannung eines Mikrophons für die Ausgangsgröße Lautstärke oder Tonhöhe stehen – je nachdem, ob man die Amplitude oder die Frequenz des Signals bewertet. Der Ausgabebereich (bei anzeigenden Messgeräten Anzeigebereich) ist der Bereich aller Werte, die durch das Messgerät überhaupt als Ausgabe bereitgestellt werden können. Er stimmt nicht zwangsläufig mit dem Messbereich überein. Dieser ist durch die Forderung definiert, dass die Messabweichungen des Messgerätes bzw. die Messgerätefehler innerhalb gewisser Grenzen bleiben, die als Fehlergrenzen bezeichnet werden.

Hilfsgerät Ein Hilfsgerät in einer Messeinrichtung dient nicht unmittelbar zur Aufnahme, Umformung oder Ausgabe eines Messsignals. Es liegt im Allgemeinen nicht auf dem Weg des Messsignals (siehe unten). Es kann aber einen – dann unerwünschten und klein zu haltenden – Einfluss auf die Messeinrichtung ausüben. Beispiele für ein Hilfsgerät • Netzgerät zur Lieferung von Hilfsenergie, • Thermostat. Hilfsgeräte sind zu unterscheiden von Zubehör, z. B. Tastköpfe, Nebenwiderstände, da diese einen gewollten Einfluss auf das Messsignal ausüben. Messeinrichtung 713

Messkette

In einer Messeinrichtung aus mehreren Messgeräten wird das Ausgangssignal eines Messgerätes zum nächsten Messgerät als dessen Eingangssignal weitergegeben. Bei der Gesamtheit aller Messgeräte und Hilfsgeräte liegen die Messgeräte also auf dem Weg des Typische Anordnung von Messgeräten zu einer Messkette Messsignals, und sie bilden eine Messkette. Dabei dienen sie zur Aufnahme der Messgröße, zur Weiterleitung und Umformung eines Messsignals und zur Bereitstellung des Messwertes als Abbild der Messgröße.

Beispiel: Temperatur-Messeinrichtung

Messgerät Eingangssignal Messbereich Ausgangssignal

Nr. 1 Widerstandsthermometer Temperatur 0 … 250 °C Widerstand in Ω

Nr. 2 Messbrücke Widerstand 100,0 … 194,1 Ω (Gleich-)Spannung in mV

Nr. 3 Messumformer Spannung 0 … 60 mV (Gleich-)Strom in mA

Nr. 4 Schalttafelanzeiger Strom 4 … 20 mA Ausschlag in mm

Der Beobachter erhält zusammen mit der Skale 0 … 250 °C Temperatur in °C

Eine Messeinrichtung kann auch mehrere unterschiedliche Messgrößen gemeinsam aufnehmen.

Literatur • Peter Giesecke: Industrielle Meßtechnik. Hüthig GmbH, Heidelberg 1999, ISBN 3-7785-2617-0 Messergebnis 714

Messergebnis

Das Messergebnis ist der Näherungswert für den wahren Wert der Messgröße, der durch Auswertung der mit einer Messeinrichtung gewonnenen Messwerte berechnet wird. Das stellt sich nach DIN 1319 so dar: • Die Messgröße ist die physikalische Größe, der die Messung gilt. Die dazu erforderliche Messeinrichtung (oder einfach das Messgerät) liefert • den Messwert als den speziellen Wert der Messgröße. Er ist als Produkt aus Zahlenwert und Einheit anzugeben. Ziel jeder Messung ist es, den wahren Wert der Messgröße zu ermitteln. Dazu sind unvermeidliche Messabweichungen herauszurechnen: Bekannte systematische Abweichungen durch Berichtigung; zufällige Abweichungen durch Anwendung statistischer Methoden (Fehlerrechnung). • Das vollständige Messergebnis ist der nach dem Herausrechnen gewonnene Schätzwert für den wahren Wert einer Messgröße zusammen mit der Unsicherheit, mit der der Schätzwert angebbar ist. Bei vielen Messaufgaben ist die interessierende Größe nicht direkt messbar, sondern sie ist aus mehreren messbaren Größen nach einer mathematischen Beziehung zu bestimmen. Die in den Messwerten der einzelnen Größen enthaltenen Abweichungen übertragen sich über die Formel auf das Ergebnis, das somit ebenfalls von einer Messabweichung behaftet ist. Man nennt diesen Vorgang Fehlerfortpflanzung. Um die Abweichung des Ergebnisses bestimmen oder abschätzen zu können, existieren zur Fehlerfortpflanzung Rechenregeln.

Messgenauigkeit

Es ist grundsätzlich nicht möglich, exakt richtig zu messen. Durch eine Vielzahl von Ursachen wird die zu messende Größe nicht korrekt erfasst. Die Abweichung eines aus Messungen gewonnenen Wertes vom wahren Wert der Messgröße wird Messabweichung (nach DIN 1319-1:1995) oder Messfehler (alte Bezeichnung) genannt. Die Kernaussagen dieser umfassenden Norm zu diesem Stichwort werden nachfolgend erläutert.

Vorbemerkung Man sollte bei der Angabe eines Messwertes immer hinterfragen: • Wie weit kann ich mich auf den angezeigten (ermittelten) Wert als korrekte Aussage über die zu messende Größe verlassen? Beispiel: Ein Strom ist exakt 5 A, wird auch exakt 5 A angezeigt? • Wie weit kann ich mich auf den festgestellten Zahlenwert verlassen? Beispiel: Heißt die Angabe „5“: geschätzt zwischen 0 und 10, vielleicht auch 6, oder heißt die Angabe „5“ genau bis auf eine durch Schätzunsicherheit mögliche Abweichung ± 0,1? Im zweiten Falle wäre dann 5,0 zu schreiben. Das ist zwar mathematisch dasselbe, aber in der Messtechnik von anderer Qualität. Beispiel: Welchen Sinn hat die Angabe „4,8376“ bei einer durch Fehlergrenzen möglichen Abweichung ± 0,1? Die Angabe gaukelt eine nicht vorhandene Qualität vor und ist durch 4,8 zu ersetzen. Ohne Angabe über die Zuverlässigkeit einer Messaussage ist die Aussage von zweifelhaftem Wert. Messgenauigkeit 715

Definitionen

Wahrer Wert und richtiger Wert In der für die Messtechnik grundlegenden DIN 1319 wird zwischen diesen beiden Werten unterschieden: • = wahrer Wert der Messgröße als Ziel der Auswertungen von Messungen der Messgröße; das ist ein „ideeller Wert“, der in aller Regel nicht genau bekannt ist. • = richtiger Wert der Messgröße als „bekannter Wert“ für Vergleichszwecke, dessen Abweichung vom wahren Wert für den Vergleichszweck als vernachlässigbar betrachtet wird. Der richtige Wert ist der Wert, den eine fehlerfreie Messeinrichtung ausgeben würde, ein durch Vergleich mit einem Normal ermittelter (oder fundamental ermittelter oder als richtig festgelegter) Wert. Zwischen und besteht ein zwar prinzipieller, aber quantitativ unerheblicher Unterschied. Nachfolgend wird der quantitativ eher fassbare Wert verwendet. Zusammen mit • = angezeigter (ausgegebener) Wert liefert der Vergleich von mit die absolute und die relative Abweichung eines Messwertes.

Absolute Abweichung oder absoluter Fehler F

Diese Größe hat einen Betrag, ein Vorzeichen und eine Einheit, nämlich stets dieselbe wie die Messgröße.

Relative Abweichung oder relativer Fehler f

Diese Größe ist stets ohne Einheit; sie kann positiv oder negativ sein. • Anmerkung 1: Ein Wert x = 0 gibt keinen Anlass zu einer Messung. r • Anmerkung 2: Es gilt: x 1 = x für alle x. Ferner gilt: 100 % = 1. Beispiel:

Verwechslungsgefahr Im Zusammenhang mit Klassenzeichen wird überwiegend als Bezugsgröße (also im Nenner) statt des richtigen Wertes der Messbereichsendwert verwendet. Dann steht als bezogene Größe (also im Zähler) aber kein Fehler, sondern eine Fehlergrenze, was mit Definitionen zum Begriff Fehler bzw. Abweichung nichts zu tun hat. Messgenauigkeit 716

Quellen für Messabweichungen • Messgeräteabweichungen als Folge der Unvollkommenheit der Konstruktion, Fertigung, Justierung (z. B. durch Werkstoffe, Fertigungstoleranzen) • durch das Messverfahren bedingte Einflüsse infolge Einwirkung der Messeinrichtung auf die Messgröße (z. B. Rückwirkungsabweichung [Schaltungseinflussfehler] durch Eigenverbrauch des Messgerätes) • Umwelteinflüsse als Folge von Änderungen der Einwirkungen aus der Umgebung (z. B. Temperatur, äußere elektrische oder magnetische Felder, Lage, Erschütterungen) • Instabilitäten des Wertes der Messgröße oder des Trägers der Messgröße (z. B. statistische Vorgänge, Rauschen) • Beobachtereinflüsse infolge unterschiedlicher Eigenschaften und Fähigkeiten des Menschen (z. B. Aufmerksamkeit, Übung, Sehschärfe, Schätzvermögen, Parallaxe) Außerhalb der Diskussion hier stehen • Verfälschungen durch Irrtümer des Beobachters, • Verfälschungen durch Wahl ungeeigneter Mess- und Auswerteverfahren, • Verfälschungen durch Nichtbeachtung bekannter Störgrößen.

Arten von Messabweichungen

Systematische Messabweichungen Alle Abweichungen, die einseitig gerichtet sind und sich − wenn auch schwierig − ermitteln ließen, sind systematische Abweichungen. • Systematische Messabweichungen haben Betrag und Vorzeichen. • Bekannte systematische Abweichungen sind durch Berichtigung auszuschließen. • Unbekannte systematische Messabweichungen können allenfalls anhand ausreichender Erfahrung in einer Komponente der Messunsicherheit zusammengefasst werden.

Zufällige Messabweichungen Nicht beherrschbare, nicht einseitig gerichtete Abweichungen sind zufällige Abweichungen. • Bei Wiederholungen − selbst unter genau gleichen Bedingungen − werden die Messwerte voneinander abweichen; sie streuen. • Zufällige Messabweichungen schwanken nach Betrag und Vorzeichen. • Anhand einer Fehlerrechnung kann aus der Gesamtheit der Werte ein Mittelwert M und eine Komponente der Messunsicherheit berechnet werden. Der wahre Wert liegt (bei Abwesenheit systematischer Abweichungen) mit einer gewissen statistischen Sicherheit in einem Bereich . • Die gesamte Messunsicherheit ergibt sich zu . Es gilt zu unterscheiden • Durch systematische Messabweichungen wird ein Messergebnis immer unrichtig. • Durch zufällige Messabweichungen wird ein Messergebnis immer unsicher. Messgenauigkeit 717

Fehlergrenze Die Fehlergrenze ist begrifflich streng vom Fehler zu unterscheiden. Sie sagt aus, wie groß der Fehler dem Betrage nach höchstens werden darf. Dabei gibt es eine obere und eine untere Fehlergrenze, vorzugsweise gleich groß, beschrieben durch die vorzeichenlose Größe G. Der wahre Wert liegt (bei Abwesenheit einer zufälligen Abweichung) in einem Bereich . Gelegentlich ist es möglich, ein Messverfahren zu verbessern und so die Fehlergrenzen zu verkleinern; dabei bleibt es die Frage, ob sich der erhöhte (Kosten-)Aufwand lohnt. In vielen Bereichen sind die Fehlergrenzen Gegenstand von Vorschriften; dann sind Eichämter und industrielle Fachlabore damit zu befassen.

Messgeräteabweichungen Jedes Messgerät enthält seit seiner Herstellung Messgeräteabweichungen. Diese lassen sich durch Vergleich mit einem wesentlich besseren Messgerät bestimmen; sie sind also systematischer Natur und im Prinzip korrigierbar. Der Aufwand dazu ist allerdings hoch. Zum Umgang mit den Abweichungen gibt es zwei Möglichkeiten, von denen eine vom Hersteller des Messgerätes geliefert werden sollte: 1. Die Fehlerkurve eines Messgerätes ist die grafische Darstellung der Abweichung, aufgetragen in Abhängigkeit von der Anzeige; teilweise wird statt der Kurve auch eine Tabelle angegeben. Anhand der Fehlerkurve sind Betrag und Vorzeichen der Abweichung zu einem Messwert abzulesen; es ist möglich, Korrekturen vorzunehmen. 2. Da die Fehlerkurve die Abweichung nur zu einem bestimmten Zeitpunkt und unter anzugebenden Einflussbedingungen dokumentiert, wird meistens darauf verzichtet, und der Hersteller garantiert lediglich Fehlergrenzen unter gewissen Bedingungen. Teilweise werden Fehlergrenzen pauschal durch Klassenzeichen beschrieben. Messgerät 718

Messgerät

Messgeräte dienen zur Bestimmung physikalischer Größen. Meistens führen sie im Rahmen einer Messung mittels einer Skalen- oder Ziffernanzeige auf eine quantitative Aussage über die zu messende Größe. Diese Aussage, der Messwert, wird als Produkt von Zahlenwert und Einheit angegeben. Die prinzipiell zugrunde liegenden Messmethoden werden unter Messtechnik angegeben. Messgeräte zur Ausführung von Messungen zählen allgemein zur Gruppe der Messmittel. Werden diese zur Prüfung eingesetzt, werden sie gemäß DIN 1319-2 auch als Prüfmittel bezeichnet.[1] Die Messeinrichtung kann fehlerhaft arbeiten, bzw. der Messwert kann Messabweichungen enthalten; diese sind herauszurechnen bzw. in ihrer Größe abzuschätzen. Besonders genaue Messgeräte können zur Kalibrierung, Justierung oder Eichung anderer Messgeräte dienen (siehe auch Messmittelüberwachung).

Messung nicht-elektrischer Größen

Grundlegende Messgeräte Ohne die grundlegenden Messgeräte zur Bestimmung der Zeit und zur Messung von Längen sowie dem simplen Zählen können keine anderen Messgeräte hergestellt bzw. benutzt werden. Andere Größen, auch Basisgrößen werden abgeleitet oder aber die Messgeräte werden durch Anwendung dieser Größen bestimmt.

Zeitmessung

Die Zeit wird mit verschiedenen Uhren gemessen: • Sonnenuhren sind historisch, Anwendung nur noch in Einzelbereichen (Lehrzwecke, Dekoration) • Sanduhren sind historisch, Anwendung nur noch in Einzelbereichen • Wasseruhren sind historisch (zur Zeitmessung – nicht Durchfluss!) • Blumenuhren sind sehr ungenaue Vorrichtungen zur Zeitmessung, jedoch sehr hübsch anzuschauen. Verwendung als Schaustücke, zu Lehrzwecken. • Feueruhren waren kultische Zeitmesser, die eine aromatische Masse verbrannten. • Kerzenuhren sind historisch, Anwendung nur noch in Einzelbereichen • Zeitlampen sind historisch, Öllampen mit skaliertem Glasbehälter • Funkuhr empfängt das genaue Zeitsignal einer Atomuhr per Funksignal. • Pendeluhr misst die Zeit über die Schwingungsdauer eines Pendels. • Passageninstrument misst die Durchgangszeit von Sternen (kombiniert mit Chronograf). • Chronometer misst die Zeit (mechan. Kurzschwinger oder Wanduhr mit Pendelwerk Quarzuhr) • Chronograf misst die Zeit (mechan. bzw. Quarz) und zeichnet oder druckt den Zeitverlauf auf (oft mit einer anderen Größe gemeinsam, z. B. Sterndurchgänge. • Stoppuhr mechanisch oder elektrisch / elektronisch • Kurzzeitwecker mechanisch oder elektrisch mit akustischem, optischem Wecksignal oder/und Schaltmöglichkeit • Quarzuhr misst die Zeit mit einem durch Schwingquarz gesteuerten Oszillator. Messgerät 719

• Intervallzähler misst Frequenzen und Zeitintervalle auf Basis eines Oszillators. • Atomuhr misst die Zeit aufgrund der hohen Konstanz von atomaren Schwingungen. Mit Wasserstoffmasern die genauesten derzeit verfügbaren Uhren.

Längenmessung

Prinzipiell unterscheiden wir zwei einfache Formen der Messmittel zur Längenmessung: das Strichmaß, welches das Maß durch den Abstand zwischen zwei Strichen verkörpert und das Endmaß (das Urmeter etwa), bei dem das durch den Abstand zweier Flächen geschieht. • Messschraube (veraltet umgangssprachlich „Mikrometer“), Genauigkeit bis 0,01 mm • Messuhr, analog und digital anzeigend bis 0,001 mm • Messschieber (umgangssprachlich auch „Schiebe-“ oder „Schublehre“), Genauigkeit bis 0,05 mm • das Knopfmaß, kleiner einfacher Messschieber, Beispiel für die Entwicklung der Längenmessung: historisch ein wichtiger Schritt, Nivellierlatte: Entfernung 15,7 m (Abschnitt zw. heute nur bei geringer Genauigkeitsanforderung, da kein Nonius oberer u. unterer Linie x 100) • Fadenzähler misst Strichbreiten und Linienabstände beim Druck. • Kluppe, in der Forstwirtschaft zur Ermittlung von Stammdurchmessern • Lineal, Metallmaßstab, Messlineal; Genauigkeit bis 0,3 mm • Meterstab, Gliedermaßstab (umgangssprachlich „Zollstock“); Genauigkeit bis zu 1,0 mm • Seilzuglängengeber (Genauigkeit je nach Aufbau bis 0,01 mm möglich) Knopfmaß (erster Messschieber) • Messrad zum raschen Abfahren einer Messstrecke (Genauigkeit je nach Aufbau bis 1 ‰) • Maßband für Vermessungen bis 50 m, maximal 100 m (Genauigkeit 1 bis 3 cm) • siehe auch Hodometer und Zyklometer (Messtechnik) Metallmaßstab Zoll/Millimeter • Optische Distanzmessung mit Nivellierlatte (3 bis 5 m lang) und Fadennetz: bei dm/cm-Teilung (Zielung mit Theodolit) etwa 5 cm Genauigkeit • Basismessung mit temperaturbeständigem Invardraht und Triangulierung: bis etwa 1970 die Basis der Landesvermessung, Genauigkeit einige 0,1 mm pro Kilometer • Elektronische Distanzmesser (EDM, Distanzer): hochpräzise Streckenmessung von einigen Dezimetern bis zu vielen Kilometern, Einfaches Messrad mit Laserlicht, Infrarot oder Mikrowellen. Genauigkeit terrestrisch bis etwa 10−7 (1 mm auf 10 km) • Satellite Laser Ranging (SLR): Laser-Laufzeitmessung von Bodenstationen zu Satelliten, Genauigkeit bis 10−9. • Laserentfernungsmesser • Ultraschallentfernungsmesser • Laserinterferometer • Glasmaßstab • Kapazitiver Sensor Messgerät 720

Zählen

Zählen ist das elementarste Messprinzip: Auch bei der Zeit- oder Längenmessung wird oft schlicht gezählt. Mit der Durchdringung der Messtechnik durch digitale Methoden hat das Messprinzip enorm an Bedeutung gewonnen. Zählen im messtechnischen Sinne ist das Bestimmen der Anzahl (siehe auch Stückmenge). Zählwerke messen die Anzahl von Objekten oder Ereignissen, bei befristeter Zählung bestimmen sie deren Häufigkeit: • Handzähler für Einzelereignisse, dezimal mit Überträgen auf mehrere Ziffernrollen oder Ziffernräder Stückzähler • Umdrehungszähler mit zusätzlicher mechanischer oder optischer Erfassung einer Achsenmarkierung • Räderwerke in vielen mechanischen Messgeräten zur Auswertung der Anzahl der Umdrehungen für andere Messdaten, beispielsweise bei den integrierend (aufsummierend) arbeitenden Energiezählern, Wasserzählern, Kilometerzählern. Auch die frühesten Rechenmaschinen waren reine Zählgeräte • Geigerzähler zur Bestimmung radioaktiver Zerfallsereignisse Stückzähler Innenansicht • Elektronische Zähler siehe im Abschnitt Zähler im Artikel Digitale Messtechnik • Zählwaagen für die Ersatz der Tätigkeit des Zählens durch Wägung bei gleichzeitig vorliegenden gleichen Objekten mit bekanntem Stückgewicht

Weitere Messgeräte elementarer Größen

Flächeninhaltsmessung Messgeräte der Flächeninhaltsmessung (Planimetrierung) • Planimeter, eine mechanische Apparatur zu Ermittlung ebener Flächen in Landkarten oder Zeichnungen • Pantograph, ein Maßstabsumsetzer, der mittels Übertragung auf eine Rasterung der Flächenmessung dienen kann.

Volumenmessung Die Bestimmung sowohl des Hohlvolumens als auch des Volumens fester Körper, von Flüssigkeiten oder Gasen wird historisch durch Hohlkörper oder skalierte Messgefäße realisiert, meist aber über Volumenberechnung. • Messzylinder, zur Messung anhand der Verdrängung, aus Glas oder Kunststoff oder anderem, mit Mensur oder ohne • Volumeter, für Körper, die nicht mit Flüssigkeit in Verbindung kommen sollen • Kapillare, durch folgendes Wiegen oder Ablesen einer Skala (indirekt etwa beim Thermometer zur Bestimmung der Temperatur aus der Volumenänderung) • Scheffel, ein Beispiel für ein historisches Volumen-Maß Übersicht in (Geschichte von Maßen und Gewichten) • Pipette, um Mengen aus einem Gefäß in ein anderes zu dosieren • Messbecher, Teelöffel und Esslöffel, als Maße in der Küche • Messheber, ein meist aus Glas bestehendes Messgerät um eine Menge Flüssigkeit aus einem Gefäß zu entnehmen (Probennahme) • Kubizierapparat (Messglocken), für die Bestimmung von Gasen und Flüssigkeiten • Durchflussmesser, dynamische Volumenmessung siehe weiter unten Messgerät 721

Ortsbestimmung, Winkel- und Richtungsmessung

Geodäsie: Alle Geräte für die Winkelmessung im Gelände sind auch (unterschiedlich gut) für die Standortbestimmung geeignet. Hierzu werden Landkarten oder Koordinaten benötigt. Durch Winkelmessung und Strahlensatz lassen sich Höhe oder Höhendifferenz von Objekten berechnen. • Winkelmesser als Werkzeug (siehe auch Geodreieck) • Schmiege, hauptsächlich zur Übertragung von Winkeln auf Werkstücke • Messlot zum Feststellen der Vertikalen • Chorobates Nivelliergerät (historisch, Beispiel: Bau von Aquädukten) • Groma für Peilungen (historisch). Auf einem Stab ist ein Achsenkreuz angebracht, an jedem Ende der Achsen ein Messlot. Nach Ausrichtung des Instruments sind Peilungen möglich • Dioptra für Peilungen (historisch) • Koordinatenmessgerät 3D messen, mittels Antastung, Optik. Theodolit (um 1820) zur Triangulierung Manuell wie CNC • Kompass zur Bestimmung von magnetisch Nord (Navigation) • Kreiselkompass zur Bestimmung von geografisch Nord (bzw. Süd) (Schiffsnavigation) • Laserkreisel misst verschleißfrei Drehbewegungen. • Jakobstab historisch, Astronavigation und zur Bestimmung der Höhe eines Objekts • Gnomon, Schattenstab, historisch, zur Bestimmung der geographischen Breite eines Ortes • Astrolabium historisch, Astronavigation. Als Ni2-Astrolab für moderne Astrometrie • Sextant für Winkelmessung zwischen zwei Landmarken. Terrestrische und Astro-Navigation. • Heliotrop historisch ein Sonnenspiegel für Vermessungspunkte • Heliometer bis 19. Jahrhundert, präzise Durchmesser- u. Winkelmessung in der Astronomie Sekundentheodolit DKM2-A • Wasserwaage zum horizontalen und/oder vertikalen Ausrichten • Setzwaage, historischer Vorläufer der Wasserwaage (Anwendung w.o., Ablesung an Libelle • Schlauchwaage – physikalisches Nivelliergerät (Prinzip der kommunizierenden Gefäße) • Nivelliergeräte zur geometrischen Höhenmessung • Theodolite zur Messung von Winkeln und geometrischer Beziehungen im Raum • Tachymeter für Winkel- und Entfernungsmessung • Planimeter zur Messung von Flächen (auf Zeichnungen, Plänen usw.) • Messbildkameras – Präzisionskameras für die Fotogrammetrie • Streifenprojektions-Sensoren – für berührungslose Formerfassung • GPS-Satellitennavigation, direkte Anzeige der 3D-Position • Zenitteleskop und Zenitkamera: zur Vermessung von Sternörtern und Lotrichtung • Radioteleskop zur Vermessung astronomischer Radioquellen (Quasare und VLBI). Messgerät 722

Masse, Gewichtskraft, Dichte usw. Die Gewichtsmessung ist ein Fachgebiet der Massenmesstechnik. Während früher Waagen vor allem durch den geschickten Aufbau der mechanischen Elemente wie Hebel, Gewichtsstücke oder/und Federn bestimmt wurden, ist die Wägetechnik heute durch die Elektronik geprägt. • Waagen dienen der Bestimmung der Masse von Körpern • Balkenwaagen vergleichen die Masse eines Probekörpers mit kalibrierten Gewichtsstücken • Neigungswaage (historische Briefwaagen) • Federwaagen bestimmen die Masse eines Probekörpers aus seiner Gewichtskraft • Pyknometer messen das spezifische Gewicht oder die Dichte • Refraktometer messen den Brechungsindex vor allem von Flüssigkeiten, und darüber wiederum Größen wie Mostgewicht,

Salinität, allgemein Stoffkonzentrationen Balkenwaage • Laktodensimeter messen die Dichte von Milch.

• Trübungsmessgeräte bestimmen den Anteil von Feststoffen in Flüssigkeiten • Gassammelrohre oder Dasymeter erlauben Masse und Volumen einer Gas-Probe zu bestimmen.

Temperatur

Thermometrie ist die Wissenschaft von der Temperaturmessung – Messung durch Thermometer in verschiedenen Ausführungen. Frühe Thermometer • Abschätzung durch Alchemisten: Sieden von Wasser, oder Wachs schmilzt • Galileo-Thermometer: Schwerkraft/Dichte basierend auf Galileo Galilei) • Ausdehnungsthermometer (Flüssigkeit oder Metallstab, direkte Ablesung an Skala): Zimmer- und Außenthermometer, Thermografie: Kaffeeautomat und thermische Schleuderthermometer, Stabthermometer Spiegelung • Bimetallthermometer: Ausnutzung der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zweier Metalle • Thermochromatische Farben: Farbänderung bei bestimmter Temperatur • Segerkegel: Formkörper, die ihre Festigkeit und Kontur bei bestimmter Temperatur ändern. Schmelzpunktbestimmung auch im umgekehrten Sinn verwendbar Moderne Thermometer • Assmann-Psychrometer (mit Ventilator) für Trocken- und Feuchttemperatur • Widerstandsthermometer (Änderung des elektrischen Widerstands, z. B. mit Pt100-Sensor) • Thermoelemente (siehe auch: Thermoelektrizität) • Halbleiter-Thermometer (Bsp.: Thermometer mit Siliziumtransistor) und • Strahlungsthermometer (Pyrometer). • Bolometer messen die Einwirkung von (Wärme-)Strahlung auf einen Probekörper. • Ramanthermometer basierend auf der Raman-Spektroskopie • Thermografie: berührungslose Flächen-Temperaturmessung mit Infrarotstrahlung. „Wärmebild“ in Hell-Dunkel Darstellung oder in Farben (siehe Bild). Messgerät 723

Messen elektromagnetischer Größen Prinzipiell unterscheidet man beim Messen elektromagnetischer Größen zwischen Analog- und Digitalmessgerät beziehungsweise -messwerk. Beim Analogmessgerät muss mit einem Parallaxefehler gerechnet werden. • Die Beschreibung der elektromagnetischen Einheiten finden sich in der Liste physikalischer Größen.

Spezielle Geräte für eine Größe

• Spannungsmessgeräte, umgangssprachlich Voltmeter, messen die Spannung oder Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten. • Rotationsvoltmeter, umgangssprachlich Elektroskope, messen das elektrische Feld (Potentialdifferenz) zwischen zwei Punkten stromlos. • Strommessgeräte, umgangssprachlich Amperemeter, messen den Strom oder Ladungsausgleich zwischen zwei Punkten. Siehe auch: Zangenamperemeter (Spezielle Bauform) • Galvanometer sind Spezialmessgeräte zur Messung kleinster Gleichströme. • Oszilloskop stellt einen zeitabhängigen Spannungsverlauf als Graph dar. • Leistungsmesser messen die elektrische Leistung, die ein Gerät aufnimmt oder abgibt, siehe Wirkleistungsmessung, Blindleistungsmessung. Historisches Wheatstonebrücke-Messgerät • Energiezähler, umgangssprachlich Stromzähler, messen die elektrische Arbeit (Leistung × Zeit). • Widerstandsmessgeräte, umgangssprachlich Ohmmeter, messen den elektrischen Widerstand. Dazu wird ein Probestrom durch den Prüfling geleitet. • Die Wheatstonesche Messbrücke bestimmt ohmsche Widerstände durch eine Vergleichsmethode sowie kleine Widerstandsänderungen durch eine Ausschlagsmethode. • Die Wechselspannungsbrücke bestimmt Wechselspannungswiderstände. • Konduktometer messen die spezifische Leitfähigkeit eines Mediums (beispielsweise für die Konzentrationsmessung von Salzen). • Frequenzmesser wie Zungenfrequenzmesser und Zeigerfrequenzmesser (heute eher digitale Frequenzzähler) zur Historisches Drehfeldmessgerät Bestimmung der Frequenz einer Wechselspannung. • Messgeräte zur Kabelfehlerortung, die auf dem Prinzip der Reflexion von Impulsen bei Fehlerstellen (Kabelbruch) beruhen (Anzeige der Entfernung zwischen Mess- und Fehlerstelle). • Drehfeldmessgeräte zur Feststellung des Drehsinns bei Dreiphasenwechselstrom. Messgerät 724

Magnetfeld

• Der Kompass zeigt zu den Magnetpolen der Erde, sofern er nicht abgelenkt wird. • Hall-Sonden messen Magnetfeld- oder Stromstärken. • Protonenmagnetometer messen nur die absolute Magnetfeldstärke. • Förster-Sonden dienen zur vektoriellen Bestimmung des Magnetfeldes. • Fluxmeter messen den magnetischen Fluss. Verwendung oft in Verbindung mit einer Helmholtz-Spule. • Leckstrom-Messgeräte messen sehr kleine Ströme, die über Magnetfeld-Messgerät Schutzleiter oder Schirmungen fließen. • SQUID Superconducting Quantum Interference Device. Zur Messung sehr kleiner Magnetfelder. Verwendung bei der Magnetoenzephalographie (MEG). Das ist eine Messung der magnetischen Aktivität des Gehirns. • Teslameter, auch Gaussmeter genannt, messen die magnetische Feldstärke in Tesla bzw. Gauss. • Faraday-Waagen messen die Wirkung eines definierten Magnetfelds auf einen Probekörper. • Kabelsuchgeräte zeigen ein durch den fließenden Strom induziertes Magnetfeld an und verhindern damit zum Beispiel eine Beschädigung des Kabels beim Bohren. • Elektrofeldmeter messen die elektrische Feldstärke.

Messen von Radioaktivität und Strahlung

• Spektrometer ermitteln die Absorption einer bestimmten Wellenlänge einer Strahlung, aber auch Emissions-, Reflexions- und Fotoleitungsspektren • Dosimeter messen die Wirkung einer Strahlung (zeitliches Integral). häufig Filmdosimeter • Geiger-Müller-Zählrohre messen den Einfall ionisierender Teilchen (radioaktiver Strahlung, Röntgenstrahlung) • Szintillationszähler messen den Einfall von γ-Strahlung. • Röntgen-Geräte messen den Strahlungsdurchgang durch ein Objekt.

Weitere Geiger-Müller-Zähler

• Marinelli-Becher: Vorrichtung für eine besondere Art der Messung von Radioaktivität.

Abgeleitete Messgeräte Abgeleitete Messgeräte sind aus den ursprünglichen Messgeräten entstanden.

Geschwindigkeit Die Geschwindigkeit ist der Quotient aus Weg und Zeit. • Der Tachometer zeigt im Fahrzeug die Fahrtgeschwindigkeit an. • Der Tachograph zeichnet die Geschwindigkeit auch auf. • Das Log misst die Geschwindigkeit bei Wasserfahrzeugen • Der Fahrtmesser misst die Geschwindigkeit bei Luftfahrzeugen. • Das Variometer gibt die Steig- oder Sinkgeschwindigkeit bei Luftfahrzeugen an. Messgerät 725

• Radargerät misst die Geschwindigkeit über den Dopplereffekt der von einem Radarsender erzeugten und vom Fahrzeug reflektierten Radarwellen. • Lidar: Lidar steht für light detection and ranging und ist eine dem Radar (radiowave detection and ranging) verwandte Methode zur Fernmessung atmosphärischer Parameter. • Ein Laser surface velocimeter misst die Vorschubgeschwindigkeit eines Produktstrangs in der Industrie.

Drehzahl • Drehzahlmessgerät: mechanisches oder elektronisches Messgerät, häufigste Anwendung im KFZ-Bereich und Luftfahrzeugen, gibt eine Aussage über die Umdrehungen eines Aggregats (Motor, …). Bei bekannter Übersetzung können auch Geschwindigkeit und Weg darüber ermittelt werden. • Gyrometer: (historisch) mechanischer Aufbau zur Drehzahlbestimmung • Hall-Sensor: zur Drehzahlbestimmung mittels Hall-Effekt

Beschleunigung Die Beschleunigung ist die Geschwindigkeitsänderung pro Zeiteinheit. • Beschleunigungssensoren messen meist die Krafteinwirkung auf einen Probekörper im beschleunigten System (K = mb).

Zurückgelegter Weg • Hodometer sind (allgemeiner Begriff) Wegmesser. • Kilometerzähler misst den zurückgelegten Weg, KFZ … • Bei einem Taxi wird auf Basis von Weg und Zeit mit einem Taxameter der zu entrichtende Fahrpreis errechnet.

Leistung • Leistungsmesser (Wattmeter) bestimmen elektrische Leistung aus Spannung und Strom

Messungen an Flüssigkeiten und Gasen

• Durchflussmesser messen den Massenstrom oder den Volumenstrom • Ein Magnetisch Induktiver Durchflussmesser (MIDs) arbeitet ohne bewegliche Teile. Er errechnet den Durchfluss eines elektrisch leitfähigen Mediums anhand der durch Induktion durch ein von außen angelegtes Magnetfeld resultierenden elektrischen Spannung. Durchflussmesser mit Flügelrad • Coriolis-Massendurchflussmesser nutzen die Corioliskraft um den Durchfluss zu ermitteln.. • Hitzdrahtanemometer messen die Abkühlung eines beheizten Drahtes und errechnen daraus den Durchfluss • Wasserzähler gibt es in unterschiedlichen Bauarten als Flügelrad-, Woltmann- oder Verbundwasserzähler. Sie dienen der Zählung sind daher nur auf ein Mengenmaß kalibriert wie zum Beispiel in Liter, können aber durch Differenzierung eines Abtastsignals auch zur Durchflussmessung verwendet werden. • Laser-Doppler-Anemometer zur berührungsfreien Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen oder Flüssigkeiten. • Druckmessgeräte, umgangssprachlich Manometer, messen den Druck für Gase und Flüssigkeiten • Vakuummeter sind Messgeräte zur Bestimmung des Gasdrucks in einem Vakuum • Aräometer messen die Dichte einer Flüssigkeit (siehe auch: Mostwaage Wein, Laktodensimeter Milch, Bierspindel Bier, …) Messgerät 726

• Rheometer messen Eigenschaften von fließenden Flüssigkeiten • Viskosimeter messen die Viskosität von Flüssigkeiten • Pegelmessgerät misst die Mächtigkeit einer Flüssigkeit in einem Behälter oder einem Gewässer auch Füllstandmessung gängige Verfahren: Radarsensor, Ultraschallsensor, Kapazitiver Sensor, Konduktometrie, Schwimmerschalter nur ein oder zwei Schaltpunkte und Thermografie • Echolot zur Bestimmung der Wassertiefe oder dem auffinden von schallaktiven Objekten im Wasser (seltener in Luftfahrt) s. a. Barcheck-Verfahren zur Kalibrierung eines Echolots • Tensiometer messen die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit • Potetometer messen den Wasserverbrauch einer Pflanze • PH-Meter messen den PH-Wert (Säure, Lauge) einer Flüssigkeit • Transmissometer in der Umwelttechnik Bestimmen des Staubgehalts/Menge eines Gases in Abluft • Trübungsmessgeräte (Nephelometer) bestimmen den Anteil von partikulären Feststoffen in einer Flüssigkeit.

Messungen an Feststoffen Alle Messgeräte zur Längenbestimmung und der Dichte, des Gewichts und Härtemessgeräte sowie Röntgengeräte können ebenfalls bei Feststoffen eingesetzt werden. • Grindometer messen Korngrößen. • Lysimeter messen bodenbiologische, -physikalische Daten. • Tensiometer messen kontinuierlich die Bodenfeuchte. • Feuchteabsolutbestimmer messen die Materialfeuchte in Feststoffen • SRT-Pendel messen die Griffigkeit von Fahrbahnoberflächen. • Farinographen dienen zur rheologischen Untersuchung von Weizenmehlen • Laser surface velocimeter dienen zur Längenmessung an kontinuierlich erzeugten Gütern und Bahnwaren.

Meteorologische Instrumente Die folgenden Messgeräte werden in der Meteorologie und natürlich aber auch in anderen technischen Bereichen eingesetzt. • Barometer messen den Druck von Luft und auch die Höhe (Altimeter). Über die Anzeige des Luftdrucks auch zur Vorhersage des Wetters verwendet. • Thermometer messen die Temperatur. • Hygrometer messen die Luftfeuchtigkeit (siehe auch Coulometrischer Feuchtesensor). • Anemometer messen die Windgeschwindigkeit. • Lysimeter messen die Versickerungs-Verdunstungs-Verhältnis → Evapotranspiration. • Netradiometer (auch Netto Radiometer) zur Messung der Globalstrahlung (Meteorologie Gesamtstrahlungbilanz) • Pyranometer Globalstrahlungsensor (Meteorologie) • Albedometer Strahlungsbilanzsensor (Meteorologie) • Windsack zeigt die Windrichtung und eine Näherung für die Windstärke an • Windrichtungsgeber auch der Wetterhahn zeigt die Windrichtung an • Cyanometer gibt die Farbintensität der blauen Himmelsfarbe an, als Maß für die Menge an Wasser welches sich in der Atmosphäre befindet • Transmissometer misst die Sichtweite. • Pyrheliometer misst die Energie der Sonnenstrahlen • Evaporimeter misst die Verdunstung (Evaporation) • Ceilometer misst die Wolkenbedeckung und Höhe • Ombrometer misst die Niederschlagsmenge. Messgerät 727

• Sonnenscheinautograph (Heliograph) misst die Sonnenscheindauer.

Messung der Lichtmenge, Helligkeit oder Farbtemperatur

• Luxmeter messen die Beleuchtungsstärke, der die Messzelle ausgesetzt ist. • Fotometer messen Lichtstärke • Densitometer sind Farbmessgeräte, die Farbtonwerte von Oberflächen messen. • PV-Messgeräte sind Multimess-Geräte für Solaranlagen. Gemessen werden meist Lichtintensität und Temperatur, und berechnet wird der voraussichtliche Energieertrag.

Schall- und Schallpegelmessung

Schallpegelmessgeräte messen in den meisten Fällen den Schalldruckpegel. Zu diesem Zweck enthalten sie ein Luxmeter mit externer Messzelle präzises Mikrofon, eine hochgenaue Verstärkerschaltung und eine logarithmische Anzeige. Der Schalldruckpegel wird aus allen Richtungen gleich gut empfangen, weshalb Position und Orientierung des Geräts keine Rolle spielen. Die Messgeräte werden in den meisten Fällen zur Bestimmung von Lärmbelastungen am Arbeitsplatz und im Straßenverkehr verwendet. Ein weiterer Einsatzzweck ist die Bestimmung von Schwingungen und Laufgeräuschen an technischen Geräten und der Untersuchung von Gegenmaßnahmen auf ihre Wirksamkeit.

• Peakmeter geben den Spitzenwert einer Ton-Aufzeichnung an und dienen zur Aussteuerung der Tonaufnahme – Schalldruck und Spannung. • Speckle-Muster-Interferometrie (ESPI) Schwingungsanalyse und Formerfassung. • Lasermikrofon

Kombinierte Geräte • Thermohygrograph beispielsweise bei Museen • Multifunktions-Umweltmessgerät – Messung von Größen aus der Umwelttechnik, beispielsweise Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Beleuchtungsstärke und Schallpegel. Diese Geräte sind mittlerweile für wenig Geld zu haben. Ihre Messgenauigkeit ist jedoch nicht mit hochwertigen Geräten zu vergleichen. Einsatz oft im Schulbereich oder für Heim-Anwendungen. Messgerät 728

Universelle Messgeräte für verschiedene elektrische Größen

Diese Geräte sind nicht für einen speziellen Anwendungsfall entwickelt: • Multimeter: Universalmessgeräte für Spannung (~/=, mit entsprechender Prüfspitze auch für Hochspannungsmessung), Strom (~/=), Widerstand (teilweise auch Isolationswiderstand und Durchgangsprüfung), Diodentest, Verstärkungsfaktor von PNP/NPN-Transistoren, Anzeige des zeitlichen Verlaufs einer elektrischen Größe (Multis mit graphischer Anzeige), Min/Max/Mittelwertanzeige, Kondensatorkapazität, Temperatur (mit entsprechenden Geber), Logiktester (Pegel einstellbar), Vorgabe einer Spannung/Pegel/Strom(-senke) (auch zeitliche Verläufe einer der Größen vorgebbar)). Wobei erst die Digitaltechnik alle Messungen und Prüfungen in ein Gerät vereint

hat. Industriemultimeter sind in einem bestimmten Zeitraum Digital-Multimeter eichpflichtig.

• Analogmultimeter: Spannungs- Strom- und Widerstandsmessung mit einem Zeigermessgerät. • Digitalmultimeter: oft mit Schnittstelle zu PC-Messwerterfassung • PC-Messkarten dienen der Darstellung und digitalen Erfassung physikalischer Größen. • Wechselspannungsbrücken zur Bestimmung von Kapazität oder Induktivität • SMUs kombinieren Multimeter mit Labornetzteil zur Versorgung und Stimulation des Prüflings • SMMUs vereinen SMU mit einem Multiplexer der sowohl die Spannungen / Ströme des Netzteils in den Prüfling einspeist, als auch die Verbindung zwischen Prüfling und Mess-System herstellt. • Messschreiber sind registrierende Messgeräte für Spannung oder durch Spannung darstellbare Größen, die sofort einen Papierbeleg ihrer Ergebnisse erzeugen.

Qualität der Messungen Messgeräte-Hersteller sollen Angaben zu den Fehlergrenzen (maximale Beträge der Messgeräteabweichung des Anzeigewertes vom richtigen Wert) machen. Bei elektrischen Messgeräten mit Skalenanzeige (z. B. Analogmultimeter), werden diese Grenzen vorzugsweise in % v.E. (Prozent vom Endwert) angegeben, häufig mittels eines Klassenzeichens. Damit ist die maximale absolute Messabweichung gemeint; sie wird über den Messbereichsendwert berechnet. Ein Messgerät mit einem Messbereichsendwert von z. B. 100 V und einer Klasse 1,5 kann selbst im günstigsten Fall bis zu 1,5 % ∙ 100 V = 1,5 V in seiner Anzeige vom richtigen Wert abweichen. Diese Angabe gilt im gesamten Messbereich unabhängig vom Messwert. Zu Messgeräten mit Ziffernanzeige siehe Messgeräteabweichung, auch Digitalmultimeter. Die relative Fehlergrenze eines Messwertes ist definiert als absolute Fehlergrenze geteilt durch den richtigen Wert; sie wird umso größer, je kleiner der Messwert ist. Bei umschaltbaren Messgeräten soll deshalb immer der Messbereich gewählt werden, mit dem man den größtmöglichen Ausschlag erhält. Beispiel: Bei einem Messwert 19 V mit dem genannten Messgerät erhält man (bei Einhaltung vorgegebener Bedingungen wie Temperatur oder Lage) Ergebnis = 19 V ± 1,5 V = 19 V ∙ (1 ± 8 %) also relative Fehlergrenze = 8 % im Messbereich 100 V; in einem Messbereich 30 V ergäbe sich 2,4 %. Weitere Messabweichungen, etwa verursacht durch Eigenverbrauch oder durch nicht sinusförmigen Verlauf bei Wechselgrößen, lassen sich mit den genannten Angaben nicht erfassen und müssen getrennt bestimmt werden. Messgerät 729

Analytische Messgeräte • Chromatographen trennen Stoffgemische beziehungsweise ermitteln relative Wanderungsgeschwindigkeiten von Substanzen in den gewählten Medien. Die genaue Bezeichnung beschreibt den Aufbau: • Gaschromatographen • Säulenchromatographen • Dünnschichtchromatographen • Refraktometer zur Bestimmung der Brechzahl eines Mediums • Ultrazentrifuge (Analytische) messen die Dichtezusammensetzung. • Kalorimeter dienen der Heizwertbestimmung • Massenspektrometer bestimmen die in einem Substanzgemisch vorhandenen molaren Massen (siehe auch Molare Masse). • Elektronenstrahlmikroanalyse sind verschiedene Messtechniken im Zusammenhang mit Rasterelektronenmikroskopen, die Festkörperoberflächen auf ihre elementare oder chemische Zusammensetzung analysieren. • Polarimeter bestimmen die Drehung der Lichtebene bei opt. aktiven Stoffen. • Spektrometer bezeichnen im Allgemeinen Messgeräte, die kontinuierliche Werte untersuchen. In der Regel wird dies auf die Messung elektromagnetischer Strahlung reduziert. Gemessen wird allgemein die Intensitätsverteilung verschiedener Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung. Spezialfall: ermitteln z. B. die Absorption in einem Festkörper bei bestimmten Wellenlängen einer Strahlung. • Interferometer (allgemein) werden für Untersuchungen der Beugung des Lichts verwendet (verschiedene Messanwendungen). • Thermo-Gravimetrische Analyse ist ein Verfahren, bei der gemessen wird, wie sich die Masse einer Probe in Abhängigkeit von der Temperatur ändert (Dabei wird die Probe in einen Ofen mit eingebauter Waage eingelegt). • Dilatometer bestimmen die Längenänderung einer Probe in Abhängigkeit von der Temperatur. • Differentialthermoanalyse misst energetische Änderungen in Abhängigkeit von der Temperatur.

Industrielle Messtechnik, Produktionsmesstechnik und gewerbliche Messtechnik

Diese Geräte werden in den meisten Fällen zur Herstellung eines Produktes verwendet oder dienen beispielsweise in der Werkstoffprüfung der Qualitätssicherung der Produkte beziehungsweise der Abrechnung von Leistungen. • Koordinatenmessmaschine universelles Längenmessgerät in der industriellen Qualitätsprüfung • Typometer sind Messlineale die für den Schriftsatz skaliert sind • Schichtdickenmessgerät bestimmen die Mächtigkeit einer Schicht auf einem Träger • Perthometer auch Tastschnittgerät zur Charakterisierung der Rauheit von Oberflächen • Grindometer zum Messen der Körnigkeit einer Paste oder von Lacken • Nephelometer oder Turbidimeter zur Messung der Suspension von kleinen Partikeln in einer Flüssigkeit oder einem Gaskolloid • Tribometer zur Bestimmung der Reibung bei Lagerwerkstoffen u. a. Foto einer Universalprüfmaschine • Duktilometer Zugfestigkeitsuntersuchungen Messgerät 730

• Universalprüfmaschine für Untersuchung mechanischer Eigenschaften wie Elastizitätsmodul, Streckgrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung oder maximale Druckkraft • Ein Vulkameter um die Vulkanisation von Kautschuk-/Gummi-Mischungen zu messen

Messung von Materialeigenschaften • Tribometer • Rheometer • Zugversuch

Härteprüfung Bei der Härtemessung führt eine definierte Krafteinwirkung zu einer bleibenden Verformung des Testkörpers oder einem Eindringen einer Prüfgeometrie in den Testkörper. Die Messgeräte werden nach dem angewandten Verfahren bezeichnet. Beispiel: Brinell-Messgerät. • Der Poldihammer dient zur Messung der Härte harter Werkstoffe mittels Schlaghärteprüfung • Härteprüfung nach Johan August Brinell: Eine Kugel wird in die Probe eingedrückt. Der Durchmesser des Kugeleindrucks ist das Maß für den Brinellhärtewert HB. • Härteprüfung nach Rockwell: Eine Kugel oder ein Diamantkegel wird in die Probe eingedrückt. Die bleibende Eindringtiefe wird gemessen und aus diesem Wert die Rockwellhärte HRx abgeleitet (x steht für C (engl. cone=Kegel), wenn mit Diamantkegel geprüft und für B (engl. ball=Kugel), wenn mit Diamantkugel geprüft wird). • Härteprüfung nach Vickers: Die Spitze einer vierseitigen Pyramide wird in die Probe eingedrückt. Die Diagonalen des bleibenden Eindrucks werden gemessen, aus deren Länge lässt sich der Vickershärtewert HV errechnen. Die verschiedenen Verfahren sind je nach Art und Härte des zu prüfenden Werkstoffs unterschiedlich gut geeignet.

Normmessgeräte Norm-Messgeräte – sind Messgeräte die eine Reihe von in einer Norm festgelegten Messungen durchführen. Diese werden meist auch protokolliert um eine Nachweisführung bei Gutachten zu ermöglichen. Die Bezeichnung der Messgeräte geschieht nach der Norm. Beispiel: VDE113 (EN60204) mit 10 A – Schutzleiterprüfung, Hochspannungsprüfung, Widerstandmessung und Grenzbereicherkennung, Isolationsprüfung Wichtige Norm-Messgeräte: • VDE100 Allgemein Test für Elektrogeräte • VDE113 (EN60204) Test für die elektrische Ausrüstung von Maschinen • Erdungstestgerät Funktionsfähigkeit der Fundament-Erder • Steckdosentester Normgerechter Anschluss (kleiner Teilbereich von VDE100) • Nachlaufwegmessgerät Bei hydraulischen Pressen um den zurückgelegten Weg nach einem Not-Stopp zu bestimmen.

Daten- und Kommunikationstechnik Diese Norm-Messgeräte untersuchen die korrekte Ausführung der Kabelanschlüsse (Verbindung zwischen Stecker und Kabel und/oder die Physik der Datentechnik, also Pegel des Signals und Störungen. Im industriellen Bereich werden diese Geräte vor allem für Feldbusse oder Ethernet verwendet. Neben den Testern, also Geräten, die die Physik untersuchen, gibt es noch Protokoll-Analyse-Geräte, die den Dateninhalt untersuchen. Die Aufzählung gibt nur exemplarisch einige typische Geräte wieder. Messgerät 731

Lokale Busse • IEC-625-Bus (IEEE-488)

Feldbusse • Profibus Tester: Pegelhöhe, Datendurchsatz, Umlaufzeit, Terminierung, Slave-Liste • CAN-Bus Tester: Error-Frames, Datendurchsatz, • AS-Interface-Bus Tester: Pegelhöhe, Slave-Liste, Slave-Nr. zuweisen

Ethernet Ist aufgrund seiner Verbreitung das System für das es die größte Anzahl von Analyseprogrammen gibt. Hier eine kleine Auswahl ohne Wertung … • Ethernet-Cabel-Check-Tester: Thin Ethernet (RG98U), Thick Ethernet (yellow cable), RJ45 • MRTG Analyse: Multi Router Traffic Grapher Darstellung Netzwerkverkehr unter anderem • Ethereal oder WireShark Analyse: Verwendete Datenkanäle eines Netzwerks, Daten, Protokolle • nmap Analyse: Netzwerk-Scanner mit vielen Funktionen

Normale Normale sind Maßverkörperungen, Messgeräte, Referenzmaterialien oder Messeinrichtungen, die den Zweck haben, eine Einheit oder einen oder mehrere Größenwerte festzulegen, zu verkörpern, zu bewahren oder zu reproduzieren, um diese an andere Messgeräte durch Vergleich weiterzugeben.[2] Routinemäßig eingesetzte Normale heißen Gebrauchsnormale. Bezugsnormale werden dagegen nur zur gelegentlichen Kalibrierung der Gebrauchsnormale eingesetzt, ggf. auch über weitere dazwischenliegende Normale, die dann Normale höherer (zweiter, dritter) Ordnung heißen. Dadurch wird die Belastung der höherwertigen Normale minimiert. Auch die Bezugsnormale werden über eine weitere Kalibrierhierarchie auf ein Primärnormal, das den höchsten metrologischen Anforderungen entspricht, zurückgeführt. Dabei handelt es sich in der Regel um ein von einem nationalen metrologischen Institut unterhaltenes nationales Normal oder um ein internationales Normal. Innerhalb der Kalibrierhierarchie nimmt die Genauigkeit der Normale nach oben hin stetig zu. Prüfstände dienen zur Fehlerkontrolle zur Qualitätssicherung oder Eichung von Messgeräten (beispielsweise für Wasserzähler).

Eichpflichtige Messgeräte Messgeräte, deren Messergebnis zur Berechnung von gewerblichen Leistungen verwendet wird (beispielsweise Waagen im Handel, Wasserzähler), müssen eichgesetzliche Auflagen erfüllen. Das heißt, ihre Bauart muss von der Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) zugelassen und die Geräte müssen geeicht sein, wobei eine Eichung nach einer bestimmten Zeit durch staatlich anerkannte Prüfstellen mit einem von der Eichbehörde zugelassenen Normal aufgefrischt werden muss. Das Eichgesetz definiert Eichfehlergrenzen, die für verschiedene Lastbereiche nicht überschritten werden dürfen. Beispiele: Waagen, Wasserzähler, Gaszähler, Stromzähler, Wärmezähler, Kraftstoffzähler, Durchflussmesser Beispiel für ein ausnahmsweise erlaubtes nicht eichpflichtiges Messgerät: Heizkostenverteiler Im April 2004 wurde die Europäische Messgeräterichtlinie (MID) veröffentlicht, deren Umsetzung in nationales Recht bis zum 20. Oktober 2006 stattfinden muss. Messgerät 732

Eigensichere Messgeräte Das Messprinzip von eigensicheren oder explosionsgeschützten Messgeräten ist den o. g. gleich, jedoch müssen diese Geräte besonderen Ansprüchen für ihren Einsatzfall genügen, die sie z. B. im untertägigem Bergbau oder der (chemischen) Industrie finden. Richtlinien wie die 94/9/EG bzw. ATEX bestimmen die Anforderungen, die hinsichtlich elektrischer, mechanischer und auch werkstofftechnischer Vorgaben geprüft werden. Zugelassene Prüfstellen erteilen bei erfolgreicher Zulassung ein Zertifikat, welches Grundvoraussetzung für die Inbetriebnahme von Messgeräten in den besonderen explosionsgefährdeten Bereichen ist.

Medizinische Messgeräte Für Messgeräte in der Medizin gelten besondere Regeln. Sie müssen die Vorschriften der MedGV, der Medizin-Geräte-Verordnung einhalten. Dies gilt aber nur für Messgeräte die a) als Medizinische Geräte eingestuft und b) in der anerkannten Medizin verwendet werden. Der Bereich der alternativen Medizin bleibt davon unberührt. So fallen das Teslameter, ein Biofeld-Messgerät oder die Körperfettwaage nicht unter die Bestimmungen. • Aktometer zum Erfassen der Bewegungsaktivität • Ergometer misst die körperliche Arbeit bzw. Leistung • Blutdruckmessgerät damit wurde historisch häufig das von Riva-Rocci mit entwickelte Sphygmomanometer verbunden, bei der man manuell mit Manschette den systolischen Blutdruck bestimmen konnte. Heutzutage wird jedoch meist nicht mehr manuell mit Quecksilbersäule sondern oszillometrisch mit digitaler Anzeige gemessen. Neben diesen unblutigen Messverfahren gibt es noch klinische Verfahren, bei denen der Blutdruck in einem Blutgefäß direkt über einen Druckwandler gemessen wird. Siehe Blutdruckmessung. • Blutzucker Messgerät – Ist ein wichtiges Gerät für Diabeteskranke. Mit ihm wird der aktuelle Wert des *Glucose-Spiegels im Blut bestimmt. Neben der klassischen Methode, bei der ein Tropfen Blut benötigt wird, gibt es auch neuere Ansätze von Messgeräten die eine unblutigte Messung ermöglichen. • EKG-Geräte sind medizinische Geräte zur Anzeige und Aufzeichnung der Summe der elektrischen Aktivitäten aller Herzmuskelfasern. • EEG-Geräte sind medizinische Geräte zur Anzeige und Aufzeichnung der von außen messbaren elektrischen Aktivitäten des Gehirns • Fieberthermometer zum Messen der (menschlichen) Körpertemperatur • Kapnometer, Kapnographen um den Kohlenstoffdioxidgehalt der Ausatemluft eines Patienten zu messen und zu überwachen. • Körperfettwaage gibt neben dem Körpergewicht auch den Anteil von Körperfett an. • Skoliometer messen Neigungswinkel der Rückenoberfläche zur Horizontalen. • Spirometer zur Überprüfung der Lungenfunktion.

Technische Hilfsmittel für Messungen in der Medizin Technische Hilfsmittel für Messungen in der Medizin sind eigentlich keine Messgeräte, werden aber für Messungen verwendet: • Mikroskop, vor allem Lichtmikroskope z. B. für Zählung/Erkennung von Bakterien … • medizinische Kameras (teilweise auch mit Infrarot- oder UV-Licht) • Ultraschallgeräte zur Diagnostik (Schwangerschaft, …) • Röntgen-Geräte zur Diagnostik (innere Organe, Knochenbrüche, Osteoporose …) • Parallelometer zur Messung von Disparallelitäten bei der Herstellung von Zahnersatz Messgerät 733

Anmerkungen • Auf die Einteilung nach dem technischen Prinzip, nach dem das Messgerät anzeigt, wird im Artikel Anzeige (Technik) eingegangen; hier ist nur angeführt, welche Größe gemessen wird. • In einzelnen Fällen wird der Begriff Sensor oder Geber (der die Messung durchführende Teil) mit dem Messgerät gleichgesetzt. Bei der Auswahl eines Geräts oder einer Methode ist eventuell auch unter diesem Verweis zu suchen. • Out of Specification (OOS) bedeutet, dass ein Messwert außerhalb des kalibrierten Bereichs des Messgerätes liegt.

Literatur • H.R. Tränkler: Taschenbuch der Meßtechnik. Oldenbourg, München 1992. • Jörg Hoffmann: Taschenbuch der Messtechnik. Fachbuchverlag, Leipzig 2004. • Wolfgang Schmusch: Elektronische Meßtechnik. Vogel Buchverlag, Würzburg 1991. • Jörg Hoffman: Handbuch der Messtechnik. Hanser, München 2005.

Weblinks • Volker Großmann: Eichpflichtige Messgeräte [3]. Physikalisch-Technische Bundesanstalt, 17. November 2011. • Freunde alter Wetterinstrumente [4]

Quellen [1] Norm DIN 1319-2, Oktober 2005: Grundlagen der Messtechnik – Teil 2: Begriffe für Messmittel. [2] DIN ISO 10012-1

[3] http:/ / www. ptb. de/ cms/ themenrundgaenge/ oeffentlichkeit/ eichpflichtige-messgeraete. html

[4] http:/ / www. freunde-alter-wetterinstrumente. de/ Messgröße 734

Messgröße

Gemäß DIN 1319 zu den „Grundlagen der Messtechnik“ ist die Messgröße diejenige physikalische Größe, der eine Messung gilt.[1] Dabei wird in dieser Norm der Begriff sowohl für „Messgröße im allgemeinen Sinn“ als auch für „spezielle Messgröße“ verwendet. • Im allgemeinen Sinn handelt es sich um eine physikalische Größe wie z. B. Masse, Leistung, Temperatur, die Ziel einer Messung war oder sein wird. Abgrenzung: Da z. B. der Intelligenzquotient keine physikalische Größe ist, kann er im Sinne dieser Definition keine messbare Größe sein. • Als spezielle Größe handelt es sich um eine zu speziellen Sachbezügen gehörende Größe wie z. B. Volumen eines vorgelegten Körpers, Widerstand eines vorgelegten Kupferdrahtes bei einer gegebenen Temperatur. Der von einem Messgerät oder einer Messeinrichtung gelieferte oder zu liefernde Wert einer speziellen Messgröße nennt man den Messwert; er wird durch das Produkt aus Zahlenwert und Einheit ausgedrückt. Abgrenzung: Im Sinne dieser Festlegung sind Werte, die z. B. durch bloße Überlegung oder Vermutung gewonnen wurden, nicht als Messwerte zu bezeichnen. Die Messgröße muss nicht unmittelbar Gegenstand der Messung sein. Sie kann auch über physikalisch bekannte oder festgelegte mathematische Beziehungen aus Größen bestimmt werden, denen unmittelbare Messungen gelten. Ziel jeder Messung ist es, den wahren Wert der Messgröße zu ermitteln. Möglich ist aber bestenfalls, durch ein vollständiges Messergebnis einen Schätzwert anzugeben. Die Messgröße wird häufig Eigenschaft eines Körpers sein; sie kann auch Eigenschaft eines Vorganges (z. B. einer Strahlung) oder eines Zustandes (z. B. eines elektrischen Feldes) sein[2]. Man unterscheidet dimensionslose Messgrößen (z. B. Winkel, Brechungsindex, Exzentrizität der Bahn eines Satelliten usw.), deren Werte unmittelbar als rationale Zahlen zu erhalten sind, und dimensionsbehaftete Messgrößen (z. B. Dauer, Ladung, Dichte), deren Werte jeweils mit Werten derselben Dimension zu vergleichen sind. Diese Vergleichbarkeit wird dadurch ausgedrückt, dass man den Wert einer dimensionsbehafteten Messgröße als Vielfaches der zugehörigen Maßeinheit angibt. In der Praxis werden auch für dimensionslose Größen der Deutlichkeit wegen oft Einheiten (Hilfsmaßeinheiten) verwendet. Im Bereich der Quantenphysik sind bestimmte Messgrößen ein und desselben Systems komplementär zueinander, d. h., die Messung der einen Größe bewirkt, dass der Wert der anderen Größe völlig unbestimmt wird (siehe Quantenmechanik oder Observable).

Quellen [1] Definition des Begriffs "Messgröße", DIN 1319-1, Kapitel 2, Nr. 1.1. [2] Definition des Begriffs "Messobjekt", DIN 1319-1, Kapitel 2, Nr. 1.2. Messmittelüberwachung 735

Messmittelüberwachung

Um eine hohe Qualität von Produkten zu erreichen, müssen Messgeräte in regelmäßigen Abständen überprüft und diese Überprüfung muss bescheinigt werden. ISO 9000 ff fordert die Rückführbarkeit für alle Messungen auf nationale Normale. Dieses wird durch die Messmittelüberwachung gemäß dem gezeigten Schema gesichert. In einem abgestuften System kann von oben nach unten der Aufwand bei den Messmitteln (deren Fehlergrenzen), Laboren und Personalanforderungen vermindert werden.

Ablauf der Messmittelüberwachung

Messtechnik

Die Messtechnik befasst sich mit Geräten und Methoden zur Bestimmung (Messung) physikalischer Größen wie beispielsweise Länge, Masse, Kraft, Druck, elektrischer Strom, Temperatur oder Zeit. Wichtige Teilgebiete der Messtechnik sind die Entwicklung von Messsystemen und Messmethoden, sowie die Erfassung, Modellierung und Reduktion (Korrektur) von Messabweichungen und unerwünschten Einflüssen. Dazu gehört auch die Justierung und Kalibrierung von Messgeräten sowie die korrekte Reduktion der Messungen auf einheitliche Bedingungen. Die Messtechnik ist in Verbindung mit Steuerungs- und Regelungstechnik eine Voraussetzung der Automatisierungstechnik. Für die Methoden und Produkte der industriellen Fertigung kennt man den Begriff der Fertigungsmesstechnik. Die für die Messtechnik grundlegende Norm ist in Deutschland die DIN-Norm DIN 1319 und in Österreich die OENORM M 1330. Messtechnik 736

Einteilung Die Messtechnik lässt sich nach verschiedenen Arten des Vorgehens bei einer Messung (Messmethoden) gliedern.

Ausschlags-Methode, Nullabgleichs-Methode und Konkurrierendes Bei der Ausschlags-Messmethode wird der Messwert aus dem Ausschlag oder einer anderen Anzeige eines Messgerätes ermittelt. • Beispiel: Federwaage mit Skalenbeschriftung in Gramm. Bei dieser Methode muss die Waage justiert sein. Bei der Nullabgleichs- oder Kompensations-Messmethode wird eine bekannte Größe so eingestellt, dass die Differenz mit der zu messenden Größe den Wert null ergibt. • Beispiel: Balkenwaage mit Anzeige für Drehmomenten-Gleichgewicht. Bei dieser Methode verwendet man einen Satz von Gewichtsstücken oder verschiebbare Gewichte. Abwandlungen dieser Grundformen; Beispiele Bei der Vergleichs- oder Substitutions-Messmethode wird die (zur quantitativen Auswertung ungeeignete) Anzeige der zu messenden Größe nachgebildet durch eine gleich große Anzeige mittels einer einstellbaren bekannten Größe. • Beispiel: Federwaage mit Skalenbeschriftung in Millimeter. Bei dieser Methode muss für die Waage ein Satz von Gewichten zur Verfügung stehen. Bei der Differenz-Messmethode wird statt der zu messenden Größe ihr Unterschied zu einer Vergleichsgröße ermittelt. • Beispiel: Balkenwaage mit Skale (also mehr als nur Nullpunkt-Anzeige). Bei dieser Methode entsteht ein Ausschlag, mit dem kleine Änderungen einer Größe wesentlich genauer messbar sind als durch Differenzbildung nach Messungen der Größe selber. Bei der integrierenden Messmethode wird die zu messende Größe aus Augenblickswerten durch Integration (je nach Technik auch durch Summation oder Zählung) gewonnen, vorzugsweise über der Zeit. • Beispiel: Zählwerk zur Entfernungsmessung, das die Umdrehungen eines Rades erfasst. Bei dieser Methode kann auch bei starken Schwankungen (im Beispiel in der Drehzahl) eine zuverlässige Aussage gewonnen werden.

Analoge oder digitale Methode Siehe hierzu – auch zu einer Gegenüberstellung der Methoden – den Artikel Digitale Messtechnik

Direkte oder indirekte Methode

Direkte Messtechnik Bei der direkten Messmethode wird die Messgröße unmittelbar mit einem Maßstab oder Normal verglichen. Beispiele einer direkten Messung sind das Anlegen eines Maßstabes an die zu bestimmende Länge oder der direkte Vergleich einer zu messenden elektrischen Spannung mit einer einstellbaren Referenz-Spannung auf einem Spannungs-Kompensator. Messtechnik 737

Indirekte Messtechnik Messsysteme und indirekte Messmethoden machen Größen auch dann messbar, wenn sie auf direktem Wege nicht zugänglich sind. Man misst eine andere Größe und bestimmt daraus die Messgröße, wenn zwischen beiden aufgrund eines Messprinzips ein bekannter eindeutiger Zusammenhang besteht. Beispielsweise wäre der Abstand von Erde und Mond durch direkten Vergleich mit einem Maßstab niemals zu bestimmen. Über die Laufzeit von Licht- oder Radiowellen gelingt es hingegen seit 30 Jahren (heute schon auf wenige Millimeter genau). Eine sehr alte Methode der indirekten Entfernungsmessung, mit der auch der Radius der Mondbahn bestimmt werden kann, ist die Triangulation. Von zwei Standpunkten mit bekanntem Abstand bestimmt man den Winkel, unter dem ein dritter Punkt zu sehen ist. Aus den beiden Winkeln und der bekannten Distanz kann der Abstand des dritten Punktes berechnet werden. Ähnlich kann der Abstand des Mondes durch indirekten Vergleich mit einem relativ kurzen Maßstab bestimmt werden. Die Mehrzahl der in Alltag, Wissenschaft oder Industrie eingesetzten Messverfahren verwenden indirekte Methoden. Das unterstreicht auch die Bedeutung des Verständnisses von Messabweichungen und ihrer Fortpflanzung durch mehrstufige Messsysteme (siehe auch Ausgleichsrechnung und Varianzanalyse).

Simultanmessungen Als Variante bzw. Erweiterung der indirekten Messmethoden können sog. Simultanmessungen gelten. In vielen Bereichen von Naturwissenschaft und Technik werden gleichzeitige Messungen von verschiedenen Punkten aus vorgenommen. Der Zweck ist die Elimination von Zeitfehlern, die Minimierung der Messabweichung oder die Aufdeckung von Quellen systematischer Messfehler.

Schnellreferenz Portal: Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik – Übersicht zu Wikipedia-Inhalten zum Thema Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik Messgerät, Messeinrichtung, Multimeter Messwert, Messergebnis Messabweichung, Messgeräteabweichung, Messunsicherheit Fehlergrenze, Fehlerfortpflanzung, Fehlerrechnung Reduktion (Messung), Eichung Sensor, Sensorik, Messprinzip Messung (Das Messen an sich), Metrologie (Die Lehre von den Maßen und Gewichten) Schaltzeichen zur Messtechnik

Grundlagen der elektrischen Messtechnik Vertiefend zu den vorstehenden Themen sind zu nennen: • Zeitabhängigkeit von Messgrößen • konstante oder in ihrer (langsamen) Veränderung erfassbare Größen als einzelner Messwert, Folge von Messwerten, Liniendiagramm • Augenblickswerte schnell veränderlicher, vorzugsweise periodischer Größen als stehendes Bild auf Bildschirm • durch Mittelwertbildung erfassbare Größen als Gleichwert, Gleichrichtwert, Effektivwert • Elektromechanische anzeigende Messgeräte z. B. Analogmultimeter Messtechnik 738

deren Fehlergrenzen • Digitalelektronische anzeigende Messgeräte z. B. Digitalmultimeter deren Fehlergrenzen • Registrierende Messgeräte z. B. Oszilloskope, Messschreiber • Anpassende Messgeräte z. B. Messumformer, Messumsetzer, Messverstärker deren Messsignale • Messverfahren für elektrische Größen z. B. Widerstandsänderung, Wirkleistung für nicht elektrische Größen z. B. Temperatur, Druck (siehe unten, physikalische Größen)

Typen von Messgeräten Eine ausführliche Aufzählung von Messgeräten findet sich im Artikel Messgerät. Einen Überblick, wie teilweise erst eine Kette aus Messgeräten von unterschiedlichem Typus zum gesuchten Messwert führt, findet sich im Artikel Messeinrichtung.

Einteilung nach physikalischen Größen • Elektrische Spannung → Spannungsmessgerät - V • Elektrischer Strom → Strommessgerät - A • Temperatur → Thermometer, Widerstandsthermometer, Thermoelemente - K, °C, °F • Feuchtigkeit → Luftfeuchte, Materialfeuchte, Holzfeuchte, (Feuchtigkeitssensor) - g/m³, %RF, °Ctp • Länge/Weg/Tiefe → Entfernungsmessung - m • Geschwindigkeit → Geschwindigkeitsmessung, Tachometer - m/s • Frequenz → Frequenzmesser, Frequenzzähler - Hz • Druck → Druckmessgerät, Dehnungsmessstreifen, Barometer - Pa • Kraft → Kraftmessung, Kraftaufnehmer - N • Durchfluss → Durchflussmesser, Durchflusssensor - m³/s, l/min, kg/s • Schallpegel → Schallpegelmesser - dB • Beleuchtungsstärke → Luxmeter - Lux • Magnetische Flussdichte → Magnetometer - T Messtechnik 739

Literatur • Elmar Schrüfer: Elektrische Messtechnik. Carl Hanser. ISBN 978-3-446-40904-0 • Kurt Bergmann : Elektrische Messtechnik. Vieweg. ISBN 978-3-528-54080-7 • Jörg Hoffmann : Handbuch der Messtechnik. Carl Hanser, München 2007 (3. Aufl.). ISBN 978-3-446-40750-3 • Jörg Hoffmann : Taschenbuch der Messtechnik. Fachbuchverlag, Leipzig 2007 (5. Aufl.). ISBN 978-3-446-40993-4 • Hans Hart : Einführung in die Meßtechnik. VEB Verlag Technik, Berlin 1989 (5. Aufl.) • Norbert Weichert : Messtechnik und Messdatenerfassung. 2., aktualisierte und erw. Aufl. Oldenbourg, München 2010, ISBN 978-3-486-59773-8

Weblinks • Arbeitskreis der Hochschullehrer für Messtechnik [1]

Quellennachweise

[1] http:/ / www. ahmt. de

Messumformer

Gemäß der grundlegenden Norm DIN 1319 ist ein Messumformer ein Messmittel (Messgerät, Messeinrichtung, Normal, … ), das eine Eingangsgröße entsprechend einer festen Beziehung in eine Ausgangsgröße umformt. Messumformer sind in allen Bereichen der Technik, insbesondere in der Automatisierungs-, Steuerungs- und Regelungstechnik von wesentlicher Bedeutung.

Begriffe Häufig wird auch der englische Begriff Transmitter verwendet. Der vollständige Begriff Measuring Transmitter wird selten benutzt. Stattdessen spricht man etwa von Drucktransmitter oder Niveautransmitter. Man nennt Messumformer • Messwandler, wenn sie am Eingang und Ausgang dieselbe physikalische Größe aufweisen und ohne Hilfsenergie arbeiten, z. B. Stromwandler, die Wechselstrom in Wechselstrom umformen; • Messverstärker, wenn sie am Eingang und Ausgang dieselbe physikalische Größe aufweisen, aber mit Hilfsenergie arbeiten; • Messumsetzer, wenn sie in eine andere Signalstruktur umsetzen; dabei können Messsignale eine analoge oder digitale Signalstruktur aufweisen, gegebenenfalls auch unterschiedlich digital kodierte Strukturen. Zur Abgrenzung und Erklärung analoger und digitaler Signale siehe unter Digitale Messtechnik. In manchen Bereichen werden Messumformer auch als Messwertgeber oder kurz Geber bezeichnet. Messumformer 740

Beschreibung Im Weiteren werden nur solche Messumformer dargestellt, die im Eingang und Ausgang analoge Signalstruktur mit verschiedenen Größen aufweisen. Als solche Messmittel kommen sowohl elektronische als auch nicht elektronische Messmittel infrage. Das Eingangssignal eines Messumformers ist eine physikalisch messbare Größe. Dabei wird der Teil des Messmittels, der auf die Messgröße unmittelbar anspricht, Messgrößen-Aufnehmer, Sensor (gemäß DIN 1319) oder Messfühler genannt. Im Sensor werden mittels physikalischer oder chemischer Effekte weiterverarbeitbare Größen erzeugt, überwiegend in der Form elektrische Signale. Als Ausgangssignal wird häufig ein normiertes analoges elektrisches Einheitssignal generiert. Als Zwischenschritte sind dabei oft Verstärkung und Linearisierung notwendig. Für einfache Anwendungen genügt am Ausgang eine boolesche Größe (z. B. Schaltausgang zum Bezugspotential). Als Ausgangssignal steht häufig ein normiertes analoges elektrisches Einheitssignal zur Verfügung: • 0 … 20 mA • 4 … 20 mA (bevorzugt; siehe dazu bei Einheitssignal) • 0 … 10 V Messumformer bei elektrischen Eingangsgrößen bieten häufig eine galvanische Trennung von Mess- und Ausgangsgröße. Ferner gibt es Messumformer mit den Ausgangssignalen Zeit oder Frequenz. Zwei Gründe sprechen für deren Verwendung: 1. Diese Größen können sehr einfach durch befristete Zählung mit Zählern digital erfasst werden. 2. Diese Größen benötigen einen Träger (Spannung oder Strom), in dessen Signalhöhe keine Information steckt, so dass Störeinkopplungen die Information kaum verfälschen können. Ein Spannungs-Zeit-Umformer wird verwendet in der analogen Aufbereitungsstufe eines digitalen Spannungsmessgerätes nach dem Zweirampenverfahren. Ein Spannungs-Frequenz-Umformer wird verwendet in der analogen Aufbereitungsstufe eines digitalen Spannungsmessgerätes nach dem Ladungsbilanzverfahren.

Beispiele

Bei der Auswertung folgender physikalischer Größen kommen Messumformer verbreitet zur Anwendung: • Temperatur • Drehzahl • Drehwinkel • Weg • Druck • Kraft • Dehnung • elektrische Spannung • elektrischer Strom • elektrische Leistung • Durchfluss • Feuchte

• Füllstand Druckmessumformer

• Bestandteile von Gasen (Gassensor) Messumformer 741

Ein pneumatisches Ausgangssignal wurde früher benutzt, um Messumformer in explosionsgefährdeten Bereichen einzusetzen, als es noch keine Möglichkeiten gab, elektrische Komponenten in explosiver Umgebung gefahrlos einzusetzen. Beispiel einer praktischen Anwendung Eine Fördergesellschaft verkauft Erdgas an ein Gasunternehmen. Für den Transport gibt es eine Pipeline. An der Übergabestelle ist eine Messblende installiert. Der Differenzdruck an der Blende erzeugt eine Membranverformung, diese wird elektrisch erfasst und in ein Einheitssignal 4 … 20 mA umgeformt. Dieses Signal wird dem Prozessrechner in einer Messwarte zugeführt. Dort werden aus diesem Signal der momentane Durchfluss und die über die Zeit gelieferte Menge berechnet. Der Durchfluss ist die Grundlage für die prozesstechnische Regelung; die Menge ist die Grundlage für die kaufmännische Abrechnung. Die Messstelle wird als Durchflussmessumformer oder als Durchflusstransmitter bezeichnet.

Messung

Eine Messung ist das Ausführen von geplanten Tätigkeiten zu einer quantitativen Aussage über eine Messgröße durch Vergleich mit einer Einheit.[1] Dabei ist die Messgröße jene physikalische Größe, der die Messung gilt.[2] Die Bezeichnungen für die Messtechnik werden für Deutschland in der DIN-Norm DIN 1319 definiert, für Österreich in der ÖNORM M 1330. Der in der Physik und den Ingenieurwissenschaften gewachsene Begriff „Messung“ wird auf andere Gebiete übertragen, wobei er allerdings mit einem anderen Sinn belegt wird. Denn „eine Übertragung dieser Messvorstellung auf die Sozialwissenschaften scheitert daran, dass Einheiten in diesem Sinne in den Sozialwissenschaften bislang fehlen.“[3] Um den Begriff trotzdem verwenden zu können, wird in derselben Quelle formuliert: Messen als „eine Zuordnung von Zahlen zu Objekten oder Ereignissen, sofern diese Zuordnung eine homomorphe Abbildung eines empirischen Relativs in ein numerisches Relativ ist.“

Messung im Sinne der Messtechnik Ziel einer Messung ist es, ein Messergebnis als verlässliche Aussage zu erhalten über eine unbekannte Größe eines Objekts. „Die Tätigkeiten des Messens sind überwiegend praktischer (experimenteller) Art, schließen jedoch theoretische Überlegungen und Berechnungen ein.“ [1] Das Ergebnis der Messung ist im ersten Schritt ein Messwert, der aber eine Messabweichung enthält und von seinem wahren Wert abweicht. Aus dem Messwert sind bekannte systematische Abweichungen herauszurechnen. Ein vollständiges Messergebnis ist ein aus Messungen gewonnener Schätzwert für den wahren Wert der Messgröße mit quantitativen Aussagen zur Genauigkeit der Messung. „Die Auswertung von Messwerten der Messgröße bis zum angestrebten Ergebnis ist Teil der Messaufgabe und wird zur Messung der Messgröße gerechnet.“ [1] Die weitere Verwertung des Messwertes oder Messergebnisses gehört nicht zur Messung, z. B. • das Prüfen, ob eine Bedingung eingehalten wird, • das Regeln, damit die Messgröße sich einer Führungsgröße annähert. Die zu messende Größe kann fast jede physikalische Größe sein. Die meisten physikalischen Größen können nicht direkt gemessen werden, sondern müssen unter Verwendung physikalischer Modelle und daraus abgeleiteter Formeln aus anderen gemessenen Daten berechnet werden. Ein Beispiel ist die Messung der Geschwindigkeit eines Gegenstandes durch Messung seiner Position zu zwei verschiedenen Zeitpunkten und Berechnung des Quotienten aus zurückgelegter Strecke und der benötigten Dauer. Ein Messwert oder Messergebnis wird durch ein Produkt aus Zahlenwert und (Maß-)Einheit ausgedrückt (auch gemäß DIN 1313). Beginnend mit der internationalen Meterkonvention von 1875 ist unter Führung der Messung 742

Generalkonferenz für Maß und Gewicht das SI-Einheitensystem (Système International d’Unités) entstanden. Es umfasst sieben Basiseinheiten: Meter, Kilogramm, Sekunde, Ampere, Kelvin, Mol, Candela, sowie abgeleitete SI-Einheiten, z. B. Volt. Außerdem gibt es allgemein anwendbare Einheiten außerhalb des SI, z. B. Stunde. Die SI-Einheiten sind international vereinbarte, national gesetzlich festgelegte und in die Normung aufgenommene Werte von physikalischen Größen mit dem Zweck, dass alle anderen Werte dieser Größe als Vielfaches der Einheit anzugeben sind. (Festlegung in Deutschland im Einheitengesetz und in DIN 1301-1.)

Schritte zur Messung Zum Messen gehören: 1. Eindeutige Definition der Messaufgabe (Messproblem) und der Messgröße: Die Aufgabe, das Messobjekt und die physikalische Messgröße sind festzulegen. 2. Festlegung der Maßeinheit für das Ergebnis: Die Einheit und ihr Einheitenzeichen sind in der Regel gemäß dem SI festgelegt, wählbar sind Vorsätze für Zehnerpotenzen (ebenfalls gemäß DIN 1301-1). Beispiel für die Länge: mm, cm, m, km. Beispiel für die Geschwindigkeit: m/s oder außerhalb des SI km/h oder für spezielle Anwendungsbereiche Knoten (DIN 1301-2). Es gibt auch dimensionslose Größen, z. B. Winkel, Brechzahl, Anzahl, deren Werte ohne Einheit angegeben werden. 3. Zusammenstellen der Randbedingungen: Als Randbedingungen sind z. B. Eigenschaften des Messobjektes (Werkstoff, Oberflächenbeschaffenheit) und der Umgebung (Temperatur, Schwingungen) zu beachten. 4. Wahl einer Messeinrichtung oder eines Messgerätes: Ausgehend vom Messprinzip und der Messmethode wird ein Messverfahren entwickelt, das in einer Messeinrichtung verwirklicht wird. Vielfach steht bereits ein fertiges Messgerät für die Messaufgabe zur Verfügung. (Definitionen der Begriffe siehe unten) 5. Kalibrieren von Messeinrichtung/Messgerät: DIN EN ISO 9000 ff fordert die Rückführbarkeit aller Messungen auf nationale Normale. Dieses wird durch das Verfahren der Messmittelüberwachung gesichert. Dazu soll ein Messgerät in regelmäßigen Abständen kalibriert (eingemessen) werden. Dabei ermittelt man den Messwert (Ausgangsgröße) bei einem als richtig anzusehenden Wert der Messgröße (Eingangsgröße). Falls der Messwert nicht mit dem Wert der Messgröße innerhalb vorgegebener Fehlergrenzen übereinstimmt, ist das Gerät vorerst neu zu justieren (einzustellen). 6. Festlegung des Messablaufs: zeitliche bzw. örtliche Abfolge der Messungen: z. B. Reihenfolge von Einzelmessungen, Wiederholungen, Messreihe unter geänderten Bedingungen; räumliche Verteilung der Messpunkte (Messstellen), Messprofile, regelmäßiger Raster usw. 7. Durchführen der Messung und Ermitteln des Messergebnisses: Es können eine Messung oder auch mehrere unter denselben Bedingungen gewonnene Messungen derselben Größe (Vergleichs-/Wiederholmessungen) durchgeführt werden. Dann sind Mittelwert und Standardabweichung zu berechnen. Ferner können Messungen verschiedener Größen erforderlich sein, aus denen der Messwert der gesuchten Größe nach festgelegten mathematischen Beziehungen zu berechnen ist. 8. Berücksichtigung der Auswirkungen von Einflussgrößen: Korrektur von systematischen Messabweichungen. Je nach Umständen gehört hierzu auch eine Reduktion, d. h. eine Korrektur auf einheitliche Bedingungen. Messung 743

9. Ermitteln des vollständigen Messergebnisses: Ein vollständiges Messergebnis besteht aus dem Messwert (gegebenenfalls Mittelwert aus einer oder mehreren Messreihen oder dem berechneten Wert aufgrund anderer Messungen), ergänzt durch quantitative Aussagen zur Messunsicherheit; als letztere dienen Fehlergrenzen, die mit den Mitteln der Fehlerrechnung oder der Fehlerfortpflanzung zu bestimmen sind.

Weitere Begriffe zur Messung

Messprinzip „Die wissenschaftliche Grundlage eines Messverfahrens.“ (VIM: 1994); „Physikalische Grundlage der Messung.“ (DIN 1319-1:1995), z. B. die Lorentzkraft als Grundlage einer Messung der elektrischen Stromstärke.

Messmethode „Spezielle, vom Messprinzip unabhängige Art des Vorgehens bei der Messung“ (DIN 1319-1), z. B. Ausschlags-Messmethode, Nullabgleichs-Messmethode, Differenz-Messmethode.

Messverfahren „Praktische Anwendung eines Messprinzips und einer Messmethode“ (DIN 1319-1), z. B. Masseermittlung mit einer Balkenwaage und Gewichtsstücken nach der Nullabgleichs-Messmethode.

Einflussgröße Größe, die nicht Gegenstand der Messung ist, jedoch die Messgröße oder die von der Messeinrichtung gelieferte Information über den Messwert beeinflusst (nach DIN 1319-1), (siehe auch Querempfindlichkeit), z. B. Umgebungstemperatur, elektromagnetische Feldstärke.

Messgerät, Messeinrichtung, Messwerk Ein Messgerät wird definiert als „Gerät, das allein oder in Verbindung mit anderen Einrichtungen für die Messung einer Messgröße vorgesehen ist“ (DIN 1319-1). Häufig ist ein Messgerät Bestandteil einer Messeinrichtung, die definiert wird als „Gesamtheit aller Messgeräte und zusätzlicher Einrichtungen zur Erzielung eines Messergebnisses“ (ebenfalls DIN 1319-1). Der Begriff Messinstrument kommt im „Glossar der Metrologie“ [4] nicht vor, in DIN 1319-1 nur als Übersetzung: „en: Measuring instrument“ für Messgerät. Das Messwerk ist in einem mechanischen Messgerät der aktive Teil. Zum Messwerk gehören das bewegliche Organ mit Zeiger und für die Wirkungsweise wichtigen Teile, z. B. Dauermagnet, Spule. Messung 744

Messobjekt „Träger der Messgröße“ – „Messobjekte können Körper, Vorgänge oder Zustände sein.“ (DIN 1319-1), z. B. • die Messgröße „Volumen eines vorliegenden Gefäßes“ ist Eigenschaft eines Messobjektes „Gefäß“ • die Messgröße „Flussdichte eines vorliegenden magnetischen Feldes“ ist Eigenschaft eines Messobjektes (Zustandes) „magnetisches Feld“. Siehe auch: International Vocabulary of Metrology (VIM)

Messbarkeit Messbar ist eine Größe, wenn es ein Messprinzip gibt, nach der sie sich messen lässt, wenn sie also innerhalb physikalischer Betrachtungsweise sinnvoll definiert werden kann, und daher insbesondere quantifizierbar ist. Dies umfasst auch alle Ansprüche der Reproduzierbarkeit des Messergebnisses. Messbar sind physikalische Größen. Manche nicht physikalische Größen lassen sich auf physikalische Größen zurückführen wie Lautstärke auf Schalldruck, Farbwahrnehmungen auf die Verteilung im Lichtspektrum. Die Ermittlung von nicht physikalischen Größen, wie beispielsweise die mit statistischen Methoden gewonnene Inflationsrate, der Intelligenzquotient oder die Kundenzufriedenheit, wird teilweise auch als Messung bezeichnet. Dies wird in der Regel bestritten. Siehe auch: Operationalisierung (Messbarmachung) Ein nur subjektiv beurteilbares Merkmal wie z. B. Schönheit (etwa einer Farbe) oder Schlauheit ist nicht allgemein anerkannt definiert und allein schon dadurch auch nicht quantitativ angebbar. Werte, die zu klein sind, um mit heutigen Methoden gemessen werden zu können, werden zwar zuweilen als „unmessbar“ bezeichnet, sind aber lediglich „nicht erfassbar“.

Unterscheidungen

Direkte und indirekte Messung Unter direkten Messungen versteht man solche, deren Ergebnis unmittelbar am Messmittel ablesbar ist, beispielsweise Messungen mit Lineal, Winkelmesser oder Maßband. Bei indirekten Messmethoden liegt das Resultat erst nach einigen Zwischenstufen vor (siehe Messeinrichtung), z. B. Temperatur-Bestimmung von Sternen aus deren elektromagnetischen Spektren.

Analoge und digitale Messung Bei einer analogen Messung wird der Messwert durch eine stufenlose Verarbeitung des Messsignals ermittelt, bei einer digitalen Messung durch eine stufenweise Verarbeitung (DIN 1319-2). • Bei einer analogen Messung wird häufig eine Zwischengröße Strecke oder Winkel erzeugt, so dass der Messwert an einer Skale mit angepasster Skalenteilung abgelesen werden kann. • Bei einer digitalen Messung wird häufig eine schrittweise einstellbare oder durch Zählung bestimmbare Zwischengröße erzeugt, so dass der Messwert aufgrund der Schrittposition oder des Zählerstandes an einer Ziffernanzeige abgelesen werden kann. Durch die „Verwendung zählender Messgeräte wird in der Messtechnik zunehmend Zählen als besondere Art des Messens verwendet“ (DIN 1319-1). Zu einer ausführlicheren Gegenüberstellung dieser beiden Messmethoden siehe Digitale Messtechnik. Messung 745

Grenzen für Messungen In der Kopenhagener Deutung der Quantenmechanik nimmt die Messung einen entscheidenden Platz ein. Anders als in der klassischen Mechanik kann eine Größe in der Quantenmechanik nicht gemessen werden, ohne das System zu beeinflussen. Dies drückt sich darin aus, dass es neben der Schrödingergleichung, die die Zeitentwicklung eines quantenmechanischen Zustands beschreibt, auch eigene Gesetze zum Verhalten des Systems bei einer Messung gibt, siehe dazu Quantenmechanische Messung. Aber auch in der klassischen Messtechnik kommt aus der Elektrotechnik ein bekanntes Beispiel der Beeinflussung des Messobjektes durch die Messung selbst, siehe Rückwirkungsabweichung. Diese bewirkt, dass die Leerlaufspannung einer realen Spannungsquelle mit realen Messgeräten nicht exakt messbar ist. Ferner ist zu bedenken, dass die Lichtgeschwindigkeit eine endliche Größe aufweist, so dass man nie wissen wird, was im exakten Zeitpunkt der Gegenwart gesehen oder wahrgenommen wird. Die Information braucht durch die nicht unendliche Lichtgeschwindigkeit Zeit, um vom Objekt zum Subjekt (Beobachter) zu gelangen. Daher sieht man immer ein Bild der Vergangenheit. Nicht einmal der Begriff „Gegenwart“ muss für zwei Subjekte derselbe sein, da sie sich darüber nicht austauschen können. (Wann genau ist „jetzt“? Wenn jemand ein Signal sendet, ist es für einen anderen beim Empfang schon Vergangenheit).

Quellen [1] DIN 1319-1:1995; Nr. 2.1 [2] DIN 1319-1; Nr. 1.1 [3] Bortz, J. & Döring, N. (2006). Forschungsmethoden und Evaluation für Human- und Sozialwissenschaftler. (S. 65) Springer: Heidelberg. ISBN 978-3-540-33305-0

[4] * unter http:/ / www. dam-germany. de (http:/ / www. dam-germany. de/ Fachinformation/ index. html)

Messunsicherheit

Die Messunsicherheit des Schätzwertes oder Schätzers einer physikalischen Größe grenzt einen Wertebereich ein, innerhalb dessen der wahre Wert der Messgröße mit einer anzugebenden Wahrscheinlichkeit liegt (üblich ist eine Angabe für 95 %). Das Ergebnis einer Messung ist erst durch Schätzer und Messunsicherheit definiert. Die Messunsicherheit wird ohne Vorzeichen angegeben. Messunsicherheiten sind selbst Schätzer. Andere Bezeichnungen für Messunsicherheit sind laut DIN 1319-3 Standardmessunsicherheit, Standardunsicherheit oder schlicht Unsicherheit. Der früher in ähnlichen Zusammenhängen gebräuchliche Begriff Fehler ist nicht mit dem Konzept der Messunsicherheit synonym. Sinn und Ziel des Schätzens von Messunsicherheiten ist es, Intervalle festzulegen, die die wahren Werte der Messgrößen einschließen oder „lokalisieren“ sollen. In aller Regel legt die Messunsicherheit einen zum Schätzwert der Messgröße symmetrisch liegenden Wertebereich fest, wobei der Schätzwert von bekannten systematischen Fehlern befreit worden ist. Bekannte systematische Messfehler sind nicht Gegenstand der Unsicherheits-Schätzung. Das Messergebnis ist durch einen Ausdruck der Form Schätzwert Messunsicherheit gegeben. Die Unsicherheit kann mit einem Erweiterungsfaktor (auch Abdeckungsfaktor genannt; en: coverage factor) k > 1 multipliziert werden, um den Vertrauensbereich zu erhöhen. Dieses Produkt wird dann als erweiterte Unsicherheit U bei einem bestimmten Erweiterungsfaktor bezeichnet: U = k · u Messunsicherheit 746

In der Technik werden erweiterte Unsicherheiten meist mit k = 2 angegeben. Der so definierte Bereich (das Intervall) hat ungefähr die Breite einer 95-%-Eintretenswahrscheinlichkeit. Eine weitere Schreibweise ist die nachgestellte Angabe der Messunsicherheit in Klammern. Dabei geben die in den Klammern stehenden Ziffern die Unsicherheit der letzten Ziffern des Messwertes an. Beispiel: 0,8543(24) entspricht 0,8543 0,0024

Metrologische Bedeutung Die Messunsicherheiten in Wissenschaft und Technik sollen drei Aufgaben erfüllen. • Sie sollen Messresultate objektivieren, indem sie festlegen, in welchem Intervall der wahre Wert der Messgröße zu erwarten ist. Nach klassischer Diktion waren das Konfidenzintervalle, deren Längen von der Höhe eines Vertrauensniveaus abhingen. Die klassische Fehlerrechnung muss um sogenannte unbekannte systematische Messfehler erweitert werden. Daher kann der Messunsicherheit nicht auf dieselbe Weise eine Wahrscheinlichkeit zugewiesen werden, wie es bei ausschließlich statistischen Fehlern möglich ist. • Das auf diese Weise geschaffene Netz physikalischer Konstanten muss in sich widerspruchsfrei sein, d. h. berechnete man anhand einer gegebenen Verknüpfungsfunktion aus einer Teilmenge von Konstanten eine andere, numerisch bereits bekannte Konstante, so muss die aus der Unsicherheitsfortpflanzung hervorgehende Messunsicherheit wiederum den wahren Wert dieser Konstanten lokalisieren. Messunsicherheiten müssen also der Forderung nach „Rückverfolgbarkeit der wahren Werte“ genügen. • Messunsicherheiten sollen Theorie und Experiment objektiv vergleichbar machen. Sie werden als Mittel verwendet, eine zur Debatte stehende neue Theorie entweder zu verwerfen oder sie zu bestätigen.

Hinterfragung der Fehlerrechnung Die „klassische“ Gauß'sche Fehlerrechnung behandelt ausschließlich zufällige Messfehler. Indessen hatte schon Gauß auf die Existenz und Bedeutung so genannter unbekannter systematischer Messfehler hingewiesen. Das sind zeitkonstante, nach Betrag und Vorzeichen unbekannte Störgrößen, die in der Regel in einer mit den zufälligen Fehlern vergleichbaren Größenordnung liegen. Unbekannte systematische Messfehler müssen mit Hilfe von Intervallen eingegrenzt werden. Der heutige Mainstream der Metrologie interpretiert den Prozess des Schätzens der Messunsicherheit als „technische Vorschrift“, der einheitlich zu praktizieren ist. Im Bereich des gesetzlichen Messwesens und des Kalibrierdienstes in Deutschland wird empfohlen, Messunsicherheiten nach DIN festzulegen. Dieser Leitfaden zur Angabe der Unsicherheit beim Messen entspricht der europäischen Vornorm ENV 13005, welche die Empfehlung der ISO übernimmt; er hat auch unter dem Akronym „GUM“ Bekanntheit erlangt.

Literatur • DIN 1319 „Grundlagen der Messtechnik“ Teil 1: Grundbegriffe (Ausgabe: 1995-01) Teil 2: Begriffe für Messmittel (Ausgabe: 2005-10) Teil 3: Auswertung von Messungen einer einzelnen Meßgröße, Meßunsicherheit (Ausgabe: 1996-05) Teil 4: Auswertung von Messungen; Meßunsicherheit (Ausgabe: 1999-02) • DIN, Deutsches Institut für Normung e. V. (Hrsg.): Leitfaden zur Angabe der Messunsicherheit beim Messen. 1. Auflage. Beuth Verlag GmbH, Berlin 1995, ISBN 3-410-13405-0 • DIN V ENV 13005:1999-06, Ausgabe 1999-06 „Leitfaden zur Angabe der Unsicherheit beim Messen“ Deutsche Fassung ENV 13005:1999, Beuth Verlag GmbH, Berlin Messunsicherheit 747

• DIN ISO 5725 „Genauigkeit (Richtigkeit und Präzision) von Messverfahren und Messergebnissen“ Teil 1: Allgemeine Grundlagen und Begriffe (ISO 5725-1 : 1994) (Ausgabe: 1997-11) Teil 2: Grundlegende Methode für Ermittlung der Wiederhol- und Vergleichpräzision eines vereinheitlichten Messverfahrens (ISO 5725-2:1994 einschließlich Technisches Korrigendum 1:2002) (Ausgabe: 2002-12) Teil 3: Präzisionsmaße eines vereinheitlichten Messverfahrens unter Zwischenbedingungen (ISO 5725-3:1994 einschließlich Technisches Korrigendum 1:2001) (Ausgabe: 2003-02) Teil 4: Grundlegende Methoden für die Ermittlung der Richtigkeit eines vereinheitlichten Messverfahrens (ISO 5725-4:1994) (Ausgabe: 2003-01) Teil 5: Alternative Methoden für die Ermittlung der Präzision eines vereinheitlichten Messverfahrens (ISO 5725-5:1998) (Ausgabe: 2006-04) Teil 6: Anwendung von Genauigkeitswerten in der Praxis [ISO 5725-6:1994 einschließlich Technisches Korrigendum 1:2001] (Ausgabe 2002-08) • Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement, ISO, Internationale Organisation für Normung • ISO 21748 „Guidance for the use of repeatability, reproducibility and trueness estimates in measurement uncertainty estimation” (Ausgabe: 2010-10) • Weise, Klaus; Wöger, Wolfgang: Meßunsicherheit und Meßdatenauswertung. Weinheim: Wiley-VCH 1999. ISBN 3-527-29610-7

Weblinks

GUM • Allgemeinverständliche Erläuterung der Messunsicherheit [1] (PDF-Datei; 92 kB) • Guidelines for Evaluating and Expressing the Uncertainty of NIST Measurement Results [2] • Praxisfibel Messunsicherheit – Grundlagen, Bestimmung nach GUM, Übungen [3] (PDF-Datei; 3,42 MB)

Kritik am GUM und Alternativer Ansatz • Grabe, M. Ten Theses for a New GUM [4] (PDF-Datei; 236 kB) • Grabe, M. Gedanken zur Revision der Fehlerrechnung [5] (PDF-Datei; 225 kB) • Grabe, M. Proposal for a New Error Calculus [2] • Grabe, M. Measurement Uncertainties in Science and Technology, Springer 2005 [6] • Grabe, M. Generalized Gaussian Error Calculus, Springer 2010 [7]

Quellennachweise

[1] http:/ / www. ptb. de/ cms/ fileadmin/ internet/ publikationen/ kessel. pdf

[2] http:/ / physics. nist. gov/ Pubs/ guidelines/ contents. html

[3] http:/ / www. testo-industrial-services. de/ online/ embedded/ Sites/ TIS/ Downloads/ Praxisfibel_Messunsicherheit_2009. pdf

[4] http:/ / www. uncertainty. de/ Ten_Theses. pdf

[5] http:/ / www. uncertainty. de/ tm_2000_6_283. pdf

[6] http:/ / www. springer. com/ physics/ book/ 978-3-540-20944-7

[7] http:/ / www. springer. com/ physics/ book/ 978-3-642-03304-9 Messverfahren 748

Messverfahren

Weitere Begriffe zur Messung

Messmethode „Spezielle, vom Messprinzip unabhängige Art des Vorgehens bei der Messung“ (DIN 1319-1), z. B. Ausschlags-Messmethode, Nullabgleichs-Messmethode, Differenz-Messmethode.

Messverfahren „Praktische Anwendung eines Messprinzips und einer Messmethode“ (DIN 1319-1), z. B. Masseermittlung mit einer Balkenwaage und Gewichtsstücken nach der Nullabgleichs-Messmethode.

Unterscheidungen

Ferner ist zu bedenken, dass die Lichtgeschwindigkeit eine endliche Größe aufweist, so dass man nie wissen wird, was im exakten Zeitpunkt der Gegenwart gesehen oder wahrgenommen wird. Die Information braucht durch die nicht unendliche Lichtgeschwindigkeit Zeit, um vom Objekt zum Subjekt (Beobachter) zu gelangen. Daher sieht man immer ein Bild der Vergangenheit. Nicht einmal der Begriff „Gegenwart“ muss für zwei Subjekte derselbe sein, da sie sich darüber nicht austauschen können. (Wann genau ist „jetzt“? Wenn jemand ein Signal sendet, ist es für einen anderen beim Empfang schon Vergangenheit).

[4] * unter http:/ / www. dam-germany. de (http:/ / www. dam-germany. de/ Fachinformation/ index. html)

Messwert

Ein Messwert ist der Wert einer Messgröße, der von einem Messgerät oder einer Messeinrichtung geliefert wird.

Angabe eines Messwertes Der Messwert wird für eine quantitative Aussage über eine Messgröße bestimmt, das ist diejenige physikalische Größe, der die Messung gilt (DIN 1319). Der spezielle Wert der Messgröße wird durch das Produkt aus Zahlenwert und Einheit ausgedrückt (auch DIN 1313).

Einheit Einheiten, zur Unterscheidung oft Maßeinheiten genannt, sind international vereinbarte, national gesetzlich festgelegte und in DIN 1301 in die Normung aufgenommene Werte von physikalischen Größen mit dem Zweck, dass alle anderen Werte dieser Größe als Vielfaches der Einheit anzugeben sind.

Zahlenwert Nach DIN 1301 sollen Zahlenwerte zwischen 0,1 und 1000 liegen. An Stelle größerer oder kleinerer Werte sollen Vorsätze für Maßeinheiten verwendet werden, die ebenfalls in der Norm aufgelistet sind. Beispiele

Statt soll geschrieben werden

20 000 m oder 2 · 104 m 20 km

0,002 m oder 2 · 10-3 m 2 mm

2,2 · 10-10 F 0,22 nF oder 220 pF

Dabei soll die höchstwertige Stelle, die von Fehlergrenze oder Messunsicherheit (siehe unten) betroffen ist, die Einerstelle oder eine Nachkommastelle sein (DIN 1333); dadurch werden nur signifikante Stellen angegeben. Beispiele Messwert 753

Statt soll geschrieben werden

(220 ± 40) pF (0,22 ± 0,04) nF

(220 ± 4) V (keine Änderung angebracht)

Gewinnung eines Messwertes Der Messwert wird bei direkter Ausgabe des Messgerätes oder der Messeinrichtung geliefert • bei analogen Messverfahren vorzugsweise durch eine Skalenanzeige; aus einem Kontinuum von (reellen) Werten wird ein Zahlenwert abgelesen, der zusammen mit der auf der Skale anzugebenden Einheit den Messwert liefert, • bei digitalen Messverfahren vorzugsweise durch eine Ziffernanzeige; aus einem Wertevorrat ganzer Zahlen wird eine Zahl (z. B. Zählerstand) verwendet, die zusammen mit der kleinsten Schrittweite den Messwert liefert. Z. B. bei der Zeitmessung kann gelten: 1 Ziffernschritt 0,1 ms. Dann wird aus einem Zählerstand 1234 der Messwert 123,4 ms. Bei indirekter Ausgabe wird der Messwert durch ein Analog- oder Digitalsignal geliefert, vorzugsweise als elektrische Spannung oder elektrischer Strom, aber auch als Zeitspanne, Anzahl von Spannungsimpulsen usw. zur Weiterverarbeitung in einer Messkette, Steuerungs-, Regelungs- oder Datenverarbeitungsanlage. Dann wird der Messwert dem Menschen gar nicht mitgeteilt, oder erst nach Umformung oder Umrechnung wird er in ablesbare Form gebracht.

Qualität eines Messwertes Messwerte sind immer mit Messabweichungen behaftet. DIN 1319 unterscheidet zwischen zufälliger und systematischer Messabweichung. • In erster Linie wird es sich um eine Messgeräteabweichung handeln, also eine Abweichung, der allein durch das Messgerät verursacht wird. Sie ist überwiegend systematischer Natur. Bei bekannter Fehlergrenze (z. B. aufgrund eines Klassenzeichens) wird man diese zusammen mit dem Messwert angeben. • Zufällige Abweichungen, die in der Versuchsanordnung und den Messapparaturen enthalten sind (beispielsweise Rauschen in Verstärkern), können in ihrem Einfluss verringert werden durch wiederholte Messung und Fehlerrechnung. Man verwendet statt eines Einzelmesswertes den arithmetischen Mittelwert. Dessen Unsicherheit lässt sich ebenfalls ausrechnen und ist anzugeben. • Systematische Abweichungen, die in der Versuchsanordnung und den Messapparaturen enthalten sind, müssen aus dem Messwert herausgerechnet werden, sofern sie – wenn auch schwierig – angebbar sind. Solche Abweichungen sind beispielsweise falsche Justierung (sofern nicht in der Fehlergrenze enthalten), die Veränderung des Messwertes durch Rückwirkung des Messgerätes auf den Versuchsaufbau (Spannungsmessgerät mit zu geringem Messgeräte-Innenwiderstand im Verhältnis zum Quellen-Innenwiderstand der Spannungsquelle) oder ein ungeeigneter Versuchsaufbau. Da diese Messabweichungen herauszurechnen sind, erscheinen sie nicht als Qualitätsmerkmal. • Nicht bekannte, nur abschätzbare systematische Messabweichungen führen zu einer weiteren Komponente der Messunsicherheit, die anzugeben ist. So ist eine Messung, die die Fallbeschleunigung zu (9,8 ± 1,0) m/s² bestimmt, recht ungenau, da aus der Messung lediglich geschlossen werden kann, dass der " wahre Wert" mit einer gewissen statistischen Sicherheit im Bereich von 8,8 m/s² bis 10,8 m/s² liegt. Der wahre Wert ist dabei aber unbekannt. Die Tatsache, dass der Wert 9,8 m/s² mit dem Wert aus der Literatur erstaunlich gut übereinstimmt, ist aus dem angegebenen Ergebnis nicht erkennbar. Messwert 754

(Wenn man den Wert aus der Literatur kennen würde, wäre die Messung ja auch überflüssig.)

Randbedingungen Je nach Umständen gehören zum Messwert weitere Angaben wie Art des Messgeräts oder die Umweltbedingungen, auch die Position der Messstelle und Datum/Uhrzeit.

Metalle

Gold-Nugget Kupferscheibe nach dem Stranggussverfahren hergestellt, geätzt, Durchm. ca. 100 mm, Reinheit ≥ 99,95 %.

Metalle (von gr. μέταλλον metallon) bilden diejenigen chemischen Elemente, die sich im Periodensystem der Elemente links und unterhalb einer Trennungslinie von Bor bis Astat befinden. Das sind etwa 80 Prozent der chemischen Elemente, wobei der Übergang zu den Nichtmetallen über die Halbmetalle fließend ist und viele davon Modifikationen mit metallischer und atomarer Bindung bilden können. Der Begriff wird auch für Legierungen und intermetallische Phasen verwendet; er gilt für alle Materialien, die in fester oder flüssiger Form die folgenden vier charakteristischen metallischen Stoffeigenschaften aufweisen: 1. hohe elektrische Leitfähigkeit, die mit steigender Temperatur abnimmt, 2. hohe Wärmeleitfähigkeit, 3. Duktilität (Verformbarkeit) und 4. metallischer Glanz (Spiegelglanz). Alle diese Eigenschaften beruhen darauf, dass der Zusammenhalt der betreffenden Atome mit der metallischen Bindung erfolgt, deren wichtigstes Merkmal die im Gitter frei beweglichen Elektronen sind. Ein einzelnes Atom dieser Elemente hat keine metallischen Eigenschaften; es ist kein Metall. Erst wenn mehrere solcher Atome miteinander wechselwirken und zwischen ihnen eine metallische Bindung besteht, zeigen solche Atomgruppen (cluster) metallische Eigenschaften.[1] Atome dieser Elemente können sich bei extrem schneller Abkühlung auch amorph zusammenlagern, ohne ein Kristallgitter zu bilden – siehe Metallisches Glas. Andererseits können auch Atome anderer Elemente unter extremen Bedingungen (Druck) metallische Bindungen eingehen und somit die genannten metallischen Eigenschaften annehmen – siehe metallischer Wasserstoff. Metalle finden seit Beginn der Zivilisation vielfältige Anwendungen als Werkstoffe. Unter dem Begriff Metallphysik oder auch Metallkunde beschäftigen sich Physiker und Materialwissenschaftler mit allen Grundlagen, siehe unter Festkörperphysik, und mit Anwendungen, siehe unter Materialwissenschaft. Metalle 755

Einteilung

H He

Li Be B C N O F Ne

Na Mg Al Si P S Cl Ar

K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

Cs Ba La * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn

Fr Ra Ac ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg

* Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

** Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

Leichtmetalle < 5 g/cm³ Schwermetalle < 10 g/cm³ Schwermetalle > 10 g/cm³

Traditionell unterteilt man Metalle nach der Dichte in Schwermetalle und Leichtmetalle und nach der Reaktivität in Edelmetalle und unedle Metalle, wobei Letztere gute Reduktionsmittel darstellen. Siehe hierzu auch den Hauptartikel Metallischer Werkstoff (sowie zur Reaktivität unter Redoxreaktion). Metalle werden gebildet von den Elementen, die im Periodensystem der Elemente im Bereich links und unterhalb einer Linie vom Bor zum Astat stehen, wobei der metallische Charakter von oben nach unten bzw. von rechts nach links zunimmt. Ganz oben rechts befinden sich die Nichtmetalle, dazwischen die Halbmetalle. Die Nebengruppenelemente bilden ausnahmslos Metalle. Für das chemische Verhalten ist auch die Zugehörigkeit zu Haupt- oder Nebengruppen des Periodensystems entscheidend. Siehe auch: Refraktärmetalle Metalle 756

Physikalische Eigenschaften

Allgemeines

Voraussetzung für die Bildung des metallischen Zustandes sind folgende Eigenschaften von Atomen: • Die Zahl der Elektronen in der äußeren Schale ist gering und kleiner als die Koordinationszahl • Die (zur Abspaltung dieser Außenelektronen nötige) Ionisierungsenergie ist klein (< 10 eV) Daraus resultiert, dass diese Atome sich untereinander nicht über Atombindungen zu Molekülen oder Gittern verbinden können. Allenfalls in Metalldämpfen kommen Atombindungen vor, z. B. besteht Natriumdampf zu etwa 1 % aus Na -Molekülen. 2 Solche Atome ordnen sich vielmehr zu einem Metallgitter, der aus positiv geladenen Atomrümpfen besteht, während die Valenzelektronen über das ganze Gitter verteilt sind; keines dieser Elektronen gehört mehr zu einem bestimmten Kern. Diese frei beweglichen Elektronen kann man sich als Teilchen eines Gases

vorstellen, das den Platz zwischen den Atomrümpfen ausfüllt. Da ein Stück hochreinen Eisens mit 99,97 % dieses Elektronengas unter anderem die gute elektrische Leitfähigkeit Reinheit der Metalle bewirkt, wird das Energieniveau, auf dem sich die freien Elektronen befinden, als „Leitungsband“ bezeichnet. Die genauen energetischen Gegebenheiten beschreibt das Bändermodell auf Basis des Orbitalmodells.

Aus dieser Bindungsart und diesem Gitteraufbau resultieren folgende typische Eigenschaften der Metalle: • Glanz (Spiegelglanz): Die frei beweglichen Elektronen können fast die gesamte auftreffende elektromagnetische Strahlung bis zu Wellenlängen der Röntgenstrahlung wieder emittieren; so entstehen der Glanz und Reflexion; aus glatten Metallflächen werden deshalb Spiegel angefertigt.

• Undurchsichtigkeit: Die vorbeschriebene, an der Metalloberfläche Kubisch raumzentrierte Elementarzelle eines stattfindende Reflexion und die Absorption des nicht reflektierten Eisenkristalls Anteiles bewirken, dass zum Beispiel Licht kaum in Metall eintreten kann. Metalle sind deshalb nur in dünnsten Schichten etwas lichtdurchlässig und erscheinen in der Durchsicht grau oder blau. • Gute elektrische Leitfähigkeit: Die Wanderung der frei beweglichen Elektronen in eine Richtung ist der elektrische Strom. • Gute thermische Leitfähigkeit: Die leicht verschiebbaren Elektronen nehmen an der Wärmebewegung teil. Sie übertragen zudem die thermische Eigenbewegung der Atomrümpfe (Schwingungen) und tragen so zum Wärmetransport bei, vgl. Wärmeleitung. • Gute Verformbarkeit (Duktilität): Im Metall befinden sich Korngrenzen und Versetzungen, die sich schon bei einer Dehnung unterhalb der Bruchdehnung bewegen können, das heißt, ohne dass der Zusammenhalt verloren geht; je nach Gittertyp verformt sich also ein Metall, bevor es bricht. Metalle 757

• Relativ hoher Schmelzpunkt: Er resultiert aus den allseitig gerichteten Bindungskräften zwischen den Kationen und den frei beweglichen Elektronen, ein jedoch weniger starker Effekt als die elektrostatischen Anziehungskräfte zwischen Ionen in Salzkristallen.

Schmelz- und Siedetemperaturen

Schmelz- und Siedetemperaturen einiger Metalle (bei Normaldruck) [2][3]

Metall Schmelztemperatur Siedetemperatur in °C in °C

Aluminium 660,3 2467

Blei 327,4 1749

Eisen 1538,0 2861

Gold 1064,2 2856

Kupfer 1084,6 2927

Magnesium 650,0 1090

Wolfram 3422 5555

Zink 419,5 907

(weißes) Zinn 231,9 2602

Als hochschmelzend bezeichnet man Metalle, deren Schmelzpunkt T über 2000 K bzw. über dem Schmelzpunkt E von Platin (T -Platin = 2045 K = 1772 °C) liegt. Dazu gehören die Edelmetalle Ruthenium, Rhodium, Osmium und E Iridium und Metalle der Gruppen IVB (Zirconium, Hafnium), VB (Vanadium, Niob, Tantal), VIB (Chrom, Molybdän, Wolfram) und VIIB (Technetium, Rhenium).

Wärmeleiteigenschaften Die für die Wärmeleitung relevanten Eigenschaften wie Dichte, Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit variieren stark. So hat etwa Silber mit 427 W/(m·K) eine ca. 20-fach höhere Wärmeleitfähigkeit als Mangan, siehe Liste mit Werten.

Chemische Eigenschaften In Verbindung mit Nichtmetallen treten die Metalle im Allgemeinen als Kationen auf, d. h. die äußeren Elektronen werden vollständig an die Nichtmetallatome abgegeben und es bildet sich eine Ionenverbindung (Salz). In einem Ionengitter werden die Ionen nur durch elektrostatische Kräfte zusammengehalten. Bei Verbindungen mit Übergangsmetallen und bei größeren Anionen (wie dem Sulfid-Ion) können alle Übergangsstufen zur Atombindung vorkommen. Mit Nichtmetallen wie Wasserstoff, Kohlenstoff und Stickstoff werden auch Einlagerungsverbindungen gebildet, wobei sich die Nichtmetallatome in Lücken des Metallgitters befinden, ohne dieses wesentlich zu verändern. Diese Einlagerungsverbindungen behalten die typischen Metalleigenschaften wie die Elektrische Leitfähigkeit. Metallkationen, v. a. die der Nebengruppenmetalle, bilden mit Basen (Wasser, Ammoniak, Halogeniden, Cyaniden u. v. a.) Komplexverbindungen, deren Stabilität nicht allein durch die elektrostatische Anziehung erklärt werden kann. Metalle in höheren Oxidationsstufen bilden auch Komplexanionen, z. B.: Metalle 758

Chromtrioxid löst sich in Kalilauge unter Bildung von Kaliumchromat und Wasser.

Legierungen Die Verbindungen oder auch Lösungen von verschiedenen Metallen miteinander oder ineinander heißen Legierungen. Diese haben oft völlig andere physikalische und chemische Eigenschaften als die reinen Metalle. Vor allem die Härte ist teilweise um Größenordnungen höher. Ebenso kann sich die Korrosionsbeständigkeit deutlich erhöhen. Der Schmelzpunkt von Legierungen liegt dagegen oft unter dem der reinen Metalle; bei einer bestimmten Zusammensetzung wird der tiefste Schmelzpunkt erreicht, das Eutektikum. Als erste – gezielt hergestellte – Legierung der Menschheitsgeschichte wurde die Zinnbronze genutzt, was so etwas wie einen „Innovationsschub“ zur Bronzezeit darstellte. Heute stellt der Stahl die am häufigsten verwendete Legierung dar.

Vorkommen Der Erdkern besteht zum größten Teil aus Eisen, da es erstens in sehr großen Mengen vorkommt, weil es das kernphysikalisch stabilste Element ist, und zweitens aufgrund seiner hohen Dichte. In der Erdkruste dagegen überwiegen die Nichtmetalle, relativ häufige Metalle sind Aluminium, Eisen, Mangan, Titan, Calcium, Magnesium, Natrium und Kalium. Viele seltene Metalle treten aber in ihren Abbaustätten stark angereichert auf. Gesteine, die klassische Werkmetalle in abbauwürdigen Konzentrationen enthalten, werden Erze genannt. Zu den wichtigsten Erzen gehören: • Oxide • Sulfide • Carbonate Andere Metallverbindungen wie Kochsalz oder Kalk werden dagegen nicht als Erze bezeichnet. Manche Edelmetalle, v. a. Gold, kommen auch gediegen, d. h. in reiner Form und nicht als Verbindung (Erz oder Mineral) vor.

Verwendung

Viele Metalle sind wichtige Werkstoffe. Unsere moderne Welt wäre ohne Metalle unmöglich. Nicht ohne Grund werden Phasen der Menschheitsentwicklung nach den verwendeten Werkstoffen als Steinzeit, Bronzezeit, Eisenzeit bezeichnet. Reine Metalle werden zur Herstellung elektrischer Leitungen genutzt, da sie die größte Leitfähigkeit besitzen. Dafür wird vor allem unlegiertes Kupfer und Aluminium und selten auch Gold verwendet. Ansonsten werden reine Metalle praktisch nie eingesetzt. Die folgende Liste enthält die wichtigsten Metalle und Legierungsbestandteile, keine Verbindungen: • Aluminium: bedeutendstes Leichtmetall Silbermünze „Eichbaum“ – fünf Reichsmark • Beryllium: Legierungen, vor allem mit Kupfer und Aluminium; 1927–33 Waffentechnik • Bismut: Legierungen • Blei: Legierungen, Bleiakkumulator, Lote, Korrosionsschutz, Gewicht Metalle 759

• Cadmium: Bestandteil von Akkumulatoren • Chrom: Legierungsbestandteil (Chrom-Vanadium-Stahl, Chrom-Nickel-Stahl, Chrom-Molybdänstahl), Überzugsmetall • Eisen: wichtigstes Werkmetall (Gusseisen, Stahl), viele Legierungen • Gallium: Thermometer • Gold: Schmuckmetall, Blattgold, Elektrotechnik, Wertanlage, Währungsabsicherung • Indium: Indiumdichtung, Lote • Iridium: Elektroden, Zündkerzen • Kalium: legiert mit Natrium als Kühlmittel in Kernreaktoren • Cobalt: Magnete • Kupfer: Elektrotechnik (zweithöchste Leitfähigkeit nach Silber), Bronze, Messing • Magnesium: für besonders leichte Werkstücke; Einweg-Blitzbirnen Kupferdach bzw. Blitzlichtpulver

• Mangan: Legierungsbestandteil (Mangan-Stahl) • Molybdän: Legierungsbestandteil (Molybdän-Stahl) zur Erhöhung der Warmfestigkeit • Natrium: legiert mit Kalium als Kühlmittel in Kernreaktoren • Nickel: Legierungen (Nickel-Eisen, Nickel-Chrom, Nickel-Kupfer etc.), Legierungsbestandteil (Chrom-Nickel-Stahl), Magnete • Osmium: früher in Glühlampen • Palladium: Katalyse, Wasserstoffspeicherung • Platin: Schmuckmetall, Katalyse, eines der wertvollsten Metalle • Quecksilber: Thermometer, Energiesparlampen • Rhodium: Schmuckmetall • Ruthenium: Katalysator, Erhöhung des Härtegrades von Platin und Palladium • Silber: Schmuckmetall, Fotografie • Tantal: Kondensatoren • Titan: für Leichtbauweise ohne Rücksicht auf die Kosten, Schmuck • Uran: Kernreaktoren, Radioaktivität, Geschosse • Vanadium: Legierungsbestandteil (Chrom-Vanadium-Stahl) für wärmfeste Stähle, Katalysator zur Synthese von Schwefelsäure (Vanadium-V-Oxid) • Wolfram: Glühlampen (höchster Schmelzpunkt aller Metalle), Spezialstähle, Kugelschreiberminen (Kugeln) • Zink: Legierungsbestandteil (Messing), Zinkdruckgussteile (Zamak-Legierung), Verzinkung von Stahlteilen (Feuerverzinken, Bandverzinken..) • Zinn: Legierungsbestandteil (Bronze), Lote (Lötzinn), Weißblech, Zinnfiguren • Zirconium: Hülle für Brennstäbe im Kernkraftwerk

Metall in der Astrophysik In der Astrophysik der Sterne und Galaxien ist Metall anders definiert, siehe dazu Metallizität; hier bezeichnet es jedes chemische Element oberhalb einer bestimmten Ordnungszahl (meist höher als Helium). Das sind alle durch Kernfusion in Sternen oder durch Supernovae entstandenen Elemente, wogegen Wasserstoff und Helium (zusammen mit einigen Spuren von Lithium) als durch den Urknall entstanden gedacht werden. Die Metallizität von Objekten im Weltraum kann daher als Indikator für ihre jeweilige stellare Aktivität aufgefasst werden. Metalle 760

Es wird angenommen, dass Wasserstoff im Inneren von hinreichend schweren Gasplaneten in den metallischen Zustand (im Sinne der chemischen Metalldefinition) übergehen kann; dieser metallische Wasserstoff ist wahrscheinlich auch für das extrem starke Magnetfeld des Jupiter verantwortlich. Metallischer Wasserstoff trägt aber nicht zur astrophysikalischen Metallizität des Objekts bei, in dem er vorkommt.

Metall in der Chinesischen Philosophie Metall bezeichnet hier ein Element der traditionellen Fünf-Elemente-Lehre.

Heraldik Als Metalle werden in der Heraldik die Tinkturen (Wappenfarben) Gold und Silber bezeichnet. Bei Wappenmalereien wird als Ersatz für Gold die Farbe Gelb und als Ersatz für Silber die Farbe Weiß verwendet.

Literatur • Karl Otto Henseling: Bronze, Eisen, Stahl. Die Bedeutung der Metalle in der Geschichte. In: Kulturgeschichte der Naturwissenschaften und der Technik. Rowohlt, Reinbek 1981, ISBN 3499177064. • Wolfgang Glöckner, Walter Jansen, Rudolf G. Weißenhorn: Handbuch der experimentellen Chemie Sekundarbereich II, Bd.5 : Chemie der Gebrauchsmetalle: Bd. 5. Aulis Verlag Deubner, Köln 2003, ISBN 3761423845.

Weblinks

• Animationen der Atome von Metallen und Nichtmetallen: http:/ / www. physik. rwth-aachen. de/ ~harm/

aixphysik/ atom/ Periodic/ index. html • Werkstofftechnik-Skripte - Metalle [4]

Einzelnachweise [1] Uwe Kreibig: Wann ist Gold ein Metall?. In: Physik Journal. 1, Nr. 1, 2002, S. 20-21. [2] In: Römpp Chemie-Lexikon. Thieme, Stuttgart 2009.

[3] www.webelements.com (http:/ / www. webelements. com/ )

[4] http:/ / maschinenbau-wissen. de/ skript/ werkstofftechnik/ metall

Normdaten (Sachbegriff): GND: 4038860-8 (http:/ / d-nb. info/ gnd/ 4038860-8) Methanol 761

Methanol

Strukturformel

Allgemeines Name Methanol

Andere Namen • Methylalkohol • Carbinol • Holzgeist • MeOH • S-747 (NATO-Code) Summenformel CH O 4 CAS-Nummer 67-56-1

[1] PubChem 887

[2] Kurzbeschreibung farblose Flüssigkeit mit angenehmem bis stechendem Geruch Eigenschaften

Molare Masse 32,04 g·mol−1 Aggregatzustand flüssig

[2] Dichte 0,79 g·cm−3

[2] Schmelzpunkt −98 °C

[2] Siedepunkt 65 °C

[2] Dampfdruck 129 hPa (20 °C) pK -Wert [3] s 16

[2] [4] Löslichkeit mischbar mit Wasser , Ethanol und Diethylether

[5] Brechungsindex 1,3288 (20 °C) Sicherheitshinweise Methanol 762

GHS-Gefahrstoffkennzeichnung [6] aus EU-Verordnung (EG) 1272/2008 (CLP)

Gefahr

H- und P-Sätze H: 225-331-311-301-370

[2] P: 210- 233- 280- 302+352

[7] EU-Gefahrstoffkennzeichnung [6] aus EU-Verordnung (EG) 1272/2008 (CLP)

Giftig Leicht- entzündlich (T) (F)

R- und S-Sätze R: 11-23/24/25-39/23/24/25 S: (1/2)-7-16-36/37-45

[2] MAK 200 ml·m−3, 270 mg·m−3 Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. Brechungsindex: Na-D-Linie, 20 °C

Methanol, auch Methylalkohol, ist eine organische chemische Verbindung mit der Summenformel CH O 4 (Halbstrukturformel: CH OH) und der einfachste Vertreter aus der Stoffgruppe der Alkohole. Unter 3 Normalbedingungen ist Methanol eine klare, farblose, entzündliche und leicht flüchtige Flüssigkeit mit alkoholischem Geruch. Es mischt sich mit vielen organischen Lösungsmitteln und in jedem Verhältnis mit Wasser. Mit 45 Millionen Tonnen Jahresproduktion (Stand: 2008) ist Methanol eine der meisthergestellten organischen Chemikalien. Die technische Methanolherstellung erfolgt hauptsächlich katalytisch aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff. In der chemischen Industrie diente es bei früheren Verfahren als Rohstoff für die Produktion von Formaldehyd, Ameisensäure oder Essigsäure. Methanol und seine Folgeprodukte werden neben der stofflichen Verwendung auch als Energieträger eingesetzt. Mit der Technologie Methanol to Gasoline wird aus Methanol Kraftstoff. Methanol wird auch bei der Synthese von Biodiesel und dem Klopfschutzmittel MTBE benötigt. In Brennstoffzellen dient es als Wasserstofflieferant. In der Natur kommt Methanol in Baumwollpflanzen, Früchten und Gräsern sowie als Stoffwechselprodukt von Bakterien vor. Beim Bierbrauen, der Weinherstellung oder der Produktion von Spirituosen wird es in geringer Menge als Nebenprodukt des Maischens freigesetzt. Methanol ist giftig und seine Aufnahme kann zu Erblindung, in höheren Dosen auch zum Tod führen. Methanol 763

Geschichte

Die antiken Ägypter erhielten Methanol durch Pyrolyse von Holz (Holzgeist) und balsamierten ihre Toten mit einem Substanzgemisch auf dessen Basis. Mit dem gleichen Verfahren, der „trockenen Destillation", erhielt der irische Chemiker Robert Boyle 1661 erstmals reines Methanol aus Buchsbaumholz.[8] 1834 klärten die französischen Chemiker Jean-Baptiste Dumas und Eugène-Melchior Péligot die Zusammensetzung dieser wasserklaren Flüssigkeit und gaben ihm auch seinen Namen „methylene", der sich aus griechisch méthy für Wein und hylé für Holz zusammensetzt.[9]

Robert Boyle

Die erste Synthese von Methanol gelang Marcelin Berthelot im Jahr 1858 durch Verseifung von Methylchlorid.[10][11] Die USA gewannen noch 1930 etwa 50 % des hergestellten Methanols durch trockene Destillation von Holz. Hierzu wurde Holz auf circa 500 °C in eisernen Behältern erhitzt. Als fester Rückstand blieb Holzkohle, die gasförmigen und flüssigen Produkte wurden abgezogen und teilweise kondensiert. Das entstehende wässrige Destillat enthielt neben Methanol hauptsächlich Aceton, Essigsäure und Essigsäuremethylester. Die Abtrennung dieser Komponenten und die abschließende Trocknung erforderte mehrere Neutralisations-, Destillations- sowie Trocknungsschritte. Die Ausbeute an Methanol bei der trockenen Destillation betrug etwa 10 % der eingesetzten Masse.

Die BASF erhielt im Jahr 1913 ein Patent für ein Verfahren zur Marcelin Berthelot Methanolgewinnung aus kohlestämmigem Synthesegas. Matthias Pier, Alwin Mittasch und Fritz Winkler entwickelten das Verfahren und setzten es für die erste Großproduktion von Methanol ein, die 1923 im Ammoniakwerk Merseburg der Leuna-Werke begann. Der Prozess nutzte einen oxidischen Zink-Chrom-Katalysator bei einem Druck von 250 atm bis 300 atm. Die Temperaturen lagen zwischen 360 °C und 380 °C und bei einem Verhältnis von Kohlenstoffmonoxid zu Wasserstoff von 1 zu 2,2.[12]

Schon früh erkannten die beteiligten Wissenschaftler, dass auf Kupfer basierende Katalysatoren wesentlich aktiver waren. Diese waren jedoch sehr empfindlich gegenüber den im Synthesegas enthaltenen Schwefelverbindungen. Die Weiterentwicklung der Methanolsynthese war verknüpft mit den Fortschritten in der Kohlevergasungstechnik und den Gasreinigungsprozessen. Nachdem es möglich war, die Gase großtechnisch auf einen Schwefelgehalt von weniger als 0,1 ppm zu begrenzen, entwickelte 1966 das Unternehmen ICI die erste Niederdrucksynthese basierend auf einem Kupfer-Zinkoxid-Aluminia-Katalysator.[13] Methanol 764

Vorkommen Methanol ist nach Methan das zweithäufigste organische Gas in der Erdatmosphäre, das in Konzentrationen von 0,1 bis 10 ppbv vorkommt. Es ist eine bedeutende atmosphärische Quelle für Formaldehyd und Kohlenstoffmonoxid. Ein Großteil des in der Atmosphäre vorhandenen Methanols wird von Pflanzen emittiert. In Feuchtgebieten wurden Methanol-Emissionen von 268 Mikrogramm pro Quadratmeter und Stunde gefunden, auf Gras und Weideflächen wurden Werte zwischen 100 und 500 Mikrogramm pro Quadratmeter und Stunde beobachtet.[14][15] Die Methanolfreisetzung erfolgt durch Pektinmethylesterase (PME) aus Pektin, etwa als Reaktion auf Angriff durch Fressfeinde. Die Gesamtmenge des von Pflanzen freigesetzten Methanols wird auf über 100 Millionen Tonnen pro Jahr geschätzt.[16] Methylester und -ether, in denen Methanol chemisch gebunden ist, kommen in vielen Früchten (Methylester) und in Lignin, einem Hydrolyse der Methyl-Phenyl-Ethergruppe im Coniferylalkohol Bestandteil der pflanzlichen Zellwand (Phenylmethylether), vor. Die im Lignin vorhandenen Methyl-Phenyl-Ethergruppen der Coniferyl- und Sinapylalkoholeinheiten spalten sich unter Aufnahme von Wasser in Methanol und einen phenolischen Rest. Pektin, eine Stützsubstanz der Früchte, besteht aus teilweise mit Methanol veresterter Poly-Galacturonsäure.

Methanol wird regelmäßig durch enzymatische Verseifung der Galacturonsäuremethylester bei der Maischung freigesetzt. Um den wegen der Giftigkeit des Methanols unerwünschten Gehalt an Methanol im Endprodukt so gering wie möglich zu halten, wird versucht durch geeignete Methoden die Freisetzung des Methanols zu minimieren. So kann die pektolytische Enzymaktivität durch Säuregaben minimiert werden.[17] Weiterhin haben der Gehalt an Schwefeldioxid und die Temperatur der Maischung einen Einfluss auf die enzymatische Aktivität. Durch kurzzeitiges Erhitzen der Maische bis zu 90 °C und schnelles Abkühlen kann erreicht werden, dass der Methanolgehalt um 40 % bis 90 % verringert wird.[17] Auch durch geeignete verfahrenstechnische Schritte bei der Destillation kann der Methanolgehalt in der Spirituose gering gehalten werden, etwa durch Kondensation leichtflüchtiger Bestandteile.[17] Alkoholika enthalten zum Teil beträchtliche Mengen an Methanol. Bei einer Untersuchung verschiedener Fruchtsäfte und Alkoholika wies das Untersuchungsamt Baden-Württemberg in Spirituosen Spitzenwerte bis zu 4,7 g·l−1 Methanol nach, in Weinen und Fruchtsäften bis zu 0,2 g·l−1.[18] Tabak enthält zum Teil ligninhaltige Anteile, deren Phenylmethylether pyrolytisch gespalten werden und für das Auftreten von Methanol im Tabakrauch verantwortlich sind.[19] Nach dem gleichen Prinzip setzt Räucherrauch Methanol frei. Bei der Verdauung von Aspartam, einem Methylester des Dipeptids der α-Aminosäuren L-Asparaginsäure und L-Phenylalanin, wird Methanol abgespalten. Beim Genuss normaler Mengen an mit Aspartam gesüßten Lebensmitteln werden jedoch keine toxikologisch bedenklichen Werte im Bezug auf Methanol erreicht.[20]

Methanol kommt im interstellaren Raum häufig vor, wobei der Bildungsmechanismus nicht geklärt ist. Im Jahr 2006 gelang Astronomen mit dem MERLIN-Radioteleskop am Jodrell-Bank-Radioobservatorium die Beobachtung einer großen Nachweis von Methanol (rot) in Methanolwolke.[21][22] Mit den empfindlichen Instrumenten des protoplanetarischen Scheiben (Quelle:NASA) Spitzer-Weltraumteleskops gelang der Nachweis von Methanol in protoplanetarischen Scheiben um junge Sterne herum.[23] Methanol 765

Herstellung Methanol ist eine organische Grundchemikalie und ein mengenmäßig bedeutender großtechnisch hergestellter Alkohol. Im Jahr 2008 betrug der weltweite Methanolverbrauch 45 Millionen Tonnen. Die größten Exporteure von Methanol waren im Jahr 2006 die karibischen Staaten wie Trinidad und Tobago mit 7,541 Mio. Tonnen, Chile und Argentinien mit 3,566 Mio. Tonnen und die Staaten am persischen Golf mit 5,656 Mio. Tonnen. Die größten Importeure waren die Vereinigten Staaten mit 7,112 Mio. Tonnen, West-Europa mit 8,062 Mio. Tonnen, Taiwan und Südkorea mit zusammen 2,361 Mio. Tonnen und Japan mit 1,039 Mio. Tonnen.[24] Die technische Herstellung von Methanol erfolgt ausschließlich in katalytischen Verfahren aus Synthesegas, einem Gemisch von Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff im Verhältnis von etwa 1:2. Diese Verfahren werden nach den Reaktionsdrücken in drei Bereiche unterteilt. Das zunächst entwickelte Hochdruckverfahren arbeitete auf Grund der niedrigen Katalysatoraktivität und der Volumenkontraktion der Reaktion bei Drücken von 250 bis 350 bar und Temperaturen von 360 bis 380 °C. Das Mitteldruckverfahren arbeitet bei 100 bis 250 bar und 220 bis 300 °C, das Niederdruckverfahren bei 50 bis 100 bar und 200 bis 300 °C. Jedes Verfahren arbeitet mit spezifischen Katalysatoren und Massen-Verhältnissen von Kohlenmonoxid zu Wasserstoff. Schema der industriellen Methanolsynthese aus Synthesegas Das zur Methanolsynthese notwendige Synthesegas kann aus fossilen Rohstoffen wie Kohle, Braunkohle, Erdölfraktionen und Torf hergestellt werden. Beim Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen wie Holz, Biogas oder anderer Biomasse bezeichnet man das Produkt auch als Biomethanol.[9] Weiterhin kann auch Müll oder Klärschlamm zur Synthesegasherstellung eingesetzt werden. Die Dampfreformierung und die partielle Oxidation von Erdgas, nach aktuellen Schätzungen die größte ökonomisch nutzbare Kohlenwasserstoffquelle, ist neben der Kohle der Hauptlieferant für Synthesegas. In Nordamerika und Europa wird meist Erdgas als Rohmaterial genutzt, in China und Südafrika basiert die Synthesegasherstellung auf Kohle oder Braunkohle. 2005 hat China 5,4 Millionen Tonnen Methanol erzeugt, davon 65 % oder 3,5 Millionen Tonnen auf Kohle basierend.[25] Für die Bildung von Methanol aus Synthesegas können die folgenden Gleichungen formuliert werden:

und

Wegen ökonomischer Vorteile bei niedrigen Synthesedrücken und niedrigen Temperaturen wird Methanol größtenteils im Niederdruck-Verfahren produziert. Als Nebenprodukt werden Dimethylether, Ameisensäuremethylester und Ethanol gebildet, die abdestilliert werden können.[26] Den ökonomischen Nachteil des höheren Drucks gleichen die Mitteldruckverfahren durch höhere Ausbeuten aus. Das Hochdruckverfahren wird heute nicht mehr durchgeführt. China ist heutzutage der größte Produzent und Verbraucher von Methanol. Es wird erwartet, dass allein die chinesische Produktionskapazität in den nächsten Jahren 60 Millionen Tonnen übersteigen wird. Während gegenwärtig das meiste Methanol im Chemiesektor verwendet wird, hat der Einsatz im Kraftstoffsektor die höchsten Steigerungsraten. Im Jahr 2008 nutzte China circa drei Millionen Tonnen Methanol als Mischkomponente zur Herstellung von Kraftstoffblends. Probleme für eine breite Einführung und höhere Methanolanteile im Kraftstoff bereiten die Entwicklung geeigneter Motoren und anderer Triebwerkskomponenten, die mit Methanol verträglich sind.[27] In Deutschland wurden im Jahr 2000 circa zwei Millionen Tonnen hergestellt, davon etwa 1,4 Millionen Tonnen aus Rückstandsölen. Methanol 766

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

[28] Schallgeschwindigkeit 1123 m·s−1 (25 °C)

[29] Oberflächenspannung 0,0226 N·m−1 (20 °C gegen Luft)

[30] Dynamische Viskosität 0,544 · 10−3 Pa·s (25 °C)

[31] Dielektrizitätskonstante 33,8 = (25 °C)

[30] Brechungsindex 1,326 (25 °C, Na-D-Linie)

[32] Isotherme Kompressibilität 12·10−5 bar−1 (20 °C)

[30] Wärmekapazität 81,08 J·mol−1·K−1 (25 °C)

[30] Selbstentzündungstemperatur 470 °C

[30] Kritische Temperatur 512,5 K

[30] Kritischer Druck 8,084 MPa

[33] Tripelpunkt 175,5 K

[34] Magnetische Suszeptibilität 5,3·10−7 cm3·g−1

[35] Viskosität 0,808 mPa·s (0 °C) 0,690 mPa·s (10 °C) 0,593 mPa·s (20 °C) 0,449 mPa·s (40 °C) 0,349 mPa·s (60 °C)

[36] Standardbildungsenthalpie −238 kJ/mol

[36] Standardverdampfungsenthalpie +37,4 kJ/mol

[36] Molare Standardentropie 127,2 J/(mol·K)

[36] Verbrennungsenthalpie −715,0 kJ/mol

[37] Van-der-Waals-Gleichung a = 964,9 l2·kPa/mol2 b = 0,06702 l / mol

Ethanol, umgangssprachlich als Alkohol bezeichnet, ist namensgebend für die Stoffgruppe der Alkohole. Alkohole, die sich formal von den Alkanen ableiten, werden als Alkanole bezeichnet. Methanol ist der einfachste Alkohol und bildet das erste Glied der homologen Reihe der Alkanole. Vormals wurden viele Alkohole nach einem Vorschlag von Hermann Kolbe als Derivate des Methanols – abgeleitet von Carbinol – als Carbinole bezeichnet. Seit 1957 empfiehlt die IUPAC, diese Nomenklatur nicht mehr zu verwenden.[38] Methanol 767

Physikalische Eigenschaften

Methanol ist unter Normalbedingungen eine farblose, leicht bewegliche Flüssigkeit. Der Siedepunkt liegt bei 65 °C. Methanol erstarrt unterhalb von −98 °C in Form von farblosen Kristallen. Die Dampfdruckfunktion ergibt sich nach Antoine entsprechend log (P) = 10 A−(B/(T+C)) (P in bar, T in K) mit A = 5,20409, B = 1581,341 und C = −33,5 im Temperaturbereich von 288 bis 357 K[39]

Durch die Polarität der Hydroxygruppe bilden sich zwischen den Methanolmolekülen Wasserstoffbrückenbindungen aus. Während der

Dampfdruckfunktion von Methanol Schmelzpunkt fast genau dem des Methylchlorids entspricht, führt die Ausbildung der Wasserstoffbrücken im flüssigen Zustand zu einem relativ hohen Siedepunkt im Vergleich zu den Methylhalogeniden. Die Dissoziationsenergie der Wasserstoffbrückenbindung beträgt etwa 20 kJ/mol.[40]

Methanol bildet mit einer großen Anzahl organischer Verbindungen wie zum Beispiel Acetonitril, Benzol, Chloroform, Cyclopentan, Methylmethacrylat und Tetrahydrofuran Azeotrope. Mit Wasser mischt sich Methanol unter Volumenkontraktion. Bei einem Volumenanteil von 55 % bis 60 % Methanol vor dem Mischen wird ein Mischvolumen von 96,36 % erhalten.[41] Methanol kristallisiert im orthorhombischen Kristallsystem mit den Gitterparametern a = 643 pm, b = 724 pm und c = 467 pm. Die Struktur lässt sich als ein über Wasserstoffbrücken gebundenes Kettenpolymer beschreiben. Bei weiterer Abkühlung findet ein Phasenübergang durch Faltung der Polymerkette in ein monoklines Kristallsystem statt.[40][42]

Molekulare Eigenschaften

Das Methanolmolekül besteht aus einem Kohlenstoff-, einem Sauerstoff- und vier Wasserstoffatomen. Das Molekül weist als Struktureinheiten eine Methylgruppe mit trigonaler Symmetrie und eine Hydroxygruppe auf. Die Daten zur Molekülgeometrie sind in der Skizze ausgewiesen. Der Bindungswinkel zwischen dem Kohlenstoff-, dem Sauerstoff- und dem Wasserstoffatom beträgt 108,9 ° und ist gegenüber dem Tetraederwinkel von 109,47 ° leicht kontrahiert. Die Bindungslänge zwischen dem Sauerstoff- und Wasserstoffatom beträgt 96 pm und ist damit auf Grund der größeren Elektronegativität des Bindungslängen und -winkel im Methanol Sauerstoffs kleiner als die Kohlenstoff-Wasserstoffbindungslänge der Methylgruppe, die 110 pm (1,10 Å) beträgt.[43]

Die Rotationshemmung der Kohlenstoff-Sauerstoff-Einfachbindung wurde mit 4,48 kJ/mol bestimmt[44] und beträgt damit nur ein Drittel der zweier Methylgruppen, etwa im Ethan.

Chemische Eigenschaften Aufgrund der polaren Hydroxygruppe lässt sich Methanol in jedem Verhältnis mit Wasser mischen. Die Ähnlichkeit zu Wasser zeigt sich im Lösungsvermögen einiger Mineralsalze wie Calciumchlorid und Kupfersulfat in Methanol. Es ist ferner in Diethylether, in Kohlenwasserstoffen und vielen anderen organischen Lösungsmitteln unter Wasserausschluss gut löslich. In einigen Lösungsmitteln können bereits geringe Anteile von Wasser eine Entmischung bewirken. Methanol ist wenig löslich in pflanzlichen Fetten und Ölen.[30] Methanol 768

Der pK -Wert von Methanol liegt bei 16.[45] Methanol reagiert in wässriger Lösung neutral. Methanol kann mit s starken Basen zum Methanolat deprotoniert werden. Mit starken Säuren wie Schwefelsäure lässt sich Methanol protonieren.

Methanol verbrennt mit schwach blauer, fast unsichtbarer Flamme zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Der Flammpunkt liegt bei 9 °C. Methanoldämpfe bilden mit Luft im Bereich von 6 % bis 50 % explosionsfähige Gemische. Mit Alkali- und Erdalkalimetallen reagiert Methanol unter Bildung von Wasserstoff und der Methanolate. Es reagiert leicht mit vielen Oxidationsmitteln wie Bariumperchlorat, Brom oder Wasserstoffperoxid. Verschiedene Kunststoffe, Lacke und Kautschuk werden von Methanol angegriffen. Mit Carbonsäuren reagiert Methanol in Säure- oder Basenkatalyse unter Wasserabgabe zu Methylestern; mit Carbonsäureestern ist eine Umesterung unter Freisetzung und Entfernung der anderen Alkoholkomponente aus dem Reaktionsgemisch oder im Methanol-Überschuss möglich.[46] Methanol lässt sich katalytisch zu Formaldehyd oxidieren.[47] Mit Aldehyden und Ketonen reagiert Methanol in Gegenwart saurer Katalysatoren zu Halbacetalen beziehungsweise Dimethylacetalen, die als Schutzgruppe in der organischen Chemie eingesetzt werden können.[48]

Verwendung

Methanol wird unter anderem als Ausgangsmaterial in der chemischen Industrie oder als Energielieferant genutzt. Die stoffliche Verwertung als Chemierohstoff erfordert ein besonders reines Produkt. Rohmethanol kann als Energieträger in stationären Anlagen verfeuert werden.[26] In Brennstoffzellen dient es als Wasserstofflieferant. Die Verwendung als Kraftstoff, so genanntes Fuel-Methanol, wird intensiv untersucht. Möglich ist der Zusatz zu herkömmlichen Motorkraftstoffen oder die Verwendung reinen Methanols, wobei die Schwefelfreiheit eine saubere Verbrennung erlaubt. Methanol wird als polares Lösungsmittel eingesetzt. Im Rectisolverfahren dient es zur Abtrennung von sauren Komponenten wie Kohlenstoffdioxid oder Entwicklung des Methanolverbrauchs 2005 bis [50] [49] Carbonylsulfid aus Gasströmen. Im Zeitraum von 2005 bis 2009 2010 nahm die Gesamtmenge des stofflich verwendeten Methanols um etwa 6 % zu, während die energetische Nutzung eine Steigerungsrate von 55 % aufwies.[49] Methanol 769

Methanol als Chemierohstoff

Methanol ist ein wichtiger Ausgangsstoff für Synthesen in der chemischen Industrie. Mengenmäßig von großer Bedeutung sind die primären Derivate Formaldehyd, Essigsäure, MTBE, Methylmethacrylat, Methylchlorid und Methylamine.[49] Diese werden zu einer Reihe sekundärer und tertiärer Derivate weiterverarbeitet. Bekannte Beispiele sind Vinylacetat, Essigsäureanhydrid,

Phenol-Formaldehyd-Harze und [49] Methanol: Stoffliche Verwendung 2009 Melaminharze.

Formaldehyd

Die größte Menge an zu Formaldehyd verarbeiteten Methanol wird durch Oxidation mit Sauerstoff an Silber-Katalysatoren oder im Formox-Prozess an Eisenoxid/Molybdänoxid/Vanadiumoxid-Katalysatoren bei 400 °C umgesetzt. Der Formaldehyd-Markt ist zwischen 2006 und 2010 in Nordamerika um etwa 15 % geschrumpft, im Wesentlichen bedingt durch den Rückgang der Nachfrage in der Möbel- und Baubranche. Das Marktvolumen in Nordamerika betrug etwa 4 Mio. Tonnen im Jahr 2010.[51] Formaldehyd wird überwiegend zur Herstellung von Harnstoff-, Phenol- und Melamin-Formaldehydharzen verwendet, deren größte Verbraucher die Bau-, die Automobil- und die Holzindustrie sind. Formaldehydharze werden für die Herstellung von Holzprodukten, etwa als Bindemittel für Hartfaser- und Spanplatten, verwendet. Schnell wachsende Märkte sind die Herstellung von Polyoxymethylen, Methylendiisocyanat und 1,4-Butandiol.[52] Im Jahr 2005 war China der weltgrößte Formaldehyd-Produzent mit einer Kapazität von 11 Millionen Tonnen.[53]

Essigsäure Methanol wird zur Essigsäure-Herstellung durch Umsetzung mit Kohlenstoffmonoxid nach dem Monsanto-Prozess sowie zur Essigsäureanhydrid-Herstellung über Methylacetat nach dem Tennessee-Eastman-Essigsäureanhydrid-Prozess eingesetzt. Die katalytisch aktive Spezies ist der anionische Rhodium-Komplex cis-[Rh(CO) I ]− mit Iodwasserstoff als Co-Katalysator.[26] 2 2

Im katalytischen Zyklus reagiert Methanol zunächst mit Iodwasserstoffsäure zu Methyliodid, das sich oxidativ an den Rhodiumkomplex addiert. Kohlenmonoxid insertiert in die Metall-Methyl-Bindung unter Bildung eines Formyl-Komplexes. Dieses wird als Säurehalogenid aus dem Komplex elimiert. Das Säureiodid reagiert mit Wasser wieder zur Iodwasserstoffsäure und Essigsäure.[26] Bei der Herstellung von Essigsäureanhydrid wird ein Teil des Produkts mit Methanol in Methylacetat überführt und in den Prozess zurückgeführt. Das Essigsäureanhydrid wird dabei vollständig auf Basis von Synthesegas gewonnen.[26] Methanol 770

Ein weiteres Folgeprodukt dieser Syntheseschiene ist Vinylacetat. Durch Hydrocarbonylierung eines Gemisches aus Essigsäureanhydrid und Methylacetat in Gegenwart von Essigsäureanhydrid homogenen Rhodiumkatalysatoren wird bei Temperaturen um 150 °C und einem Druck von etwa 40 bar bis 70 bar Ethylidendiacetat gebildet, welches sich bei erhöhter Temperatur unter Säurekatalyse in Vinylacetat und Essigsäure spalten kann.[26]

Andere Folgeprodukte Methylmethacrylat, das Monomer des Polymethylmethacrylats, wird durch Hydrolyse und anschließender Veresterung des aus Acetoncyanhydrin gebildeten 2-Methylpropennitrils mit Schwefelsäure in Gegenwart von Methanol hergestellt.[26] Methanol kann mit Hilfe dotierter Kupfer-Katalysatoren zum Methylformiat dehydriert werden. Nach Abtrennung des erzeugten Wasserstoffs wird das Methylformiat zunächst in kaltem Methanol ausgewaschen und anschließend destillativ getrennt.[26]

Durch Veresterung kann eine Reihe von Folgeprodukten hergestellt werden. Chlormethan ist selektiv durch Umsatz mit preiswerter Salzsäure herstellbar.[54] Fettsäuremethylester können durch herkömmliche Umesterungsverfahren hergestellt werden. Durch zweistufige Oxidation von p-Xylol mit einem intermediären Veresterungsschritt wird Dimethylterephthalat gewonnen.[55] Durch Umsetzen von Methanol mit Ammoniak unter Einsatz von Aluminiumsilikaten als Katalysator werden Gemische von Methylaminen erhalten, einem wichtigen Vorprodukt für Farbstoffe, Medikamente und Pflanzenschutzmittel.[55] Durch Umsetzung von Methanol an Zeolithen des Typs ZSM-5 im Methanol-to-Olefins-Verfahren gelingt die Herstellung kurzkettiger Olefine wie Ethylen, Propylen und Butenen, die zuvor meist durch Steamcracken von leichtem Naphtha gewonnen wurden. Im ersten Schritt bildet sich Dimethylether, der unter Wasserabspaltung zu Ethen weiterreagiert.[26]

Durch Variation der Reaktionsbedingungen kann die Selektivität zu aromatischen Produkten verändert werden (Methanol to Aromatics, MtA). Methanol 771

Methanol im Energiesektor

Methanol kann auf verschiedene Weise als Energielieferant dienen.[13] Es kann als Rohstoff für die chemische Umwandlung in andere Kraftstoffe genutzt werden. Weiterhin kann Methanol als 15%iges Gemisch mit Benzin oder direkt als Reinmethanol (M100), dessen Energiedichte bezogen auf Motorenbenzin etwa 52 % beträgt, eingesetzt werden.[56] Reines Methanol dient daneben in Brennstoffzellen als Wasserstofflieferant. Während des Zweiten Weltkriegs wurden methanolhaltige Gemische [49] als Treibstoff für Raketen- und Methanol: Energetische Verwendung 2009 Flugzeugtriebwerke (MW-50) verwendet. So wurde C-Stoff, ein Gemisch aus Methanol, Hydrazin, Wasser und Kaliumtetracyanocuprat (I) (K [Cu(CN) ]) 3 4 zusammen mit T-Stoff, hochkonzentriertem Wasserstoffperoxid, als selbstentzündlicher, hypergoler Treibstoff genutzt.[57]

Methanol als Kraftstoff

Methanol-Kraftstoff

Andere Namen M100, Methol, Spritol, Methyloxyhydrat, Methynol, Pyroholzether, Spiritol, Holzin, Holzalkohol, [2] Holzspiritus, Karbinol, Holzgeist, Carbinol, Methylalkohol Kurzbeschreibung Ottokraftstoff für angepasste Motoren Charakteristische Methanol Bestandteile CAS-Nummer 67-56-1 Eigenschaften Aggregatzustand flüssig Dichte 0,79 kg/L

[30] Heizwert 15,7 MJ·L−1 = 19,9 MJ·kg−1

[30] Brennwert 17,9 MJ·L−1 = 22,7 MJ·kg−1

[58] Oktanzahl 160 ROZ

[2] Flammpunkt 9 °C

[2] Zündtemperatur 440 °C

[2] Explosionsgrenze 6–50 Vol.-%

[2] Temperaturklasse T2 Sicherheitshinweise

[2] UN-Nummer 1230

[2] Gefahrnummer 336 Methanol 772

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Methanol kann in vielfältigen Varianten entweder direkt als Kraftstoff oder Kraftstoffzusatz eingesetzt werden. Zum Einsatz in Otto- und Diesel-Verbrennungsmotoren sind heute mehrere Möglichkeiten bekannt. Nach der Europäischen Norm für Ottokraftstoffe EN 228 sind maximale Zumischungen von 3 Volumenprozent zum Kraftstoff zulässig unter Zusatz zusätzlicher Stabilisierungsmittel. Derartige geringe Zumischungen können von heutigen Ottomotoren ohne Anpassungen verkraftet werden. Aus Kostengründen nutzte Deutschland bisher diese Möglichkeiten nicht aus. Weiterhin kann Methanol als Zumischung in höheren Konzentrationen zum Benzin oder als nahezu reiner Methanolkraftstoff eingesetzt werden. In Deutschland sponserte das Bundesministerium für Bildung und Forschung in den 1980er Jahren einen Großversuch mit einem M15-Kraftstoff, bestehend aus 15 % Methanol und 85 % Benzin, und einen M85-Kraftstoff mit entsprechenden Verhältnissen testete diese mit über 1000 Fahrzeugen aller deutschen Autohersteller mit Unterstützung der Mineralölindustrie sowie zahlreicher Forschungsinstitute ausführlich.[59] Die Fahrzeuge wurden für den Betrieb mit diesen Kraftstoffen werkstoff- und gemischbildungsseitig angepasst. Die USA, Japan, China, Neuseeland und Südafrika führten ähnliche Versuche durch. Ebenfalls testete dieses Programm ein Methanol-Diesel-Mischkraftstoff mit 20 % Methanol in PKWs. Für die Verwendung von reinem Methanol (M100) wurden Nutzfahrzeug-Dieselmotoren entsprechend modifiziert. Wegen der niedrigen Cetanzahl von Methanol ist ein Motorbetrieb als Selbstzünder nicht möglich. Deshalb setzten die Tester zusätzliche Zündhilfen in Form von Diesel-Piloteinspritzung oder Kerzen- oder Glühzündung ein. Auch ein Zweistoffbetrieb Diesel-Methanol ist möglich. Der von Franz Pischinger entwickelte Methanol-Glühzündermotor weist gute Emissionswerte bei niedrigem Verbrauch auf.[60][61] In für Reinmethanol M100 und M85 angepassten Motoren lassen sich im Vergleich zu Benzinmotoren eine bis zu 10 % höhere Motorleistung und ein etwa 15 % besserer thermischer Wirkungsgrad erzielen, dadurch ein günstigerer energetischer Kraftstoffverbrauch. Als flüssiger Kraftstoff ist Methanol wegen der einfachen Handhabung im Vergleich zu gasförmigen Kraftstoffen besonders für den Verkehrssektor geeignet, sowohl für den Straßen, Wasser- und Schienenverkehr sowie mit Einschränkungen in der Luftfahrt. Während sich bei den limitierten Emissionen für Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide mit der heute bei Ottomotoren üblichen Katalysatortechnik keine Vorteile mehr ergeben, sind bei den nichtlimitierten Emissionen geringe Vorteile zu verzeichnen. So emittiert Methanol beispielsweise keine Aromaten wie Benzol, Toluol und niedrigere polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe und hat ein geringes Ozonbildungspotential. Nachteilig ist dagegen die erhöhte Formaldehydemission, wobei das Niveau bei allen hier aufgeführten Emissionskomponenten wegen des Katalysators sehr niedrig ist. Bei Dieselkonzepten entfallen weitgehend Schwefelemissionen und Rußbildung. Nachteilig ist der bis zu etwa 50 % höhere volumetrische Kraftstoffverbrauch wegen des geringeren Heizwertes von Methanol.[62] Unvorteilhaft ist die Giftigkeit von Methanol, die Vorsichtsmaßnahmen bei der Betankung und bei Arbeiten am Fahrzeug erfordert. Da Methanol biologisch abbaubar ist, ist die Umweltgefährdung bei eventuellen Unfällen gering.[63] Im US-Motorsport ersetzten in den 1960er Jahren die amerikanischen Formel-Rennserien (CART, Indy Car) nach schweren Feuerunfällen beim Indianapolis 500 das mit Wasser nicht löschbare Benzin durch Methanol.[64] Ein Nachteil dabei ist, dass brennendes reines Methanol kaum sichtbar ist. So wird nach dem Tankvorgang im Rennen stets Wasser über den Tankstutzen gespritzt, um etwaig ausgelaufenes Methanol wegzuspülen, bevor es sich an heißen Teilen entzündet. Methanol ist besonders für aufgeladene Motoren geeignet.[65] Dragster mit Kompressor-V8-Motoren der Klasse Top Methanol erzielen Leistungen um 3000 PS. Im Modellbau wird Methanol, in der Regel mit Nitromethan-Zusatz, in Glühzündermotoren verwendet. Die Verwendung ist jedoch immer mehr rückläufig, weil die Modellbau-Treibstoffe teuer sind und moderne Methanol 773

Elektromotoren und Lithium-Ionen-Akkumulatoren ein besseres Leistungsgewicht ermöglichen.

Methanol in Brennstoffzellen

Ein Methanol-Wasser-Gemisch kann in Brennstoffzellen als Wasserstofflieferant dienen. Dabei zerfällt Methanol unter Umkehrung der Bildungsreaktion in einem Reformer zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Bei der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle, die sich noch im Entwicklungsstadium befindet, wird Methanol ohne vorherige Reformierung zusammen mit Wasser direkt der Anode zugeführt und dort oxidiert.[66]

Die ablaufenden Reaktionen sind: Anodenreaktion:

Kathodenreaktion: Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (Quelle:NASA) Gesamtreaktion:

Als Elektrolyt verwendet dieser Zellentyp eine Protonen-Austausch-Membran. Der Anode wird das Methanol-Wasser-Gemisch zugeführt und oxidiert, wobei als Abgas Kohlenstoffdioxid entsteht. An der Kathode reagieren die Wasserstoffionen mit Luftsauerstoff zu Wasser. Ein Problem der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle ist die Durchlässigkeit der Membran für Methanol, wodurch der Wirkungsgrad sinkt.

Methanolderivate als Kraftstoff Die primären Derivate des Methanols werden in vielfältiger Weise bereits als Kraftstoff oder Kraftstoffzusatz verwendet. Bekannt ist die Verwendung des Oktanzahlboosters MTBE, das in den Vereinigten Staaten 1979 vom EPA in Konzentrationen zwischen 2 und 5 % genehmigt wurde.[67] Das Derivat Dimethylether (DME) dient als Dieselersatzkraftstoff. Methanol wird zur Umesterung von Pflanzenöl und Herstellung von Biodiesel genutzt. Vorteile der Derivate sind unter anderem deren Schwefel- und Aromatenfreiheit. Die Energiedichte ist gegenüber reinem Methanol in der Regel erhöht.

Biodiesel

In der Biodieselherstellung wird Methanol zur Umesterung von pflanzlichen Ölen eingesetzt. Dazu wird zum Beispiel Rapsöl mit Methanol unter Basenkatalyse umgeestert. Das Methanol wird über das stöchiometrische Verhältnis von Glycerinester zu Alkohol hinaus zugegeben, um die Reaktion auf die Seite des Methylesters zu verschieben. Als Nebenprodukt fällt Glycerin an. Nach der Beendigung der Reaktion werden die Phasen getrennt und der Biodiesel zur Aufarbeitung gewaschen und destilliert. Moderne Biodieselanlagen weisen eine Kapazität von rund 200.000 Tonnen pro Jahr auf; die gesamte in Deutschland installierte Kapazität betrug im Jahr 2006 3.840.500 t.[68]

Biodieselprobe Methanol 774

Methanol to Gasoline Im Methanol-to-Gasoline-Verfahren wird Methanol zur Herstellung hochoctaniger Vergaserkraftstoffe eingesetzt. Durch Umsatz an Zeolith-Katalysatoren des Typs ZSM-5 wird über das Zwischenprodukt Dimethylether ein Kohlenwasserstoffgemisch gebildet.[69] Die Reaktion findet im ersten Schritt über die Dehydratisierung des Dimethylethers zu Ethen und anderen leichten Olefinen statt, die in weiteren Schritten zu Produkten mit fünf und mehr Kohlenstoffatomen oligomerisieren und zyklisieren können. Der Reaktionsmechanismus ist komplex und bis heute Gegenstand intensiver Untersuchungen.[70][71]

Die Verweilzeiten sind länger und Temperaturen höher als bei den verwandten MtO- und MtA-Verfahren. Der erhaltene Ottokraftstoff ist schwefelfrei und weist niedrige Benzol-Gehalte auf. Der Prozess kann im Festbett- oder Fluidbett-Verfahren durchgeführt werden. Das Fluidbett-Verfahren besitzt Vorteile durch eine kontinuierliche Katalysatorregenerierung, die niedrigere Drücke erlaubt. Total errichtete eine Pilotanlage mit einer Produktionsleistung von 1700 Tonnen Kraftstoff pro Tag in Neuseeland. Rheinbraun betrieb eine weitere Pilotanlage über längere Zeit im nordrhein-westfälischen Berrenrath. Sie wurde gemeinsam von Uhde und Lurgi errichtet.[72]

MTBE Durch säurekatalysierten Umsatz von Methanol mit Isobuten wird Methyl-tertiär-butylether (MTBE), ein Oktanzahlverbesserer, hergestellt. Der Sauerstoffgehalt von MTBE bewirkt in Vergasermotoren eine bessere Verbrennung der Kraftstoffe. Die dadurch erreichte Luftverbesserung war ausschlaggebend dafür, dass der Einsatz von Oxygenaten, einer Gruppe von Chemikalien, die den Sauerstoffgehalt des Benzins erhöhen, im Clean Air Act (CAA, Verordnung zur Luftreinhaltung) der Vereinigten Staaten von 1992 vorgeschrieben wurde. Das in der Verordnung vorgegebene Ziel von 2,7 Gew.-% Sauerstoff im Kraftstoff erreichten die Raffinerien vor allem durch den Einsatz von MTBE.[73] Nachdem MTBE in Grundwasser nachgewiesen wurde, verboten 2003 Kalifornien und anderen Bundesstaaten der USA die Verwendung von MTBE als Oktanzahlverbesserer, da Konzentrationen von circa 40 µg MTBE pro Liter Herstellung von MTBE Wasser die Trinkwasserqualität beeinträchtigt.[74] In Europa und Deutschland wurde der Einsatz von MTBE durch die Richtlinie 85/535/EWG und später durch die Kraftstoffqualitätsrichtlinie 98/70/EG, wonach eine Beimischung bis zu 15 Vol.% erlaubt ist, verstärkt. In Deutschland und der EU konnten bisher Untersuchungen keine unmittelbare Gesundheits- oder Umweltgefährdung durch MTBE nachweisen, ein Verbot wird derzeit nicht erwogen.[75]

Dimethylether Das leicht zu verflüssigende Gas Dimethylether (DME) kann durch katalytische Dehydrierung von Methanol in Gegenwart von Silica-Alumina-Katalysatoren hergestellt werden. DME wird von einigen Unternehmen als vielversprechender Kraftstoff in Dieselmotoren[76] und Gasturbinen[77] gesehen. Die Cetanzahl von DME liegt bei 55 und damit über der von herkömmlichem Diesel.[76][78] Die Verbrennung ist relativ sauber und führt nur zu geringen Emissionen von Partikeln, Stickoxiden und Kohlenmonoxid.[79] Im Zuge des europäischen BioDME-Projekts wird untersucht, ob auf Basis von Lignocellulose produziertes DME im großtechnischen Maßstab produziert werden kann.[80] Methanol 775

Sonstige Anwendungen

Methanol findet weitere Anwendung in vielen Bereichen. So findet es als Lösungs- und Frostschutzmittel Einsatz. In Wärmerohren im mittleren Temperaturbereich bis 500 K dient Methanol als Übertrager-Fluid. Ebenso findet es Anwendung bei der Sensorreinigung von digitalen Spiegelreflexkameras, da es keine Schlieren hinterlässt und rückstandslos verdunstet. Deuteriertes Methanol wird als Lösungsmittel in der Kernspinresonanzspektroskopie verwendet. In Kläranlagen wird Methanol zur Unterstützung der Denitrifikation, der Umwandlung von Nitrat in gasförmigen Stickstoff, zum Abwasser gegeben. Die bakteriellen Stoffwechselvorgänge benötigen Methanol als Deuteriertes Methanol zusätzlichen Energielieferanten. In der Abfallaufbereitung wird Methanol zum solvolytischen Recycling von Polyethylenterephthalat genutzt. Dabei wird Ethylenglycol und Dimethylterephtalat zurückgewonnen. Methanol wird zur Abscheidung von Polystyrol und Chloroprenkautschuk aus Polymermischungen, etwa zur Verkapselung anderer Polymere wie zum Beispiel Butadien-Kautschuk, verwendet.[81]

Die Verwendung von Methanol zum Transport von Kohle in Methanol-Kohle-Slurrys wurde intensiv untersucht.[82] Die Kohle-Methanol-Slurry kann bei diesem Verfahren direkt verbrannt werden oder das Methanol kann destillativ abgetrennt werden und über Pipelines wieder an den Förderort der Kohle zurückgepumpt werden. Methanol wird in der Chemischen- und Ölindustrie als Extraktionsmittel eingesetzt, etwa zur Trennung von aromatischen und paraffinischen Kohlenwasserstoffen.[83]

Biologische Bedeutung

Methanol als Substrat im anaeroben Stoffwechsel Methanol wird nicht nur zum Zwecke des Energiegewinns zu Kohlenstoffdioxid abgebaut, sondern kann auch als Kohlenstoffquelle für den Aufbau von Zellbausteinen dienen. Dies ist insbesondere der Fall für anaerobe Methanotrophe, die C -Verbindungen assimilieren. In der Regel wird Methanol zunächst zu Formaldehyd oxidiert 1 und kann entweder im so genannten Wood-Ljungdahl-Weg, dem Serinweg oder im Ribulosemonophosphatweg zu Kohlenhydraten aufgebaut werden.

Methanol als Zwischenprodukt des aeroben Methanabbaus Methanol wird als Zwischenprodukt des Stoffwechsels methanotropher Bakterien aus der Oxidation von Methan gebildet. Methylotrophe Bakterien (Methylophilaceae) und Hefen, beispielsweise Backhefe, oxidieren auch andere C -Verbindungen wie Methanol und Formaldehyd zur Energiegewinnung. Der Abbau findet in aeroben 1 Umgebungen in der Nähe von Methanvorkommen statt. Der aerobe biologische Abbau des Methans erfolgt über die Stufen Methanol, Formaldehyd, Formiat zu Kohlenstoffdioxid.[84]

Für die Gesamtreaktion gilt:

Die Oxidation von Methan zu Methanol wird durch das Enzym Methan-Monooxygenase unter Verbrauch von Sauerstoff und Nicotinamidadenindinukleotid (NAD(P)H) katalysiert. Die weitere Oxidation des entstehenden Methanol 776

Methanols zu Formaldehyd erfolgt je nach Spezies in unterschiedlicher Weise.[85] Gram-negative Bakterien oxidieren Methanol über eine lösliche Methanol-Dehydrogenase im periplasmatischen Raum mit Pyrrolochinolinchinon (PQQ) als Coenzym. Gram-positive, methanotrophe Bakterien wie Bacilli und Aktinomyzeten verwenden eine cytosolische NAD(P)H-abhängige Dehydrogenase. Dagegen oxidieren Hefen Methanol in den Peroxisomen, was durch eine FAD-abhängige Alkoholoxidase katalysiert wird. Dabei werden die Elektronen auf Sauerstoff übertragen, so dass daraus Wasserstoffperoxid entsteht. Für die Oxidation von Formaldehyd sind verschiedene Stoffwechselwege bekannt. Formaldehyd ist sehr reaktiv und wird zum Beispiel als Addukt an Tetrahydrofolsäure beziehungsweise Tetrahydromethanopterin, alternativ an Glutathion, gebunden.[86]

Einzellerproteine Verfahren zur Herstellung von Einzellerproteinen (single cell proteins) auf Basis von Methanol wurden eingehend untersucht. Dabei werden zum Beispiel Bakterien des Typs Methylophilus methylotropha in Airlift-Reaktoren fermentiert, wobei als Stickstoffquelle Ammoniak genutzt wird. Dabei werden proteinreiche Produkte erhalten, deren Aminosäurekomposition der von Fischmehl ähnlich ist. Die Nutzung von Einzellerproteinen auf der Basis von Methanol für Futterzwecke ist toxikologisch und ernährungsphysiologisch unbedenklich. Die Eiweiße können nach entsprechender Aufarbeitung als Lebensmittel dienen. Ein Verfahren der ICI wurde bereits großtechnisch realisiert, die Produkte konnten aber gegenüber preiswerten Soja- und Fischmehlprodukten nicht vermarktet werden.[87] Der Vorteil der Verwendung von Methanol gegenüber anderen Kohlenstoffquellen ist neben der Mischbarkeit mit Wasser der geringere Sauerstoffbedarf sowie die geringere Wärmeentwicklung bei der Fermentierung.

Toxikologie

Methanol wird leicht durch Inhalation, Verschlucken oder Hautkontakt aufgenommen.[88] Durch Körperflüssigkeit wird es schnell im Körper verteilt. Kleine Mengen werden unverändert über Lunge und Nieren ausgeschieden. Unverstoffwechseltes Methanol ist nur von geringer Giftigkeit (Toxizität). Giftig sind seine Abbauprodukte (Metaboliten), so der durch ADH (Alkoholdehydrogenase) gebildete Formaldehyd (vgl. Abbildung rechts) und die daraus entstehende Ameisensäure. Insbesondere Letztere führt nach einer häufig ohne Symptome verlaufenden Latenzzeit von 6 bis 30 Stunden zur Ausbildung einer metabolischen Azidose. Ameisensäure wird vom menschlichen Stoffwechsel nur sehr langsam abgebaut und sammelt sich so während des vergleichsweise zügigen Abbaus des Methanols im Körper an. Die Giftigkeit des Formaldehyds ist bei der Methanolvergiftung umstritten. Es wird durch die katalytische Einwirkung des Enzyms Aldehyddehydrogenase sehr schnell weiter zur Ameisensäure [89] abgebaut, so dass es zu keiner Anreicherung von Formaldehyd im Körper kommt. Methanolabbau im Dosen ab 0,1 g Methanol pro kg Körpergewicht sind gefährlich, über 1 g pro kg Körper durch Körpergewicht lebensbedrohlich.[90] Alkoholdehydrogenase (ADH) zu Formaldehyd

Die Vergiftungssymptome einer Methanolintoxikation verlaufen in drei Phasen. Direkt nach Aufnahme von Methanol zeigt sich wie beim Ethanol ein narkotisches Stadium, die berauschende Wirkung ist jedoch geringer als bei Ethanol. Nach der Latenzphase treten Kopfschmerzen, Schwächegefühl, Übelkeit, Erbrechen, Schwindel, beschleunigte Atmung auf – die Folgen der sich ausbildenden metabolischen Azidose. Charakteristisch für die dritte Phase, die Azidose, ist die Schädigung von Nerven, insbesondere des Sehnervs (Nervus opticus). Sehstörungen, die wieder zurückgehen können, entstehen zunächst durch Ödeme an der Netzhaut. Die Degeneration des Sehnervs – man spricht in diesem Fall von einer toxischen Optikusneuropathie – führt anschließend zur Erblindung.[91] Der Tod Methanol 777

kann als Folge einer Atemlähmung eintreten. Zur Behandlung von Methanolvergiftungen wird der Abbau des Methanols im menschlichen Körper unterbunden, sodass die toxischen Folgeprodukte nicht entstehen. Dazu können etwa 0,7 g Ethanol (vulgo: Alkohol) pro kg Körpergewicht verabreicht werden, die den Methanolabbau kompetitiv hemmen, da das Enzym eine höhere Affinität zu Ethanol besitzt und diesen somit bevorzugt abbaut (Substratspezifität). Für eine effektive Therapie muss der Ethanolspiegel dabei zum Teil – abhängig vom Grad der Vergiftung und der körperlichen Verfassung des Vergifteten – über Tage aufrechterhalten werden. Wirksamer ist die Einnahme des ADH-Inhibitors 4-Methylpyrazol (Fomepizol), der den Methanolabbau ebenfalls kompetitiv hemmt. Gleichzeitig kann der Abbau der Ameisensäure im Körper durch die Gabe von Folsäure gefördert werden. Mit Natriumhydrogencarbonat kann der Übersäuerung des Körpers (Azidose) entgegengetreten werden. Bei schweren Vergiftungen oder besonderer Krankheiten wie Leberzirrhose oder ähnlichen wird gegebenenfalls eine Hämodialyse notwendig. Die Behandlung muss fortgesetzt werden, bis der Methanolgehalt im Blut unter einen bestimmten Grenzwert abgesunken ist.[92] Durch die Verordnung Nr. 110/2008 des Europäischen Parlaments und des Rates ist der Methanolgehalt der verschiedenen Alkoholika in der Europäischen Union begrenzt. So gilt bei einem Obsttresterbrand ein Methanolgehalt von 15 g·l−1 (auf reinen Ethanolgehalt berechnet) als Obergrenze.[93] In seltenen Fällen können Alkoholika durch unsachgemäßes Maischen, Gären und Destillieren oder Ausfrieren erhöhte Mengen an Methanol enthalten. Die meisten bekannten Fälle von Methanolvergiftung, etwa während der Prohibition[94] oder dem Methanolwein-Skandal 1986[95] sind jedoch auf den Genuss von Trinkalkohol, der bewusst oder unbewusst mit Methanol vermischt wurde, zurückzuführen. In der Raumluft konnten Arbeiter 20 ppm bis 25 ppm Methanol ohne gesundheitliche Folgewirkungen noch nach zwei Jahren vertragen. Methanolkonzentrationen von über 200 ppm führen nach längerer Einatmung zu Kopfschmerzen. Konzentrationen von 500 ppm bis 1100 ppm wurden von freiwilligen Versuchspersonen nur drei bis vier Stunden ertragen. Methanol wird über die Haut sehr gut aufgenommen (resorbiert).[96]

Nachweis

Methanol hat einen alkoholartigen Geruch. Wird Methanol mit Borax vermischt und angezündet, verbrennt das dabei entstehende Trimethylborat mit intensiv grüner Flamme. Diese Reaktion funktioniert mit ähnlichem Ergebnis, jedoch weniger intensiver Grünfärbung auch mit Ethanol unter einem Zusatz von konzentrierter Schwefelsäure. Deswegen können Ethanol und Methanol mit dieser sogenannten Boraxprobe unterschieden werden.[97]

Methanol wird häufig mit gaschromatografischen Methoden, etwa durch Flammenionisationsdetektion oder gekoppelter Massenspektrometrie nachgewiesen. Je nach Ursprung der Probe wird diese mit verschieden Methoden entweder vorher aufkonzentriert oder extrahiert. Zum Nachweis von Methanol in der Luft wird diese zunächst über Silicagel oder Aktivkohle geleitet, um das Methanol zu Grüne Flamme von Trimethylborat adsorbieren und zu konzentrieren. Durch anschließende thermische Desorption wird das Methanol wieder freigesetzt. Bei flüssigen Proben, etwa zum Nachweis in Kraftstoff, wird die Probe vorher zum Beispiel mit Ethylenglycol extrahiert und anschließend gaschromatografisch nachgewiesen. Bei festen Proben ist die Extraktion mit Wasser möglich.[98]

Produktionsanlagen können mittels Infrarotspektroskopie direkt während des Herstellungsvorgang überwacht werden. Eine weitere Methode ist die Oxidation von Methanol mit starken Oxidationsmitteln, etwa Kaliumpermanganat, zu Formaldehyd, das mit den herkömmlichen Methoden nachgewiesen werden kann.[99] Methanol 778

Literatur • H. Menrad, A. König: Alkoholkraftstoffe. Springer, Wien/New York 1982, ISBN 3-211-81696-8. • Der Bundesminister für Forschung und Technologie (Hrsg.): Entwicklungslinien in Kraftfahrzeugtechnik und Straßenverkehr. Forschungsbilanzen 1977 bis 1985, TÜV Rheinland, Köln. • F. Asinger: Methanol, Chemie- und Energierohstoff. Akademie-Verlag, Berlin, 1987, ISBN 3-05-500341-1. • G. A. Olah, A. Goeppert, G. K. Surya Prakash: Beyond oil and gas: the methanol economy. Verlag Wiley-VCH (eingeschränkte Vorschau [100] in der Google Buchsuche) • B. Höhlein: Neue Energieträger für den Verkehr: Methanol und Alkoholgemische, Verlag Forschungszentrum Jülich, 1991, ISBN 3-89336-068-9. • VDI-Buch: Energiehandbuch: Gewinnung, Wandlung und Nutzung von Energie. Springer Verlag, 2002, ISBN 3-540-41259-X. • K. Weissermel, H. J. Arpe: Industrial Organic Chemistry: Important Raw Materials and Intermediates. Wiley-VCH Verlag 2003, ISBN 3-527-30578-5, S. 30 ff.

Weblinks • Oktanzahlsteigernde Wirkung von Methanol in Benzin (Quelle Menrad, motorlexikon.de) [101] • Methanol Institut, Arlington [102] (englisch). • Methanol [103] in P. J. Linstrom, W. G. Mallard (Hrsg.): NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg MD. • Sicherheitsdatenblatt Methanol [104] (PDF-Datei; 73 kB), Stand 02/2007, von Methanex Corporation. • Technische Informationen und Sicherheitsmerkblatt für den Umgang mit Methanol [105] (PDF-Datei; 578 kB), Version 3.0, September 2006, von Methanex Corporation.

Einzelnachweise

[1] http:/ / pubchem. ncbi. nlm. nih. gov/ summary/ summary. cgi?cid=887

[2] Eintrag zu Methanol (http:/ / gestis. itrust. de/ nxt/ gateway. dll?f=id$t=default. htm$vid=gestisdeu:sdbdeu$id=011240) in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 9. Dezember 2010 (JavaScript erforderlich). [3] Autorengemeinschaft: Organikum, 19. Auflage, Johann Ambrosius Barth, Leipzig · Berlin · Heidelberg 1993, ISBN 3-335-00343-8, S. 459. [4] Thieme Chemistry (Hrsg.): RÖMPP Online - Version 3.5. Georg Thieme Verlag, Stuttgart 2009. [5] CRC Handbook of Chemistry and Physics, 90. Auflage, CRC Press, Boca Raton, Florida, 2009, ISBN 978-1-4200-9084-0, Section 3, Physical Constants of Organic Compounds, p. 3-326.

[6] Eintrag aus der CLP-Verordnung zu CAS-Nr. 67-56-1 (http:/ / gestis. itrust. de/ nxt/ gateway. dll/ gestis_de/ 011240.

xml?f=templates$fn=print. htm#1100) in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA (JavaScript erforderlich) [7] Seit 1. Dezember 2012 ist für Stoffe ausschließlich die GHS-Gefahrstoffkennzeichnung zulässig. Bis zum 1. Juni 2015 dürfen noch die R-Sätze dieses Stoffes für die Einstufung von Zubereitungen herangezogen werden, anschließend ist die EU-Gefahrstoffkennzeichnung von rein historischem Interesse.

[8] A. Gossauer: Struktur und Reaktivitat der Biomolekule. Verlag Wiley-VCH, S. 176 ( eingeschränkte Vorschau (http:/ / books. google. de/

books?id=j7lIt9SU43cC& pg=PA176& dq=methanol+ boyle#v=onepage) in der Google Buchsuche). [9] G. A. Olah, A. Goeppert, G. K. Surya Prakash: Beyond oil and gas: the methanol economy. Verlag Wiley-VCH, 2009, ISBN 978-3-527-32422-4. [10] S. Lee: Methanol synthesis technology. Verlag CRC Press, 1990, ISBN 0-8493-4610-X. [11] J. R. Couper, O. T. Beasley, W. R. Penney: The chemical process industries infrastructure: function and economics. Verlag Marcel Dekker, 2000, ISBN 0-8247-0435-5.

[12] 1902 - 1924 - BASF - The Chemical Company - Corporate Website (http:/ / www. basf. com/ group/ corporate/ de/ about-basf/ history/

1902-1924/ index). www.basf.com. Abgerufen am 9. Januar 2010.

[13] B. Höhlein, Th. Grube, P. Biedermann, H. Bielawa, G. Erdmann, L. Schlecht, G. Isenberg, R. Edinger: Methanol als Energieträger (http:/ /

juwel. fz-juelich. de:8080/ dspace/ bitstream/ 2128/ 325/ 1/ Energietechnik_28. pdf) (PDF-Datei; 5,54 MB). In: Schriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energietechnik. Band 28, ISBN 3-89336-338-6. [14] T. Holst, A. Arneth, S. Hayward, A. Ekberg, M. Mastepanov, M. Jackowicz-Korczynski, T. Friborg, P. M. Crill, K. Bäckstrand: BVOC ecosystem flux measurements at a high latitude wetland site in Atmos. Chem. Phys., 10, 1617–1634, 2010. Methanol 779

[15] D. J. Jacob, B. D. Field, Q. Li, D. R. Blake, J. de Gouw, Carsten Warneke, A. Hansel, A. Wisthaler, H. B. Singh, A. Guenther: Global

budget of methanol: Constraints from atmospheric observations. (http:/ / citeseerx. ist. psu. edu/ viewdoc/ download?doi=10. 1. 1. 67. 4891&

rep=rep1& type=pdf) In: Journal of Geophysical Research. Vol. 110, 2005. [16] C. C. von Dahl, M. Hävecker, R. Schlögl and I. T. Baldwin: Caterpillar-elicited methanol emission: a new signal in plant–herbivore interactions? in: The Plant Journal, (2006), 46, 948–960 [17] E. Kolb: Spirituosen-Technologie. Behr’s Verlag, 2002, ISBN 3-86022-997-4.

[18] Methanol: Wie sicher sind … (http:/ / www. untersuchungsämter-bw. de/ pub/ beitrag. asp?subid=0& Thema_ID=2& ID=1244& Pdf=No). www.untersuchungsämter-bw.de. Abgerufen am 7. Januar 2010. [19] H. G. Classen, P. S. Elias, M. Winter: Toxikologisch-hygienische Beurteilung von Lebensmittelinhaltsstoffen und Zusatzstoffen. Behr’s Verlag, 2001, ISBN 3-86022-806-4. [20] W. Helferich, C. K. Winter: Food Toxikology. Verlag CRC Press, 2000, ISBN 0-8493-2760-1. [21] L. Harvey-Smith, R. J. Cohen: Discovery of large-scale masers in W3(OH), Triggered Star Formation in a Turbulent ISM, Proceedings IAU

Symposium No. 237, 2006, doi: 10.1017/S1743921307002104 (http:/ / dx. doi. org/ 10. 1017/ S1743921307002104). [22] E. S. Wirström1, C. M. Persson1, A. Hjalmarson1, J. H. Black, P. Bergman1, W. D. Geppert, M. Hamberg, E. Vigren: Observational constraints on the formation of interstellar methanol. Organic Matter in Space, Proceedings IAU Symposium No. 251, 2008, doi:

10.1017/S1743921308021406 (http:/ / dx. doi. org/ 10. 1017/ S1743921308021406).

[23] Spitzer Spectra of Protoplanetary Disks bei caltech.edu (http:/ / www. spitzer. caltech. edu/ images/ 1172-ssc2004-08b-Spitzer-Spectra-of-Protoplanetary-Disks)

[24] Excerpt from the Methanol & Derivatives Global Outlook 2000 – 2012. (http:/ / www. docstoc. com/ docs/ 23397512/ Excerpt-from-the-Methanol-Derivatives-Global-Outlook-2000-2012)

[25] Chinas Petrochemie (http:/ / www. dechema. de/ dechema_media/ Downloads/ Presse/ achemasia/ tb09_Chinas_Petrochemie. pdf). www.dechema.de. Abgerufen am 10. Januar 2010. [26] F. Asinger: Methanol, Chemie- und Energierohstoff. Akademie-Verlag, Berlin, 1987, ISBN 3-05-500341-1.

[27] The 5% solution (http:/ / www. methanol. org/ Energy/ Resources/ Alternative-Fuel/ The-5-percent-solution. aspx), bei methanol.org, August 2009. [28] M. Hennecke: Das Ingenieurwissen. Verlag Springer, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-71851-2.

[29] H. Daniel: Physik: Mechanik, Wellen, Wärme. Verlag De Gruyter, 1997, ISBN 3-11-015602-4 ( eingeschränkte Vorschau (http:/ / books.

google. de/ books?id=idNCLLsfs7MC& pg=PA230& dq=Methanol+ OberflÃ¤chenspannung#v=onepage) in der Google Buchsuche).

[30] Technische Informationen und Sicherheitsmerkblatt für den Umgang mit Methanol (http:/ / www. methanex. com/ products/ documents/

TISH_german. pdf) (PDF-Datei; 578 kB) [31] A. Töpel: Chemie und Physik der Milch: Naturstoff – Rohstoff – Lebensmittel. Behr’s Verlag, 2004, ISBN 3-89947-131-8, S. 65 (

eingeschränkte Vorschau (http:/ / books. google. de/ books?id=YuYqYV-Hi2AC& pg=PA65& dq=Methanol+ DielektrizitÃ¤tskonstante#v=onepage) in der Google Buchsuche). [32] L. Bergmann, T. Dorfmüller, C. Schaefer: Lehrbuch der Experimentalphysik: Mechanik, Relativität, Wärme. Verlag de Gruyter, 1998, ISBN

3-11-012870-5 ( eingeschränkte Vorschau (http:/ / books. google. de/ books?id=EZ3VoXHh5ucC& pg=PA418& dq=Methanol+

%22isotherme+ KompressibilitÃ¤t%22#v=onepage) in der Google Buchsuche). [33] S. Lee, J. G. Speight, S. K. Loyalka: Handbook of alternative fuel technologies. Verlag CRC Press, 2007, ISBN 978-0-8247-4069-6 (

eingeschränkte Vorschau (http:/ / books. google. de/ books?id=hyNbv60Px8oC& pg=PA307& dq=Triple+ Point+ Methanol#v=onepage) in der Google Buchsuche).

[34] NMR-002: Sample Devices and Magnetic Susceptibility (http:/ / nmr. chem. umn. edu/ ResReports/ NMR002. html) [35] Lange's Handbook of Chemistry. 10. Auflage, S. 1669–1674.

[36] Methyl alcohol, Condensed phase thermochemistry data, NIST Webbook (http:/ / webbook. nist. gov/ cgi/ cbook. cgi?ID=C67561& Mask=2#Thermo-Condensed) [37] Lange's Handbook of Chemistry. 10. Auflage. S. 1522–1524.

[38] Competition Science Vision, Jg. 3, Nr. 25, März 2000( eingeschränkte Vorschau (http:/ / books. google. de/ books?id=N-gDAAAAMBAJ&

pg=PA58& lpg=PA58& dq=carbinol+ kolbe#v=onepage) in der Google Buchsuche). [39] Ambrose, D.; Sprake, C.H.S.: Thermodynamic Properties of Organic Oxygen Compounds. XXV. Vapor Pressures and Normal Boiling Temperatures of Aliphatic Alcohols in J. Chem. Thermodyn. 2 (1970) 631-645. [40] L. Pauling: Die Natur der chemischen Bindung, 3. Auflage, Verlag Chemie, Weinheim 1973, S. 443.

[41] Technical Information & Safe Handling Guide for Methanol (http:/ / www. methanex. com/ products/ documents/ TISH_english. pdf) (PDF-Datei; 1,55 MB) [42] K. J. Tauer, W. N. Lipscomb: On the crystal structures, residual entropy and dielectric anomaly of methanol. In: Acta Crystallographica.

1952, 5, S. 606–612, doi: 10.1107/S0365110X52001696 (http:/ / dx. doi. org/ 10. 1107/ S0365110X52001696).

[43] Alkohole (http:/ / www. uni-tuebingen. de/ uni/ com/ html/ kapitel_8. pdf). www.uni-tuebingen.de. Abgerufen am 10. Januar 2010. [44] E. V. Ivash, D. M. Dennison, Journal of Chemical Physics 1953, 21, S. 1804.

[45] S. Hauptmann: Reaktion und Mechanismus in der Organischen Chemie. Verlag Teubner, S. 61 ( eingeschränkte Vorschau (http:/ / books.

google. de/ books?id=BOG1sdmCsloC& pg=PA62& dq=pks+ wert+ methanol#v=onepage) in der Google Buchsuche). [46] K. Weissermel, H. J. Arpe: Industrial Organic Chemistry: Important Raw Materials and Intermediates. Wiley-VCH Verlag, 2003, ISBN 3-527-30578-5. Methanol 780

[47] G. W. Becker, D. Braun, L. Bottenbruch: Kunststoffhandbuch. 11 Bde. in 17 Tl.-Bdn., Bd.3/1, Technische Thermoplaste. BD 3 / Teil 1, Verlag Hanser Fachbuch, 1992, ISBN 3-446-16368-9. [48] J. Buddrus: Grundlagen der Organischen Chemie. Verlag Gruyter, 2011, ISBN 978-3-11-024894-4.

[49] Methanol Institute: Global Supply and Demand Balance 2010 (http:/ / www. methanol. org/ Methanol-Basics/ Resources/

MMSA-Global-Methanol-Supply-and-Demand. aspx)

[50] Rectisol Process (http:/ / www. lurgi. com/ website/ fileadmin/ user_upload/ 1_PDF/ 1_Broshures_Flyer/ englisch/ 0308e_Rectisol. pdf)

[51] Formaldehyde Uses and Market Data (http:/ / www. icis. com/ v2/ chemicals/ 9076013/ formaldehyde/ uses. html)

[52] Formaldehyde (http:/ / www. methanolmsa. com/ exec/ sam/ view/ id=189/ node=116/ ), von MMSA

[53] Formaldehyde Uses and Market Data (http:/ / www. icis. com/ v2/ chemicals/ 9076013/ formaldehyde/ uses. html). www.icis.com. Abgerufen am 9. Januar 2010. [54] A. Behr: Aliphatische Zwischenprodukte. In: Roland Dittmeyer, Wilhelm Keim, Gerhard Kreysa, Alfred Oberholz (Hrsg.): Winnacker, Küchler. Chemische Technik: Prozesse und Produkte.Band 5: Organische Zwischenverbindungen, Polymere. WILEY-VCH Verlag, Weinheim, ISBN 3-527-30770-2. [55] W.Keim, A. Behr, G. Schmitt: Grundlagen der Industriellen Chemie: techn. Produkte u. Prozesse. 1. Aufl. Salle, Frankfurt/Berlin/München 1986, ISBN 3-7935-5490-2. (Sauerländer, ISBN 3-7941-2553-3) [56] AN INVESTIGATION OF THE FEASIBILITY OF COAL-BASED METHANOL FOR APPLICATION IN TRANSPORTATION FUEL

CELL SYSTEMS (http:/ / fuelcellbus. georgetown. edu/ files/ MethanolFromCoalFinalReport04-2004. pdf) (PDF-Datei; 766 kB)

[57] Übersicht über die Verwendung von Methanol in Raketen- und Flugzeugtreibstoffen (http:/ / www. aeroconsystems. com/ tips/ advinfo. htm)

[58] JAWA-Zylinderköpfe (http:/ / www. bahnsporttechnik. de/ body_jawakoepfe. html)

[59] umweltlexikon-online.de: Alkoholkraftstoff (http:/ / www. umweltlexikon-online. de/ RUBwerkstoffmaterialsubstanz/ Alkoholkraftstoff. php) [60] H. Heitland: Alternativen im Verkehr: Abschätzung ihrer Chancen und Risiken durch PC-Simulationsmodelle. Verlag Frank Timme, S. 65 (

eingeschränkte Vorschau (http:/ / books. google. de/ books?id=cmM5o5tZJhMC& pg=PT69& dq=Pischinger+ Methanol) in der Google Buchsuche).

[61] Inst. Francais Du Petrole: International Symposium on Alcohol Fuels. Verlag Editions Technip, S. 65 ( eingeschränkte Vorschau (http:/ /

books. google. de/ books?id=cmM5o5tZJhMC& pg=iBd2mplgQwC& pg=PA277& dq=Pischinger+ Methanol#v=onepage) in der Google Buchsuche). [62] S. Geitmann: Erneuerbare Energien und Alternative Kraftstoffe. Mit neuer Energie in die Zukunft. Verlag Hydrogeit, 2005, ISBN 3-937863-05-2. [63] J. J. Romm: Der Wasserstoff-Boom: Wunsch und Wirklichkeit beim Wettlauf um den Klimaschutz. Wiley-VCH Verlag, 2006, ISBN 3-527-31570-5. [64] B. Aldrich: ABC's of Afv's: A Guide to Alternative Fuel Vehicles, Verlag Diane Pub (1995) ISBN 0-7881-4593-2 ( eingeschränkte Vorschau

(http:/ / books. google. de/ books?id=0ecUzLRyN5cC& pg=PA45& dq=Indy+ Race+ Cars+ + Methanol#v=onepage) in der Google Buchsuche). [65] M. Trzesniowski: Rennwagentechnik: Grundlagen, Konstruktion, Komponenten, Systeme. Verlag Vieweg+Teubner, 2008, ISBN 978-3-8348-0484-6.

[66] Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) (http:/ / www. hycar. de/ dmfc. htm). www.hycar.de. Abgerufen am 8. Januar 2010.

[67] MTBE Fact Sheet #3 Use And Distribution Of MTBE And Ethanol (http:/ / www. epa. gov/ oust/ mtbe/ Mtbefs3. pdf) (PDF-Datei; 20 kB)

[68] Biodieselproduktionskapazitäten in Deutschland (http:/ / www. iwr. de/ biodiesel/ kapazitaeten. html) [69] K. Liu, C. Song, V. Subramani: Hydrogen and Syngas Production and Purification Technologies: Hydrocarbon Processing for H 2 Production. Verlag John Wiley & Sons, 2010, ISBN 978-0-471-71975-5, S. 510 ff.

[70] Solange R. Blaszkowski, Rutger A. van Santen: Theoretical Study of C-C Bond Formation in the Methanol-to-Gasoline Process. (http:/ /

alexandria. tue. nl/ repository/ freearticles/ 590967. pdf) (PDF-Datei; 222 kB) In: J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, S. 5020–5027. [71] Michael Seiler, Udo Schenk, Michael Hunger: Conversion of methanol to hydrocarbons on zeolite HZSM-5 investigated by in situ MAS NMR spectroscopy under flow conditions and on-line gas chromatography. In: Catalysis Letters. 62 (1999), S. 139–145; doi:

10.1023/A:1019086603511 (http:/ / dx. doi. org/ 10. 1023/ A:1019086603511).

[72] ThyssenKrupp Base: Methanol (http:/ / base. thyssenkrupp. com/ pages/ de/ ID2911_386853815. html)

[73] MTBE in Fuels (http:/ / www. epa. gov/ mtbe/ gas. htm), von EPA.gov.

[74] MTBE Ban in California (http:/ / www. gao. gov/ new. items/ d02440r. pdf) (PDF-Datei; 674 kB), von GAO.gov.

[75] Umweltrelevanz des Stoffes Methyltertiärbutylether (MTBE) unter besonderer Berücksichtigung des Gewässerschutzes (http:/ / www.

umweltbundesamt. de/ wasser/ themen/ grundwasser/ mtbe. htm), von Umweltbundesamt.de. [76] Annual Technical Progress Report for Project Entitled “Impact of DME-Diesel Fuel Blend Properties on Diesel Fuel Injection Systems” 16.

Mai 2003 (http:/ / www. osti. gov/ bridge/ purl. cover. jsp;jsessionid=9FB0CFC064D7561D3B16D8FD87F45DE3?purl=/ 821275-ho3SG7/

native/ ).

[77] Patent US4341069 (http:/ / worldwide. espacenet. com/ publicationDetails/ biblio?locale=de_EP& CC=US& NR=4341069): Method for generating power upon demand.

[78] Umwelt, Energie und Verkehr (http:/ / www. eu-portal. net/ material/ downloadarea/ kt5_wm_de. pdf) (PDF-Datei; 1,09 MB) EU-Forschungsergebnisse im Bereich Stadt- und Regionalverkehr. Methanol 781

[79] DME, Clean Fuel for Transportation (http:/ / www. aboutdme. org/ index. asp?bid=219), bei International DME Association.

[80] BIODME (http:/ / www. biodme. eu/ ). www.biodme.eu. Abgerufen am 11. Januar 2010.

[81] Patent US5264553 (http:/ / worldwide. espacenet. com/ publicationDetails/ biblio?locale=de_EP& CC=US& NR=5264553): Method of forming uniform polymer spheres, composite particles and polymer encapsulated particles.

[82] B. E. A. Jacobs: Design of slurry transport systems. Verlag Elsevier, S. 254 ( eingeschränkte Vorschau (http:/ / books. google. de/

books?id=BOG1sdmCsloC& pg=PA62& dq=pks+ wert+ methanol#v=onepage) in der Google Buchsuche).

[83] Verfahren zur Abtrennung aromatischer Kohlenwasserstoffe aus Gemischen (http:/ / www. fischer-tropsch. org/ Tom Reels/ Linked/ TOM

023 Partial/ TOM-023-0614-0617 Bag 3046 Item 16A. pdf) (PDF-Datei; 424 kB).

[84] Abbau von Kohlenwasserstoffen (http:/ / www. eawag. ch/ about/ personen/ homepages/ buergmhe/ Stoffwechsel08/

Stoffwechsel_Termin_6-2009. pdf), bei eawag.ch. [85] Kloosterman, H., Vrijbloed, JW. und Dijkhuizen, L. (2002): Molecular, biochemical, and functional characterization of a Nudix hydrolase protein that stimulates the activity of a nicotinoprotein alcohol dehydrogenase. In: J Biol Chem. 277 (38), S. 34785–34792; PMID 12089158;

PDF (http:/ / www. jbc. org/ content/ 277/ 38/ 34785. full. pdf+ html) (freier Volltextzugriff, engl.) [86] Georg Fuchs (Hrsg.), Hans. G. Schlegel (Autor): Allgemeine Mikrobiologie. 8. Auflage. Thieme Verlag, Stuttgart; 2007, ISBN 3-13-444608-1, S. 311.

[87] C. J. Israelidis - Nutrition - Single Cell Protein, Twenty Years Later (Archive.org) (http:/ / wayback. archive. org/ web/ 20111007210822/

http:/ / www. biopolitics. gr/ HTML/ PUBS/ VOL1/ isreali. htm). www.biopolitics.gr. Abgerufen am 16. Februar 2013.

[88] R. Kavet, K. M. Nauss: The Toxicity of Inhaled Methanol Vapors. (http:/ / thetruthaboutstuff. com/ pdf/ (107) Kavet Methanol Vapor Toxic

Dosage for Man. pdf) (PDF-Datei; 2,18 MB) In: Critical Reviews in Toxicology. 1990. [89] G. F. Fuhrmann: Toxikologie für Naturwissenschaftler. Vieweg+Teubner Verlag, 2006, ISBN 3-8351-0024-6, S. 269. [90] B. Madea, B. Brinkmann: Handbuch gerichtliche Medizin, Band 2. Verlag Springer, ISBN 3-540-66447-5, S. 523 ( eingeschränkte

Vorschau (http:/ / books. google. de/ books?id=UiTzSW9h_ucC& pg=PA523#v=onepage) in der Google Buchsuche). [91] P. U. Fechner, K. D. Teichmann: Medikamentöse Augentherapie: Grundlagen und Praxis. Georg Thieme Verlag, 2000, ISBN 3-13-117924-4, S. 516–517.

[92] Methanol-Vergiftung – Effektive Therapie mit Formepizol – GFI (http:/ / www. gfi-online. de/ artikel/ 18165) [93] Verordnung Nr. 110/2008 des Europäischen Parlaments und des Rates vom 15. Januar 2008 zur Begriffsbestimmung, Bezeichnung, Aufmachung und Etikettierung von Spirituosen sowie zum Schutz geografischer Angaben für Spirituosen und zur Aufhebung der Verordnung

(EWG) Nr. 1576/89 (http:/ / eur-lex. europa. eu/ LexUriServ/ LexUriServ. do?uri=OJ:L:2008:039:0016:0054:DE:PDF).

[94] Stuart A. Schneck: Methyl, alcohol. (http:/ / thetruthaboutstuff. com/ pdf/ (21) Methanol Review form Handbook of Clinical

Neurophysilogy. pdf) (PDF-Datei; 763 kB) In: Handbook of Clinical Neurophysiology. Vol. 36, 1979, S. 351–360.

[95] Wein: Umwerfende Idee. In: Der Spiegel. Nr. 16, 1986, S. 130-132 (14. April 1986, online (http:/ / www. spiegel. de/ spiegel/ print/

d-13517661. html)).

[96] Handlungsanleitung für die arbeitsmedizinische Vorsorge (http:/ / www. euk-info. de/ fileadmin/ PDF_Archiv/ Regelwerk_Archiv/

Info_arb_Vorsorge/ GUV-I_504-10. pdf). www.euk-info.de. Abgerufen am 9. Januar 2010. [97] G. Blumenthal, D. Linke, S. Vieth: Chemie: Grundwissen für Ingenieure. Verlag Vieweg+Teubner, 2006, ISBN 3-519-03551-0, S. 242.

[98] P. J. Baugh: Gaschromatographie: eine anwenderorientierte Darstellung. Verlag Vieweg ( eingeschränkte Vorschau (http:/ / books. google.

de/ books?id=FqjUYx6cFTIC& printsec=frontcover& dq=Gaschromatographie:+ eine+ anwenderorientierte+ Darstellung) in der Google Buchsuche).

[99] Chemical Properties of Methanol (http:/ / www. ucc. ie/ academic/ chem/ dolchem/ html/ comp/ methanol. html).

[100] http:/ / books. google. de/ books?id=xH_JyuL08K4C& printsec=frontcover& dq=Methanol

[101] http:/ / motorlexikon. de/ img. php4?fotos/ gross/ K/ K244. jpg

[102] http:/ / www. methanol. org

[103] http:/ / webbook. nist. gov/ cgi/ cbook. cgi?ID=C67-56-1

[104] http:/ / www. methanex. com/ products/ documents/ MSDS_EUdeutsch. pdf

[105] http:/ / www. methanex. com/ products/ documents/ TISH_german. pdf

Dieser Artikel wurde am 22. Juni 2011 in dieser Version (http:/ / en. wikipedia. org/ wiki/ ?oldid=90296466) in die Liste der exzellenten Artikel aufgenommen. Metrologie 782

Metrologie

Die Metrologie ist die Lehre von den Maßen und den Maßsystemen. In der 3. Ausgabe des VIM von 2007 wird Metrologie als „Wissenschaft vom Messen und ihre Anwendung“ definiert. Etymologie: Das Wort leitet sich von Meter (gr. μετρώ metró „messen“) ab und ist nicht zu verwechseln mit der Meteorologie (von Meteor), der Wetterkunde. Metrologie steht auch nicht in Zusammenhang mit Metros (von Metropole).

Metrologische Institutionen und Organisationen

Nationale Institutionen Darstellung verschiedener historischer Maße am Die Festlegung und Kontrolle der Maße und Gewichte ist ein Beispiel des Vitruvianischen Menschen hoheitliches Recht, das heute in der Regel von staatlichen Instituten wahrgenommen wird. • Deutschland: Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) • Österreich: Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen (BEV) • Schweiz: Eidgenössisches Institut für Metrologie (METAS) • Frankreich: Laboratoire National d’Essais (LNE) • England: National Physical Laboratory (NPL) • Vereinigte Staaten: National Institute of Standards and Technology (NIST) International • Internationales Büro für Maß und Gewicht (BIPM) • Internationale Organisation für das gesetzliche Messwesen (OIML) • Joint Committee for Guides in Metrology (JCGM) Das Joint Committee for Guides in Metrology (JCGM) [1] ist für die Herausgabe der beiden metrologischen Standard-Publikationen GUM (Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement) und VIM (ursprünglich International Vocabulary of Basic and General Terms in Metrology, jetzt International Vocabulary of Metrology – Basic and General Concepts and Associated Terms) verantwortlich.

Aus- und Fortbildung In Deutschland wird die Aus- und Fortbildung für die Disziplin von der Deutschen Akademie für Metrologie durchgeführt. Gemeinsam mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) bietet die TU Braunschweig seit dem Sommersemester 2007 mit der International Graduate School of Metrology für Doktoranden Vertiefungsveranstaltungen zur Metrologie.[2] Metrologie 783

Einzelnachweise

[1] Homepage des Joint Committee for Guides in Metrology (http:/ / www. bipm. org/ en/ committees/ jc/ jcgm/ )

[2] http:/ / igsm. tu-bs. de/

Normdaten (Sachbegriff): GND: 4169749-2 (http:/ / d-nb. info/ gnd/ 4169749-2)

Molare Schmelzpunkterniedrigung

Die kryoskopische Konstante ist eine Messgröße aus der physikalischen Chemie. Sie gibt an, um welche Temperatur (in Kelvin) sich der Schmelzpunkt einer Lösung gegenüber dem des reinen Lösemittels verringert (Schmelzpunkts- bzw. Gefrierpunktserniedrigung), wenn man 1 mol einer nicht flüchtigen Substanz in 1 kg des reinen Lösemittels löst. Über diese Konstante lässt sich z.B. nach Beckmann die molare Masse eines löslichen Stoffes aus der Gefrierpunktserniedrigung bestimmen.[1]

Einzelnachweise [1] Otto-Albrecht Neumüller (Herausgeber): Römpps Chemie Lexikon, Frank’sche Verlagshandlung, Stuttgart, 1983, 8. Auflage, S. 2650−2651, ISBN 3-440-04513-7.

Molare Siedepunkterhöhung

Der Siedepunkt (Abkürzung: Sdp.), Verdampfungspunkt oder auch Kochpunkt (Abkürzung: Kp.) eines Reinstoffes ist ein Wertepaar in dessen Phasendiagramm und besteht aus zwei Größen: Der Sättigungstemperatur (speziell auch Siedetemperatur) und dem Sättigungsdampfdruck (speziell auch Siededruck) an der Phasengrenzlinie zwischen Gas und Flüssigkeit. Er setzt sich also aus den beiden Zustandsgrößen Druck und Temperatur beim Übergang eines Stoffes vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand zusammen.

Der Siedepunkt stellt die Bedingungen dar, die beim Phasenübergang eines Stoffes von der flüssigen in die gasförmige Phase vorliegen, was man als Sieden oder Verdampfen bezeichnet.[1] Zudem ist er für den umgekehrten Vorgang der Kondensation, allerdings nur bei Reinstoffen, identisch mit dem Kondensationspunkt. Beim Verdampfen eines Stoffgemisches kommt es zu einem veränderten Siedeverhalten, und man beobachtet einen Siedebereich anstatt eines einzelnen Siedepunktes. Bei einem Phasenübergang von der flüssigen Phasendiagramm eines „gewöhnlichen“ Stoffes in die gasförmige Phase unterhalb des Siedepunktes spricht man von und des Wassers einer Verdunstung.

In Tabellenwerken werden die Siedetemperaturen bei Normaldruck angegeben, also bei 1013,25 hPa. Dieser Siedepunkt wird als Normalsiedepunkt[2], die angegebene Siedetemperatur als Normalsiedetemperatur (T ) Sied bezeichnet. Ein Verfahren zu dessen Abschätzung ist die Pailhes-Methode, während die Guldberg-Regel einen Molare Siedepunkterhöhung 784

Zusammenhang mit der kritischen Temperatur herstellt. Der Begriff Siedepunkt wird dabei häufig als Kurzform für die Normalsiedetemperatur verwendet und stellt daher im allgemeinen Sprachgebrauch meist deren Synonym dar, was jedoch den Siedepunkt auf nur ein einziges Wertepaar reduzieren würde und daher formal inkorrekt ist. Bei einem Schnellkochtopf macht man sich beispielsweise zunutze, dass die Siedetemperatur und der Siededruck voneinander abhängen. Durch eine Druckerhöhung von meist einem Bar (1000 hPa) erreicht man auf diese Weise eine Steigerung der Siedetemperatur des Wassers von 100 °C auf ungefähr 120 °C. Beide Temperaturen stellen Siedetemperaturen dar, jedoch ist nur der Wert von 100 °C auch die Siedetemperatur unter Normaldruck und somit die Normalsiedetemperatur. Eine Vermischung beider Begriffe ist daher unspezifisch, keineswegs selbstverständlich und sollte vermieden werden.

Siedevorgang

Hauptartikel: Verdampfen, Verdampfungswärme und Siedeverzug Unterhalb und oberhalb des Siedepunktes führt eine Erwärmung der Flüssigkeit bzw. des Gases nur zu einer Erhöhung der Temperatur. Die zugeführte Energie wird in Bewegungsenergie der Teilchen umgewandelt. Während des Phasenübergangs der Flüssigkeit zum Gas jedoch bleibt die Temperatur konstant, sofern auch der Druck konstant bleibt. Sämtliche zugeführte thermische Energie wird in die Zustandsänderung investiert.

Ist der Siedepunkt erreicht, so werden bei weiterer Zufuhr von Energie Temperaturänderung mit der Zeit beim Erwärmen die chemisch-physikalischen Wechselwirkungen zwischen den eines flüssigen Reinstoffes Teilchen gelöst - die Teilchen treten in die Gasphase über. Die Temperatur der Flüssigkeit stagniert, da die zugeführte thermische Energie vollständig für die Lösung der zwischenmolekularen Bindungen eingesetzt wird. Die Energie, die hierfür bei einem Mol des Stoffes benötigt wird, bezeichnet man auch als Verdampfungsenthalpie und ihr nicht stoffmengenbezogenes Gegenstück als Verdampfungswärme. Erst wenn alle Teilchen in der Gasphase sind, steigt die Temperatur des Systems wieder an.

Wasser, Wasserstoffperoxid oder Laugen (zum Beispiel Natronlauge) ohne Staubpartikel oder Gasbläschen lassen sich in reinen Gefäßen auch über die Siedetemperatur hinaus erwärmen, ohne dass es zum Sieden kommt. Kleinste Störungen, wie zum Beispiel Erschütterungen, die eine Durchmischung nach sich ziehen, können zu einer explosionsartigen Trennung der flüssigen von der Dampfphase führen, was man als Siedeverzug bezeichnet. Aufgrund dessen fügt man in der Chemie Flüssigkeiten, die von einem Siedeverzug gefährdet sind, sogenannte Siedesteinchen aus Ton oder Bimsstein hinzu, die durch die Chemikalie nicht angegriffen werden, aber durch ihre poröse Struktur die Bildung kleiner Blasen erleichtern, so dass es nicht zum Siedeverzug kommt. Siehe auch : Verdunstung, Vergasen, Evaporation, Transpiration, Pictet-Trouton-Regel Molare Siedepunkterhöhung 785

Siedepunktskurve

Alle Temperatur-Druck-Wertepaare an der Phasengrenzlinie Gas-Flüssigkeit in einem Phasendiagramm ergeben zusammengenommen die Siedepunktskurve, wobei auf ihr ein thermodynamisches Gleichgewicht herrscht. Man bezeichnet die Siedepunktskurve hierbei häufig auch als Siedekurve, Siedelinie, Siededruckkurve oder Siedepunktkurve. Diese Kurve wird dabei von zwei Punkten begrenzt:

• Tripelpunkt P : Ist das t Druck-Temperatur-Wertepaar niedriger als die Tripel-Temperatur beziehungsweise der Tripel-Druck, so ist nur noch ein Übergang zwischen festem und gasförmigem Zustand, also eine Sublimation bzw. Resublimation möglich. Phasendiagramm von Kohlenstoffdioxid (nicht maßstabsgerecht) • Kritischer Punkt P : Ist das c Druck-Temperatur-Wertepaar höher als die kritische Temperatur beziehungsweise der kritische Druck, so besteht zwischen der Dichte des flüssigen und der des gasförmigen Zustands kein Unterschied mehr, weshalb man sie auch nicht mehr durch eine Phasengrenzlinie trennt und den Stoff daher in diesem Zustand als überkritisches Fluid bezeichnet. Das Gleichgewicht der Siedepunktskurve ist ein dynamisches Gleichgewicht. Aus einer Flüssigkeit treten beständig Teilchen in die Gasphase über – sie verdampfen. Andererseits treten diese Teilchen auch wieder in die flüssige Phase ein – sie kondensieren. Das Zahlenverhältnis der aus der flüssigen Phase austretenden Teilchen und der wieder in sie eintretenden Teilchen ist hierbei sowohl von der Temperatur als auch vom Druck abhängig: Je höher die Temperatur ist, desto mehr Teilchen verdampfen aufgrund ihrer höheren Geschwindigkeit (siehe Maxwell-Boltzmann-Verteilung). Je mehr Teilchen verdampfen, desto höher wird aber auch der Dampfdruck, und desto mehr Teilchen kondensieren auch wieder. Ein Gleichgewicht stellt sich dann ein, wenn genauso viel Teilchen in die Gasphase übertreten, wie wieder in die flüssige Phase zurücktreten. Da in diesem Zustand die Gasphase gesättigt ist, spricht man dann auch vom Sättigungsdampfdruck. Die thermodynamische Gesetzmäßigkeit, aus der sich die Siedepunktskurve quantitativ ableitet, bezeichnet man als Clausius-Clapeyron-Gleichung. Für Wasser lässt sich dieser Zusammenhang zwischen Sättigungsdampfdruck und Sättigungstemperatur auch über die Näherungsgleichungen vom Typ der Magnus-Formel bestimmen. Molare Siedepunkterhöhung 786

Gleichgewichtsänderung am Beispiel des Wassers

Beispielhafter Ausgangspunkt: im stationären Zustand befindet sich Wasser im Gleichgewichtszustand mit seiner Gasphase beim Siedepunkt 80 °C und einem Druck von 474 hPa:

Die Reaktionen des Systems auf die Änderungen einzelner Zustandsgrößen laufen auf eine Verschiebung der Gleichgewichtslage hinaus: Es läuft derjenige Phasenübergang verstärkt ab, der die Störung wieder rückgängig macht (siehe Prinzip vom kleinsten Zwang). Gleichgewichtsänderung am Beispiel des Wassers 1. Wird das System auf 70 °C abgekühlt, so ist der Dampfdruck der Gasphase zu hoch, und Wasserdampf kondensiert so lange, bis der Dampfdruck den neuen Gleichgewichtswert von 312 hPa aufweist oder kein gasförmiges Wasser mehr übrig ist. 2. Wird das System auf 90 °C erwärmt, so ist der Dampfdruck der Gasphase zu niedrig, und Wasser verdampft so lange, bis der Dampfdruck den neuen Gleichgewichtswert von 702 hPa aufweist oder kein flüssiges Wasser mehr übrig ist. 3. Wird der Druck bei gleichbleibender Temperatur von 474 auf 700 hPa erhöht, so ist der Dampfdruck der Gasphase zu hoch, und gasförmiges Wasser kondensiert so lange, bis der Dampfdruck den alten Gleichgewichtswert von 474 hPa aufweist oder kein Wasserdampf mehr übrig ist. 4. Wird der Druck bei gleichbleibender Temperatur von 474 auf 250 hPa erniedrigt, so ist der Dampfdruck der Gasphase zu niedrig, und Wasser verdampft so lange, bis der Dampfdruck den alten Gleichgewichtswert von 474 hPa aufweist oder kein flüssiges Wasser mehr übrig ist. Molare Siedepunkterhöhung 787

Stoffabhängigkeit des Siedepunktes

1. Der Siedepunkt ist von der molaren Masse bzw. Molekülmasse des Stoffes abhängig. Es gilt: Je größer die molare Masse ist, desto höher ist der Siedepunkt. Vergleicht man beispielsweise die Reihe HCl (36 g/mol) – HBr (81 g/mol) – HI (128 g/mol) auf der dunkelblauen Linie, so kann man diesen Zusammenhang gut erkennen. Erklärung: Je größer die Masse eines Teilchens ist, desto mehr kinetische Energie benötigt es, um in die Gasphase übertreten zu können. Siedepunkte einiger Wasserstoffverbindungen 2. Der Siedepunkt ist zudem von der Stärke der Bindungskräfte zwischen den kleinsten Teilchen der flüssigen Phase abhängig: Je stärker die Bindungskräfte sind, desto höher ist der Siedepunkt, da diese zunächst überwunden werden müssten. Dies wird deutlich, wenn man beispielsweise HF und HCl vergleicht: Im flüssigen Fluorwasserstoff bilden die Moleküle Wasserstoffbrückenbindungen aus, während im flüssigen Chlorwasserstoff die schwächeren Dipol-Dipol-Wechselwirkungen vorherrschen. Gleiches gilt für den vergleichsweise sehr hohen Siedepunkt des Wassers, was deutlich wird, wenn man diesen mit Kohlenstoffdioxid vergleicht und den Einfluss der Molmassen mitberücksichtigt.

Die Beobachtung, dass Stoffe einen höheren Siedepunkt haben als ähnliche Stoffe mit höherer molaren Masse, wird als Siedepunktanomalie bezeichnet. Noch schwächer als Dipol-Dipol-Wechselwirkungen sind Van-der-Waals-Wechselwirkungen. Aus diesem Grund haben beim Vergleich alle Wasserstoffverbindungen der Elemente der IV. Hauptgruppe die niedrigsten Siedepunkte. Die Stärke der zwischenmolekularen Bindungskräfte hängt auch von der Geometrie der Moleküle ab. Siehe dazu die Siedepunkte der Homologen Reihe der Kohlenwasserstoffe oder der Alkohole.

Beispiele für Normalsiedepunkte von Reinstoffen

Chemische Elemente • Die niedrigste Normalsiedetemperatur aller Elemente mit –269 °C hat Helium, obwohl es eine größere molare Masse als Wasserstoff mit einer Normalsiedetemperatur von −253 °C hat. Dies liegt darin begründet, dass das Wasserstoffmolekül etwas leichter zu polarisieren ist als Helium und daher auch etwas stärkere Van-der-Waals-Wechselwirkungen ausbildet. • Die höchste Normalsiedetemperatur hat Rhenium mit 5596 °C. • Ein Gruppenvergleich von Edelgasen, Nichtmetallen, Halbmetallen und Metallen zeigt, dass Metalle einen deutlich höheren Siedepunkt als Nichtmetalle haben, da die Metallbindung (neben der Ionen- und Atombindung) die stärkste Bindung darstellt. Ausnahmen: Quecksilber hat mit 357 °C eine für Metalle ungewöhnlich niedrige Normalsiedetemperatur Kohlenstoff weist einen für Nichtmetalle extrem hohen Siedepunkt von 4827 °C auf. Molare Siedepunkterhöhung 788

Siedepunkte

Minimum Maximum Durchschnitt Grafische Veranschaulichung

Edelgase −269 −62 −170,5

Nichtmetalle −253 4827 414,1

Halbmetalle 335 3900 1741,5

Metalle 357 5596 2755,9

Verbindungen Eine der niedrigsten Normalsiedetemperaturen hat Kohlenstoffmonoxid mit –191,6 °C, die höchsten weisen Metallcarbide wie Titan-(IV)-carbid (TiC, 4820 °C) und Wolfram-(IV)-carbid (WC, 6000 °C) auf. Eine Besonderheit liegt bei Schwefeltrioxid (SO ) vor: Der Schmelzpunkt einer seiner Modifikationen liegt mit 3 62,3 °C. über der Normalsiedetemperatur von 44,8 °C des flüssigen Schwefeltrioxids. Liegt der kritische Druck unter dem Normaldruck, so kann keine Normalsiedetemperatur angegeben werden. Um die Flüssigkeit dennoch zum Sieden zu bringen, muss dies unter niedrigerem Druck geschehen. In diesem Fall muss bei der Angabe der Siedetemperatur auch der Siededruck angegeben werden, was ein weiterer Grund dafür ist, die Begriffe Normalsiedetemperatur und Siedepunkt strikt zu trennen. Liegt der Druck des Tripelpunktes über dem Normaldruck, so wird statt der Normalsiedetemperatur die Normalsublimationstemperatur oder eine Siedetemperatur bei höherem Siededruck angegeben. Beispiel: Schwefelhexafluorid SF sublimiert unter Normaldruck bei –63 °C. 6 Viele, vor allem organische und alle makromolekularen Verbindungen zersetzen sich beim Erhitzen vor Erreichen des Siedepunktes, da ihre Verdampfungsenthalpie größer ist als die einzelnen Bindungsenergien im Molekül. Hier kann man keine Siedetemperatur, sondern nur die Zersetzungstemperatur angeben. Manche können allerdings unter vermindertem Druck und bei damit niedrigerer Temperatur zum Sieden gebracht werden.

Homogene Mehrstoffsysteme Die Siedepunkte homogener Gemische wie Legierungen, Gasgemische oder wässrige Lösungen weisen gegenüber den Reinstoffen veränderte Siedepunkte und ein verändertes Siedeverhalten auf.

Siedepunkterhöhung Wird in einem Lösungsmittel ein Stoff aufgelöst, dann erhöht sich der Siedepunkt des Gemisches im Vergleich zum reinen Lösungsmittel; man spricht in Bezug auf den Sättigungsdampfdruck vom Lösungseffekt. Nach dem Raoultschen Gesetz von François Marie Raoult (1830–1901) ist diese Erhöhung ΔT proportional zur Stoffmenge Sdp des gelösten Stoffes: Molare Siedepunkterhöhung 789

Lösungsmittel ebullioskopische Konstante [3] [4] in K · kg / mol

Wasser 0,51

Methanol 0,84

Ethanol 1,04

Phenol 3,04

Essigsäure 3,07

Benzol 2,53

Schwefelkohlenstoff 2,37

Kohlenstofftetrachlorid 4,95

Naphthalin 5,8

Cyclohexan 20,2

Hierbei stehen die einzelnen Formelzeichen für folgende Größen: • ΔT - Siedepunktserhöhung Sdp • K - ebullioskopische Konstante e • b - Molalität des gelösten Stoffes • K - molare Siedepunktserhöhung • n - Stoffmenge Der Proportionalitätsfaktor ist, wie dargelegt, die ebullioskopische Konstante (auch Siedepunktskonstante K ), S also die Änderung des Siedepunktes von einem Kilogramm der Lösung gegenüber dem reinen Lösungsmittel, wobei die Stoffmenge des gelösten Stoffes ein Mol beträgt oder die molare Siedepunktserhöhung, die weniger gebräuchlich ist und keine Aussage zur Masse trifft. So steigt beispielsweise der Siedepunkt eines Kilogramms Wasser um 0,51 K auf 100,51 °C, wenn man genau ein Mol irgendeines anderen Stoffes darin auflöst, vorausgesetzt, der Stoff löst sich in Wasser und ist nicht flüchtig. Löst man zwei Mol in einem Kilogramm Wasser auf, so siedet das Wasser erst bei 100 °C + 2 × 0,51 °C = 101,02 °C. Es ist dabei zu beachten, dass Salze in wässriger Lösung dissoziieren. Natriumchlorid zerfällt zum Beispiel in die Ionen Na+ und Cl–. Die Siedepunkterhöhung ist daher (in verdünnten Lösungen) doppelt so hoch wie zunächst erwartet. Ein praktisches Beispiel: Nudelwasser hat einen typischen Kochsalzgehalt von 10 g/kg. Bei einer Molmasse von 58,4 g/mol entspricht dies, zusammen mit oben erwähnter Verdopplung, 0,34 mol/kg Ionen. Durch den Salzgehalt ergibt sich also eine Siedepunkterhöhung von nur etwa 0,17 K. Das Raoultsche Gesetz gilt nur für „ideale“ Lösungen, das sind Lösungen, bei denen ein Stoff nur physikalisch gelöst wird. Bei „nichtidealen“ Lösungen treten während des Mischens energetische Erscheinungen (Erwärmung oder Abkühlung) auf, die in der Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen oder durch Protolysen hervorgerufen werden. Dadurch ergeben sich Abweichungen vom Raoultschen Gesetz. Nur in sehr starker Verdünnung gilt die Formel auch bei „nichtidealen“ Lösungen in Annäherung, weshalb man im Falle der idealen Lösung auch von einer unendlich verdünnten Lösung spricht. Die Siedepunktserhöhung ist zudem eine kolligative Eigenschaft und hängt daher zwar von der Teilchenzahl des gelösten Stoffes, nicht jedoch von dessen Art ab. Über eine Umstellung der obigen Formel kann die Siedepunktserhöhung auch zur Molmassebestimmung dienen, was man als Ebullioskopie bezeichnet. Molare Siedepunkterhöhung 790

Ebenso von der Konzentration der gelösten Stoffe abhängig ist der Schmelzpunkt, weshalb man auch von einer Schmelzpunkterniedrigung spricht. Ursache für diese Effekte ist ebenfalls eine Erniedrigung des chemischen Potentials. Kombiniert man Siedepunkterhöhung und Schmelzpunkterniedrigung, so zeigt sich insgesamt eine Ausdehnung des thermodynamischen Zustandsbereiches der Flüssigkeit zu Lasten der anderen Aggregatzustände.

Siedebereich

Wird eine homogene Mischung (ein durch die Entropiezunahme zu beschreibender Gleichverteilungsvorgang) erhitzt, so beginnt sie zu sieden, wenn die Temperatur die Siedetemperatur desjenigen Bestandteils hat, der den niedrigsten Siedepunkt aufweist. Beim Sieden treten nun die Teilchen dieses Bestandteils, des Leichtsieders, vermehrt in die Gasphase über. Dadurch ändert sich aber die Zusammensetzung des Gemisches, und sein Siedepunkt ändert sich damit kontinuierlich. Dieser Temperaturanstieg endet erst dann, wenn der Siedepunkt derjenigen Komponente mit der höchsten Siedetemperatur, des Schwersieders, erreicht ist. Man spricht daher auch in diesem Fall von einem Siedebereich (auch Siedeintervall, Siedegrenze) des Gemisches und nicht mehr von einem Siedepunkt. Die Abhängigkeit des Aggregatszustandes und der Zusammensetzung von Mischungen von Siedediagramm für Stickstoff-Sauerstoff-Gemische der Temperatur wird in Siedediagrammen dargestellt:

Beispiel: Enthält ein flüssiges Gemisch zu gleichen Teilen Stickstoff und Sauerstoff, dann liegt der Siedebereich zwischen –191,5 °C und –188 °C. Diese Aussage gilt nur für zeotrope Gemische, jedoch nicht bei azeotropem Verhalten. Bei azeotropen Stoffgemischen ist bei einem bestimmten Stoffmengenverhältnis die Siedetemperatur des Stoffgemisches außerhalb des Temperaturintervalles zwischen den Siedetemperaturen der beiden Reinstoff-Komponenten. Bei diesem Mischungsverhältnis liegt ein Siedepunkt und kein Siedebereich vor.

• Sdp. 1: Siedepunkt der Reinstoffkomponente 1 • Sdp. 2: Siedepunkt der Reinstoffkomponente 2 • x: Stoffmengenanteil von Komponente 2 im azeotropen Gemisch Beispiele: • Wasser (Sdp. 100 °C) und HCl (Sdp. 83 °C) – azeotropes Gemisch mit 20,2 % HCl: Sdp. 108,6 °C • Wasser (Sdp. 100 °C) und Ethanol (Sdp. 78,3 °C) – azeotropes Gemisch mit 96 % Ethanol: Sdp. 78,2 °C

Siedediagramm azeotroper Gemische Molare Siedepunkterhöhung 791

Bedeutung für die Lebewesen Das Siedeverhalten des Wassers führt unter den physikalischen Bedingungen auf der Erde dazu, dass Wasser in großen Mengen als Flüssigkeit existiert. Dies ist eine der grundlegenden Voraussetzungen für die Entwicklung von Lebewesen. Bei einem niedrigeren Luftdruck oder höheren Temperaturen des Wassers wäre dies anders und würde dazu führen, dass Gewässer binnen kürzester Zeit verdampfen und somit auch eine wichtige Bedingung für das Leben überhaupt, nämlich flüssiges Wasser, wesentlich seltener anzutreffen wäre. Bei einem höheren Luftdruck bzw. einer niedrigeren Temperatur würde jedoch immer weniger Wasser verdunsten können, und somit würde die Voraussetzung für Niederschläge, nämlich gasförmiges Wasser in der Atmosphäre, immer seltener, was beispielsweise eine Einschränkung der Süßwasservorkommen nach sich ziehen würde.

Anwendungen • Analytische Chemie: Der Siedepunkt ist eine spezifische Stoffeigenschaft. Somit lassen sich Reinstoffe anhand ihres Siedepunktes charakterisieren. • Destillation bzw. fraktionierte Destillation, eine Methode zur Trennung eines Stoffgemisches aufgrund unterschiedlicher Siedepunkte der Einzelkomponenten. Der niedersiedende Stoff wird vom höhersiedenden Stoff durch Verdampfen abgetrennt. • Die Ebullioskopie (lat. bulla = Siedeblase, gr. skopein = betrachten) ist eine Methode zur Bestimmung der molaren Massen durch Siedepunktserhöhung. Da Siedepunktserhöhungen kleiner ausfallen als Gefrierpunktserniedrigungen, wird in der Regel die Kryoskopie bevorzugt. Bei beiden Methoden findet ein spezielles Thermometer seine Anwendung, das 1888 von Ernst Otto Beckmann (1853-1923) entwickelt wurde: das Beckmann-Thermometer. Es hat eine Skala, die nur ungefähr 6° umfasst, kann jedoch auch auf 0,01 Grad genau abgelesen werden. Der Nullpunkt der Skala kann auf die jeweils gewünschte Temperatur eingestellt werden. • Schnellkochtopf: Wird das Wasser im luftdicht verschlossenen Kochtopf auf über 100 °C erhitzt, erhöht sich der Siedepunkt und der Siededruck des Wassers. Dadurch kommt es zu einer schnelleren Garung. • Höhenmessung: Da der Luftdruck mit zunehmender Höhe sinkt, sinkt auch der Siedepunkt. Als Faustregel gilt: Der Siedepunkt wird pro 300 m um etwa ein Grad abgesenkt. So lässt sich durch die Bestimmung der Siedetemperatur von reinem Wasser die jeweilige Höhe über dem mittleren Meeresspiegel abschätzen. Molare Siedepunkterhöhung 792

Bestimmung der Siedepunkte von organischen Stoffen

Der Siedepunkt ist eine Stoffeigenschaft. Die Kenntnis des Siedepunktes ermöglicht Rückschlüsse auf den vorliegenden Stoff. In Nachschlagewerken (z.B. CRC Handbook of Chemistry and Physics oder Taschenbuch für Chemiker und Physiker) befinden sich Tabellen über Siedepunkte von Stoffen und Stoffgemischen. Aus den Tabellenwerten kann man die vermuteten Verbindungen häufig abschätzen.

Der Siedepunkt kann auch als ein Kriterium der Stoffreinheit eines bekannten Stoffes genutzt werden. Für destillative Stofftrennungen eignet sich eine Vigreuxkolonne. Bei Stoffmischungen kann es auch vorkommen, das mehrere Stoffe bei dem gleichen Siedepunkt überdestillieren, das Stoffgemisch bildet dann ein Azeotrop.

Bestimmung des Siedepunktes mit einfachen Mitteln Apparatur zur Bestimmung des Siedepunktes Für einfache Ermittlungen der Siedetemperatur benötigt man ein Reagenzglas (oder einen Kolben) mit einem seitlichen Ansatzrohr mit durchbohrtem Gummistopfen und Thermometer, ein Stück Gummischlauch, ein Glasrohr, ein Paraffinbad, eine Heizquelle und ein Becherglas mit Kühlwanne. Entsprechend der Abbildung Apparatur zur Bestimmung des Siedepunktes wird die eine entsprechende Destillationsvorrichtung aufgebaut. Das Reagenzglas mit Ansatzrohr sollte zu einem Drittel mit dem zu untersuchenden Stoff gefüllt werden. Zur Verhinderung von Siedeverzügen fügt man noch einige Siedesteinchen hinzu. Die untere Spitze des Thermometers sollte wenige Zentimeter über der Flüssigkeitsoberfläche angebracht sein. Für eine genauere Temperaturermittlung kann statt eines Quecksilberthermometers auch ein digitaler Temperaturfühler (Genauigkeit: 0,1°C) durch den Gummistopfen eingebracht werden. Für eine sehr exakte Bestimmung des Siedepunktes müssen zwei mögliche Fehlerquellen beachtet werden: • 1. Falls ein Quecksilberthermometer zur Bestimmung des Siedepunktes genutzt wird, muss das Thermometer sehr weit in das Reagenzglas hineinragen. Durch die deutlich kühlere Umgebungsluft wird das Quecksilber, dass sich nicht im Innenraum der Dampfzone befindet, abgekühlt. Der dabei entstehende Temperaturfehler wird annähernd durch die Formel ΔT = 0,000154*n*(T-t) beschrieben. (n = Länge (cm) des herausragenden Teilstückes, T = beobachtete Siedetemperatur, t = Temperatur der Umgebungsluft).[5] • 2. Falls der Luftdruck von 760 mm Quecksilbersäule abweicht, so muss ein weiterer Korrekturfaktor des Siedepunktes berücksichtigt werden. Überschlägig führt eine Druckabweichung von 0,36 % (2,4 mm Quecksilbersäule) zum Normaldruck zu einer Siedepunktabweichung von mindestens 0,1 °C.[6] Molare Siedepunkterhöhung 793

Einzelnachweise

[1] ChemgaPedia: Glossar: Siedepunkt (http:/ / www. chemgapedia. de/ vsengine/ popup/ vsc/ de/ glossar/ s/ si/ siedepunkt. glos. html)

[2] Pure & Appl. Chem., Vol. 54, No. 6, pp. 1239—1250, 1982. Volltext (http:/ / www. iupac. org/ publications/ pac/ 1982/ pdf/ 5406x1239. pdf) (PDF-Datei; 227 kB)

[3] ChemgaPedia: Glossar: ebullioskopische Konstante (http:/ / www. chemgapedia. de/ vsengine/ popup/ vsc/ de/ glossar/ e/ eb/

ebullioskopische_00032konstante. glos. html)

[4] formel-sammlung.de (http:/ / www. formel-sammlung. de/ formel-Ebullioskopische-und-kryoskopische-Konstanten-4-37-216. html) [5] Ber. d. Deut. Chem. Ges. 22, 3072 [6] Ber. d. Deut. Chem. Ges. 20, 709

Molekül

Moleküle [moleˈkyːl] (älter auch: Molekel [moˈleːkəl]; von lat. molecula, „kleine Masse“) sind im weiten Sinn zwei- oder mehratomige Teilchen, die durch chemische Bindungen zusammengehalten werden und wenigstens so lange stabil sind, dass sie z. B. spektroskopisch beobachtet werden können. Es kann sich um neutrale Teilchen, aber auch um Radikale, Ionen oder auch ionische Addukte handeln. So sind z. B. viele Typen von interstellaren Molekülen unter irdischen Bedingungen nicht stabil. IUPAC nennt solche Teilchen molekulare Gebilde (molecular entity)[1]. Im engen Sinn und im allgemeinen Sprachgebrauch der Chemie sind Moleküle elektrisch neutrale Teilchen, die aus zwei oder mehreren Atomen aufgebaut sind.[2] Die Atome bilden einen in sich abgeschlossenen, chemisch abgesättigten Verband[3][4] und sind kovalent miteinander verknüpft. Ein so definiertes Molekül ist das kleinste Teilchen eines bestimmten Reinstoffes und hat eine bestimmbare Molekülmasse. Ein Molekül ist kein starres Gebilde, bei Energiezufuhr treten unterschiedliche Molekülschwingungen auf. Moleküle können aus Atomen eines einzigen chemischen Elements aufgebaut sein, wie Sauerstoff (O ) und 2 Stickstoff (N ) (Elementmoleküle). Meist sind Moleküle jedoch Verbände von Atomen verschiedener Elemente, wie 2 Wasser (H O) und Methan (CH ). Die Anordnung der Atome (ihre Konstitution) in einem Molekül sind durch die 2 4 chemischen Bindungen fixiert. So unterscheiden sich trotz gleicher Anzahl der beteiligten Atomen Ethanol (H C–CH –OH) von Dimethylether (H C–O–CH ) und werden durch unterschiedliche chemische Formeln 3 2 3 3 dargestellt. In bestimmten Fällen können Moleküle wie z. B. die Moleküle der Milchsäure Formen mit gleicher Konstitution, aber unterschiedlicher räumlicher Anordnung (der Konfiguration) vorliegen. Dass gleiche Summenformeln unterschiedliche Moleküle zulassen, wird allgemein Isomerie genannt. Ein einzelnes Molekül hat die chemischen Eigenschaften eines Stoffes. Die physikalischen Eigenschaften, wie Siede- oder Schmelzpunkt eines molekularen Stoffes werden durch zwischenmolekulare Kräfte bestimmt und können bei Feststoffen zur Bildung von Molekülgittern führen. Große Moleküle werden Makromoleküle genannt. Aus Makromolekülen bestehen Kunststoffe wie PET und Biopolymere wie die Stärke. Die Größe von zweiatomigen Molekülen liegt im Bereich von 10−10 m (1 Å), relativ große Moleküle aus recht vielen Atomen erreichen einen Durchmesser im Bereich von 10−9 m (10 Å), wobei Makromoleküle noch etwas größer sein können. Experimentell lässt sich die Größe von Molekülen z. B. mit dem Ölfleckversuch abschätzen. Die Bindungsverhältnisse in Molekülen werden beispielsweise mit dem VSEPR-Modell oder der MO-Theorie erklärt und beschrieben.

Abgrenzung Nicht alle chemischen Verbindungen bestehen aus individuellen Molekülen. Keine Moleküle liegen z. B. bei diamantartigen Stoffen, wie Borcarbid (B C) und Siliciumcarbid (SiC) vor. Die Atome werden zwar durch kovalente 4 Bindungen zusammengehalten, ein typisches Molekül lässt sich jedoch nicht festlegen. Die chemische Formel ist nur eine Verhältnisformel. Die Anordnung der Atome lässt sich durch eine Elementarzelle darstellen, welche sich immer wiedererholt und mit formal offenen (ungenutzten) Valenzelektronen an ihrer Oberfläche enden. Molekül 794

Keine Moleküle liegen bei Salzen wie Natriumchlorid (NaCl) vor, die durch ionische Bindungen zusammengehalten werden. Auch hier gibt die Formel das Verhältnis der beteiligten Atome wieder und auch hier kann der Verband der Atome prinzipiell eine beliebige Größe haben und den Bereich von einigen Millimetern erreichen. Grundelemente dieses Verbindungstyps sind Teilchen (hier Atome) mit einer Ladung. Solche Teilchen werden allgemein Ionen genannt. Das Natriumatom bildet ein Kation (Na+), Chloratom ein Anion (Cl−). Im Fall von Natriumsulfat (Na SO ) 2 4 besteht das Anion SO 2− aus einem Atomverband, der eine Ladung trägt. Atomverbände mit Ladungen werden im 4 engen Sinn nicht Moleküle genannt. Dies ist auch in der organischen Chemie üblich: Essigsäure besteht aus Molekülen, das Anion der Säure wird Acetat-Ion genannt. Ein Sonderfall ist die Massenspektrometrie, bei der der Begriff Molekül-Ion verwendet wird.[5] Im engen Sinn werden mehratomige Radikale nicht Moleküle genannt, da diese Teilchen chemisch nicht abgesättigt sind. Es ist genügend und eindeutig, sie Radikale zu nennen. Besonders in der organischen Chemie sind sie hochreaktive Zwischenprodukte in bestimmten chemischen Reaktionen. Es gibt jedoch auch stabile Radikale, wie Stickstoffmonoxid oder TEMPO. Hier führen zwischenmolekulare Kräfte zu physikalischen Eigenschaften der Verbindungen und diese Verbindungen können als molekular betrachtet werden.

Einzelnachweise

[1] Eintrag: molecular entity. In: IUPAC Compendium of Chemical Terminology (the “Gold Book”). doi: 10.1351/goldbook.M03986 (http:/ / dx.

doi. org/ 10. 1351/ goldbook. M03986).

[2] Eintrag: molecule. In: IUPAC Compendium of Chemical Terminology (the “Gold Book”). doi: 10.1351/goldbook.M04002 (http:/ / dx. doi.

org/ 10. 1351/ goldbook. M04002). [3] Der Brockhaus, Naturwissenschaft und Technik, F. A. Brockhaus, Mannheim; Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, 2003. [4] Jürgen Falbe, Manfred Regitz (Hrsg.): CD Römpp Chemie Lexikon, Thieme, Stuttgart, 1995.

[5] Eintrag: molecular ion. In: IUPAC Compendium of Chemical Terminology (the “Gold Book”). doi: 10.1351/goldbook.M03988 (http:/ / dx.

doi. org/ 10. 1351/ goldbook. M03988).

Weblinks

Normdaten (Sachbegriff): GND: 4039972-2 (http:/ / d-nb. info/ gnd/ 4039972-2) Molmasse 795

Molmasse

Physikalische Größe

Name Molare Masse

Formelzeichen der Größe

Größen- und Einheit Dimension Einheitensystem

SI kg·mol−1 M·N−1

Die molare Masse M (auch Molmasse; unüblich stoffmengenbezogene Masse) ist der Quotient aus der Masse m und der Stoffmenge n eines Stoffes: M = m/n.[1] SI-Einheit ist kg/mol; in der Chemie ist g/mol üblich. Der Zahlenwert der molaren Masse einer chemischen Verbindung ergibt sich durch die Summe der mittleren Atommassen der an der Verbindung beteiligten chemischen Elemente von einem Mol (rd. 6·1023) Teilchen bzw. von einem Mol der Strukturelemente der Verbindung. Im Fall von molekularen Verbindungen wird die Summenformel des Moleküls und im Fall von nichtmolekularen Verbindungen (Metalle und Ionenverbindungen) die Verhältnisformel der Verbindung zur Berechnung der molaren Masse verwendet. Der Zahlenwert der molaren Masse in g/mol entspricht der relativen Molekülmasse. Die molare Masse ist eine Stoffkonstante und damit eine intensive Größe im Gegensatz zu allen extensiven Größen.

Definition

Hierbei stehen die einzelnen Formelzeichen für folgende Größen: • m – Masse • n – Stoffmenge • N – Avogadro-Konstante A • m – Teilchenmasse M

Berechnung Die molare Masse einer Verbindung kann berechnet werden, wenn man ihre Summenformel kennt: Zu jedem Element entnimmt man aus der Summenformel die Indexzahl – sie steht in der Summenformel hinter dem Elementsymbol. Zu jedem Element muss man dann z. B. aus Tabellen die molare Masse entnehmen – ihr Zahlenwert ist gleich der relativen Atommasse. Dann erhält man die molare Masse als Summe der molaren Massen der Elemente, die die Verbindung aufbauen: Die molare Masse einer Verbindung ist gleich der Summe aus den molaren Massen der Elemente multipliziert mit ihren Indexzahlen. Beispiel für Wasser (H O): 2

Aus den molaren Massen der chemischen Elemente kann man die molaren Massen aller Verbindungen berechnen. Molmasse 796

Element Elementsymbol Ordnungszahl Molare Masse

Wasserstoff H 1 1,00794 g/mol

Kohlenstoff C 6 12,0107 g/mol

Sauerstoff O 8 15,9994 g/mol

Verbindung Summenformel Zahl der Atome Molare Masse

Wasserstoff H 2 2,01588 g/mol 2 Sauerstoff O 2 31,9988 g/mol 2 Wasser H O 3 18,01528 g/mol 2 Methan CH 5 16,043 g/mol 4 Acetylsalicylsäure C H O 21 180,16 g/mol 9 8 4

Bestimmung Für die Bestimmung der Molmassen von Molekülen war das Avogadrosche Gesetz bestimmend. Im Gaszustand nehmen bei gleicher Temperatur gleich viele Moleküle einen nahezu identischen Rauminhalt ein. Für einfache Moleküle wie Chlor, Wasserstoff, Chlorwasserstoff, Sauerstoff, Wasserdampf konnten die Verhältnisse aus Wägungen der Gase nach einer Elektrolyse ermittelt werden. Mit dem Verfahren nach Bunsen lassen sich molare Massen von Gasen über die Ausströmungszeiten ermitteln. Für komplizierte organische Moleküle nutzte man zunächst ebenfalls das Avogadrosche Gesetz, indem man die reinen organischen Stoffe verdampfte und das verdrängte Wasservolumen bestimmte. Die Methode wurde erst von Joseph Louis Gay-Lussac angewendet, später von Victor Meyer verbessert. Ein etwas älteres Verfahren ist das nach Dumas, bei dem ebenfalls die Stoffe verdampft wurden. Viele Methoden zur Bestimmung der Molmasse beruhen auf der Messung von Effekten, deren Größe nur abhängig von der Anzahl der verursachenden Teilchen, nicht aber von deren Masse ist (kolligative Effekte). Zu diesen Methoden zählt die Messung der Gefrierpunktserniedrigung (Kryoskopie), die Messung der Siedepunktserhöhung (Ebullioskopie) und Osmometrie. Für nicht verdampfbare Moleküle nutzte man früher die Gefrierpunktserniedrigung oder den osmotischen Druck von Lösungen. Die letztere Methode entwickelte Jacobus Henricus van't Hoff. Bei der Massenspektrometrie ergibt sich die relative Molmasse aus dem Molekülpeak. In der hochauflösenden Massenspektrometrie kann die Molmasse mit vier Nachkommastellen ermittelt werden, so dass auch die Summenformel bestimmt werden kann.[2]

Verwandte Größen • Atomare Masseneinheit • Mittlere Molmasse • Molares Volumen (Molvolumen) • Molekülmasse oder Molekularmasse oder Molekulare Masse (früher: Molekulargewicht)

Weblinks • Online-Berechnung der molaren Masse [3] Molmasse 797

Einzelnachweise [1] Der Brockhaus, Naturwissenschaft und Technik, Mannheim; Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, 2003. [2] S. Ebel und H. J. Roth (Herausgeber): Lexikon der Pharmazie, Georg Thieme Verlag, 1987, S. 445, ISBN 3-13-672201-9.

[3] http:/ / www. chemie. de/ tools/ mm. php3

Naturkonstante

Eine physikalische Konstante oder Naturkonstante ist ein Messwert (bzw. eine spezielle Messgröße) der Physik, deren Größenwert sich weder räumlich noch zeitlich verändert. Bei einigen Konstanten, z.B. bei der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, wurde der Wert inzwischen jedoch per Definition so festgelegt, dass er vorherigen Messungen mit ausreichender Genauigkeit entspricht. Man unterscheidet zwischen elementaren oder grundlegenden (siehe auch die SI-Basiseinheiten) und abgeleiteten Konstanten, wobei die Zuordnung oft einer gewissen Willkür unterliegt. Letztere lassen sich aus den elementaren Konstanten berechnen. Beispielsweise ist der bohrsche Radius aus dem planckschen Wirkungsquantum, der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, der Elementarladung, der Elektronenmasse und der Protonenmasse berechenbar. Einige Naturwissenschaften fassen wichtige Konstanten zu Gruppen von Fundamentalkonstanten zusammen, z. B. die Astronomie und Geodäsie die genauen Referenzwerte von Erd- und Sonnenmasse, den Erdradius, die Astronomische Einheit oder die Gravitationskonstante. Im strengen Sinn fundamental ist allerdings nur die letztere. Abgeleitete und besonders phänomenologische Konstanten, wie etwa die Dauer eines Jahres, der Standardatmosphärendruck oder die Erdbeschleunigung (die allerdings örtlich um 0,5 % variiert) sind dem Menschen in seiner Umgebung nützlich, haben aber in der Regel keine darüber hinausgehende Bedeutung grundlegender Art.

Tabelle einiger Naturkonstanten Die Ziffern in Klammern hinter einem Zahlenwert bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes. (Beispiel: Die Angabe 6,674 28 (67) ist gleichbedeutend mit 6,674 28 ± 0,000 67.) Die Unsicherheit ist als geschätzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsächlichen Wert angegeben. In der folgenden Tabelle werden u.A. folgende Maßeinheiten verwendet:

Zeichen Einheit Zeichen Einheit Zeichen Einheit Zeichen Einheit

A Ampere H Henry kPa Kilopascal T Tesla

C Coulomb J Joule m Meter Vs Voltsekunde

eV Elektronenvolt K Kelvin mol Mol W Watt

F Farad kg Kilogramm s Sekunde Wb Weber

Stand: Juni 2011 Naturkonstante 798

Bezeichnung der Konstante Symbol(e) Wert Quelle (Kopiervorlage)

Elektromagnetismus

Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c , c 299 792 458 m/s (definiert) 0 [1] ( 299792458 )

Magnetische Feldkonstante μ −7 0 4π · 10 Vs/(A·m) (definiert) [2] ≈ 12,566 370 614 · 10−7 H/m ( 1.256637061435917295E-6 )

Elektrische Feldkonstante ε = 1/(μ c 2) 107 / (4π · 299 792 4582) As/(Vm) (abgeleitet) [3] 0 0 0 ≈ 8,854 187 817 62 · 10−12 F/m ( 8.85418781762038985E-12 )

Coulomb-Konstante k = 1/(4πε ) = μ ·c 2/(4π) 299 792 4582 · 10−7 Vm/(As) (abgeleitet) 0 0 0 ≈ 8 987 551 787,368 176 4 m/F ( 8987551787.3681764 )

Elementarladung e 1,602 176 565 (35) · 10−19 C [4] ( 1.602176565E-19 )

Klitzing-Konstante R = h/e2 25 812,807 4434 (84) Ω [5] K ( 25812.8074434 )

Gravitation

Gravitationskonstante G 6,673 84 (80) · 10−11 m3 / (kg·s2) [6] ( 6.67384E-11 )

Kosmologische Konstante = 8πG/c4 2,076504E ·10−43 s2 / (kg·m) ( 2.076504E-43 )

Thermodynamik

Absoluter Nullpunkt T 0 K (= −273,15 °C) (definiert) 0

Avogadro-Konstante N , L 23 A 6,022 141 29 (27) · 10 1/mol [7] ( 6.02214129E+23 )

Boltzmann-Konstante k −23 B 1,380 6488 (13) · 10 J / K [8] ( 1.3806488E-23 )

8,617 3324 (78) · 10−5 eV / K [9] ( 8.6173324E-5 )

Loschmidt-Konstante N , n (englisch) 25 −3 L 0 2,686 7805 (24) · 10 m (bei Normbedingungen) [10] ( 2.6867805E+25 )

Molares Volumen eines idealen Gases V 3 m 0,022 413 968 (20) m /mol (bei [11] Normbedingungen) ( 0.022413968 )

Stefan-Boltzmann-Konstante σ = 2π5 k 4 / (15 h3c2) 5,670 373 (21) · 10−8 W / (m2 · K4) [12] B ( 5.670373E-8 )

Universelle Gaskonstante R = N k 8,314 4621 (75) J / (K·mol) 0 A B [13] ( 8.3144621 )

Teilchenphysik

1. (Erste) Strahlungskonstante c = 2π hc2 3,741 771 53 (17) · 10−16 Wm2 [14] 1 ( 3.74177153E-16 ) Naturkonstante 799

2. (Zweite) Strahlungskonstante c = hc/k −2 2 1,438 7770 (13) · 10 m·K [15] ( 0.014387770 )

Bohrscher Radius a = 4π ε ħ2 / (m e2) 5,291 772 1092 (17) · 10−11 m [16] 0 0 e ( 5.2917721092E-11 )

Bohrsches Magneton μ = e ħ / (2 m ) −24 B e 9,274 009 68 (20) · 10 J/T [17] ( 9.27400968E-24 )

Kernmagneton μ = e ħ / (2 m ) −27 N p 5,050 783 53 (11) · 10 J/T [18] ( 5.05078353E-27 )

Plancksches Wirkungsquantum h 6,626 069 57 (29) · 10−34 Js [19] ( 6.62606957E-34 )

4,135 667 516 (91) · 10−15 eV·s [20] ( 4.135667516E-15 )

= h/(2π) 1,054 571 726 (47) · 10−34 Js [21] ( 1.054571726E-34 )

Feinstrukturkonstante α = μ e2 c / (2 h) 7,297 352 5698 (24) · 10−3 [22] 0 0 ( 7.2973525698E-3 )

α−1 137,035 999 074 (44) [23] ( 137.035999074 )

Elektron

- Elektronenmasse m −31 e 9,109 382 91 (40) · 10 kg [24] ( 9.10938291E-31 )

5,485 799 0946 (22) · 10−4 u [25] ( 5.4857990946E-4 )

M −7 e 5,485 799 0946 (22) · 10 kg/mol [26] ( 5.4857990946E-7 )

- Gyromagnetisches Verhältnis des freien Elektrons γ 11 −1 −1 e 1,760 859 708 (39) · 10 s T [27] ( 1.760859708E+11 )

- Klassischer Elektronenradius r −15 e 2,817 940 3267 (27) · 10 m [28] ( 2.8179403267E-15 )

- Landé-Faktor des freien Elektrons g −2,002 319 304 361 53 (53) e [29] ( -2.00231930436153 )

- Magnetisches Moment μ −24 e −9,284 764 30 (21) · 10 J/T [30] ( -9.28476430E-24 )

- Spezifische Ladung e/m 11 e −1,758 820 088 (39) · 10 C / kg [31] ( -1.758820088E+11 )

Neutron

- Masse m −27 n 1,674 927 351 (74) · 10 kg [32] ( 1.674927351E-27 )

1,008 664 916 00 (43) u [33] ( 1.00866491600 )

- Gyromagnetisches Verhältnis γ 8 n 1,832 471 79 (43) · 10 1/(s·T) [34] ( 1.83247179E+8 ) Naturkonstante 800

- Magnetisches Moment μ −26 n -0,966 236 47 (23) · 10 J/T [35] ( -0.96623647E-26 )

Proton

- Masse m −27 p 1,672 621 777 (74) · 10 kg [36] ( 1.672621777E-27 )

1,007 276 466 812 (90) u [37] ( 1.007276466812 )

- Gyromagnetisches Verhältnis γ 8 p 2,675 222 005 (63) · 10 1/(s·T) [38] ( 267522200.5 )

- Magnetisches Moment μ −26 p 1,410 606 743 (33) · 10 J/T [39] ( 1.410606743E-26 )

Rydberg-Energie R ch 13,605 692 53 (30) eV ∞ [40] ( 13.60569253 )

Rydberg-Frequenz R c 15 ∞ 3,289 841 960 364 (17) · 10 Hz [41] ( 3.289841960364E+15 )

Rydberg-Konstante R = e4 m / (8 ε 2 h3 c) 1,097 373 156 8539 (55) · 107 1/m [42] ∞ e 0 ( 10973731.568539 )

Verhältnis von Protonenmasse zu Elektronenmasse m /m 1 836,152 672 45 (75) p e [43] ( 1836.15267245 )

Vermischtes

Atomare Masseneinheit m , amu, u (g / N ) −27 u A 1,660 538 921 (73) · 10 kg [44] ( 1.660538921E-27 )

Faraday-Konstante F (e · N ) 96 485,3365 (21) C / mol A [45] ( 96485.3365 )

Hartree-Energie E -18 h 4,359 744 34 (19) · 10 J [46] ( 4.35974434E-18 )

Magnetisches Flussquantum Φ = h/(2e) −15 0 2,067 833 758 (46) · 10 Wb [47] ( 2.067833758E-15 )

Konstanz der Naturkonstanten Ob die Naturkonstanten auch über astronomische Zeiträume hinweg wirklich konstant sind, ist Gegenstand aktueller Forschung. So schienen Messungen der Spektrallinien von Quasaren mit dem Keck-Teleskop auf Hawaii auf eine leichte Abnahme der Feinstrukturkonstante um etwa ein hundertstel Promille im Verlauf von zehn Milliarden Jahren hinzudeuten. Dieses Resultat war von Anfang an umstritten; zum einen wiesen Forscher auf die unsichere Fehlerabschätzung der Datenauswertung hin, zum anderen gibt es Daten aus der Oklo-Mine in Westafrika, wo vor etwa 2 Milliarden Jahren Uran so stark angehäuft war, dass eine natürliche Kettenreaktion stattfand. Nach diesen Daten hatte die Feinstrukturkonstante damals denselben Zahlenwert wie heute. Neuere Messungen der Spektrallinien von Quasaren mit dem Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile widersprechen den früheren Resultaten am Keck-Teleskop und weisen auf die Konstanz der Feinstrukturkonstante hin. Inzwischen sind Präzisionsmessungen möglich, die etwaige stetige Schwankungen in der Größenordnung, wie sie die Beobachtungen mit dem Keck-Teleskop nahelegen, auch im Labor in kurzen Zeiträumen überprüfen können. Untersuchungen von Theodor Hänsch und seiner Arbeitsgruppe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik belegen die Konstanz der Feinstrukturkonstante mit einer Genauigkeit von 15 Nachkommastellen über einen Zeitraum von Naturkonstante 801

vier Jahren.

Veränderung der Angaben durch neue Messungen Wie sich die Angaben der Naturkonstanten durch immer genauere Messungen ändern, hält das Committee on Data for Science and Technology, kurz CODATA, in Dokumenten fest. Das eng mit CODATA zusammenarbeitende National Institute of Standards and Technology (NIST) in den USA veröffentlicht bereits seit einiger Zeit online PDF-Dokumente mit aktuellen Abschätzungen der Werte der physikalischen Konstanten, darunter auch ältere Dokumente, mit denen sich z. B. alle Veränderungen im Zeitraum von 1986 bis 2006 erfassen lassen.

Literatur • Harald Fritzsch: Das absolut Unveränderliche: die letzten Rätsel der Physik. Piper, München; Zürich 2005, ISBN 978-3-492-04684-8 • John D. Barrow: Das 1x1 des Universums: Neue Erkenntnisse über die Naturkonstanten. Rowohlt Taschenbuch Verlag, Reinbek bei Hamburg 2006, ISBN 978-3-499-62060-7 • P.J. Mohr, B.N. Taylor: CODATA recommended values of the fundamental physical constants: 1998. Rev. Mod. Phys. vol. 72 (2000), 351-495 online [48] (PDF; 1,1 MB) • P.J. Mohr, B.N. Taylor: CODATA recommended values of the fundamental physical constants: 2002. Rev. Mod. Phys. vol. 77 (2005), 1-107, doi:10.1103/RevModPhys.77.1 [49] • P.J. Mohr, B.N. Taylor, D.B. Newell: CODATA recommended values of the fundamental physical constants: 2006. Rev. Mod. Phys. vol. 80 (2008), 633-730, doi:10.1103/RevModPhys.80.633 [50] • N.N.: Brief Overview of the CODATA 2010 Adjustment of the Values of the Constants. (online [51]; PDF; 313 kB) • P.J. Mohr, B.N. Taylor, D.B. Newell: CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2010 (Preprint online [52]; PDF; 1,1 MB) • maßstäbe 7 – Die Unveränderlichen [53] (PDF; 3,7 MB)- Magazin der PTB, Ausgabe Sept. 2006

Weblinks • Faltblatt: Die gesetzlichen Einheiten in Deutschland. [54] Physikalisch-Technische Bundesanstalt, 2009, abgerufen am 6. Juni 2012 (PDF; 1,1 MB). [55] [56] • Seite nicht mehr abrufbar , Suche im Webarchiv: Zusammenstellung vieler physikalischer Konstanten (PDF-Datei; 100 kB) • NIST-Datenbank für physikalische Konstanten [57] (englisch) • Die ewig Unveränderlichen FAZ-Artikel zu neuen Forschungsresultaten zur Konstanz der Naturkonstanten [58] • Variieren Naturkonstanten? [59] aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri. Erstmalig ausgestrahlt am 8. Nov. 2006. • Sammlung physikalischer Konstanten der Particle Data Group, PDG [60] (englisch) Naturkonstante 802

Einzelnachweise

[1] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?c) National Institute of Standards and Technology, Wert für die Lichtgeschwindigkeit.

[2] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?mu0) National Institute of Standards and Technology, Wert für die magnetische Feldkonstante.

[3] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?ep0) National Institute of Standards and Technology, Wert für die elektrische Feldkonstante.

[4] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?e) National Institute of Standards and Technology, Wert für die Elementarladung.

[5] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?rk) National Institute of Standards and Technology, Wert für die Klitzing-Konstante.

[6] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?bg) National Institute of Standards and Technology, Wert für die Gravitationskonstante.

[7] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?na) National Institute of Standards and Technology, Wert für die Avogadro-Konstante.

[8] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?k) National Institute of Standards and Technology, Wert für die Boltzmann-Konstante in Joule pro Kelvin.

[9] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?tkev) National Institute of Standards and Technology, Wert für die Boltzmann-Konstante in Elektronenvolt pro Kelvin.

[10] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?n0std) National Institute of Standards and Technology, Wert für die Loschmidt-Konstante bei Normbedingungen (273,15 Kelvin, 101,325 kPa).

[11] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?mvolstd) National Institute of Standards and Technology, Wert für das molare Volumen bei Normbedingungen (273,15 Kelvin, 101,325 kPa).

[12] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?sigma) National Institute of Standards and Technology, Wert für die Stefan-Boltzmann-Konstante.

[13] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?r) National Institute of Standards and Technology, Wert für die universelle Gaskonstante.

[14] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?c11strc) National Institute of Standards and Technology, Wert für die erste Strahlungskonstante.

[15] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?c22ndrc) National Institute of Standards and Technology, Wert für die zweite Strahlungskonstante.

[16] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?bohrrada0) National Institute of Standards and Technology, Wert für den bohrschen Radius.

[17] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?mub) National Institute of Standards and Technology, Wert für das bohrsche Magneton.

[18] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?mun) National Institute of Standards and Technology, Wert für das Kernmagneton.

[19] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?h) National Institute of Standards and Technology, Wert für das plancksche Wirkungsquantum in der Einheit Js.

[20] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?hev) National Institute of Standards and Technology, Wert für das plancksche Wirkungsquantum in der Einheit eVs.

[21] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?hbar) National Institute of Standards and Technology, Wert für das reduzierte plancksche Wirkungsquantum in der Einheit Js.

[22] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?alph) National Institute of Standards and Technology, Wert für die Feinstrukturkonstante.

[23] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?alphinv) National Institute of Standards and Technology, Kehrwert der Feinstrukturkonstante.

[24] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?me) National Institute of Standards and Technology, Wert für die Elektronenmasse in Kilogramm.

[25] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?meu) National Institute of Standards and Technology, Wert für die Elektronenmasse in der atomaren Masseneinheit.

[26] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?mme) National Institute of Standards and Technology, Wert für die molare Masse des Elektrons.

[27] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?gammae) National Institute of Standards and Technology, Wert für das gyromagnetische Verhältnis.

[28] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?re) National Institute of Standards and Technology, Wert für den klassischen Elektronenradius. Naturkonstante 803

[29] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?gem) National Institute of Standards and Technology, Wert für den Landé-Faktor des freien Elektrons.

[30] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?muem) National Institute of Standards and Technology, Wert für das magnetische Moment.

[31] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?esme) National Institute of Standards and Technology, Wert für die spezifische Ladung des Elektrons.

[32] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?mn) National Institute of Standards and Technology, Wert für die Neutronemasse in Kilogramm.

[33] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?mnu) National Institute of Standards and Technology, Wert für die Masse des Neutrons in der atomaren Masseneinheit u.

[34] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?gamman) National Institute of Standards and Technology, Wert für das gyromagnetische Verhältnis des Neutrons.

[35] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?munn) National Institute of Standards and Technology, Wert für das magnetische Moment des Neutrons.

[36] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?mp) National Institute of Standards and Technology, Wert für die in Kilogramm.

[37] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?mpu) National Institute of Standards and Technology, Wert für die Masse des Protons in der atomaren Masseneinheit u.

[38] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?gammap) National Institute of Standards and Technology, Wert für das Gyromagnetische Verhältnis des Protons.

[39] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?mup) National Institute of Standards and Technology, Wert für das magnetische Moment des Protons.

[40] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?rydhcev) National Institute of Standards and Technology, Wert für die Rydberg-Energie.

[41] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?rydchz) National Institute of Standards and Technology, Wert für die Rydberg-Frequenz.

[42] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?ryd) National Institute of Standards and Technology, Wert für die Rydberg-Konstante.

[43] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?mpsme) National Institute of Standards and Technology, Wert für das Verhältnis von Protonenmasse und Elektronenmasse.

[44] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?u) National Institute of Standards and Technology, Wert für die atomare Masseneinheit.

[45] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?f) National Institute of Standards and Technology, Wert für die Faraday-Konstante.

[46] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?hr) National Institute of Standards and Technology, Wert für die Hartree-Energie.

[47] CODATA Recommended Values (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?flxquhs2e) National Institute of Standards and Technology, Wert für das magnetische Flussquantum.

[48] http:/ / www. usm. uni-muenchen. de/ data/ const_pap. pdf

[49] http:/ / dx. doi. org/ 10. 1103%2FRevModPhys. 77. 1

[50] http:/ / dx. doi. org/ 10. 1103%2FRevModPhys. 80. 633

[51] http:/ / physics. nist. gov/ cuu/ Constants/ briefOverview2010. pdf

[52] http:/ / physics. nist. gov/ cuu/ Constants/ Preprints/ lsa2010. pdf

[53] http:/ / www. ptb. de/ cms/ fileadmin/ internet/ publikationen/ masstaebe/ Hefte_Komplett_PDF/ mst07. pdf

[54] http:/ / www. ptb. de/ cms/ fileadmin/ internet/ publikationen/ Einheiten_deutsch. pdf

[55] http:/ / en. wikipedia. org/ wiki/ Wikipedia%3Adefekte_weblinks?dwl=http:/ / www. pro-physik. de/ Phy/ pdfs/ ger_Complete_de. pdf

[56] http:/ / wayback. archive. org/ web/ */ http:/ / www. pro-physik. de/ Phy/ pdfs/ ger_Complete_de. pdf

[57] http:/ / physics. nist. gov/ cuu/ Constants/ index. html

[58] http:/ / www. faz. net/ s/ Rub163D8A6908014952B0FB3DB178F372D4/

Doc~EFB46A4E8B3E74466981E31DEC944F2F3~ATpl~Ecommon~Scontent. html

[59] http:/ / www. br. de/ fernsehen/ br-alpha/ sendungen/ alpha-centauri/ alpha-centauri-naturkonstanten-2006_x100. html

[60] http:/ / pdg. lbl. gov/ 2005/ reviews/ contents_sports. html#constantsetc Neon 804

Neon

Eigenschaften [He] 2s2 2p6 10 Ne Periodensystem Allgemein Name, Symbol, Ordnungszahl Neon, Ne, 10 Serie Edelgase Gruppe, Periode, Block 18, 2, p Aussehen Farbloses Gas CAS-Nummer 7440-01-9

[1] Massenanteil an der Erdhülle 0,005 ppm

[2] Atomar

[3] Atommasse 20,1797(6) u Kovalenter Radius 58 pm Van-der-Waals-Radius 154 pm

Elektronenkonfiguration [He] 2s2 2p6 1. Ionisierungsenergie 2080,7 kJ/mol 2. Ionisierungsenergie 3952,3 kJ/mol 3. Ionisierungsenergie 6122 kJ/mol 4. Ionisierungsenergie 9371 kJ/mol

[4] Physikalisch Aggregatzustand gasförmig Kristallstruktur kubisch flächenzentriert

[5] Dichte 0,900 kg · m−3 bei 273 K

[6] Magnetismus diamagnetisch ( = −3,8 · 10−9) Schmelzpunkt 24,56 K (−248,59 °C)

[7] Siedepunkt 27,15 K (−246 °C)

Molares Volumen (fest) 13,23 · 10−6 m3/mol

[7] Verdampfungswärme 1,9 kJ/mol Schmelzwärme 0,34 kJ/mol

[8] Schallgeschwindigkeit 435 m/s Wärmeleitfähigkeit 0,0491 W/(m · K) Isotope Neon 805

Isotop NH t ZA ZE (MeV) ZP 1/2

18Ne {syn.} 1,67 s ε 4,446 18F

19Ne {syn.} 17,34 ms ε 3,238 19F

20Ne 90,48 % Stabil

21Ne 0,27 % Stabil

22Ne 9,25 % Stabil

23Ne {syn.} 34,24 s β− 4,376 23Na

24Ne {syn.} 3,38 min β− 2,470 24Na

Weitere Isotope siehe Liste der Isotope NMR-Eigenschaften

Spin 1 f bei γ in E ( H) L r rad·T−1·s−1 B = 4,7 T in MHz

21Ne 3/2 −2,112 · 107 0,0025 15,8

Sicherheitshinweise

[5] GHS-Gefahrstoffkennzeichnung

Achtung

H- und P-Sätze H: 280

[5] P: 403

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Neon (griechisch νέος neos „neu“) ist ein chemisches Element mit dem Symbol Ne und der Ordnungszahl 10. Im Periodensystem steht es in der 8. Hauptgruppe (Gruppe 18) und zählt daher zu den Edelgasen. Wie die anderen Edelgase ist es ein farbloses, äußerst reaktionsträges, einatomiges Gas. In vielen Eigenschaften wie Schmelz- und Siedepunkt oder Dichte steht es zwischen dem leichteren Helium und dem schwereren Argon. Im Universum gehört Neon zu den häufigsten Elementen, auf der Erde ist es dagegen relativ selten, da wie bei Helium ein großer Teil des Gases in das Weltall entwichen ist. Vorwiegend ist es in der Erdatmosphäre zu finden, nur geringe Mengen sind in Gesteinen eingeschlossen. Wie Krypton und Xenon wurde auch Neon 1898 von William Ramsay und Morris William Travers durch fraktionierte Destillation von flüssiger Luft entdeckt. Die bekannteste Anwendung sind die Leuchtröhren oder Neonlampen, in denen Neon durch Gasentladungen in einer typischen orangeroten Farbe zum Leuchten angeregt wird. Neon 806

Geschichte

1894 war von Lord Rayleigh und William Ramsay als erstes Edelgas das Argon entdeckt worden. Ramsay isolierte 1895 auch das zuvor nur aus dem Sonnenspektrum bekannte Helium aus Uranerzen. Aus den Gesetzen des Periodensystems erkannte er, dass es zwischen Helium und Argon ein weiteres Element mit einer Atommasse von etwa 20 u geben müsste.

Er untersuchte daher ab 1896 zunächst verschiedene Minerale und Meteoriten und die von diesen beim Erhitzen oder Lösen abgegebenen Gase. Ramsay und sein Mitarbeiter Morris William Travers waren dabei jedoch nicht erfolgreich, es wurden Helium und seltener Argon gefunden. Auch die Untersuchung heißer Gase aus Cauterets in Frankreich und aus Island brachten keine Ergebnisse.[9]

Schließlich begannen sie, 15 Liter Rohargon, das aus flüssiger Luft isoliert wurde, zu untersuchen und durch Verflüssigen und fraktionierte Destillation zu trennen. Das erste dadurch abgetrennte und am William Ramsay Flammenspektrum nachgewiesene Element war dabei das Krypton, am 13. Juni 1898 gelang schließlich die Isolierung eines leichteren Elementes aus der niedriger siedenden Fraktion des Rohargons. Dieses nannten Ramsay und Travers Neon, nach dem griechischen νέος neos „neu“. Kurze Zeit später konnten sie aus der Krypton enthaltenden Fraktion ein weiteres Element, das Xenon gewinnen.[9]

Die erste Anwendung des neu entdeckten Gases war die 1910 von dem Franzosen Georges Claude entwickelte Neonlampe: In eine Glasröhre gefülltes Neon wird durch hohe Spannungen zum Leuchten angeregt.[10]

Nukleosynthese Neon, vor allem das Isotop 20Ne, ist ein wichtiges Zwischenprodukt in der Nukleosynthese in Sternen, entsteht aber erst beim Kohlenstoffbrennen. Während des Heliumbrennens bei etwa 200 · 108 K entsteht 20Ne auf Grund des geringen Einfangquerschnitts von 16O für α-Teilchen nicht, lediglich die Isotope 21Ne und 22Ne können aus dem schwereren 18O entstehen. Steigen die Temperatur und die Dichte eines Sterns nach Verbrauch des Heliums deutlich an, so kommt es zum Kohlenstoffbrennen, bei dem zwei Kohlenstoffatome zu einem angeregten Magnesiumisotop 24Mg* fusionieren. Aus diesem bildet sich durch α-Zerfall 20Ne.

Bei weiterem Temperatur- und Druckanstieg kommt es zum Neonbrennen, bei dem 20Ne im α-Zerfall zu 16O reagiert beziehungsweise mit den entstandenen Heliumkernen zu 24Mg fusioniert.

Dieses findet auf Grund der höheren Empfindlichkeit von 20Ne im Vergleich zu 16O gegenüber Gammastrahlung vor den eigentlich zu erwartenden Reaktionen des leichteren Sauerstoffkerns statt. Erst nach Ende des Neonbrennens findet das Sauerstoffbrennen statt, bei dem aus 16O schwerere Elemente wie Silicium, Phosphor und Schwefel gebildet werden.[11][12] Neon 807

Vorkommen Neon zählt im Universum zu den häufigsten Elementen, lediglich Wasserstoff, Helium, Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff sind häufiger. Auf der Erde ist es dagegen – wie Helium – relativ selten, der Gesamtanteil an der Erdhülle beträgt etwa 0,005 ppm[1]. Der Großteil des Neons befindet sich dabei in der Atmosphäre, mit einem durchschnittlichen Gehalt von 18,18 ppm ist es nach Argon das häufigste Edelgas.[13] Aus der unterschiedlichen Verteilung der leichten und schweren Isotope des Neons auf der Erde und Sonne kann geschlossen werden, dass seit Entstehung der Erde ein Großteil des Neons aus der Atmosphäre entwichen ist und bevorzugt die schwereren Isotope 21Ne und 22Ne zurückgeblieben sind. In kleinen Mengen kommt Neon auch in Gesteinen der Erde vor. Nachgewiesen wurde es in Granit, Basaltgesteinen, Diamanten und vulkanischen Gasen. Auf Grund verschiedener Isotopenzusammensetzungen wird vermutet, dass dieses Neon drei verschiedene Ursprünge hat: Primordiales Neon, dessen Zusammensetzung derjenigen der Sonne entspricht und das ohne Kontakt zur Atmosphäre in Diamanten oder im Erdmantel eingeschlossen ist; atmosphärisches Neon und durch Spallationsreaktionen mit kosmischer Strahlung entstandenes Neon.[14] Auf Gasplaneten wie Jupiter kann auf Grund der hohen Gravitation das Neon nicht entweichen, die Isotopenzusammensetzung entspricht daher derjenigen bei der Bildung des Planeten. Wie von der Raumsonde Galileo festgestellt, entspricht das Verhältnis von 20Ne zu 22Ne demjenigen der Sonne, was Rückschlüsse auf die Entstehungsbedingungen, etwa die Temperatur, bei der Bildung der Gasplaneten zulässt.[15]

Gewinnung und Darstellung Neon lässt sich als Nebenprodukt bei der Luftzerlegung nach dem Linde-Verfahren gewinnen. Nach Abtrennung von Wasser, Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff, den bei höheren Temperaturen siedenden Edelgasen und dem Großteil an Stickstoff bleibt ein Gasgemisch zurück, das zu 35 % aus Neon, daneben aus Helium, Wasserstoff und etwa 50 % Stickstoff besteht (jeweils Stoffmengenanteile). Dieses kann auf verschiedene Weisen getrennt werden, so dass am Ende die reinen Gase Neon und Helium gewonnen werden. Eine Möglichkeit ist es, die Gase über Kondensation bei unterschiedlichen Siedepunkten und die Ausnutzung des Joule-Thomson-Effektes zu trennen. Nach Abtrennung des Wasserstoffes über katalytische Reaktion mit zugegebenem Sauerstoff und Entfernung des Wassers wird dabei zunächst bei 30 bar und 66 K der Stickstoff verflüssigt und abgetrennt. Nach der Entfernung des restlichen Stickstoffes durch Adsorption an Silicagel bleibt ein Gasgemisch von etwa 76 % Neon und 24 % Helium zurück. Dieses wird bei Raumtemperatur zunächst auf 180 bar verdichtet und stufenweise auf 50 K abgekühlt. Bei der Expansion auf 25 bar und anschließend auf 1,5 bar kondensiert das Neon, während Helium gasförmig bleibt. Eine genauere Trennung erfolgt danach über eine Kolonne.[16] Eine Alternative ist die Adsorption. Dazu wird nach der Abtrennung des Stickstoffes das Neon bei 5 bar und 67 K an ein Trägermaterial adsorbiert. Dieses gibt bei 3 bar das Neon wieder ab, so dass es vom Helium getrennt werden kann. Um eine größere Reinheit zu erreichen, wird das Neon zweimal nacheinander adsorbiert.[16] Neon 808

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Neon ist ein bei Normalbedingungen einatomiges, farbloses und geruchloses Gas, das bei 27 K (−246 °C) kondensiert und bei 24,57 K (−248,59 °C) erstarrt. Es besitzt damit den kleinsten Temperaturbereich aller Elemente, in dem es flüssig ist. Wie die anderen Edelgase außer dem Helium kristallisiert Neon in einer kubisch dichtesten Kugelpackung mit dem Gitterparameter a = 443 pm.[17]

Wie alle Edelgase besitzt Neon nur abgeschlossene Schalen (Edelgaskonfiguration). Dadurch lässt sich erklären, dass das Gas stets kubisch-dichteste Kugelpackung von einatomig vorliegt und die Reaktivität gering ist. festem Neon, a = 443 pm Mit einer Dichte von 0,9 kg/m3 bei 0 °C und 1013 hPa ist Neon etwas leichter als Luft, steigt also auf. Im Phasendiagramm liegt der Tripelpunkt bei 24,56 K und 43,37 kPa[18], der kritische Punkt bei 44,4 K, 265,4 kPa sowie einer kritischen Dichte von 0,483 g/cm3.[19] Linienspektrum einer Gasentladung in Neon In Wasser ist Neon schlecht löslich, in einem Liter Wasser können sich bei 20 °C maximal 10,5 ml Neon lösen.[19] Wie andere Edelgase zeigt Neon bei Gasentladungen ein charakteristisches Linienspektrum. Da die Linien im sichtbaren Spektralbereich vorwiegend im roten bis gelben Bereich sind, erscheint das Gas bei einer Entladung in einer typischen roten Farbe.

Chemische Eigenschaften Als typisches Edelgas ist Neon äußerst reaktionsträge, es sind wie beim Helium bislang keine Verbindungen des Elementes bekannt. Sogar Clathrate, bei denen andere Edelgase in anderen Verbindungen physikalisch eingeschlossen sind, sind unbekannt. Nach theoretischen Berechnungen ist Neon das am wenigsten reaktive Element. So ist die berechnete Dissoziationsenthalpie für Verbindungen des Typs NgBeO (Ng: Edelgas) bei der Neonverbindung am geringsten. Es zeigte sich, dass selbst das Neonanalogon der einzig bekannten, nach Rechnungen stabilen Heliumverbindung HHeF nicht stabil sein sollte. Mögliche Erklärungen für diese Ergebnisse sind die größeren Fluor-Wasserstoff-Abstände und damit schwächere Anziehungskräfte im HNe+-Ion im Vergleich zur Helium-Spezies oder abstoßende p-π-Wechselwirkungen in Neon-Kationen.[20] Es sind lediglich aus massenspektrometrischen Untersuchungen einige Ionen bekannt, in denen Neon beteiligt ist. Zu diesen zählen das Ne+-Ion und einige Element-Neon-Ionen wie ArNe+, HeNe+ und HNe+.[21]

Isotope Es sind insgesamt 18 Isotope des Neons zwischen 16Ne und 34Ne bekannt. Von diesen sind drei, 20Ne, 21Ne und 22Ne stabil und kommen auch in der Natur vor. 20Ne kommt mit 90,48 % Anteil mit Abstand am häufigsten vor. 21Ne ist mit 0,27 % Anteil auf der Erde am seltensten und 22Ne kommt mit einer Häufigkeit von 9,25 % in der natürlichen Isotopenverteilung auf der Erde vor. Alle anderen Isotope haben kurze Halbwertszeiten von maximal 3,38 Minuten bei 24Ne.[22] Bedingt durch den Verlust von Neon in das Weltall und die Bildung in Kernreaktionen ist das Verhältnis von 20Ne/22Ne und 21Ne/22Ne von Neon, das in Gesteinen eingeschlossen ist und keinen Kontakt zur Atmosphäre besitzt, nicht immer gleich. Daher lassen sich aus den Isotopenverhältnissen Rückschlüsse auf die Entstehung Neon 809

schließen. So ist in Gesteinen, in denen Neon durch Spallationsreaktionen entstanden ist, der Gehalt an 21Ne erhöht. Primordiales Neon, das vor dem Verlust eines großen Teils des Neons in Gesteinen und Diamanten eingeschlossen wurde, besitzt dagegen einen höheren Anteil an 20Ne.[14] → Liste der Neon-Isotope

Biologische Bedeutung Wie die anderen Edelgase hat Neon auf Grund der Reaktionsträgheit keine biologische Bedeutung und ist auch nicht toxisch. In höheren Konzentrationen wirkt es durch Verdrängung des Sauerstoffs erstickend.[23] Bei Drücken von mehr als 110 bar wirkt es narkotisierend.[24]

Verwendung

Auf Grund der Seltenheit und komplizierten Herstellung und dem damit einhergehenden höheren Preis im Vergleich zum ähnlichen Argon wird Neon nur in kleineren Mengen verwendet. Neon ist Füllgas von Leuchtröhren und Glimmlampen, in denen es durch Gasentladungen zum Leuchten in einer typischen orangeroten Farbe angeregt wird. Auch in Blitz- und Stroboskoplampen wird Neon als Füllgas genutzt.[19]

Helium-Neon-Laser, in denen ein Gemisch an Helium und Neon Neon-Entladungsröhre eingesetzt wird, zählen zu den wichtigeren Lasern. Die notwendige Besetzungsinversion des Laser wird dabei durch die Anregung des Heliums und strahlungslosen Übergang von Elektronen zum Neon erreicht. Die stimulierte Emission erfolgt am Neon bei Wellenlängen von 632,8 nm (rot) sowie 1152,3 nm und 3391 nm (infrarot). Weitere Laserübergänge, etwa im grünen Spektralbereich bei 543,3 nm sind möglich.[25]

Flüssiges Neon kann als Kältemittel eingesetzt werden. Im Vergleich zu Helium und Wasserstoff hat es den Vorteil einer 40 mal höheren Kühlleistung als flüssiges Helium und dreimal höhere als [16] Wasserstoff. Helium-Neon-Laser im Betrieb Neon kann im Gemisch mit Sauerstoff als Atemgas für das Tauchen in großer Tiefe genutzt werden. Es wird jedoch nur selten eingesetzt, da es im Vergleich zum ähnlich verwendbaren Helium einen höheren Preis besitzt und auch einen größeren Atemwiderstand aufweist.[26][27]

Einzelnachweise [1] Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.

[2] Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Neon) (http:/ / www.

webelements. com/ neon/ ) entnommen. [3] Michael E. Wieser und Tyler B. Coplen: Atomic weights of the elements (IUPAC Technical Report) In: Pure and Applied Chemistry Vol. 83, No. 2, 2011, S. 359–396.

[4] Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Neon) (http:/ / www.

webelements. com/ neon/ ) entnommen.

[5] Eintrag zu Neon (http:/ / gestis. itrust. de/ nxt/ gateway. dll?f=id$t=default. htm$vid=gestisdeu:sdbdeu$id=007100) in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 12. März 2011 (JavaScript erforderlich). [6] Weast, Robert C. (ed. in chief): CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990. Seiten E-129 bis E-145. ISBN 0-8493-0470-9. Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert. Neon 810

[7] Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in

Handbooks. In: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, S. 328–337, doi: 10.1021/je1011086 (http:/ / dx. doi. org/ 10. 1021/ je1011086). [8] CRC Handbook of Chemistry and Physics, 90. Auflage, CRC Press, Boca Raton, Florida, 2009, ISBN 978-1-4200-9084-0, p. 14-49: bei 0 °C.

[9] William Ramsay: The Rare Gases of the Atmosphere (http:/ / nobelprize. org/ nobel_prizes/ chemistry/ laureates/ 1904/ ramsay-lecture. html). Nobelpreisrede, 12. Dezember 1904.

[10] Patentanmeldung US1125476 (http:/ / www. google. de/ patents?id=Tc5QAAAAEBAJ& dq=1,125,476) System of illuminating by luminescent tubes. Angemeldet am 8. Oktober 1911, veröffentlicht am 19. Januar 1915, Anmelder: Georges Claude. [11] L. R. Buchmann, C. A. Barnes: Nuclear reactions in stellar helium burning and later hydrostatic burning stages. In: Nuclear Physics A.

2006, 777, S. 254–290, doi: 10.1016/j.nuclphysa.2005.01.005 (http:/ / dx. doi. org/ 10. 1016/ j. nuclphysa. 2005. 01. 005). [12] S. E. Woosley, A. Heger: The evolution and explosion of massive stars. In: Rev. Mod. Phys. 2002, 74, S. 1015–1071, doi:

10.1103/RevModPhys.74.1015 (http:/ / dx. doi. org/ 10. 1103/ RevModPhys. 74. 1015).

[13] David R. Williams: Earth Fact Sheet (http:/ / nssdc. gsfc. nasa. gov/ planetary/ factsheet/ earthfact. html). NASA, Greenbelt, Stand 20. Mai 2009. [14] Alan P. Dickin: Radiogenic isotope geology. 2. Auflage, Cambridge University Press, 2005, ISBN 978-0-521-82316-6, S. 303–307. [15] P. R. Mahaffy, H. B. Niemann, A. Alpert, S. K. Atreya, J. Demick, T. M. Donahue, D. N. Harpold, T. C. Owen: Noble gas abundance and isotope ratios in the atmosphere of Jupiter from the Galileo Probe Mass Spectrometer. In: J. Geophys. Res. 2000, 105, S. 15061–15071 (

Abstract (http:/ / www. agu. org/ journals/ ABS/ 2000/ 1999JE001224. shtml)). [16] P. Häussinger, R. Glatthaar, W. Rhode, H. Kick, C. Benkmann, J. Weber, H.-J. Wunschel, V. Stenke, E. Leicht, H. Stenger: Noble Gases.

In: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH, Weinheim 2006, doi: 10.1002/14356007.a17_485 (http:/ / dx. doi. org/ 10.

1002/ 14356007. a17_485). [17] K. Schubert: Ein Modell für die Kristallstrukturen der chemischen Elemente. In: Acta Crystallographica. 1974, 30, S. 193–204. [18] J. Ancsin: Vapor Pressure and Triple Point of Neon and the Influence of Impurities on these Properties. In: Metrologica. 1978, 4, 1, S. 1 (

NIST webbook (http:/ / webbook. nist. gov/ cgi/ cbook. cgi?Name=Neon& Units=SI& cTP=on)). [19] Helmut Sitzmann: Neon. In: Römpp Chemie-Lexikon. Thieme Verlag, Stand Dezember 2006. [20] Errol G. Lewars: Modeling Marvels: Computational Anticipation of Novel Molecules. Springer Verlag, 2008, ISBN 978-1-4020-6972-7, S. 69–80. [21] David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics: a ready-reference book of chemical and physical data – 4. The Elements. 90. Auflage, CRC Press, 2009, ISBN 978-1-4200-9084-0, S. 4-23.

[22] G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot, A. H. Wapstra: The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties (http:/ / www. nndc. bnl. gov/

amdc/ nubase/ Nubase2003. pdf). In: Nuclear Physics. 2003, Bd. A 729, S. 3–128.

[23] Sicherheitsdatenblatt (http:/ / www. linde-gas. at/ datenblaetter/ neon_verdichtet_8442. pdf) (Neon), Linde AG, Stand 4. August 2006. [24] Walter J. Moore, Dieter O. Hummel: Physikalische Chemie. 4. Auflage, de Gruyter, 1986, ISBN 978-3-11-010979-5, S. 284. [25] Helium-Neon-Laser. In: Römpp Chemie-Lexikon, Thieme Verlag, Stand März 2002. [26] Alfred A. Bove, Jefferson Carroll Davis: Bove and Davis' diving medicine. 4. Auflage, Elsevier, 2004, ISBN 978-0-7216-9424-5, S. 121.

[27] Patent US3815591 (http:/ / worldwide. espacenet. com/ publicationDetails/ biblio?locale=de_EP& CC=US& NR=3815591): Diving gas mixtures and methods of deep diving. Veröffentlicht am 28. April 1972, Anmelder: Union Carbide Co., Erfinder: Heinz Schreiner, Robert Hamilton, Arthur Francis.

Literatur • P. Häussinger, R. Glatthaar, W. Rhode, H. Kick, C. Benkmann, J. Weber, H.-J. Wunschel, V. Stenke, E. Leicht, H. Stenger: Noble Gases. In: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH, Weinheim 2006 (doi:

10.1002/14356007.a17_485 (http:/ / dx. doi. org/ 10. 1002/ 14356007. a17_485)). • Helmut Sitzmann: Neon. In: Römpp Chemie Lexikon. Thieme Verlag, Stand Dezember 2006. • Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 417–429. Neon 811

Weblinks

• EnvironmentalChemistry.com – Neon (http:/ / environmentalchemistry. com/ yogi/ periodic/ Ne. html)

Dieser Artikel wurde am 31. Januar 2010 in dieser Version (http:/ / en. wikipedia. org/ wiki/ ?oldid=69888062) in die Liste der lesenswerten Artikel aufgenommen.

Normdaten (Sachbegriff): GND: 4171442-8 (http:/ / d-nb. info/ gnd/ 4171442-8)

Nernst-Theorem

Das Nernstsche Theorem, oft auch Nernstscher Wärmesatz genannt (nach dem deutschen Physiker Walther Nernst), ist eine andere Bezeichnung für den dritten Hauptsatz der Thermodynamik. Er sagt aus, dass der absolute Nullpunkt der Temperatur nicht erreicht werden kann. Der Satz kann unter Zuhilfenahme der Quantenmechanik bewiesen werden (s. u.). In Experimenten wurde er erwartungsgemäß nicht widerlegt, da es nur gelungen ist, sich dem absoluten Nullpunkt immer weiter anzunähern, aber nie, ihn zu erreichen.

Formulierung Das Theorem wurde 1905 von Nernst aufgestellt und behandelt die Änderung der Entropie S einer chemischen Reaktion bei einer Temperatur von null Kelvin: sie geht gegen null. Die Formulierung wurde 1911 von Max Planck schärfer gefasst. Danach wird die Entropie unabhängig von thermodynamischen Parametern und somit konstant, wenn die Temperatur gegen null geht:

, wobei k die Boltzmann-Konstante ist und g die Entartung des Grundzustandes. B Ist der Grundzustand des Systems nicht entartet, so gilt g = 1 und damit S = 0. Somit verschwindet die Entropie 0 eines Systems, wenn die Temperatur gegen null geht.

Beweis für kanonische Verteilung

Zuerst wird der statistische Operator durch seine Darstellung in der kanonischen Verteilung ersetzt.

ist hierbei die empirische Temperatur.

Wertet man die Spur über die Operatoren aus, erhält man:

Nun wird die Energie des Grundzustandes von jedem Niveau abgezogen. Nernst-Theorem 812

Es gilt nun für (entspricht ):

Setzt man diese Erkenntnis in die obige Doppelsummendarstellung ein, erhält man die gesuchte Formulierung des Nernst-Theorems nach Planck:

Newton-Skala

Die Newton-Skala ist eine Temperaturskala, die um das Jahr 1700 von Isaac Newton erfunden wurde. Als sich Newton mit dem Problemfeld der Wärme beschäftigte, entwickelte er eine erste qualitative Temperaturskala, die von "kalter Luft im Winter" bis "glühende Kohlen im Küchenfeuer" etwa 20 Skalenpunkte besaß. Diese Herangehensweise war grob und ungenau, so dass auch Newton recht schnell wieder unzufrieden mit ihr wurde. Da ihm das Konzept der Wärmeausdehnung bekannt war, nutzte er ein Gefäß mit Leinöl und maß dessen Volumenänderung in Bezug auf die früheren Skalenpunkte. Dabei stellte er zwischen der Temperatur von geschmolzenem Schnee und kochendem Wasser eine Volumenzunahme von 7,25 % fest. Nach einer Weile definierte er den Nullpunkt seiner Skala bei schmelzendem Schnee (Schmelzpunkt, 0 °C) und den 33. Grad als kochendes Wasser (Siedepunkt, 100 °C), nutzte also die gleichen Fixpunkte wie die Celsius-Skala, nur mit anderen Gradabständen. Ein Unterschied von einem Grad Newton (1 °N) entspricht daher in etwa dem von drei Grad Celsius.

Temperaturskalen

Übersicht über die klassischen Temperaturskalen

Einheit Kelvin Grad Grad Grad Grad Delisle Grad Grad Grad Rømer Celsius Fahrenheit Rankine Réaumur Newton

Einheitenzeichen K °C °F °Ra, °R °De, °D °Ré, °Re, °R °N °Rø

unterer Fixpunkt T T T (H O) T (H O) T (H O) 0 T (H O) T 0 Schm 2 Schm 2 Schm 2 T (Lake) F = 0 K Schm 2 Kältemischung = 0 °Ra = 150 °De = 0 °Ré = 0 °N Schm 1 = 0 °C = 0 °F = 0 °Rø [1] [2] [3]

oberer Fixpunkt F T (H O) — T (H O) T (H O) T (H O) T (H O) 2 Tri 2 T (H O) T Sied 2 Sied 2 Sied 2 Sied 2 Sied 2 Mensch = 273,16 K = 100 °C = 96 °F = 0 °De = 80 °Ré = 33 °N = 60 °Rø [1] [2]

Skalenintervall (F −F ) / 100 (F −F ) / 96 1 °Ra ≡ (F −F ) / 150 (F −F ) / 80 (F −F ) / 33 (F −F ) / 60 (F −F ) / 2 1 2 1 1 2 2 1 2 1 2 1 2 1 273,16 1 °F [4]

Erfinder William Anders Daniel William Joseph-Nicolas René-Antoine Isaac Ole Rømer Thomson Celsius Fahrenheit Rankine Delisle Ferchault de Newton Baron Kelvin Réaumur

Entstehungsjahr 1848 1742 1714 1859 1732 1730 ≈ 1700 1701

Verbreitungsgebiet weltweit weltweit USA USA Russland Westeuropa bis — — (SI-Einheit) (19. Jhd.) Ende 19. Jhd.

Anmerkungen zur Tabelle: Newton-Skala 813

Temperaturumrechnung

Umrechnung zwischen den Temperatureinheiten

→ von → Kelvin (K) Grad Celsius (°C) Grad Réaumur (°Ré) Grad Fahrenheit (°F)

↓ nach ↓

T = T = T + 273,15 = T · 1,25 + 273,15 5 Kelvin K C Ré = (T + 459,67) · ⁄ F 9

T = T − 273,15 = T = T · 1,25 5 Celsius K C Ré = (T − 32) · ⁄ F 9

T = (T − 273,15) · 0,8 = T · 0,8 = T 4 Réaumur K C Ré = (T − 32) · ⁄ F 9 T = T · 1,8 − 459,67 = T · 1,8 + 32 = T · 2,25 + 32 = T Fahrenheit K C Ré F T = T · 1,8 = T · 1,8 + 491,67 = T · 2,25 + 491,67 = T + 459,67 Rankine K C Ré F

T 21 21 21 7 Rømer = (T − 273,15) · ⁄ + 7,5 = T · ⁄ + 7,5 = T · ⁄ + 7,5 = (T − 32) · ⁄ + 7,5 K 40 C 40 Ré 32 F 24

T = (373,15 − T ) · 1,5 = (100 − T ) · 1,5 = (80 − T ) · 1,875 5 Delisle K C Ré = (212 − T ) · ⁄ F 6

T = (T − 273,15) · 0,33 = T · 0,33 33 11 Newton K C = T · ⁄ = (T − 32) · ⁄ Ré 80 F 60 → von → Grad Rankine (°Ra) Grad Rømer (°Rø) Grad Delisle (°De) Grad Newton (°N)

↓ nach ↓

T 5 40 2 100 Kelvin = T · ⁄ = (T − 7,5) · ⁄ + 273,15 = 373,15 − T · ⁄ = T · ⁄ + 273,15 Ra 9 Rø 21 De 3 N 33

T 5 40 2 100 Celsius = T · ⁄ − 273,15 = (T − 7,5) · ⁄ = 100 − T · ⁄ = T · ⁄ Ra 9 Rø 21 De 3 N 33

T 4 32 8 80 Réaumur = T · ⁄ − 218,52 = (T − 7,5) · ⁄ = 80 − T · ⁄ = T · ⁄ Ra 9 Rø 21 De 15 N 33

T = T − 459,67 24 = 212 − T · 1,2 60 Fahrenheit Ra = (T − 7,5) · ⁄ + 32 De = T · ⁄ + 32 Rø 7 N 11

T = T 24 = 671,67 − T · 1,2 60 Rankine Ra = (T − 7,5) · ⁄ + 491,67 De = T · ⁄ + 491,67 Rø 7 N 11

T 7 = T = 60 − T · 0,35 35 Rømer = (T − 491,67) · ⁄ + 7,5 Rø De = T · ⁄ + 7,5 Ra 24 N 22

T 5 20 = T 50 Delisle = (671,67 − T ) · ⁄ = (60 − T ) · ⁄ De = (33 − T ) · ⁄ Ra 6 Rø 7 N 11

T 11 22 = 33 − T · 0,22 = T Newton = (T − 491,67) · ⁄ = (T − 7,5) · ⁄ De N Ra 60 Rø 35 Nickel 814

Nickel

Eigenschaften [Ar] 3d8 4s2 28 Ni Periodensystem Allgemein Name, Symbol, OrdnungszahlSerieGruppe, Periode, BlockAussehenCAS-Nummer Massenanteil an der Erdhülle Atomar [1]AtommasseAtomradius (berechnet) Kovalenter RadiusVan-der-Waals-RadiusElektronenkonfigurationAustrittsarbeit 1. Ionisierungsenergie 2. Ionisierungsenergie 3. Ionisierungsenergie 4. Ionisierungsenergie Physikalisch [2]AggregatzustandKristallstrukturDichteMohshärteMagnetismusSchmelzpunktSiedepunktMolares VolumenVerdampfungswärmeSchmelzwärmeSchallgeschwindigkeitSpezifische WärmekapazitätElektrische LeitfähigkeitWärmeleitfähigkeit Chemisch [3]OxidationszuständeOxide (Basizität) NormalpotentialElektronegativität Isotope

Isotop NH t ZA ZE (MeV) ZP 1/2

58Ni 68,077 % Stabil

59Ni {syn.} 76000 a ε 1,072 59Co

60Ni 26,233 % Stabil

61Ni 1,14 % Stabil

62Ni 3,634 % Stabil

63Ni {syn.} 100,1 a β− 0.0669 63Cu

64Ni 0,926 % Stabil

Weitere Isotope siehe Liste der IsotopeNMR-Eigenschaften

Spin 1 f bei γ in E ( H) L r rad·T−1·s−1 B = 4,7 T in MHz

61Ni 3/2 −2,395 · 107 0,00004 8,936

Sicherheitshinweise Nickel 815

[4] GHS-Gefahrstoffkennzeichnung aus EU-Verordnung (EG) 1272/2008 (CLP)

Gefahr

H- und P-Sätze H: 351-372-317-412

[5] P: 281- 273- 308+313- 302+352

[6] [4] EU-Gefahrstoffkennzeichnung aus EU-Verordnung (EG) 1272/2008 (CLP) Pulver

Giftig

(T)

R- und S-Sätze R: 40-43-48/23-52/53

S: (2)-36/37/39-45-61

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. Nickel, Ni, 28 Übergangsmetalle10, 4, d glänzend, metallisch, silbrig 7440-02-0 0,015 %[7] 58,6934 u 135 (149) pm 124 pm 163 pm [Ar] 3d8 4s2 5,15 eV[8] 737,1 kJ/mol 1753 kJ/mol 3395 kJ/mol 5300 kJ/mol fest kubisch flächenzentriert 8,908 g/cm3 (20 °C)[9] 4,0 ferromagnetisch 1728[10] K (1455[10] °C) 3003 K[11] (2730 °C) 6,59 · 10−6 m3/mol 379 kJ/mol[11] 17,7[10] kJ/mol 4970 m/s 26,5[10] J/(kg · K) bei 298 K 13,9 · 106 A/(V · m) 91 W/(m · K) 2, seltener −1, 0, 1, 3, 4 NiO, Ni O (leicht 2 3 basisch) −0,257 V (Ni2+ + 2 e− → Ni) 1,91 (Pauling-Skala) Nickel ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Ni und der Ordnungszahl 28. Es zählt zu den Übergangsmetallen, im Periodensystem steht es nach der älteren Zählweise in der 8. Nebengruppe oder Eisen-Platin-Gruppe, nach der neueren in der Gruppe 10 oder Nickelgruppe.

Geschichte Nickel wurde bereits 3400 v. Chr. benutzt, aber wohl nicht absichtlich und gezielt. Bronze aus dem Gebiet des heutigen Syriens enthielt bis zu zwei Prozent Nickel, das wohl schon im Kupfer- oder Zinnerz enthalten war. Chinesische Schriften bezeugen, dass in Asien „weißes Kupfer“ (Neusilber) zwischen 1700 und 1400 v. Chr. verwendet wurde. Es war lange bekannt, dass antike Münzen Kupfernickel enthalten. Nickel wurde jedoch erstmals 1751 von Axel Frederic Cronstedt rein dargestellt. Er nannte das Metall 1754 Nickel, abgeleitet von Kupfernickel (schwedisch kopparnickel), dem aus dem Erzgebirge stammenden Wort für Rotnickelkies. So nannten Bergleute das Erz, das aussah wie Kupfererz, aus dem sich aber kein Kupfer gewinnen ließ, als sei es von Berggeistern („Nickeln“) verhext. Eine ähnlich koboldhafte Etymologie findet sich bei Cobalt. Die erste Münze aus reinem Nickel wurde 1881 geprägt. Nickel 816

Vorkommen

Gediegen, das heißt in elementarer Form vorkommendes Nickel konnte bisher nur an 24 Fundorten[12] nachgewiesen werden (Stand: 2010) und gehört damit zu den seltenen, aber von der International Mineralogical Association (IMA) anerkannten Mineralen (System-Nr. nach Strunz

Presspellets aus Nickel für Legierungszwecke 1.AA.05 bzw. veraltet 1/A.08-10). Sein Massenanteil an der Erdhülle beträgt etwa 0,01 %.

Der größte Teil der Nickelproduktion wird aus nickelhaltigen Erzen gewonnen, vor allem aus Garnierit, einem Gemenge aus Népouit (ca. 46 % Nickel) und Willemseit (ca. 29 % Nickel), und dem Mineral Pentlandit (ca. 34 % Nickel). Darüber hinaus werden auch lateritische Nickelerze, Nickelmagnetkies (Verwachsungsaggregat aus Pyrrhotin und Pentlandit)[13] sowie einige weitere Nickelminerale wie Millerit (ca. 64–65 % Nickel) und Nickelin (ca. 44 % Nickel) als Rohstoffe zur Nickelproduktion abgebaut. Insgesamt sind bisher (Stand: 2010) rund 200 Nickelminerale bekannt[14], und einige haben noch weit höhere Nickelgehalte als die bereits genannten, kommen jedoch im Gegensatz zu diesen viel seltener vor.

Um das Nickel wirtschaftlich abbauen zu können, muss der Nickelgehalt des Erzes mindestens 0,5 % betragen. Die wichtigsten Vorkommen finden sich in Kanada (Sudbury-Becken), Neukaledonien, Russland (Norilsk und Halbinsel Kola), Australien und Kuba. Ein häufiger Begleiter des Nickels ist Cobalt.

Fördermengen von Nickel[15]

Land Tausend Tonnen pro Jahr Prozent der Weltproduktion

Russland 300,7 23,4

Australien 218,0 17,0

Kanada 162,8 12,7

Neukaledonien 111,9 8,7

Indonesien 103,5 8

5 Länder total 896,9 69,8

Welt 1 284,2 100,0

Gewinnung und Darstellung

Darstellung des Kupfer-Nickel-Feinsteins Der überwiegende Teil des Nickels wird aus nickel- und kupferhaltigen Eisenerzen wie Nickelmagnetkies gewonnen. Um die Gewinnung wirtschaftlich zu machen, muss das Nickel zunächst durch Flotation auf etwa fünf Prozent Nickelgehalt angereichert werden. Danach wird das Erz ähnlich wie bei der Kupferherstellung geröstet. Dabei wird das Erz zunächst vorgeröstet, um einen Teil des Eisensulfids in Eisenoxid umzuwandeln. Anschließend werden Silikate und Koks dazugegeben, um das Eisenoxid als Eisensilikat zu verschlacken. Gleichzeitig bildet sich der Kupfer-Nickel-Rohstein aus Nickel-, Kupfer und Eisensulfid. Da dieser spezifisch schwerer als die Eisensilicat-Schlacke ist, können die beiden Phasen getrennt abgestochen werden. Anschließend wird der Rohstein in einen Konverter gefüllt und Siliciumdioxid dazugegeben. Es wird Sauerstoff eingeblasen. Dadurch wird das restliche Eisensulfid zu Eisenoxid geröstet und danach verschlackt. Es entsteht der Kupfer-Nickel-Feinstein, der zu etwa 80 % aus Kupfer und Nickel und zu etwa 20 % aus Schwefel besteht. Nickel 817

Gewinnung von Rohnickel Zur Gewinnung des Rohnickels muss das Nickel vom Kupfer abgetrennt werden. Dazu verschmilzt man den Feinstein mit Natriumsulfid Na S. Dabei bildet sich nur zwischen Kupfer- und Natriumsulfid ein leicht 2 schmelzendes Doppelsulfid. Es bilden sich zwei einfach zu trennende Phasen aus Kupfer-Natrium-Doppelsulfid (flüssig) und Nickelsulfid. Nach der Abtrennung wird das Nickelsulfid zu Nickeloxid geröstet und danach mit Koks zu Nickel reduziert.

Gewinnung von Rein- und Reinstnickel

Um Reinnickel zu gewinnen, wird das Rohnickel elektrolytisch raffiniert. Dazu wird in einer Elektrolysezelle das Rohnickel als Anode, ein Nickelfeinblech als Kathode geschaltet. Als Elektrolyt dient eine Nickelsalzlösung. Während der Elektrolyse gehen an der Anode Nickel und alle unedleren Bestandteile in Lösung. Alle edleren Bestandteile bleiben fest und fallen als Anodenschlamm unter die Elektrode. Dieser dient als wichtige Quelle für die Herstellung von Edelmetallen, wie Gold oder Platin. An der Kathode werden Elektrolytisch raffiniertes 99,9%-iges Nickel als Nickelionen aus der Lösung zu Nickel reduziert, alle unedleren Knolle Bestandteile bleiben in Lösung. Die Reinheit von Elektrolytnickel beträgt rund 99,9 %.

Für die Gewinnung von Reinstnickel mit einer Reinheit von 99,99 % gibt es als Spezialverfahren das Mond-Verfahren, benannt nach Ludwig Mond, der 1890 Nickeltetracarbonyl entdeckte. Dieses Verfahren beruht auf der Bildung und Zersetzung des Nickeltetracarbonyls. Dazu wird feinverteiltes Rohnickelpulver bei 80 °C in einen Kohlenmonoxidstrom gebracht. Dabei bildet sich gasförmiges Nickeltetracarbonyl. Dieses wird von Flugstaub befreit

Nickelkugeln, nach dem Mond-Verfahren und in eine 180 °C heiße Zersetzungskammer geleitet. Darin befinden hergestellt sich kleine Nickelkugeln. An diesen zersetzt sich das Nickeltetracarbonyl wieder zu Nickel und Kohlenmonoxid. Es entsteht dadurch sehr reines Nickel. Nickel 818

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Nickel ist ein silbrig-weißes Metall, das mit einer Dichte von 8,9 g/cm3 zu den Schwermetallen zählt. Es ist mittelhart (Mohs-Härte 3,8), schmiedbar, duktil und lässt sich ausgezeichnet polieren. Nickel ist wie Eisen und Cobalt ferromagnetisch, wobei die Curie-Temperatur 354 °C beträgt.[16] Das Metall kristallisiert in einer kubisch-flächenzentrierten Kristallstruktur (Kupfer-Typ) in der Raumgruppe mit dem Gitterparameter a = 352,4 pm sowie vier Formeleinheiten pro Elementarzelle.[17] Eine weitere, metastabile Modifikation mit kubisch-raumzentrierter Kugelpackung konnte in dünnen Schichten auf Eisen oder Galliumarsenid

gewonnen werden. Sie besitzt mit 183 °C eine deutlich geringere kubisch-flächenzentrierte Struktur des [16][18] Curie-Temperatur. Nickels

Die Zugfestigkeit von weichgeglühtem Nickel liegt bei 400–450 MPa bei einer Bruchdehnung zwischen 30–45 %. Die Härtewerte liegen um die 80 HB. Kalt verfestigter Nickel dessen Bruchdehnung unter 2 % beträgt, erreicht Festigkeiten bis 750 MPa bei Härtewerten um 180 HB. Reinnickelhalbzeuge mit 99 % Ni-Gehalt können kalt hochverfestigt werden. Das Isotop 62Ni hat die höchste Bindungsenergie je Nukleon aller Isotope aller Elemente.[19]

Chemische Eigenschaften Nickel ist bei Raumtemperatur gegen Luft, Wasser, Salzsäure und Laugen sehr beständig. Verdünnte Säuren greifen Nickel nur sehr langsam an. Gegenüber konzentrierten, oxidierenden Säuren (Salpetersäure) tritt analog zum rostfreien Stahl Passivierung ein. Löslich ist Nickel in verdünnter Salpetersäure (ca. 10- bis 15-prozentig). Auch eine halbkonzentrierte Salpetersäure (ca. 30-prozentig) bewirkt noch merkliche Passivierung. Der häufigste Oxidationszustand ist +II, seltener werden −I, 0, +I, +III und +IV beobachtet. Im Nickeltetracarbonyl hat Nickel die Oxidationszahl 0. Nickel(II)-Salze lösen sich in Wasser unter Bildung von Aquakomplexen mit grünlicher Farbe. Fein verteiltes Nickel reagiert mit Kohlenmonoxid bei 50 bis 80 °C zu Nickeltetracarbonyl, Ni(CO) , einer 4 farblosen, sehr giftigen Flüssigkeit. Diese dient als Zwischenprodukt zur Herstellung von reinstem Nickel nach dem Mond-Verfahren. Bei 180 bis 200 °C zerfällt Nickeltetracarbonyl wieder in Nickel und Kohlenmonoxid.

Physiologie Der umstrittenen Essenzialität von Nickel steht die Existenz mehrerer Enzyme gegenüber, die im Normalfall Nickel enthalten, darauf aber nicht angewiesen sind, da dessen Rolle als Kation von anderen zweiwertigen Kationen übernommen werden kann. Im Menschen handelt es sich dabei um drei Proteine, von denen bekannt ist, dass sie Nickel binden:[20] • alpha-Fetoprotein bindet Nickel, ist aber nicht darauf angewiesen, da kein Enzym • Aciredukton-Dioxygenase, ein Enzym des Methionin-Salvage-Stoffwechselwegs, das üblicherweise Nickel oder ein anderes zweiwertiges Kation bindet[21] • Polyribonukleotid-5′-hydroxylkinase Clp1, die als Cofaktor Magnesium, Mangan oder Nickel benötigt[22] Für Pflanzen und verschiedene Mikroorganismen ist die Essenzialität von Nickel durch Isolierung mehrerer Enzyme (z. B. Urease, Co-F430), die Nickel im aktiven Zentrum enthalten, sowie durch Nachweis von Mangelerscheinungen in nickelarmer Umgebung, die sich durch Zusatz von Ni(II)-Salzen beheben lassen, gesichert. In der Elektrophysiologie werden Nickel-Ionen dazu verwendet, spannungsaktivierte Calciumkanäle zu blockieren. Nickel 819

Gesundheitliche Probleme Nickel ist mit der Nickeldermatitis der häufigste Auslöser für Kontaktallergien: in Deutschland sind schätzungsweise 1,9 bis 4,5 Millionen Menschen gegen Nickel sensibilisiert.[23] Deswegen werden Metalle und Legierungen, die mit der Haut in Kontakt kommen, zunehmend seltener vernickelt. Nach Meinung US-amerikanischer Ärzte leidet jedes vierte Kind unter fünf Jahren an einer Kontaktallergie.[24] Das Einatmen anorganischer Nickelverbindungen ist mit einem erhöhten Krebsrisiko für Plattenepithelkarzinome der Lunge und der oberen Luftwege verbunden. Derartige bösartige Neubildungen werden in Deutschland bei berufsbedingter Exposition als Berufskrankheiten anerkannt (BK 4109).[25] Außerdem ist ein erhöhter Nickelgehalt in der Atemluft ein Risikofaktor für eine Sensibilisierung gegen Nickel bei Kindern.[26]

Wirtschaftliche Bedeutung Nickel wird als Metall in geringen Mengen benötigt, der größte Teil der Produktion geht in die Produktion von nichtrostenden Stählen und Nickellegierungen. Die Reserven an nach heutigen Gesichtspunkten abbauwürdigen Nickelvorkommen liegen zwischen 70 und 170 Millionen Tonnen. Gegenwärtig werden weltweit jährlich weit mehr als eine Million Tonnen (2006: 1,340 Mio. Tonnen[27]) gefördert.

Verwendung als Metall Reines Nickelmetall wird in feinverteilter Form als Katalysator bei der Hydrierung ungesättigter Fettsäuren verwendet. Auf Grund seiner chemischen Beständigkeit wird Nickel für Apparate im chemischen Labor und der chemischen Industrie verwendet (z. B. Nickeltiegel für Aufschlüsse). Aus Nickelmetall werden Nickellegierungen mit genau bekanntem Verhältnis (z. B. für Münzen) hergestellt. Nickel dient als Überzugsmetall zum Korrosionsschutz („Vernickeln“) von Metallgegenständen: Wegen seiner vor Oxidation schützenden Eigenschaften werden Metalle (insbesondere Eisen) mittels galvanischer Technik für bestimmte technische Zwecke mit einer Nickelschicht überzogen. Ebenfalls genutzt wurde das Metall früher zur Herstellung der Fassungen von Nickelbrillen.

Verwendung als Legierung Nickel ist ein bedeutendes Legierungsmetall, das hauptsächlich zur Stahlveredelung verwendet wird. Der größte Teil des Nickels geht dorthin. Es macht Stahl korrosionsbeständig und erhöht seine Härte, Zähigkeit und Duktilität. Mit Nickel hochlegierte Stähle werden bei besonders korrosiven Umgebungen eingesetzt. Der Edelstahl V2A (Name entstammt der "Versuchscharge 2 austenitisch" im Krupp-Stahlwerk, entspricht X12CrNi18-8) enthält 8 % Nickel neben 18 % Chrom, V4A (Markennamen Cromargan oder Nirosta) 11 % neben 18 % Chrom und 2 % Molybdän. Etwa 20% des Nickels werden (in Deutschland) zur Herstellung von weiteren Nickellegierungen verwendet: • Konstantan, eine Legierung aus 55 % Kupfer und 45 % Nickel, die über einen großen Temperaturbereich einen annähernd konstanten spezifischen elektrischen Widerstand besitzt. Sie wird vor allem für genaue Widerstände verwendet. • Nickelbasis-Superlegierungen sind Legierungen speziell für den Einsatz bei hohen Temperaturen und unter korrosiven Medien. Sie finden zum Beispiel in Flugzeugturbinen und Gasturbinen von Kraftwerken Anwendung. • Raney-Nickel, eine Nickel-Aluminium-Legierung, die ein wichtiger Katalysator für die Hydrierung organischer Verbindungen ist. • Neusilber, eine Kupfer-Nickel-Zink-Legierung mit 10–26 % Nickelanteil, die besonders korrosionsbeständig ist und hauptsächlich für Bestecke und elektrotechnische Geräte verwendet wird. • Monel, ebenfalls eine Kupfer-Nickel-Legierung mit etwa 65 % Nickel, 33 % Kupfer und 2 % Eisen, die sich durch besondere chemische Beständigkeit, unter anderem gegen Fluor auszeichnet. Sie wird deshalb für Fluor-Druckgasflaschen verwendet. Nickel 820

• Austenitisches Gusseisen mit Kugelgraphit, ein sphärolithisches Sondergusseisen mit bis zu 20% Nickel, für den Einsatz in korrosiver Umgebung und bei hohen Temperaturen.

Nachweis

Die Nachweisreaktion für die in Wasser meist mit grüner Farbe löslichen Nickel(II)-salze wird in der quantitativen Analytik gravimetrisch sowie qualitativ im Kationentrenngang mit Dimethylglyoxim-Lösung (Tschugajews Reagens) durchgeführt. Nickelsalze werden zuvor gegebenenfalls durch Nachweisreaktion Bis(dimethylglyoximato)nickel(II) Ammoniumsulfid als grauschwarzes Nickel(II)-sulfid ausgefällt und in Salpetersäure gelöst. Der spezifische Nachweis ist dann durch Reaktion mit Dimethylglyoxim in ammoniakalischer Lösung möglich. Dabei fällt das himbeerrote Bis(dimethylglyoximato)nickel(II) als Komplex aus:

. Da Nickel aus ammoniakalischer Lösung mit Dimethylglyoxim quantitativ ausfällt, ist dieser Nachweis auch für die quantitative gravimetrische Nickelanalyse verwendbar. Aus ammoniakalischer Lösung kann auch mittels Elektrogravimetrie an einer Platinnetzelektrode eine quantitative Bestimmung erfolgen. Ähnlich anderen Schwermetallen wird Nickel heute meist durch Atomspektroskopie oder Massenspektrometrie auch im Ultraspurenbereich quantitativ bestimmt. Fällung des Äußerst empfindlich ist die inverse Nickel-Dimethylglyoxim-Komplexes Voltammetrie mit adsorptiver Anreicherung aus einer Nickel(II)-sulfatlösung des Ni-Dimethyglyoxim-Komplexes an hängenden Quecksilbertropfen oder Quecksilberfilmelektroden. Nickel 821

Verbindungen Nickel kommt in Verbindungen hauptsächlich in der Oxidationsstufe +II vor. Die Stufen 0, +I, +III und +IV sind selten und meist instabil. Nickel bildet eine Vielzahl meist farbiger Komplexe.

Anorganische Nickelverbindungen

• Nickel(II)-chlorid NiCl ist ein gelber, stark hygroskopischer 2 Feststoff, der als Farbstoff für Keramik und zur Herstellung von Nickelkatalysatoren dient. Neben der wasserfreien Form gibt es noch wasserhaltige Nickel(II)-chloride, z. B. das grüne Nickel(II)-chlorid-Hexahydrat, das aus wässrigen Nickelchloridlösungen auskristallisiert. • Nickel(II)-hydroxid Ni(OH) und Nickel(III)-oxidhydroxid 2 NiO(OH) dienen zur Speicherung elektrischer Energie in Nickel-Cadmium- und anderen Nickelakkumulatoren. Nickelantimonid • Nickel(II)-oxid NiO und Nickel(III)-oxid Ni O sind grüne 2 3 beziehungsweise schwarze Feststoffe und werden zur Herstellung von Keramik, Gläsern und Elektroden verwendet. Außerdem werden sie als Katalysatoren für die Hydrierung organischer Verbindungen genutzt. • Nickel(II)-nitrat Ni(NO ) 3 2 • Nickel(II)-sulfat NiSO und Ammoniumnickel(II)-sulfat ((NH ) Ni(SO ) ·6H O) werden bei der Galvanisierung 4 4 2 4 2 2 (Vernickelung) verwendet. • Nickel(II)-carbonat NiCO wird als Pigment für keramische Erzeugnisse und zum Herstellen von Nickeloxid 3 benutzt. • Nickel(II)-sulfid NiS fällt aus ammoniakalischen, nicht jedoch aus sauren, nickelhaltigen Lösungen mit Ammoniumsulfid aus. Dadurch kann Nickel mit der Ammoniumsulfid-Gruppe im Kationentrennungsgang abgetrennt werden. • Nickel(II)-cyanid Ni(CN) wird in der Metallurgie und Galvanoplastik verwendet. 2 • Nickel(II)-borat Ni(BO ) wird als Katalysator verwendet. 2 2 • Nickelantimonid NiSb wird z.B. in Feldplatten verwendet. Nickel 822

organische Nickelverbindungen Nickeltetracarbonyl Ni(CO) ist eine farblose, sehr giftige Flüssigkeit. Sie ist ein wichtiges Zwischenprodukt im 4 Mond-Verfahren. Nickeltetracarbonyl war die erste entdeckte Metallcarbonyl-Verbindung.

Nickelkomplexe

Nickel und dabei v. a. Nickel(II)-Ionen bildet viele, meist farbige Komplexe. Die Koordinationszahlen 6, 5 oder 4 sind am häufigsten. Bei schwachen, einzähnigen Liganden, beispielsweise Wasser, liegen sie meist als oktaedrische und paramagnetische High-spin-Komplexe mit Koordinationszahl 6 vor. Starke Liganden wie Cyanid bilden quadratisch-planare, diamagnetische Low-spin-Komplexe. Ebenfalls einen quadratisch-planaren Komplex bildet Dimethylglyoxim, da der Komplex zusätzlich durch Wasserstoffbrücken stabilisiert ist. Letzterer Bis(dimethylglyoximato)nickel(II)-Komplex ist für den nasschemischen Nickelnachweis von Bedeutung. Anionische Nickelkomplexe enden auf "-niccolat".

Beispiele für Amminkomplexe sind der blaue Tetraamminnickel(II)- und violette Hexaamminnickel(II)-komplex. Beide Verbindungen erhält man durch Zugabe von Ammoniak zu Nickel(II)-salzlösungen:

Lösungen von Tetraamminnickel(II)-sulfat (links) Durch Zugabe von Kaliumcyanid zu Nickel(II)-salzlösungen entsteht und Kaliumtetracyanoniccolat(II) (rechts) zunächst Nickel(II)-cyanid, das sich im Überschuss von Kaliumcyanid zu gelbem Kaliumtetracyanoniccolat(II) auflöst:

Eine entsprechende Verbindung entsteht mit Kaliumthiocyanat. Eine sehr empfindliche Verbindung ist das Kaliumhexafluroniccolat(IV) (K [NiF ]). Mit einem starken Reduktionsmittel lässt sich aus 2 6 Kaliumtetracyanoniccolat(II) der zweikernige Komplex K [Ni (CN) ] mit einwertigem Nickel herstellen. Daneben 4 2 6 existiert eine Vielzahl von Komplexen mit organischen Liganden wie beispielsweise Ethylendiamin oder Anionen von Carbonsäuren.[28]

Einzelnachweise

[1] Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Nickel) (http:/ / www.

webelements. com/ nickel/ ) entnommen.

[2] Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Nickel) (http:/ / www.

webelements. com/ nickel/ ) entnommen.

[3] Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Nickel) (http:/ / www.

webelements. com/ nickel/ ) entnommen.

[4] Eintrag aus der CLP-Verordnung zu CAS-Nr. 7440-02-0 (http:/ / gestis. itrust. de/ nxt/ gateway. dll/ gestis_de/ 008230.

xml?f=templates$fn=print. htm#1100) in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA (JavaScript erforderlich)

[5] Eintrag zu CAS-Nr. 7440-02-0 (http:/ / gestis. itrust. de/ nxt/ gateway. dll?f=id$t=default. htm$vid=gestisdeu:sdbdeu$id=008230) in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 15. April 2011 (JavaScript erforderlich). [6] Seit 1. Dezember 2012 ist für Stoffe ausschließlich die GHS-Gefahrstoffkennzeichnung zulässig. Bis zum 1. Juni 2015 dürfen noch die R-Sätze dieses Stoffes für die Einstufung von Zubereitungen herangezogen werden, anschließend ist die EU-Gefahrstoffkennzeichnung von rein historischem Interesse. [7] Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3. [8] Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer, Rainer Kassing: Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 6: Festkörper. 2. Auflage, Walter de Gruyter, 2005, ISBN 978-3-11-017485-4, S. 361. [9] N. N. Greenwood und A. Earnshaw: Chemie der Elemente, 1. Auflage, VCH, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9, S. 1469. Nickel 823

[10] Derek G. E. Kerfoot: Nickel in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 2005,

doi: 10.1002/14356007.a17_157 (http:/ / dx. doi. org/ 10. 1002/ 14356007. a17_157) [11] Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in

Handbooks. In: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, S. 328–337, doi: 10.1021/je1011086 (http:/ / dx. doi. org/ 10. 1021/ je1011086).

[12] Mindat - Localities for Nickel (http:/ / www. mindat. org/ show. php?id=2895& ld=1#themap) (englisch) [13] Martin Okrusch, Siegfried Matthes: Mineralogie: Eine Einführung in die spezielle Mineralogie, Petrologie und Lagerstättenkunde. 7. Auflage. Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York 2005, ISBN 3-540-23812-3, S. 37, 242.

[14] Webmineral – Mineral Species containing Nickel (Ni) (http:/ / webmineral. com/ chem/ Chem-Ni. shtml) (englisch) [15] L'état du monde 2005, annuaire économique géopolique mondial. [16] Ying Zhu, Ping Yu, Xiaofeng Jin, Ding-sheng Wang: Curie temperature of body-centered-tetragonal Ni. In: Journal of Magnetism and

Magnetic Materials. 2007, 310, 2, S. e301-e303, doi: 10.1016/j.jmmm.2006.10.240 (http:/ / dx. doi. org/ 10. 1016/ j. jmmm. 2006. 10. 240). [17] K. Schubert: Ein Modell für die Kristallstrukturen der chemischen Elemente. In: Acta Crystallographica. 1974, B30, S. 193-204, doi:

10.1107/S0567740874002469 (http:/ / dx. doi. org/ 10. 1107/ S0567740874002469). [18] N. B. Brookes, A. Clarke, P. D. Johnson: Electronic and magnetic structure of bcc nickel. In: Phys. Rev. B. 1992, 46, S. 237–241, doi:

10.1103/PhysRevB.46.237 (http:/ / dx. doi. org/ 10. 1103/ PhysRevB. 46. 237).

[19] M. P. Fewell: The atomic nuclide with the highest mean binding energy. (http:/ / adsabs. harvard. edu/ abs/ 1995AmJPh. . 63. . 653F) In:

American Journal of Physics. 63, Nr. 7, 1995, S. 653–658. doi: 10.1119/1.17828 (http:/ / dx. doi. org/ 10. 1119/ 1. 17828).

[20] Suchergebnis UniProt Nickel/Mensch (http:/ / www. uniprot. org/ uniprot/ ?query=keyword:nickel+ taxonomy:9606& sort=score)

[21] UniProt Q9BV57 (http:/ / www. uniprot. org/ uniprot/ Q9BV57)

[22] UniProt Q92989 (http:/ / www. uniprot. org/ uniprot/ Q92989) [23] A. Schnuch, W. Uter, J. Geier, O. Gefeller: Epidemiology of contact allergy. An estimation of morbidity employing the clinical epidemiology and drug-utilization research (CE-DUR) approach. In: Contact Dermatitis 47(1), 2002, S. 32–39; PMID 12225411.

[24] Nickel, Thiomersal und Konsorten // Jedes vierte Kind unter fünf leidet an Kontakt-Allergie – aerztlichepraxis.de (http:/ / www.

aerztlichepraxis. de/ rw_4_Archiv_HoleArtikel_322458_Artikel. htm) [25] Jürgen Strutz, Olaf Arndt, Wolfgang Mann: "Praxis der HNO-heilkunde, Kopf- und Halschirurgie", Thieme, 2001, ISBN 3-13-116971-0, S. 386. [26] Prevalence of nickel sensitization and urinary nickel content of children are increased by nickel in ambient air; PMID 21168833.

[27] Handelsblatt: Nickelpreis bricht Rekorde. 10. April 2007. (http:/ / www. handelsblatt. com/ news/ _pv/ _p/ 203855/ _t/ ft/ _b/ 1251931/

default. aspx/ index. html) [28] Wolfgang Glöckner: Die Komplexverbindungen, Aulis Verlag Köln 1962, S. 103 – 107

Literatur • Eberhard Auer, Siegfried Müller, Rainer Slotta: 250 Jahre Nickel. Vom "nickel" zum "EURO". Verlag Deutsches Bergbau-Museum, Reihe Veröffentlichungen aus dem Deutschen Bergbau-Museum Bochum Bd. 95, Bochum 2001, ISBN 3-921533-81-3 • Arnold F. Holleman, Egon Wiberg, Nils Wiberg: Lehrbuch der anorganischen Chemie. 102. stark umgearbeitete und verbesserte Auflage, Verlag de Gruyter, Berlin [u.a.] 2007, ISBN 978-3-11-017770-1 • Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente - das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten. Hirzel, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3

Weblinks • Mineralienatlas:Nickel (Wiki)

• Reinstnickel >=99,9 % als Bild in der Sammlung von Heinrich Pniok (http:/ / www. pse-mendelejew. de/ ni. htm)

• Nickelpreisentwicklung als Diagramm (http:/ / www. lme. co. uk/ nickel_graphs. asp) (englisch)

• Angaben über Mangel und Überschuss von Nickel im Körper (http:/ / www. eesom. com/ go/ ZZ9TTDQKDCTTGNAN948LVMXZUU92YBBA) auf eesom.com

Normdaten (Sachbegriff): GND: 4042133-8 (http:/ / d-nb. info/ gnd/ 4042133-8) NIST 824

NIST

National Institute of Standards and Technology — NIST —

Staatliche Ebene Bundesbehörde im Geschäftsbereich des Handelsministeriums der Vereinigten Staaten Aufsichtsbehörde(n) Handelsministerium der Vereinigten Staaten (Department of Commerce) Gründung 1901 Hauptsitz Gaithersburg (Maryland) und Boulder (Colorado).

[1][2] Behördenleitung Director Patrick D. Gallagher Anzahl der Bediensteten 2900

[3] Website www.nist.gov

Das National Institute of Standards and Technology (NIST) ist eine Bundesbehörde der Vereinigten Staaten mit Sitz in Gaithersburg (Maryland) und in Boulder (Colorado). Der frühere Name der Behörde war von 1901 bis 1988 The National Bureau of Standards (NBS). Die Position des Behördenleiters (Director) wird derzeit von Patrick Gallagher besetzt.

Aufgaben NIST Advanced Measurement Laboratory (AML) Das Institut gehört zur technologischen Administration des in Gaitherburg, MD Handelsministeriums und ist für Standardisierungsprozesse zuständig. Aus diesen ist der Verschlüsselungsalgorithmus DES wie auch AES hervorgegangen. Weiterhin werden die Federal Information Processing Standards (FIPS) veröffentlicht, die für US-Behörden gelten. NIST-F1 ist der Name der institutseigenen Atomuhr, die zur Koordinierten Weltzeit beiträgt. Sie hat eine theoretische Ungenauigkeit von einer Sekunde in 60 Millionen Jahren.[4] Das NIST gibt unter anderem auch die für massenspektrometrische Messungen heute unverzichtbare Sammlung zur Substanzidentifizierung durch das stoffspezifische Massenspektrum, die NIST/EPA/NIH Mass Spectral Library (Data Version: NIST 08, Software Version 2.0f) heraus. Das deutsche Pendant ist die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). Das NIST hat im Jahr 2009 ein Budget von 819 Millionen US-Dollar (plus zusätzlichen 610 Millionen US-Dollar aus dem American Recovery and Reinvestment Act [5]) zur Verfügung[6][7]. Nach Kürzungen der vergangenen Jahre betrug das Budget des Fiskaljahres 2012 noch 750.8 Millionen US-Dollar.[8] Beim Institut sind 2.900 Mitarbeiter beschäftigt. Es beauftragte in den 1970er Jahren u. a. die Boulder-Gruppe mit der Messung der Lichtgeschwindigkeit und der Neudefinition des Meters. NIST 825

Weblinks • www.nist.gov [3] - Offizielle Webseite des NIST (Englisch)

Einzelnachweise

[1] www.nist.gov (http:/ / www. nist. gov/ director/ bios/ gallagher. cfm) NIST > Office of the Director > Biographies > Dr. Patrick D. Gallagher (engl.) (Aufgerufen am 6. Juli 2010) [2] Abb.

[3] http:/ / www. nist. gov

[4] NIST – NIST-F1 (Cesium Fountain Atomic Clock) (Engl.) (http:/ / tf. nist. gov/ timefreq/ cesium/ fountain. htm)

[5] http:/ / www. nist. gov/ public_affairs/ newsfromnist_recovery. html

[6] NIST – Budget (Engl.) (http:/ / www. nist. gov/ public_affairs/ budget. htm)

[7] NIST’s Fiscal Year Budget to Increase 8.3 Percent to $819 M (http:/ / www. nist. gov/ public_affairs/ techbeat/ tb2009_0324. htm#budget)

[8] http:/ / www. nist. gov/ public_affairs/ releases/ approps-summary2011. cfm

Normal

Ein Normal ist ein metrologischer/s Vergleichsgegenstand, ein Vergleichsmaterial oder präzises Messgerät, der bzw. das zur Kalibrierung anderer Messgeräte dient. Normale bilden eine Kalibrierhierarchie, innerhalb derer nach unten die Genauigkeit zwangsläufig abnimmt. An der Spitze der Kalibrierhierarchie stehen meist nationale oder internationale Normale, die gleichzeitig Primärnormale sind. Nationale oder internationale Normale sind gesetzlich verbindliche Grundlagen für die entsprechende physikalische Größe. Als Primärnormale bezeichnet man solche Normale, die die höchsten Anforderungen erfüllen. Dies bedeutet die fundamentale Realisierung einer Einheit entsprechend der gültigen internationalen Definition mit der nach dem aktuellen Stand der Technik niedrigstmöglichen Unsicherheit. Durch diese Struktur wird erreicht, dass die Einheiten des internationalen Einheitensystems (SI) weltweit einheitlich verfügbar sind und dass die Einhaltung gesetzlicher Forderungen im geschäftlichen Verkehr (Eichgesetz) garantiert ist. Werden an einem Ort häufig Normale verwendet, werden sie hier ebenfalls hierarchisch eingesetzt. Routinemäßig benutzte Gebrauchsnormale werden dann regelmäßig durch ein Bezugsnormal kalibriert. Gegebenenfalls geschieht dies auch über Zwischenstufen, deren Normale dann Normale höherer (zweiter, dritter) Ordnung sind. Diese Messmittelüberwachung dient der Qualitätssicherung. Auch Bezugs- oder Werknormale müssen weiter auf die nationalen Normale zurückgeführt werden. Dazu dienen Kalibrierdienste und Dienstleistungen metrologischer Institute. Auch hier wird in der Regel jeweils wieder mit Gebrauchs- und Bezugsnormalen gearbeitet, die auf höchster Ebene zugleich Sekundär- bzw. Primärnormale sind. Normale können sein: • Maßverkörperungen, auch als Etalon bezeichnet, • Messgeräte, • Messsysteme oder • Referenzmaterial und sollen die jeweilige Einheit (bzw. einen oder mehrere Größenwerte) festlegen, verkörpern, bewahren oder reproduzieren. Normal 826

Beispiele • Endmaße als Längennormale unterer und mittlerer Hierarchiestufen • 100-Ohm-Widerstände als elektrische Widerstandsnormale • Ausgangssignal einer Cäsium-Atomuhr oder Wasserstoffmaser als Zeitnormal • Gewindelehren • Masse-Normale als Verkörperungen je nach Hierarchiestufe aus korrosionsbeständigem Stahl mit unterschiedlichen Kilogramm-Nennwerten oder aus Platin-Iridium als 1-kg-Normale Neben dem Internationalen Kilogrammprototyp existieren in den meisten Mitgliedsstaaten der Meterkonvention nationale Prototypen. Diese werden durch Vergleichsmessungen an die Arbeitsnormale des Internationalen Büros für Maß und Gewicht angeschlossen, die wiederum an den internationalen Prototypen angeschlossen sind. An den nationalen Prototypen werden dann z.B. in Deutschland weitere 1-kg-Normale sowie die Hauptnormalensätze mit Massen von 1 mg bis 5 t angeschlossen. An diese werden wiederum die Normale der Anwender (obere Eichbehörden, Forschung, Industrie, Deutscher Kalibrierdienst, Bundeswehr) angeschlossen, die meist ihre eigene Normalenhierarchie unterhalten. Auf diese Weise ist letztlich jedes Gebrauchsnormal bis zur Handels- oder Badezimmerwaage durch Kalibrierung oder Eichung auf den Internationalen Kilogrammprototypen zurückgeführt.

Weblinks Informationen der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt zu Normalen [1]

Quellennachweise

[1] http:/ / www. ptb. de/ de/ wegweiser/ industriekunden/ normale. html

Normaldruck

1. WEITERLEITUNG Standardbedingungen Nullpunkt 827

Nullpunkt

Der Nullpunkt oder Referenzpunkt Null ist der Ausgangspunkt für gemessene oder berechnete Werte, ab dem diese – beginnend mit dem Wert Null – bewertet oder gezählt werden. Zugleich teilt der Nullpunkt reelle Werte in die zwei Bereiche positiv und negativ. Beispiele für die Anwendung des Begriffes sind: Nullpunkt einer Skale (Anzeigeeinrichtung) der Anfang eines Zollstockes der Skalenwert zur Stromlosigkeit eines Strommessgerätes Nullpunkt einer Skala (Quantifizierung) der auf die Temperatur 273,15 K festgelegte Nullpunkt der Celsius-Skala das Normalnull oder Nullniveau für die Höhe über dem Meeresspiegel Koordinatenursprung der Ursprungspunkt auf Koordinatenachsen mit dem Wert Null; häufig, aber nicht zwingend der Schnittpunkt der Achsen ein Fundamentalpunkt bzw. geodätisches Datum in der Geodäsie ein mittlerer Wasserstand an einem Pegel als Bezugspunkt für Geländehöhen und Wassertiefen Werkstücknullpunkt der Werkstücknullpunkt als Referenzpunkt bei der CNC-Bearbeitung eines Werkstückes Beispiele aus Physik und Technik, in denen die Anwendung des Begriffes Nullpunkt nicht möglich ist: • bei der Zeit, wenn sie nicht als Dauer mit festgelegtem Anfangspunkt zu verstehen ist • bei logarithmischer Darstellung Nullpunktsenergie 828

Nullpunktsenergie

Die Nullpunktsenergie ist die Differenz zwischen der Energie, die ein quantenmechanisches System im Grundzustand besitzt, und dem Energieminimum, welches das System hätte, wenn man es klassisch beschreiben würde. In thermodynamischen Systemen, die Energie mit ihrer Umgebung austauschen, ist die Nullpunktsenergie damit auch gleich der Energie des Systems am absoluten Temperaturnullpunkt. Die Nullpunktsenergie ist durch direkte Messungen nicht nachweisbar, da diese nur Energiedifferenzen erfassen. In der Quantenfeldtheorie heißt die Summe aller Nullpunktsenergien Vakuumenergie, da diese Energie dem leeren Raum ohne Teilchen zukommt. Die Vakuumenergie kann mit Hilfe des Casimir-Effekts indirekt experimentell nachgewiesen werden.

Eindimensionale Einteilchensysteme Die Nullpunktsenergie wird üblicherweise anhand von eindimensionalen Systemen eines Teilchens in einem Potential eingeführt. In der klassischen (das heißt nicht-quantenmechanischen) Physik ist der energieärmste Zustand der, in dem das Teilchen im Potentialminimum ruht. In der Quantenmechanik kann die kleinste erreichbare Energie über dem Wert des Potentialminimums liegen. Für gegebene Beispielsysteme kann dies durch explizite Bestimmung der Energieeigenzustände verifiziert werden. Alternativ kann man dieses Resultat durch Verwenden der Unschärferelation erhalten[1]: Eine endliche Ortsunschärfe, die z.B. bei gebundenen Zuständen vorliegt, verlangt im Allgemeinen eine Impulsunschärfe größer als Null. Daher können der Impuls und die kinetische Energie nicht exakt Null sein. Da die kinetische Energie nicht negativ werden kann muss die Gesamtenergie, die Summe aus potentieller Energie und kinetischer Energie, somit größer sein als das Minimum der potentiellen Energie.

Harmonischer Oszillator

Das Standardbeispiel für die Nullpunktsenergie ist der quantenphysikalische harmonische Oszillator. Dieser hat das Potential , also ein Potentialminimum , und das Energiespektrum

wobei das reduzierte plancksche Wirkungsquantum und die Kreisfrequenz des Oszillators bezeichnet. Auch im energetisch niedrigsten Zustand, dem Grundzustand mit , existiert somit eine von Null verschiedene Energie . Im klassischen Fall ist der Zustand niedrigster Energie der, bei dem das Teilchen am Ort ruht, also . In der Quantenmechanik verbietet aber die Unschärferelation zwischen Ort und Impuls, dass Potentialfunktion des Harmonischen Oszillators. beide Größen exakte Werte haben. Je genauer der Ort bekannt ist, um Wegen der Unschärferelation kann ein Teilchen in diesem Potential nicht mit Impuls p=0 am Ort so ungenauer kennt man den Impuls, und umgekehrt. Anschaulich x=0 sein. Daraus folgt, dass die Energie des ergibt sich die Nullpunktsenergie als Mittelwert dieser Schwankungen. Teilchens größer als Null sein muss. Nullpunktsenergie 829

Einzelnachweise

[1] z.B. F. Schwabl, "Quantenmechanik", 6. Auflage, Kapitel 3.1.3, ISBN 3-540-43106-3 (google books) (http:/ / books. google. de/

books?id=0uCVYkTwd8UC& lpg=PR1& dq=Schwabl quantenmechanik& pg=PA54#v=onepage& q& f=false)

Néel-Temperatur

Die Néel-Temperatur ist die Temperatur, oberhalb deren ein antiferromagnetischer Stoff paramagnetisch wird. Die thermische Energie wird hier groß genug, um die magnetische Ordnung innerhalb des Stoffes zu zerstören. Oberhalb von gilt für die magnetische Suszeptibilität als Funktion der Temperatur :

Dabei ist eine materialspezifische Konstante. Unterhalb von nimmt die Suszeptibilität auch ab, das heißt, sie erreicht bei ihr Maximum. Die Néel-Temperatur ist das Analogon zur Curie-Temperatur ferromagnetischer Stoffe. Sie ist benannt nach ihrem Entdecker Louis Néel, der im Jahr 1970 für seine Arbeit auf dem Gebiet den Nobelpreis in Physik erhielt.

Herleitung Die Herleitung erfolgt aus der Molekularfeldtheorie: das heißt ein Moment wird im mittleren Feld seiner Nachbarn betrachtet; Es gilt als Folge des Curiesches Gesetz:

Dabei ist • Magnetische Feldkonstante • Magnetisierung • materialspezifische Konstante • Temperatur • externes Magnetfeld • dieser Term beschreibt das Austauschfeld, wobei die Kopplung regelt

Somit folgt: und lässt sich als identifizieren

Literatur • Horst Stöcker: Taschenbuch der Physik. 4. Auflage, Verlag Harry Deutsch, Frankfurt am Main 2000, ISBN 3-8171-1628-4 Oberflächenspannung 830

Oberflächenspannung

Die Oberflächenspannung ist die infolge von Molekularkräften auftretende Erscheinung bei Flüssigkeiten, deren Oberfläche klein zu halten. Die Oberfläche einer Flüssigkeit verhält sich ähnlich einer gespannten, elastischen Folie. Dieser Effekt ist zum Beispiel die Ursache dafür, dass Wasser Tropfen bildet, und dazu beiträgt, dass einige Insekten über das Wasser laufen können oder eine Rasierklinge auf Wasser „schwimmt“.

Als Oberflächenspannung (Formelsymbol: σ, γ) bezeichnet man gelegentlich auch die Grenzflächenspannung. Gemessen wird sie in den SI-Einheiten kg/s², gleichbedeutend mit N/m.

Bedeutung der Oberflächenspannung

Die Oberflächenspannung ist die Ursache für das anscheinend selbstverständliche Verhalten von Flüssigkeiten wie Wasser, energetisch günstige, kugelähnliche Tropfen mit möglichst geringer Wasser bildet bevorzugt Tropfen Oberfläche zu bilden. Je höher die Oberflächenspannung, desto kugelähnlicher wird der Tropfen trotz der einseitigen Krafteinwirkung durch die Oberfläche, auf der sie liegen. Das ist bei Quecksilber besonders ausgeprägt, obwohl diese Flüssigkeit eine hohe Dichte besitzt.

Die Oberflächenspannung trägt dazu bei, dass manche Insekten auf der Wasseroberfläche laufen können. Sollte das Insekt jedoch die Oberfläche durchstoßen, kann es evtl. untergehen. Man kann auch leichte, flache Gegenstände, wie zum Beispiel Rasierklingen oder ein Stück Aluminiumfolie, auf eine Wasseroberfläche legen, ohne dass sie

dabei untergehen. Sobald sie jedoch weit genug eingetaucht werden, Praktische Nutzung der Oberflächenspannung sinken sie auf den Grund. durch zwei Wasserläufer

Ein anderes Beispiel ist die sechseckige Form von Wabenzellen der Honigbienen. Die Zellen werden zuerst rund aus Bienenwachs gebaut. Das Material gibt aber durch die im Bienenstock herrschenden Temperaturen nach (fließt) und bildet dabei plane Grenzflächen (Minimalflächen) zwischen den einzelnen Zellen.

Folgen der Oberflächenspannung

Flüssigkeiten haben das Bestreben, ihre Oberfläche zu verringern. Da bei gegebenem Volumen eine Kugel die geringste Oberfläche hat, Die Oberflächenspannung des Wassers trägt eine nehmen Flüssigkeiten, auf die keine weiteren Kräfte wirken, die Büroklammer Kugelform an (siehe Wassertropfen). Das gilt in der Schwerelosigkeit bei geringem Luftwiderstand, wie sie während eines freien Falls vorhanden ist. Oberflächenspannung 831

In einem Flüssigkeitstropfen herrscht aufgrund der Oberflächenspannung ein erhöhter Druck, ebenso wie im Inneren einer Seifenblase.

Was ist Oberflächenspannung?

Vergrößert man die Oberfläche einer Flüssigkeit, so muss man – eben aufgrund der Oberflächenspannung – eine Arbeit verrichten. Die Kraft, gegen welche die Arbeit verrichtet wird, besteht aufgrund der Oberflächenspannung zwischen Schwimmblättern von Laichkraut sowie Kohäsion zwischen den Flüssigkeitsmolekülen. Die Tropfenbildung auf öliger Oberfläche Oberflächenspannung wird nun so definiert: Die Arbeit, die zur Vergrößerung der Oberfläche verrichtet werden muss, geteilt durch die Fläche, die dabei zusätzlich entsteht. Die Oberflächenspannung kann daher auch als Oberflächenenergiedichte bezeichnet werden.

Physikalische Definition und Abhängigkeiten der Oberflächenspannung

• Das Verhältnis aus der verrichteten Arbeit und der daraus resultierenden Oberflächenvergrößerung wird Oberflächenspannung oder auch Oberflächenarbeit genannt. (SI-Einheit:

J/m2 = N/m). • Eine allgemeinere thermodynamische Definition der Oberflächenspannung: Die Oberflächenspannung ist die partielle Ableitung der freien Enthalpie G nach der Fläche A bei konstanter

Temperatur T und bei konstantem Druck p: Temperaturabhängigkeit der Oberflächenspannung am Beispiel des Wassers Die Freie Enthalpie hat die Dimension einer

Energie. Somit hat σ die Dimension einer Energie pro Fläche (SI-Einheit: J/m2 = N/m). • Für Wasser gilt ausgehend von dem Wert bei 20 °C und der gewünschten Temperatur T die folgende Näherungsgleichung:

(in

SI-Einheit: N/m) • In einem Flüssigkeitstropfen herrscht aufgrund der Oberflächenspannung ein erhöhter Druck. Die Druckerhöhung wird durch die Young-Laplace-Gleichung beschrieben. Temperaturabhängigkeit der Oberflächenspannung am Beispiel des Benzols • Bei Bildung von Flüssigkeitspartikeln an Kondensationskernen tritt der Krümmungseffekt auf. Es zeigt sich dabei, dass über den gekrümmten Oberflächen der entstehenden Flüssigkeitstropfen ein höherer Sättigungsdampfdruck auftritt, als im Vergleich zu einer ebenen Wasseroberfläche. • Grenzflächenaktive Substanzen wie Tenside setzen die Oberflächenspannung herab. Ihr Effekt kann durch einen der Oberflächenspannung entgegengesetzten Lateraldruck π beschrieben werden. π ist kein Druck, sondern hat dieselbe Einheit wie die Oberflächenspannung. Oberflächenspannung 832

• Die angrenzende Luftschicht ist vom Dampf der Flüssigkeit gesättigt. Das Eindringen anderer Dämpfe von außen kann die Oberflächenspannung erheblich verändern. • Die Oberflächenspannung ist temperaturabhängig und nimmt im Allgemeinen mit steigender Temperatur ab. Am kritischen Punkt ist sie gleich null. Die Temperaturabhängigkeit wird durch die Eötvössche Regel beschrieben; die oben bereits angegebene Gleichung ist ein für Wasser geltender Spezialfall dieser Regel.

Wie entsteht die Oberflächenspannung?

Zwischen benachbarten Teilchen, die eine Flüssigkeit bilden, wirken anziehende und abstoßende Kräfte (siehe Kohäsion). Aus diesen Kräften resultieren Bindungen zu den Nachbarn. Trotz der Bindung können sich die Teilchen innerhalb der Flüssigkeit bewegen. Dabei werden Bindungen eines Teilchens mit seinen Nachbarn getrennt und danach mit seinen neuen Nachbarn gebildet. Die Energie zur Trennung der Bindung ist Wärmeenergie. Sie wird bei der Bindung zu den neuen Nachbarn wieder freigesetzt. Der Prozess der Bewegung ist also energetisch neutral. Diese Beweglichkeit und die Bindung zwischen den Teilchen ist eine Grundeigenschaft einer Flüssigkeit.

Während in der Flüssigkeit Wechselwirkungen in alle Raumrichtungen wirken, ist dies für ein Teilchen an der Oberfläche nicht der Fall. Hier Schema der Kräfte auf ein Teilchen (Molekül, hört die Flüssigkeit auf und die Gasphase beginnt. Ein Teilchen aus der Atom oder Ion) in der Flüssigkeit und seiner Oberfläche. Lösung kann an die Oberfläche gelangen, wenn dafür ein anderes Teilchen von der Oberfläche in die Flüssigkeit wandert. Auch dies ist energetisch neutral: Es werden genau so viele Bindungen getrennt wie gebildet. Bietet sich aus irgendeinem Grund für eine Flüssigkeit die Gelegenheit, ihre Oberfläche zu verkleinern, so wird die Flüssigkeit dies anstreben. Es werden sich (mangels Platz) Teilchen von der Oberfläche in die Flüssigkeit bewegen. Dies ist energetisch nicht neutral, weil das Teilchen an der Oberfläche weniger Bindungsnachbarn hatte als in der Lösung. Die Freisetzung der Energie ist der Antrieb zur Verkleinerung der Oberfläche. Zur Vergrößerung der Oberfläche muss Arbeit verrichtet beziehungsweise Energie aufgebracht werden. Es werden dann mehr Teilchen an der Oberfläche sein. Diese müssen nun mit weniger Nachbarn auskommen als zuvor. Es müssen Bindungen durch Energie gebrochen werden. Die Oberflächenspannung wirkt in der Oberfläche. Im Gleichgewicht wirkt auf die Teilchen der Oberfläche eine resultierende Kraft, die in Richtung des Flüssigkeitsinneren gerichtet ist. Eine Verringerung der Oberfläche führt daher zu einem Energiegewinn, welcher die Ursache der Oberflächenspannung ist. Wirkt die Oberflächenspannung in einer tropfenförmigen Oberfläche, führt sie zu einem erhöhten Druck in der Flüssigkeit. Auf eine Flüssigkeit in einem Becher wirkt durch die Oberflächenspannung hingegen kein erhöhter Druck.

Werte der Oberflächenspannung Oberflächenspannung 833

Wertetabelle für die Oberflächenspannung bei 20 °C

Flüssigkeit Oberflächenspannung in mN/m = 10−3N/m

n-Pentan 16,00

n-Hexan 18,40

Ethanol 22,55

Methanol 22,60

Aceton 23,30

Benzol 28,90

Ethylenglycol 48,4

Glycerin 63,4

Wasser bei 80 °C 62,6

Wasser bei 50 °C 67,9

Wasser bei 20 °C 72,75

Quecksilber bei 18 °C 471,00

Quecksilber bei 20 °C 476,00

Wasser hat also eine vergleichsweise hohe Oberflächenspannung (siehe auch Drucktabellen Wasser), nur die von Quecksilber ist noch wesentlich höher.

Messung der Oberflächenspannung Man kann die Oberflächenspannung zum Beispiel mit Hilfe der Ring- (von Lecomte De Noüy), Platten- (von Wilhelmy) oder Bügel-Methode (von Lenard), mit einem Tensiometer oder durch den Kapillareffekt messen. Auch kann man über eine optische Auswertung den liegenden oder hängenden Tropfen vermessen und so die Oberflächenspannung der Flüssigkeit ermitteln.

Bügelmethode Oberflächenspannung 834

Bei der Bügelmethode (auch als Abreißmethode bekannt) wird ein Bügel mit einem darin eingelöteten extrem dünnen Draht (meist aus Platin) in die Flüssigkeit gehängt, sodass dieser gerade in die Flüssigkeit eintaucht und von dieser benetzt wird. Mit einer Präzisionsfederwaage wird dann die Zugkraft am Bügel nach und nach erhöht. Der Draht wird dann aus der Flüssigkeit gezogen und zieht einen Flüssigkeitsfilm mit. An einem bestimmten Punkt reißt dieser Film ab.

Durch das Ziehen am Bügel wird Arbeit gegen die Oberflächenspannung verrichtet. Aus der maximal möglichen Zugkraft am Bügel, bevor der Flüssigkeitsfilm abreißt, den Abmessungen des Bügels und der Dichte der Flüssigkeit kann dann die Oberflächenspannung berechnet werden. Bei Flüssigkeiten wie Ethanol und Drahtlängen von 2 – 3 cm bei einem Radius von 0,1 mm liegt der Erwartungswert für die Masse im Messung der Oberflächenspannung mit der zwei- bis dreistelligen Milligramm-Bereich. Es sind also sehr präzise Bügelmethode Waagen nötig. Bei einer Messunsicherheit der Waage von 5 mg und einer Vermessung des Drahtes auf 1 µm genau beträgt der Größtfehler des Endergebnisses bereits 8–12 %.

Bügel in der Flüssigkeit Oberflächenspannung 835

Messung mit dem Kapillareffekt

Bei dieser Messmethode macht man sich den Kapillareffekt zunutze, also dass Flüssigkeiten in dünnen Röhren nach oben steigen. Man benötigt ein Gefäß (etwa eine Küvette) und eine möglichst dünne Kapillare. Diese wird dann einfach in die Flüssigkeit gestellt und die Steighöhe wird gemessen. Da die Flüssigkeit theoretisch unendlich lange braucht, um ihren Endstand zu erreichen, zieht man die Flüssigkeit zunächst in der Kapillare (etwa mit einer Spritze) nach oben und lässt sie anschließend wieder absinken. Die Oberflächenspannung kann dann direkt aus der Steighöhe abgelesen werden, wenn die Dichte der Flüssigkeit und der Kapillarradius bekannt sind. Da dessen Messung recht schwierig ist, nimmt man Einmal-Mikropipetten und misst deren Länge. Da das Volumen bekannt ist, lässt sich so der Innenradius berechnen.

Wasser erreicht in Kapillaren mit einem Radius von 0,2 mm Kapillare in der Messflüssigkeit Steighöhen von bis zu 7 cm. Für die möglichst exakte Messung der Steighöhe eignet sich beispielsweise ein Kathetometer. Ist die Dichte der Flüssigkeit genau bekannt und kann man die Steighöhe auf 0,1 mm genau ablesen, erreicht man einen Größtfehler im unteren einstelligen Prozentbereich.

Weitere Methoden • Du-Noüy-Ringmethode: klassische Methode zur Messung der Grenzflächenspannung und Oberflächenspannung. Unkritisch auch bei schwierigen Benetzungsverhältnissen. Gemessen wird die Kraft einer vom Ring hochgezogenen Flüssigkeitslamelle. • Wilhelmy-Plattenmethode: Universalmethode, speziell geeignet für Oberflächenspannungsmessungen über einen längeren Zeitbereich. Gemessen wird die Kraft, die sich durch die Benetzung der senkrecht aufgehängten Platte ergibt. • Kontaktwinkelmessung: Gibt auch Aufschluss über die Benetzbarkeit eines Stoffes. Über die Youngsche Gleichung lässt sich aus dem Cosinus des Kontaktwinkels die Oberflächenspannung berechnen. • Spinning-Drop-Methode: zur Bestimmung von Grenzflächenspannungen. Besonders geeignet für niedrige bis extrem niedrige Messbereiche. Gemessen wird der Durchmesser eines rotierenden Tropfens in der schweren Phase. • Pendant-Drop-Methode: geeignet für Grenz- und Oberflächenspannungsmessungen. Messmöglichkeiten auch bei extremen Drücken und Temperaturen. Optische Erfassung der Tropfengeometrie. Größe der Tropfen, die von einer Kapillare abtropfen, ist proportional zur Oberflächenspannung. • Sessile-Drop-Methode: Bestimmung von Grenz- und Oberflächenspannungen aus dem Profil eines auf einem Substrat ruhenden Tropfens. In der Vergangenheit beliebte Methode zur Messung an flüssigen Metallen und Legierungen, da die Messung unter hohen Temperaturen und/oder extremen Drücken mit dieser Methode verhältnismäßig leicht zu realisieren ist. • Blasendruck-Methode: geeignet zur messtechnischen Erfassung der dynamischen Oberflächenspannung (Messung in Abhängigkeit vom Oberflächenalter). Gängige Messverfahren sind das Maximaldruckverfahren und das Differenzdruckverfahren. • Tropfen-Volumen-Methode: überlegene Methode zur dynamischen Messung von Grenzflächenspannungen. Gemessen wird die Tropfenanzahl, in die sich ein vorgegebenes Flüssigkeitsvolumen teilt. Oberflächenspannung 836

• Prüftinten-Methode: ein in der Industrie (z. B. bei der Verklebung von Selbstklebefolien) auf Kunststoffen angewandter Test. Auf die zu prüfende Oberfläche wird mittels Pinsel eine gefärbte Flüssigkeit ("Tinte") mit definierter Oberflächenspannung aufgetragen. Wenn die Oberfläche von der Tinte benetzt wird (d. h. der Pinselstrich bleibt für > 3 Sekunden bestehen ohne sich zusammenzuziehen), ist die Oberflächenspannung der geprüften Oberfläche gleich oder größer als die der Prüftinte. Zieht sich der Pinselstrich dagegen binnen 3 Sekunden zusammen, ist die Oberflächenspannung der geprüften Oberfläche kleiner als die der Prüftinte. • Expanding/Oscillating-Drop-Methode (EDM/ODM): Methode zur Erfassung der oberflächenrheologischen Eigenschaften von Flüssigkeiten. Beschrieben wird die Abhängigkeit der Oberflächenspannung vom Grad und von der Geschwindigkeit der Flächenausdehnung eines Tropfens, der entweder schnell ausgedehnt wird und dann stillsteht (EDM) oder einer sinoidal oszillierenden Schwingung unterliegt (ODM). Mit Hilfe dieser Messtechnik kann die Schaumstabilität und die Emulsionsstabilität beschrieben werden. • Methode mit einem Gemisch aus Ethylenglycolmonoethyleter und Formamid. Beide Flüssigkeiten werden in einem bestimmten Verhältnis miteinander vermischt. Dadurch erhält man eine definierten Dyn-Wert zur Oberflächenspannungsbestimmung. Hergestellt wird das Gemisch mittels eines Tensiometers. • Stalagmometer-Methode beruht auch auf der Tropfenform.

Historisches Der Begriff der Oberflächenspannung wurde erstmals 1629 von Niccolo Cabeo verwendet und 1751 von Johann Andreas von Segner klarer gefasst. Zur Theorie wurde 1805 von Thomas Young, 1806 von Pierre-Simon Laplace, 1830 von Siméon Denis Poisson (siehe auch Young-Laplace-Gleichung, Youngsche Gleichung) und 1842 bis 1868 von Joseph Plateau Wertvolles beigetragen.

Literatur • Cyril Isenberg Isenberg: The Science of Soap Films and Soap Bubbles. Tieto, Clevedon 1978, ISBN 0-905028-02-3.

Weblinks • Oberflächenspannung von Flüssigkeiten und Messmethoden [1] • Theoretische Einführung zur Messung der Oberflächenspannung [2] • Prozessmessgröße Oberflächenspannung [3]

Quellennachweise

[1] http:/ / www. unimeter. net/ interim/ 4_OberflSpannung_A. htm

[2] http:/ / www. kruss. de/ de/ theorie/ messungen/ oberflaechenspannung/ einfuehrung. html

[3] http:/ / www. sita-process. com/ wissen-service/ grundlagen-sita-prozessloesungen/ prozessmessgroesse-oberflaechenspannung/ Oberflächentemperatur 837

Oberflächentemperatur

Die Oberflächentemperatur ist die Temperatur eines Körpers, die an dessen Oberfläche herrscht und somit, in Bezug auf dessen Wärmestrahlung, die von außen sicht- bzw. messbare Temperatur ist. Sie ist von Bedeutung, wenn das Innere des Körpers eine andere Temperatur besitzt als die Randschichten, als auch wenn man Prozesse der Wärmeübertragung auf der Oberfläche bzw. zwischen Oberflächen und Körperinnerem/Körperumgebung beschreiben will.

Thermodynamik und Wärmeübertragung Ein Temperaturgradient innerhalb eines Körpers tritt auf, wenn sich ein Körper mit zunächst homogener Temperatur in einer kälteren oder wärmeren Umgebung befindet, ihm also Wärme zu oder abgeführt wird. Die Außenschichten passen dabei ihre Temperatur schneller an die Umgebungstemperatur an, als das, je nach Temperaturleitfähigkeit, mehr oder weniger stark thermisch isolierte Innere. So hat zum Beispiel ein Körper, der im Wasserbad erwärmt wird, an seiner Oberfläche eine höhere Temperatur als im Inneren, wobei gleiches auch in umgekehrter Form für eine Abkühlung gilt.

Meeresoberfläche

Die Meeresoberflächentemperatur ist definiert als die Wassertemperatur einen Meter unter der unmittelbaren Meeresoberfläche. Sie stellt eine zentrale meteorologische und klimatologische Messgröße dar, da sie sowohl die thermohaline Zirkulation des Meeres, als auch dessen Wärmeaustausch mit der Erdatmosphäre bestimmt. In der Regel nutzt man für die Meeresoberflächentemperatur die englische Abkürzung SST (sea Oberflächentemperatur der Erde von Mitte März bis surface temperature). Anfang April 2000 Wichtige Parameter, die direkt oder indirekt auf der Meeresoberflächentemperatur und deren räumlichen Unterschieden beruhen, sind der Southern Oscillation Index und die Nordatlantische Oszillation. Die SST spielt daher eine große Rolle für El Niño und La Niña sowie für Monsunphänomene und dabei speziell den indischen Monsun.

Es gibt unterschiedliche Wege die SST zu messen, wobei zwischen diesen Verfahren teils erhebliche Unterschiede in der Messgenauigkeit auftreten können, da sie mit unterschiedlich großen Fehlern behaftet sind. Zunächst nutzte man eine direkte Messung durch Thermometer, entweder manuell durch Messung an einer Wasserprobe oder automatisch durch Schiffe. Das so erlangte Datenmaterial weist jedoch erhebliche Ungenauigkeiten Oberflächentemperatur im westlichen auf, da aufgrund beispielsweise eines unterschiedlichen Tiefgangs Nordatlantik. Nordamerika erscheint schwarz und oder einer uneinheitlichen Position des Messgerätes nicht immer dunkelblau (kalt) der Golfstrom rot (warm). in gleicher Tiefe gemessen wird. Bessere und wesentlich Quelle: NASA zuverlässigere Daten erhält man daher von ortsfest installierten Bojen. Deren Messdaten werden meist über Satelliten übertragen und dort automatisch ausgewertet. Ein Vorteil ist Oberflächentemperatur 838

hierbei jedoch nicht nur die immer gleiche Tiefe der Messung, sondern auch die ortsfeste Position. Man erhält dadurch für definierte Punkte durchgehende Messreihen und vermeidet eine Verzerrung des Datensatzes durch eine räumlich und in der Zeit unterschiedliche Datenlage, je nachdem, ob an einem bestimmten Ort gerade ein Schiff mit Messapparatur zugegen ist, oder nicht. Ein Problem ist jedoch auch, dass die Bojen nur sehr begrenzt hochseetauglich sind und daher oft nur das Küstenbild abdecken. Seit den 1980ern werden daher verstärkt Satellitenmessungen genutzt, welche den Vorteil haben, das gesamte Areal in der nahezu gleichen Zeit zu erfassen, im Gegensatz zu den obigen Punktmessungen. Hierbei wird der Ozean mit elektromagnetischer Strahlung im Infrarot-Wellenlängenbereich abgetastet (siehe Bildbeschreibung der Abbildung oben rechts). Die Bedeutung der Satellitenmessungen zeigt sich im direkten Vergleich mit ihren Alternativen. Die Satelliten ermöglichen einen hochauflösenden Gesamtüberblick in einem vergleichsweise sehr kurzen Zeitraum. So braucht ein Schiff mit einer Geschwindigkeit von zehn Knoten ungefähr zehn Jahre um den gleichen Abschnitt zu erfassen, wie ein Satellit innerhalb von nur zwei Minuten. Die Messung der absoluten SST mittels Satelliten hat aber auch Nachteile. Die Strahlung wird in den obersten rund zehn Zentimetern des Ozeans reflektiert und repräsentiert daher, bedingt durch die tiefenabhängige Erwärmungswirkung der Sonne, die Abkühlung in der Nacht und die Oberflächenverdunstung, nicht die reale SST. Eine Vergleichbarkeit von direkten Temperaturmessungen durch Bojen und Schiffe mit den Messdaten der Satelliten ist daher nur sehr eingeschränkt gegeben, was bei relevanten Temperaturunterschieden von oft einem Zehntel Grad zu erheblichen Auswertungsproblemen führt. Hinzu kommt, dass Satellitenmessungen durch die Wolkendecke gestört werden und daher selbst Inkonsistenzen aufweisen können, falls diese Störungen nicht ausgeglichen werden. Diese Probleme sind jedoch gering gegenüber den Vorteilen einer satellitengestützten Messung.

Sterne

Die Oberflächentemperatur von Sternen ist die für uns messbare Temperatur des Sterns, sagt jedoch wenig über dessen innere Temperatur aus. Sie ist dort höher als die an der Oberfläche, weil im Inneren durch Kernfusion große Wärmemengen freigesetzt werden. Diese Wärme wird dann entlang des Temperaturgefälles nach außen transportiert und dort abgestrahlt, wobei die Beziehung zwischen der Wellenlänge des emittierten Lichtes und der Oberflächentemperatur des Sterns durch das Wiensche Verschiebungsgesetz gegeben ist.

Da man nicht in der Lage ist die Temperatur des Sterns direkt zu messen, wohl aber die Wellenlänge der von ihm freigesetzten Strahlung, kann man auf diese Weise die Oberflächentemperatur des Sterns indirekt ermitteln. Zum Beispiel hat die Photosphäre der Sonne Sonnenstrahlung ein Spektrum mit einem Maximum bei 500 nm Wellenlänge (blau-grünes Licht), woraus sich eine Temperatur ihrer Photosphäre von ungefähr 5.800 Kelvin folgern lässt. Ohm 839

Ohm

Einheit Norm Internationales Einheitensystem Einheitenname Ohm Einheitenzeichen Beschriebene Größe(n) Elektrischer Widerstand Blindwiderstand Scheinwiderstand, Impedanz Größensymbol(e) In SI-Einheiten

In elektrostatischen CGS-Einheiten (CGS-ESU) In elektromagnetischen CGS-Einheiten (CGS-EMU) Benannt nach Georg Simon Ohm

Siehe auch: Siemens

Ohm ist die abgeleitete SI-Einheit des elektrischen Widerstands mit dem Einheitenzeichen Ω (großes griechisches Omega). Sie ist nach Georg Simon Ohm (1789-1854) benannt. Das nach ihm benannte ohmsche Gesetz stellt einen einfachen Zusammenhang zwischen der angelegten Spannung (Einheit: Volt, V) und dem daraus resultierenden Strom (Einheit: Ampere, A) für sogenannte ohmsche Leiter dar. Der Kehrwert des elektrischen Widerstandes, also der elektrische Leitwert G, hat die Einheit Siemens. Mit einem Multimeter kann der elektrische Widerstand gemessen werden Historisch

Auf dem Ersten Internationalen Elektrizitätskongress wurde am 21. September 1881 der Name Ohm als „praktische Einheit“ des elektrischen Widerstandes für 1.000.000.000 cm/s festgelegt; in der dabei zugrundegelegten Variante eines cgs-Systems (genauer: elektromagnetische cgs-Einheiten) ist 1 cm/s die „fundamentale“ Widerstandseinheit. Zur Realisierung der Einheit ein Ohm wurde dabei eine Quecksilbersäule mit festgelegter Querschnittsfläche bei null Grad Celsius eingeführt. Diese Bauart hatte Werner Siemens 1860 in den Annalen der Physik beschrieben, mit Abmessungen, nach denen sich ein Wert von ungefähr 0,944 Ohm ergibt, der als 1 Siemens oder eine Siemens-Einheit (SE) bezeichnet wurde. Siemens fertigte und verkaufte Silberdrähte als Sekundärnormal.

Auf dem 4. Internationalen Elektriker-Kongress zu Chicago 1893 wurde diese Realisierungsvorschrift modifiziert und fand für das Deutsche Reich Eingang in das „Gesetz betreffend die elektrischen Maßeinheiten“ vom 1. Juni 1898. In der Formulierung der Internationalen Konferenz für elektrische Einheiten und Normale in London 1908 enthält sie folgende Festlegungen: 14,4521 g Quecksilber, Quecksilbersäule von 106,300 cm Länge mit durchweg gleichem Querschnitt, konstanter Strom, Temperatur des schmelzenden Eises. Das so realisierte Ohm wurde „Internationales Ohm“ genannt. Durch verbesserte Messmöglichkeiten und Spannungsquellen mit konstanteren, aber geringfügig anderen Spannungswerten (Normalelemente) ergaben sich im Laufe der Folgezeit nicht mehr akzeptable Abweichungen zwischen praktischem und internationalem Ohm. (Noch störender war, dass sich eine analoge Ohm 840

Diskrepanz bei den Einheiten der mechanischen bzw. elektrischen Energie und Leistung einstellte, die größer war als die von praktischem und internationalem Ohm.) Im Grunde hatten sich die ursprünglich nur als Realisierungsvorschriften gedachten Definitionen der „internationalen“ elektrischen Einheiten – auch für Ampere und Volt gab es solche – selbstständig gemacht und waren als eigenes Einheitensystem neben die gaußschen cgs-Einheiten mit den praktischen elektrischen Einheiten getreten. Deswegen führte 1948 die 9. CGPM wieder das absolute Ohm ein, sozusagen nun als einziges Ohm. Präzisionsbestimmungen ergaben damals: 1 internationales Ohm ist gleich 1,00049 Ohm. In dieser Form wurde das Ohm in das MKSA-System übernommen und dieses später in das Système international d’unités integriert.

Quanten-Hall-Effekt Bei starken Magnetfeldern und tiefen Temperaturen um einige Kelvin zeigt sich, dass die Hall-Spannung geteilt durch den Strom I, nicht beliebige Werte annehmen kann, wenn die Magnetfeldstärke variiert wird. Es entsteht stattdessen immer ein ganzzahliger Bruchteil der Klitzing-Konstante . Der Wert beträgt dabei ungefähr R = 25.812,807 Ω und die Bruchteile sind , , und so weiter; bei etwas anderen K-90 Versuchsbedingungen können auch Werte wie angenommen werden.[1] Die Genauigkeit, mit der dieser Quanten-Hall-Effekt reproduziert werden kann, ist hinreichend gut, dass durch internationale Vereinbarungen als Standard für die Realisierung des elektrischen Widerstandes festgelegt worden ist. Klaus von Klitzing bekam für diese Entdeckung 1985 den Nobelpreis für Physik verliehen. Darstellung in Computersystemen

Kodierung Das Ohmzeichen wird folgendermaßen definiert und kodiert:

Zeichenkodierungsstandard Unicode und Internet-Dokumentenformat HTML

Zeichen Unicode Name HTML

Position Bezeichnung hexadezimal dezimal benannt

Ω U+03A9 Greek capital letter omega Griechischer Großbuchstabe Omega Ω Ω –

Laut Unicode-Standard soll die physikalische Einheit Ohm durch den griechischen Großbuchstaben Omega dargestellt werden. Unicode enthält zwar auch ein Zeichen namens Ohmzeichen (U+2126: Ω), dieses wurde jedoch lediglich zur Kompatibilität mit älteren Zeichenkodierungsstandards aufgenommen und sollte in neu erstellten Texten nicht verwendet werden.

Einzelnachweise

[1] Neues vom Quanten-Hall-Effekt (http:/ / archiv. pressestelle. tu-berlin. de/ pi/ 1996/ pi168. htm). Medieninformation Nr. 168, Technische Universität Berlin, 23. Juli 1996

Weblinks

• U.S. Legal Ohm von 1901 bis 1990 (http:/ / nvl. nist. gov/ pub/ nistpubs/ sp958-lide/ html/ 063-065. html) (englisch) Ohm (Einheit) 841

Ohm (Einheit)

In elektrostatischen CGS-Einheiten (CGS-ESU) In elektromagnetischen CGS-Einheiten (CGS-EMU) Benannt nach Georg Simon Ohm

Siehe auch: Siemens

Kodierung Das Ohmzeichen wird folgendermaßen definiert und kodiert:

Zeichenkodierungsstandard Unicode und Internet-Dokumentenformat HTML

Zeichen Unicode Name HTML

Position Bezeichnung hexadezimal dezimal benannt

Ω U+03A9 Greek capital letter omega Griechischer Großbuchstabe Omega Ω Ω –

Einzelnachweise

[1] Neues vom Quanten-Hall-Effekt (http:/ / archiv. pressestelle. tu-berlin. de/ pi/ 1996/ pi168. htm). Medieninformation Nr. 168, Technische Universität Berlin, 23. Juli 1996

Weblinks

• U.S. Legal Ohm von 1901 bis 1990 (http:/ / nvl. nist. gov/ pub/ nistpubs/ sp958-lide/ html/ 063-065. html) (englisch) Ohmsches Gesetz 843

Ohmsches Gesetz

Das ohmsche Gesetz postuliert folgenden Zusammenhang: Wird an ein Objekt eine elektrische Spannung angelegt, so verändert sich der hindurch fließende elektrische Strom proportional zur Spannung. Tatsächlich gilt das Gesetz nur in engem Rahmen und nur für einige Stoffe. Dennoch ist es die Basis für das Verständnis der Zusammenhänge zwischen Strom und Spannung in elektrischen Stromkreisen. Die Bezeichnung des Gesetzes ehrt Georg Simon Ohm, der diesen Zusammenhang für einige einfache elektrische Leiter als erster schlüssig nachweisen konnte.

Beschreibung

Die Proportionalität der Spannung zur Stromstärke wird für die Definition der Größe elektrischer Widerstand benutzt, einer Größe, die mit dem Formelzeichen bezeichnet wird. Dabei gilt:

Das ohmsche Gesetz soll aber mehr sein als nur eine Definitionsgleichung: Auch wenn zumindest in einem gewissen Spannungs- bzw. Stromstärkebereich ein

System „ohmsches Verhalten“ (linearer elektrischer Widerstand → ohmscher Merkhilfe für die drei Widerstand) aufweist, so ist der Widerstand vielfach keine Funktion von U bzw. I. Schreibweisen des ohmschen Auch bei nicht-ohmschem Systemverhalten lässt sich noch eine Größe Gesetzes mit dem Akronym URI: Horizontal: Multiplikation, „Widerstand“ als Verhältnis U/I definieren, wobei eine Abhängigkeit des Vertikal: Division (Bruch). Widerstands z. B. von U vorliegt. Hierauf basieren u. a. Verstärkerschaltungen. Für die Beschreibung dieser Vorgänge wird oft der Begriff differentieller Widerstand benutzt, der den Zusammenhang zwischen einer kleinen Spannungsänderung ΔU und der zugehörigen Stromänderung ΔI erfasst.

Das ohmsche Gesetz lässt sich in drei Schreibweisen darstellen:

Lokale Betrachtungsweise In einer lokalen Betrachtung wird das ohmsche Gesetz durch den linearen Zusammenhang zwischen dem Stromdichte-Vektorfeld und dem elektrischen Feldstärke-Vektorfeld mit der elektrischen Leitfähigkeit als Proportionalitätsfaktor beschrieben, also

In isotropen Materialien kann der Tensor durch einen Skalar ersetzt werden, und es gilt:

Wird die Bewegung der freien Elektronen analog der ungeordneten Molekülbewegungen in einem idealen Gas betrachtet, so erscheint die Konstanz der elektrischen Leitfähigkeit plausibel: Die Zähldichte der Elektronen ist dann innerhalb des Leiters konstant. Die mittlere Geschwindigkeit der Elektronen ist

Die mittlere Wegstrecke zwischen zwei Stößen an Ionen im Metall wird in einer typischen Zeit zurückgelegt: . Ohmsches Gesetz 844

In dieser Zeit erfahren die Elektronen eine Beschleunigung durch das angelegte elektrische Feld mit

wobei die Elementarladung und die Elektronenmasse ist. Die Elektronen erreichen somit eine Driftgeschwindigkeit mit . Setzt man dieses in die Gleichung für ein, so erhält man:

Die Größen und hängen nur von der Geschwindigkeitsverteilung innerhalb der „Elektronenwolke“ ab. Da die Driftgeschwindigkeit aber circa 10 Größenordnungen kleiner ist als die mittlere Geschwindigkeit , ändert sich die Geschwindigkeitsverteilung durch das Anlegen eines elektrischen Feldes nicht, und und und somit der ganze Ausdruck für sind konstant.

Geschichte

Georg Simon Ohm wollte einen mathematischen Zusammenhang – eine Formel – entwickeln, mit der sich die „Wirkung fließender Elektrizität“ (heute: die Stromstärke) in Abhängigkeit vom Material und von den Dimensionen eines Drahtes berechnen lässt. Dabei ist er nicht zufällig auf das nach ihm benannte Gesetz gestoßen, sondern hat Daniell-Elemente. Jedes Gefäß enthält eine viel Zeit und viel zielgerichtete Arbeit investiert. Die von ihm Kupfer- und eine Zinkplatte, die in Wasser oder gefundene Gesetzmäßigkeit in der Form erscheint uns nahezu einer dünnen Säure stehen.

als Trivialität: Je größer die elektrische Spannung bzw. je kleiner der elektrische Widerstand ist, um so größer ist der fließende elektrische Strom . Diese Zusammenhänge lassen sich heute mit in jeder Schule vorhandenen Versuchsgeräten mit ausreichend geringen Toleranzen sehr einfach zeigen.

Im Jahr 1825 standen Ohm solche Geräte nicht zur Verfügung. Voltasäulen, Batterien aus Daniell-Elementen und, sogenannte Trogapparate, das sind größer dimensionierte Daniell-Elemente, in verschiedenen Ausführungen dienten damals als Spannungsquellen. Die Spannungs- und Strommessgeräte jener Zeit waren für Ohms hoch gestecktes Ziel eher als Nachweisgeräte, nicht aber als ausreichend exakte Messgeräte geeignet, um damit genaue Messwerte für die Entwicklung einer Formel zu erhalten. Ohms experimentell-innovative Leistungen bestanden darin, bereits entwickelte Gerätekomponenten sowie die Entdeckungen mehrerer zeitgenössischer Forscher geschickt kombiniert zu haben. Die daraus gewonnenen Messdaten hat er dann mathematisch analysiert und ihren physikalischen Zusammenhang interpretiert. Zunächst veröffentlichte Ohm 1825 in den Annalen der Physik und Chemie einen Artikel[1], in dem er eine von ihm entwickelte Messvorrichtung beschrieb, mit der er zu exakteren Messwerten kam als andere Forscher vor ihm. Ohm nutzte hierfür einerseits die 1820 von Hans Christian Ørsted beschriebene magnetische Wirkung des elektrischen Stroms[2] und andererseits eine sehr sensible Vorrichtung zur Kraftmessung: Er ersetzte in der Messvorrichtung der coulombschen Drehwaage den darin vorhandenen Probekörper durch einen kleinen Stabmagneten, stellte diese Drehwaage auf einen stromdurchflossenen Draht und maß die Kraftwirkung des Stromes auf den Magneten. Diese Messung führte er mit verschiedenen Drähten durch und suchte dann nach einem mathematischen Zusammenhang zwischen Drähten und Kräften. Ohmsches Gesetz 845

Die 1825 im Artikel „Vorläufige Anzeige des Gesetzes, nach welchem Metalle die Contactelectricität leiten“ veröffentlichten Messergebnisse konnten jedoch nicht zu einer allgemeingültigen Formel führen, weil – analysiert mit heutigen Begriffen - die elektrische Leistung aller damals benutzten Spannungsquellen (unter anderem durch variierende Bildung von Gasbläschen auf den Metallplatten) stark schwankt. Diesen Effekt beschrieb Ohm mehrfach: Die „Wirkung auf die Nadel“ ändere sich während der Einzelmessungen und sei unter anderem auch von der Reihenfolge der vorgenommenen Messungen abhängig[3]. Trotzdem leitete er im veröffentlichten Artikel aus seinen Messwerten letztendlich eine Formel ab [4], die die angegebenen Messwerte annähernd reproduziert.

Infolge seines Artikels erhielt Ohm einen Hinweis[5] auf die Entdeckung des Thermoelements durch Thomas Johann Seebeck, über die 1823 ein von Ørsted verfasster Bericht in den „Annalen“[6] abgedruckt wurde. Dieser Hinweis verhalf Ohm zu seinem Durchbruch. Kupferstich der ohmschen Drehwaage In „Bestimmung des Gesetzes, nach welchem Metalle die Contactelektricität leiten […]“[7] beschrieb Ohm 1826 zunächst kritisch „Das beständige Wogen der Kraft“[8] in seinen vorhergehenden Versuchen. Es folgt die Beschreibung[9] einer von ihm entworfene „Drehwaage“[10], die er von einem Handwerker anfertigen ließ (siehe Abbildung). Das bügelförmige Bauelement abb'a' ist ein Thermoelement aus einem Wismutbügel, an dessen Schenkeln jeweils ein Kupferstreifen befestigt ist. Ein Schenkel wurde mit siedendem Wasser erwärmt, der andere mit Eiswasser gekühlt. Ohm führte seine Experimente im Januar 1826 durch. Die Gefäße für die Temperaturbäder sind nicht dargestellt. Die reproduzierbare Temperaturdifferenz von ca. 100 °C zwischen den Schenkeln des Bügels erzeugt eine reproduzierbare „erregende Kraft“ [11], die nicht unkontrolliert „wogt“, weil hier keine chemischen Reaktionen ablaufen. Laut heutigen Definitionen entspricht diese „erregende Kraft“ einer Leerlaufspannung von ca. 7,9 mV.

Ohm maß die auf die Magnetnadel wirkenden Kräfte, wenn er die Enden verschieden langer Drähte in die mit Quecksilber gefüllten „Eierbecher“ und tauchte. Aus den so gewonnen Messdaten entwickelte er die Formel . Hierbei steht für den „elektrischen Strom“, für die „erregende Kraft“, steht für den

„Leitungswiderstand“ der Drehwaage (inklusive Stromquelle) und für die „Widerstandslänge“ der benutzten Drähte. In einem weiteren Artikel desselben Jahres[12] benutzte Ohm den Begriff „elektrische Spannung“ statt „erregende Kraft“. Somit entspricht die Formel exakt der Gleichung, die wir noch heute für die Beschreibung der Zusammenhänge in einem Stromkreis benutzen: ( : elektrischer Strom; : elektrische Spannung; :

Innenwiderstand der Stromquelle; : Außenwiderstand der an die Stromquelle angeschlossenen Komponenten). Mit Hilfe des Thermoelements war es Ohm also gelungen, das nach ihm benannte Gesetz zu entdecken. 1827 veröffentlichte Ohm „Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet“[13], in dem er nicht nur die Abhängigkeit des Stroms vom Material des Drahtes noch einmal aufgriff. Unter anderem leitete er theoretisch die durch seine Messungen belegte Abhängigkeit des Stroms von der Leiterlänge und vom Leitungsquerschnitt her. Auch die Zusammenhänge zur Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen wurden von ihm schlüssig beschrieben. In seinen Veröffentlichungen von 1826/27 erklärte Ohm - damals „nur“ Lehrer für Physik und Mathematik - die Beobachtungen vieler anerkannter Wissenschaftler anders als sie es getan hatten. Dies mag der Grund dafür sein, Ohmsches Gesetz 846

dass die Bedeutung seine Arbeiten von der Wissenschaftlergemeinde nicht sofort akzeptiert wurde. „Erst im Laufe der 30er Jahre wurde sein Gesetz zögernd in Deutschland anerkannt; international wurde es erst nach einer Nachentdeckung im Jahr 1837 zur Kenntnis genommen.“[14]

Einzelnachweise [1] Georg Simon Ohm: Vorläufige Anzeige des Gesetzes, nach welchem Metalle die Contactelektricität leiten sowie Späterer Nachtrag. In: J. C.

Poggendorff (Hrsg.) Annalen der Physik und Chemie. Berlin 1825, Band 80, S. 79–88. ( pdf (http:/ / www. ohm-hochschule. de/ bib/

textarchiv/ Ohm. Vorlaeufige_Anzeige_des_Gesetzes. pdf)) [2] vermutlich der erste Artikel zu Hans Christian Ørsteds Entdeckung in deutscher Sprache: Ludwig Wilhelm Gilbert: Ein electrisch-magnetischer Versuch von dem Prof. Oersted. In: L. W. Gilbert (Hrsg.): Annalen der Physik und Chemie. Leipzig 1823, Band 73, S.

278 ( eingeschränkte Vorschau (http:/ / books. google. de/ books?id=MAMAAAAAMAAJ& pg=PA27#v=onepage) in der Google Buchsuche) [3] Georg Simon Ohm: Vorläufige Anzeige des Gesetzes, nach welchem Metalle die Contactelektricität leiten sowie Späterer Nachtrag. In: J. C. Poggendorff (Hrsg.) Annalen der Physik und Chemie. Berlin 1825, Band 80, S. 79–88 (speziell S. 83 bzw. 87). [4] Georg Simon Ohm: Vorläufige Anzeige des Gesetzes, nach welchem Metalle die Contactelektricität leiten sowie Späterer Nachtrag. In: J. C. Poggendorff (Hrsg.) Annalen der Physik und Chemie. Berlin 1825, Band 80, S. 79–88 (speziell S. 84) [5] Georg Simon Ohm: Vorläufige Anzeige des Gesetzes, nach welchem Metalle die Contactelektricität leiten sowie Späterer Nachtrag. In: J. C. Poggendorff (Hrsg.) Annalen der Physik und Chemie. Berlin 1825, Band 80, S. 79–88 (speziell S. 83, Fußnote). [6] Ludwig Wilhelm Gilbert: Notiz von neuen electrisch-magnetischen Versuchen des Herrn Seebeck in Berlin, mitgetheilt von Hrn Oersted. In:

L. W. Gilbert (Hrsg.): Annalen der Physik und Chemie. Leipzig 1823, Band 73, S. 430–432. ( online (http:/ / babel. hathitrust. org/ cgi/

pt?u=1& num=430& seq=6& view=image& size=100& id=mdp. 39015051409962)) [7] Georg Simon Ohm: Bestimmung des Gesetzes, nach welchem Metalle die Contactelektricität leiten, nebst einem Entwurfe zur Theorie des Voltaischen Apparates und des Schweiggerschen Multiplikators. In: J. S. C. Schweigger (Hrsg.): Journal für Chemie und Physik. Halle 1826,

Band 46, S. 137–166. ( pdf (http:/ / www. ohm-hochschule. de/ bib/ textarchiv/ Ohm. Bestimmung_des_Gesetzes. pdf)) [8] Georg Simon Ohm: Bestimmung des Gesetzes, nach welchem Metalle die Contactelektricität leiten, nebst einem Entwurfe zur Theorie des Voltaischen Apparates und des Schweiggerschen Multiplikators. In: J. S. C. Schweigger (Hrsg.): Journal für Chemie und Physik. Halle 1826, Band 46, S. 137–166 (speziell S. 139). [9] Georg Simon Ohm: Bestimmung des Gesetzes, nach welchem Metalle die Contactelektricität leiten, nebst einem Entwurfe zur Theorie des Voltaischen Apparates und des Schweiggerschen Multiplikators. In: J. S. C. Schweigger (Hrsg.): Journal für Chemie und Physik. Halle 1826, Band 46, S. 137–166 (speziell S. 144–149). [10] Georg Simon Ohm: Bestimmung des Gesetzes, nach welchem Metalle die Contactelektricität leiten, nebst einem Entwurfe zur Theorie des Voltaischen Apparates und des Schweiggerschen Multiplikators. In: J. S. C. Schweigger (Hrsg.): Journal für Chemie und Physik. Halle 1826,

Band 46, S. 137–166 (speziell Tafel 3, Figur 1). ( pdf (http:/ / www. ohm-hochschule. de/ bib/ textarchiv/ Ohmsche. Drehwaage. pdf)) [11] Georg Simon Ohm: Bestimmung des Gesetzes, nach welchem Metalle die Contactelektricität leiten, nebst einem Entwurfe zur Theorie des Voltaischen Apparates und des Schweiggerschen Multiplikators. In: J. S. C. Schweigger (Hrsg.): Journal für Chemie und Physik. Halle 1826, Band 46, S. 137–166 (speziell S. 151). [12] Georg Simon Ohm: Versuch einer Theorie der durch galvanische Kräfte hervorgebrachten elektroskopischen Erscheinungen. In: J. C.

Poggendorff (Hrsg.): Annalen der Physik und Chemie. Berlin 1826, Band 82, S. 459–469. Hier: S. 459. ( pdf (http:/ / www. ohm-hochschule.

de/ bib/ textarchiv/ Ohm. Elektroskopische_Erscheinungen. pdf)) [13] Georg Simon Ohm: Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet. [Reprint der Ausgabe, [Riemann], 1827] Saarbrücken 2006, ISBN

3-939962-03-1( pdf (http:/ / www. ohm-hochschule. de/ bib/ textarchiv/ Ohm. Die_galvanische_Kette. pdf), Volltext und Faksimiles (http:/ /

www. deutschestextarchiv. de/ ohm/ galvanische/ 1827/ ) im Deutschen Textarchiv). [14] Jörg Meya u. a.: Das fünfte Element. Wirkungen und Deutungen der Elektrizität. Reinbek bei Hamburg 1987, ISBN 3-499-17726-9, S. 194. Ole Rømer 847

Ole Rømer

Ole Christensen Rømer (* 25. Septemberjul./ 5. October 1644greg. in Aarhus; † 19. September 1710 in Kopenhagen)[1], auch Ole oder Olaus mit Vor-, sowie Roemer oder Römer mit Nachnamen, war ein dänischer Astronom. Seine Eltern waren Christen Olesen Rømer, ein wohlhabender Kaufmann mit einer mathematischen Bibliothek, und dessen Frau Anne Marie Storm.[2]

Bekannt wurde er durch den ersten Nachweis, dass die Lichtgeschwindigkeit endlich und nicht unendlich groß ist, beziehungsweise durch die Anleitung, wie die Lichtgeschwindigkeit durch Beobachtung der Jupitermonde berechnet werden kann.

Leben

Ole Rømer studierte ab 1662 Astronomie bei Erasmus Bartholin in Ole Rømer Kopenhagen und arbeitete mit diesem zusammen bis 1671, unter anderem an der Herausgabe der Schriften von Tycho Brahe. 1671 kam der Astronom Jean Picard im Auftrage der Pariser Académie des Sciences nach Kopenhagen, um auf der Øresund-Insel Hven die geografische Länge des alten Observatoriums von Tycho Brahe zu bestimmen. Mit der Bestimmung des Unterschiedes der Länge zwischen Hven und Paris (Längenproblem) ließen sich die genauen Tafeln von Tycho Brahe ebenfalls in Paris verwenden. Dazu musste der Umlauf der Jupitermonde beobachtet werden. Der Assistent Ole Rømer half so geschickt bei dieser Arbeit, dass er eingeladen wurde, am Ende der Messreihe im April 1672 mit Picard nach Paris zu kommen. Rømer stimmte zu und arbeitete als Mitglied der Akademie bei Giovanni Domenico Cassini an der Pariser Sternwarte. Er entwickelte dort 1672 ein Mikrometer für Fernrohre und baute mechanische Modelle für Planetenumläufe (Jovilabium (1677), Saturnarium (1678), Lunarium (1680)). Dazu entwickelte er ein neuartiges epizyklisches Zahnrad. Diese Planetarien sollten die langwierigen astronomischen Beobachtungen erleichtern.

1676 wurde Rømer zum königlich-dänischen Astronomen ernannt und ging erst 1681 von Paris an die Universität Kopenhagen. Dort wurde er Professor der Mathematik. 1681 heiratete er die Tochter Bartholins, die 1694 starb (1698 heiratete er ihre Schwester). 1683 führte er im Königreich Dänemark ein landesweit einheitliches System von Längenmaßen und Gewichten ein. Um 1700 entwickelte er ein genaues Messinstrument für Sternpositionen, den Meridiankreis. Mit ihm wollte er durch Messung von Sternparallaxen des Sirius den schlüssigen Beweis für das Modell des Sonnensystems von Nicolaus Copernicus erbringen. Der Nachweis gelang erst 1838 durch Friedrich Wilhelm Bessel. Am 1. März 1700 führte Dänemark auf Rømers Vorschlag hin den gregorianischen Kalender ein. 1702 baute er das erste Thermometer mit zwei Fixpunkten (Rømer-Skala), das Fahrenheit nach einem Besuch bei ihm (1708) weiterentwickelte. Rømer leitete etwa 1705 in seiner Adversaria (Kladde) eine Messfehler-Formel für sein Meridian-Instrument her. Heute wird diese Messfehler-Formel Tobias Mayer zugeschrieben, der sie erst 51 Jahre später, also 1756, fand, ohne Rømers Herleitung zu kennen. Durch seine genaue Beobachtung gelang Rømer der Nachweis, dass der Stern Castor im Sternbild Zwillinge ein Doppelsternsystem ist. Schließlich nahm er an der Beobachtungsaktion des Merkurtransits vor der Sonne am 5. Mai 1707 teil und wertete sie aus. Nachdem Rømer bereits ab 1688 verschiedene politische Ämter bekleidet hatte, wurde er 1705 Bürgermeister in Kopenhagen, Leiter der Polizei und Senator. In diesen Funktionen führte er weitreichende Verbesserungen ein, darunter die erste Straßenbeleuchtung (mittels Öllampen), Sanierung von Wasserversorgung und Kanalisation. Diese Ämter bekleidete er bis zu seinem Tod. In der Frue-Kirche wurde er beigesetzt. Ole Rømer 848

Die meisten seiner Geräte und Aufzeichnungen wurden bei dem großen Brand der Stadt Kopenhagen am 20. Oktober 1728 zerstört, einzelne Stücke sind noch im Kroppedal-Museum aufgehoben. Seine Ideen wurden nach seinem Tod teilweise durch Bücher seines Schülers Peder Horrebow verbreitet. Der Mondkrater Römer ist nach ihm benannt.

Lichtgeschwindigkeit

Die Frage, ob die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes endlich oder unendlich sei, war schon seit Jahrhunderten kontrovers diskutiert worden. Anhänger des Aristoteles, darunter René Descartes, plädierten für unendliche Lichtgeschwindigkeit. 1668 hatte Cassini in Bologna seine ersten Tabellen veröffentlicht, die einen Fahrplan für die Verfinsterungen der vier Jupitermonde angaben. Die dort angegebenen Zeitpunkte halfen beim Längengradproblem. Schon ab 1668 hatte er Abweichungen zwischen Fahrplan und Beobachtung festgestellt. Von 1672 an setzte Rømer die Beobachtungen in Paris fort. Dabei bestätigten sich nicht nur systematische Abweichungen, sondern es festigte sich die Vermutung, dass die Verfinsterungen – im Vergleich zur Vorhersage – früher eintraten, wenn die Erde sich auf ihrer jährlichen Bahn um die Sonne (A) dem Jupiter (B) auf dem Kreisbogen von E über F und G bis zur Oppositionsstellung H nähert (vgl. rechts Zeichnung von Rømer), und später als vom Fahrplan vorausgesagt, wenn sich die Erde vom Jupiter von H über L und K bis zur Konjunktionsstellung E entfernt. Der Grund hierfür ist, dass sich der Lichtweg zwischen Jupiter und Erde ändert, und damit – wenn denn die Lichtgeschwindigkeit eine endliche Größe ist – auch die Lichtlaufzeit. Rømer wagte am 23. August 1676 die Voraussage, dass die Verfinsterung des Mondes Io (DC) am 9. November 1676 um zehn Minuten „zu spät“ sichtbar sein werde. Als diese Verzögerung Verfinsterung beim Umlauf des Mondes Io tatsächlich eintrat, stellte er seine Erklärung der königlichen Akademie der Wissenschaften (Academie des sciences) in Paris am 21. November 1676 vor und veröffentlichte sie am 7. Dezember 1676 im Journal des sçavans unter dem Titel „Démonstration touchant le mouvement de la lumière trouvé par M. Roemer de l'Académie des sciences“.

In diesem Artikel wird aber nicht die Lichtgeschwindigkeit, sondern nur die Zeit angegeben, die das Licht zum Durchqueren des Erdbahndurchmessers benötigt. Nach Rømers Rechnung betrug der Wert etwa 22 Minuten; der korrekte Wert sind knapp 17 Minuten. Für Rømer war es besonders wichtig zu zeigen, dass sich das Licht nicht augenblicklich, sondern mit endlicher Geschwindigkeit ausbreitet. Rømer gab nur einen unteren Schätzwert für die Lichtgeschwindigkeit an: für den Erddurchmesser benötige das Licht weniger als eine Sekunde, nach heutigem Wissen sind es nur 0,0425 s. Rømers Deutung wurde bald von Isaac Newton, John Flamsteed, Edmond Halley und Christiaan Huygens akzeptiert. Cassini und manche andere dagegen folgten lange noch der Ansicht von Descartes, dass sich Licht augenblicklich ausbreitet. Allgemein wurde die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit erst nach James Bradleys Entdeckung der Aberration des Lichtes im Jahr 1729 anerkannt. Ein Wert für die Lichtgeschwindigkeit wurde erstmals 1678 von Christiaan Huygens mit etwa 212.000 km/s in heutigen Einheiten berechnet. Er benutzte die Laufzeitangabe von 22 Minuten (= 1320 s) von Rømer. Für den halben Erdbahndurchmesser (Astronomische Einheit) setzte er 11.000 Erddurchmesser ein, also für den ganzen Ole Rømer 849

Erdbahndurchmesser etwa 280 Millionen km in heutigen Einheiten. Damit stützte er sich auf eine Angabe der Sonnenparallaxe von 9,5 Bogensekunden, die Cassini 1673 aus einer Marsbeobachtung erhalten hatte (aus C. Huygens Abhandlung vom Licht, erschienen erst 1690). Rømer hat zu diesem Zahlenmaterial sicherlich Zugang gehabt, es aber nicht genutzt. Bis heute werden in zahlreichen astronomischen und physikalischen Fach- und Schulbüchern historisch falsche Messergebnisse und untaugliche Messsituationen mitgeteilt, etwa Jupiter in Konjunktion (also am Tag) und in Opposition (kein Schatten sichtbar). Wissenschaftshistoriker versuchten bisher vergeblich, den Sachverhalt richtigzustellen (vgl. Literatur).

Literatur • O. Rømer: Démonstration touchant le mouvement de la lumière trouvé par M. Rømer de l'Académie royale des sciences. Le Journal des Sçavans. Paris 1676, 233-236 (online [3]) • I. B. Cohen: Roemer and the first determination of the velocity of light (1676), in: Isis, 31 (1940), S. 327–379 • Carl B. Boyer: Early estimates of the velocity of light, in: Isis, 33 (1941), S. 24–40 • Ralf Krähling: Die astronomische Methode nach Olaf Roemer anno 1676 zur Bestimmung der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes , Dissertation TU München (1978) • Albert van Helden: Roemer and the speed of light, in: Journal for the History of Astronomy, 14 (1983), S. 137–141 (online [4]) • René Taton: Roemer et la vitesse de la lumière ,Vrin, Paris 1978 • Andrzej K. Wroblewski: De Mora Luminis, in: American Journal of Physics 53 (1985), S. 620–630 • August Ziggelaar: Ole Roemer. Short life story of a danish astronomer, in: Jim Hunt (Hrsg.): Cosmos, an educational challenge. Proceedings of the GIREP-conference 1986, European Space Agency, Paris 1986, S. 121–128

Weblinks • Simulation "Rømer's Measurement of the Speed of Light" im Demonstrations Project [5]

Einzelnachweise [1] Quelle: Christian Reitzer: Programma in obitum Römeri (datiert vom 7. Oktober 1710). In: Peder Horrebow: Operum mathematico-physicorum, Band 3, Kopenhagen 1741, S. 1–12.

[2] C. F. Pechüle: Artikel „Rømer, Ole Christensen“ in: Dansk biografisk Lexikon (http:/ / runeberg. org/ dbl/ 14/ 0492. html) Bd. 14. Kopenhagen 1900. S. 490-497.

[3] http:/ / gallica. bnf. fr/ ark:/ 12148/ bpt6k56527v/ f234. item

[4] http:/ / articles. adsabs. harvard. edu/ / full/ 1983JHA. . . . 14. . 137V/ 0000137. 000. html?high=478aa91ccd09202

[5] http:/ / demonstrations. wolfram. com/ RomersMeasurementOfTheSpeedOfLight/ ''Wolfram

Normdaten (Person): GND: 118790919 (http:/ / d-nb. info/ gnd/ 118790919) | LCCN: n84805850 (http:/ / lccn. loc.

gov/ n84805850) | VIAF: 64075595 (http:/ / viaf. org/ viaf/ 64075595/ ) |