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Quecksilber

Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Quecksilber, Hg, 80
Serie Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block 12, 6, d
Aussehen silbrig weiß
CAS-Nummer 7439-97-6
Massenanteil an der Erdhülle 4 · 10−5 %
Atomar
Atommasse 200,59 u
Atomradius (berechnet) 150 (171) pm
Kovalenter Radius 149 pm
Van-der-Waals-Radius 155 pm
Elektronenkonfiguration [Xe] 4f145d106s2
Elektronen pro Energieniveau 2, 8, 18, 32, 18, 2
Austrittsarbeit 4,5 eV
1. Ionisierungsenergie 1007,1 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie 1810 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand flüssig
Kristallstruktur entfällt
Dichte 13,546 g/cm3 bei 293,15 K
Thermischer Ausdehnungskoeffizient (Volumen) 182 ppm/K
Mohshärte entfällt
Schmelzpunkt 234,32 K (−38,83 °C)
Siedepunkt 629,88 K (356,73 °C)
Molares Volumen 14,09 · 10−6 m3/mol
Verdampfungswärme 59,229 kJ/mol
Schmelzwärme 2,295 kJ/mol
Dampfdruck 0,0002 Pa bei 234 K
Schallgeschwindigkeit 1407 m/s bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität 140 J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit 1,04 · 106 S/m
Chemisch
Oxidationszustände 1, 2, 4[1]
Oxide (Basizität) Hg2O, HgO (leicht basisch)
Normalpotential 0,851 V (Hg2+ + 2e → Hg)
Elektronegativität 2,00 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZM ZE MeV ZP
192Hg

{syn.}

4,85 h ε 0,700 192Au
193Hg

{syn.}

3,80 h ε 2,340 193Au
194Hg

{syn.}

444 a ε 0,040 194Au
195Hg

{syn.}

9,9 h ε 1,510 195Au
196Hg

0,15 %

Stabil
197Hg

{syn.}

64,14 h ε 0,600 197Au
198Hg

9,97 %

Stabil
199Hg

16,87 %

Stabil
200Hg

23,1 %

Stabil
201Hg

13,18 %

Stabil
202Hg

29,86 %

Stabil
203Hg

{syn.}

46,612 d β 0,462 203Tl
204Hg

6,87 %

Stabil
205Hg

{syn.}

5,2 min β 1,531 205Tl
206Hg

{syn.}

8,15 min β 1,308 206Tl
NMR-Eigenschaften
  Spin γ in
rad·T−1·s−1
E fL bei
B = 4,7 T
in MHz
199Hg 1/2 4,769 · 107 0,00567 35,7
201Hg −3/2 1,765 · 107 0,00144 13,2
Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung aus RL 67/548/EWG, Anh. I [2]
R- und S-Sätze R: 23-33-50/53
S: (1/2)-7-45-60-61
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Quecksilber (gr., lat. hydrargyrum, Name gegeben von Dioskurides) ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Hg und der Ordnungszahl 80. Es ist das einzige Metall und neben Brom das einzige Element, das bei Normalbedingungen flüssig ist. Aufgrund seiner hohen Oberflächenspannung benetzt Quecksilber seine Unterlage nicht, sondern bildet wegen seiner starken Kohäsion linsenförmige Tropfen. Es ist wie jedes andere Metall elektrisch leitfähig.

Quecksilber bedeutet ursprünglich lebendiges Silber (althochdeutsch quecsilbar zu germanisch kwikw „(quick)lebendig“). Das Wort Hydrargyrum ist zusammengesetzt aus den griechischen Wörtern hydor „Wasser“ und argyros „Silber“ sowie dem lateinischen Suffix -um. Der Ausdruck ist somit latinisiertes Griechisch und kann mit „flüssiges Silber“ übersetzt werden.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Quecksilber ist seit prähistorischer Zeit bekannt. So wird es schon in den Werken von Aristoteles, Plinius des Älteren und anderen Schriftstellern der Antike erwähnt. Im Altertum wurde es als Heilmittel verwendet (aufgrund seiner Toxizität jedoch mit entsprechend negativen Folgen).

Am Quecksilber wurde vom niederländischen Physiker Heike Kamerlingh Onnes im Jahre 1911 das erste Mal das Phänomen der Supraleitung entdeckt.[3] Ab einer Temperatur von 4,2 Kelvin (−268,9 Grad Celsius) verschwindet dabei der elektrische Widerstand vollständig.

Vorkommen

Quecksilbertropfen

Quecksilbervorkommen gibt es unter anderem in Serbien, Italien, China, Algerien, Russland und Spanien. Meist findet man es als Mineral in Form von Zinnober (HgS) in Gebieten mit ehemaliger vulkanischer Aktivität. Seltener kommt Quecksilber auch gediegen vor. Im spanischen Ort Almadén befinden sich die größten Zinnober-Vorkommen der Erde. Die Förderung wurde im Jahr 2000 beendet und die Minen zu touristischen Attraktionen umgearbeitet.

Gewinnung und Darstellung

Reines Quecksilber wird gewonnen, indem man das Quecksilbererz Zinnober (HgS) mit Sauerstoff reagieren lässt (Röstverfahren).

[4]

Eigenschaften

Quecksilber ist ein silberweißes, flüssiges Schwermetall. Es wird manchmal noch zu den Edelmetallen gezählt, ist jedoch viel reaktiver als die klassischen Edelmetalle (zum Beispiel Platin, Gold), die in derselben Periode stehen. Es bildet mit sehr vielen Metallen Legierungen, die sogenannten Amalgame. Quecksilber leitet Strom schlecht und verdunstet schon bei Raumtemperatur.

Quecksilber ist etwa 13,5-mal so dicht wie Wasser, sodass nach dem Archimedischen Prinzip seine Tragfähigkeit auch 13,5-mal so hoch ist, somit schwimmt auch ein Eisenwürfel (Dichte etwa 7,87-mal so hoch wie die von Wasser) in Quecksilber.

Aggregatzustand

Die Antwort auf die Frage, warum Quecksilber flüssig ist, findet sich in der Betrachtung der Bindung zwischen den Quecksilberatomen. Quecksilber hat eine einmalige Elektronenkonfiguration, die keine stabile Bindung zwischen den einzelnen Atomen zulässt. Die Atome aller anderen bei Raumtemperatur festen Metalle werden durch das sogenannte Elektronengas elektrostatisch zusammengehalten, welches aus delokalisierten Elektronen der äußeren Schale der Atome besteht. Die Metallbindung kommt durch sogenannte Bänder zustande, welche sämtliche Elektronen eines Energieniveaus enthalten. Solche Bänder werden benötigt, um das Pauli-Prinzip zu erfüllen. Bei der metallischen Bindung springen Elektronen vom Valenzband, dem energetisch am höchsten liegenden mit Elektronen vollbesetzte Band, ins Leitungsband, dem nicht komplett aufgefüllten Band, und zurück. Durch diese Wechselwirkung werden die Atome zusammengehalten. Als Element der 12. Gruppe des PSE besitzen Quecksilberatome komplett gefüllte s- und d-Orbitale, was eine sehr stabile und energetisch günstige Konstellation bedeutet. Das Leitungsband ist leer. Bei Zink und Cadmium, die in derselben Gruppe des PSE wie Quecksilber stehen, jedoch bei Raumtemperatur fest sind, ist der energetische Unterschied zwischen dem Valenzband zum Leitungsband so gering, dass Elektronen problemlos vom Valenz- ins Leitungsband springen können. Es kommt zu einer metallischen Bindung. Die Besonderheit bei Quecksilber liegt in dem zusätzlichen f-Orbital, welches Zink und Cadmium nicht besitzen. Während Zink und Cadmium jeweils 12 Elektronen in der äußersten Schale haben, hat Quecksilber 26 darin. Aufgrund der Lanthanoidenkontraktion und des relativistischen Effekts kommt es zu einem Massezuwachs und einer weniger effizienten Abschirmung der Kernladung. Besetzte Orbitale werden so näher an den Kern herangezogen, sowie auch das Valenzband des Quecksilbers. Unbesetzte Orbitale, das Leitungsband, werden nicht näher an den Kern gezogen, was zu einer gewaltigen Energiedifferenz zwischen Valenz- und Leitungsband führt, die bei Zink und Cadmium nicht auftritt. So können kaum Elektronen das Valenzband verlassen, also auch keine gemeinsame Bindung ausbilden. Dies erklärt zugleich auch die leichte Flüchtigkeit und die für Metalle untypische schlechte Leitfähigkeit des Quecksilbers.

Isotope

Von Quecksilber sind insgesamt 34 Isotope und 9 Kernisomere mit Massezahlen von 175 bis 208 bekannt. 7 dieser Isotope sind stabil (mit den Massen 196, 198, 199, 200, 201, 202 und 204). Von den radioaktiven Isotopen weist nur 194Hg mit 444 Jahren eine relativ lange Halbwertszeit auf. Die anderen Isotope und Kernisomere haben nur Halbwertszeiten zwischen 1,1 Millisekunden und 46,612 Tagen.

Siehe auch: Liste der Quecksilber-Isotope

Verwendung

Thermometer

Die thermische Ausdehnung des Quecksilbers ist recht hoch und zwischen 0 °C und 100 °C direkt proportional zur Temperatur. Außerdem benetzt Quecksilber Glas nicht. Daher eignet es sich zum Einsatz in Flüssigkeitsthermometern und Kontaktthermometern.

Bedingt durch seine starke Toxizität ist der Einsatz heutzutage auf den wissenschaftlichen Bereich beschränkt, es kann teilweise durch gefärbten Alkohol oder Galinstan oder elektronische Thermometer ersetzt werden.

Das erste brauchbare Quecksilberthermometer wurde um 1720 von Daniel Gabriel Fahrenheit entwickelt. In einem Thermometer befinden sich im Schnitt 150 mg Quecksilber. In einem Fieberthermometer kann die Menge bis zu 1 g betragen. Dies entspricht in etwa einem Kügelchen von 5,2 mm Durchmesser.

Ab dem 3. April 2009 ist das Inverkehrbringen von quecksilberhaltigen Fieberthermometern, Barometern und Blutdruckmessgeräten innerhalb der EU verboten[5]

Manometer/Barometer

Manometer mit Quecksilbersäule (nicht befüllt)

Die klassische Bauform eines Manometers („Druckdifferenzmessers“) ist ein U-Rohr, dessen Enden mit den beiden Druckatmosphären über Leitungen verbunden sind. Bis in die heutige Zeit ist Quecksilber als Manometerflüssigkeit weit verbreitet.

Die alte Bauform des Barometers ist ein U-förmiges, aufrecht stehendes Rohr, welches auf einer Seite oben geschlossen ist; damit ist es eine Sonderbauform des Manometers.

Die Quecksilbersäule in der geschlossenen Hälfte sinkt nur soweit ab, bis der Luftdruck und die Gewichtskraft des Quecksilbers sich im Kräftegleichgewicht befinden. Bei Normaldruck (1 Atmosphäre) sind dies 760 mm. Die alte Angabe in der Maßeinheit Torr für den Luftdruck entspricht der Höhe der Quecksilbersäule in Millimetern, 1 mm Quecksilbersäule entsprechen 133,21 Pascal.

Schalter

Durch seine elektrische Leitfähigkeit und die relativ hohe Oberflächenspannung ist Quecksilber ideal für die Anwendung als Kontaktwerkstoff in den früher verwendeten Quecksilberschaltern. Wegen der Problematik bei der Entsorgung von Elektronikschrott ist seit dem Jahr 2005 in der EU („RoHS“-Richtlinie) der Einsatz von Quecksilber in Schaltern untersagt.

Quecksilber-Neigungsschalter funktionieren im Prinzip wie eine Wasserwaage; ein Quecksilbertropfen in einem gebogenen Glasrohr öffnet und schließt neigungsabhängig einen elektrischen Kontakt.

In alten Wechselrichtern (Turbowechselrichter) wurde ein Quecksilberstrahl als "Schalter" benutzt.

Quecksilberdampflampen

Quecksilber wird in Entladungsgefäßen (Quecksilberdampflampen) von Gasentladungslampen (Leuchtstofflampen, „Energiesparlampen“, Kaltkathodenröhren, Quecksilberdampf-Hochdruck- und -höchstdrucklampen, Höhensonne, Quarzlampe, sog. „Schwarzlichtlampe“) eingesetzt.

Amalgam

Quecksilber bildet mit anderen Metallen spontan Amalgame. Amalgame werden z. B. als Zahnfüllmittel eingesetzt. Da Quecksilber durch Amalgambildung die schützende Oxidhaut des Aluminiums zerstört, ist das Mitführen von quecksilberhaltigen Geräten (z. B. Fieberthermometer) in Flugzeugen verboten. Diese bestehen zum Großteil aus Aluminium. Der Kontakt des Quecksilbers mit dem Aluminium würde das Flugzeug unter Umständen zerstören.

Desinfektions- und Beizmittel

In dem Wunddesinfektionsmittel Mercurochrom war der wirksame Bestandteil ein organisches Quecksilbersalz. Die heute erhältliche Mercuchrom-Jod-Lösung ist eine Povidon-Jod-Lösung. In Merfen, einem weiteren Desinfektionsmittel, war früher Phenylquecksilberborat enthalten. HgCl2 (Sublimat) wurde früher als Desinfektionsmittel in Krankenhäusern verwendet. Thiomersal besteht zur Hälfte (Masse) aus Quecksilber und wurde vor allem als Bakterizid bei Impfstoffen eingesetzt.

Die konventionelle Landwirtschaft verwendet Quecksilberverbindungen als Beizmittel für Saatgut. In Deutschland wurde die Verwendung von Quecksilber hierfür 1984 verboten.

Heilkunde

Im ausgehenden 19. Jahrhundert hielt man Quecksilber für ein geeignetes Medikament gegen Frauenleiden, weswegen es zum Teil in toxischen Mengen verabreicht wurde. Von der Verwendung von Quecksilber und seinen Verbindungen als Heilmittel stammt offenbar die Bezeichnung von Kurpfuschern als "Quacksalber". Verwendet werden hier typischerweise lateinische oder griechische Bezeichnungen der Verbindungen.

Homöopathie

Quecksilberverbindungen bilden die Grundlage mancher homöopathischer Präparate (wie zum Beispiel Meditonsin[6]). Gemäß der klassischen Homöopathie werden Arzneimittel mit der Ursubstanz Quecksilber so stark verdünnt und verschüttelt, dass sie nicht mehr giftig sind oder eventuell sogar praktisch nicht mehr im Präparat vorkommen. Die ärztlich verordnete Vergiftung der Patienten durch Quecksilber war eins der großen Übel, die der Entwickler der Homöopathie Samuel Hahnemann auf das schärfste verurteilte.

Verbindung Formel griechisch-lateinisch lateinisch
Quecksilber(II)-cyanid Hg(CN)2 Hydrargyrum cyanatum Mercurius cyanatus
Mercuricyanid
Quecksilber(II)-iodid
Roter Blister
HgI2 Hydrargyrum biiodatum rubrum Mercurius biiodatus
Mercurius iodatus ruber
Quecksilber(I)-chlorid
Quecksilberchlorür
Calomel
Hg2Cl2 Hydrargyrum chloratum Mercurius dulcis
Mercurius chloratus
Quecksilber(II)-chlorid
Sublimat
HgCl2 Hydrargyrum bichloratum Mercurius sublimatus corrosivus
Mercurius corrosivus
Quecksilberamidonitrat (Mercuroamidonitrat),
Quecksilber,
Quecksilber(I)-oxid
[HgNH2]NO3,
Hg,
Hg2O
Hydrargyrum oxydulatum nigrum
(Hahnemanni)
Mercurius solubilis
(Hahnemanni)
Quecksilber(II)-sulfid
Zinnober
HgS Hydrargyrum sulfuratum rubrum Mercurius sulfuratus ruber

Elektrolyse

Quecksilber spielt eine große Rolle bei der Herstellung von Natronlauge und Chlor nach dem Amalgamverfahren. Während der Elektrolyse wird das reduzierte Natriummetall als Amalgam, einer Natrium-Quecksilber-Legierung, in eine separate Zelle, den Zersetzer, überführt, um die Bildung des explosiven Chlorknallgases und des unerwünschten Natriummonooxochlorates (Natriumhypochlorit) in der Elektrolysezelle zu verhindern.

Goldwäsche

Bei der Goldwäsche wird Quecksilber verwendet, um den feinen Goldstaub zu lösen, wodurch Goldamalgam entsteht (siehe Amalgamation). Da Quecksilber bei niedrigen Temperaturen flüssig wird, bildet es Legierungen, die besonders leicht schmelzen. Beim Waschen und bei anschließendem Glühen zur Rückgewinnung reinen Goldes gelangt das Quecksilber in die Umgebung. Dies ist der Hauptgrund für die hohe Umweltverschmutzung bei dieser Art der Goldgewinnung.

Mit dieser Methode ist auch ein Vergolden von Kupferblechen möglich, was zum Beispiel bei den Kuppeln der Isaakskathedrale in Sankt Petersburg im 19. Jahrhundert angewendet wurde.

Früher wurde unter anderem im Harz auf diese Weise auch Silber gewonnen. Siehe auch: Amazonas.

Sonstige Anwendungen

Historische Anwendungen

Wichtige Quecksilberverbindungen

Nachweis

Als Nachweisreaktion für Quecksilbersalze wird die Amalgamprobe durchgeführt: Die salzsaure Lösung wird auf ein Kupferblech gegeben – zurück bleibt ein nicht abwischbarer, silbriger Amalgamfleck:

(Redoxreaktion: Quecksilberkationen oxidieren Kupferatome zu Kupferionen und werden selbst zu Quecksilberatomen reduziert; letztere bildet mit dem Kupferblech eine Legierung, Kupfer-Amalgam. Silbersalze bilden ebenfalls Flecke, jedoch ist das hier entstehende Silber fest und somit abwischbar; Silber wird daher besser mit Salzsäure als Chlorid gefällt, welches in verdünntem Ammoniak löslich ist; siehe oben).

Als weiterer Nachweis wird die Glühröhrchen oder Glührohrprobe verwendet. Dabei wird die zu analysierende Substanz mit etwa der gleichen Menge Natriumcarbonat (Soda) vermengt und im Abzug geglüht. Quecksilber scheidet sich dann als Tröpfchen an der Reagenzglaswand ab. Diese Tröpfchen kann man dann mit einem Papierröllchen zu kleinen Perlen verreiben.

Weitere Nachweise sind: Kalomel (Hg2Cl2) oder schmelzbares Präzipitat sowie unschmelzbares Präzipitat.

Die quantitative Bestimmung extrem winziger Quecksilberspuren ist mittels der Kaltdampftechnik in der Atomspektrometrie möglich. Als Nachweisgrenze wird dafür 0,001 µg/l (1 ppt) angegeben.[8] Für diesen Zweck kann man speziell entwickelte Quecksilberanalysatoren verschiedener Herstellerfirmen kaufen. Daneben kommt die Inversvoltammetrie an Gold-, Platin- oder Kohleelektroden in Frage[9].

Umweltemissionen

Quecksilber wird in großen Mengen durch menschliche Aktivitäten freigesetzt. Es wird geschätzt, dass jährlich etwa 2.200 t als gasförmiges Quecksilber in die Atmosphäre abgegeben werden, zudem noch erhebliche Mengen in Böden und Gewässer. Die größte Emissionsquelle ist die Kohleverbrennung. In Stein- und Braunkohle tritt Quecksilber zwar nur in Spuren auf, die hohe Menge der weltweiten verbrannten Kohle führt aber zu erheblichen Freisetzungsraten. Weitere bedeutsame Quellen sind Chlorproduktion, Zementwerke und die kleingewerbliche Goldgewinnung (Artisanal Small Scale Mining). Aufgrund der bekannten Gefahren freigesetzten Quecksilbers wird derzeit auf der Ebene des UN-Umweltprogramms (UNEP) diskutiert, ob ein eigenes internationales Abkommen mit dem Ziel der weltweiten Senkung der Emissionen verabschiedet werden soll.

Gesundheitsschäden durch Quecksilber

Siehe auch Quecksilbervergiftung

Quecksilber ist ein giftiges Schwermetall, das bereits bei Zimmertemperatur verdunstet. Bei der Aufnahme über den Verdauungstrakt ist Quecksilber vergleichsweise ungefährlich, eingeatmete Dämpfe wirken aber stark toxisch. Besonders toxisch sind vor allem die organischen Verbindungen des Quecksilbers, wenn sie mit der Nahrung aufgenommen werden. Je nach Aufnahme sind sowohl eine akute als auch eine chronische Vergiftung möglich. Als Beispiel kann der Fall des englischen Schiffes Triumph im Jahre 1810 dienen, auf dem sich mehr als 200 Menschen vergifteten, als ein Fass mit Quecksilber auslief. Quecksilber kann allerdings sowohl Vergiftungen verursachen als auch in großer Menge wieder ausgeschieden werden.

In jüngerer Zeit (2007) sind ayurvedische Mittel mit hohen Quecksilbergehalten aufgefallen.[10]

Wissenswertes

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. Bild der Wissenschaft, 1/2008, Seite 13
  2. Eintrag zu CAS-Nr. 7439-97-6 im European chemical Substances Information System ESIS
  3. Neue Zürcher Zeitung: Unkonventionelle Supraleiter und ihre Parallelen, 28. September 2005
  4. Werner Schröter, K. -H. Lautenschläger: Chemie für Ausbildung und Praxis, Verlag Harry Deutsch, Thun und Frankfurt am Main (1996) ISBN 3-8171-1484-2 Seite 314
  5. http://www.nfp-online.de/Meldung.61.0.html?&no_cache=1&tx_ttnews%5Btt_news%5D=57&tx_ttnews%5BbackPid%5D=44
  6. Beipackzettel Meditonsin, [1]
  7. Fränztl, Enterotomie bei Ileus, in Virchows Archiv, 49/1870, S.164–192. ISSN 0945-6317 (Print) ISSN 1432-2307 (Online)
  8. K. Cammann (Hrsg.), Instrumentelle Analytische Chemie, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg-Berlin, 2001, S. 4-47.
  9. R. Neeb, Inverse Polarographie und Voltammetrie, Akademie-Verlag, Berlin, 1969, S. 193-195.
  10. Ökotest, Nahrungsergänzung: Gift in Ayurveda-Produkten entdeckt., vom 1. März 2007

Literatur

 Commons: Quecksilber – Bilder, Videos und Audiodateien
 Wiktionary: Quecksilber – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen und Grammatik