Die Frage nach der Möglichkeit von Leben auf anderen Planeten, vor allem auf dem Mars, steht in einem engen Zusammenhang mit der Verfügbarkeit von flüssigem Wasser. Dies ist bei den vorherrschenden klimatischen Bedingungen, vor allem der tiefen Temperatur, nur mittels einer Gefrierpunktserniedrigung durch Salze erklärbar. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher mit Phasengleichgewichten verschiedener Salz-Wasser-Systeme bei tiefen Temperaturen. Dabei wurden nach einer Sammlung von Literaturdaten und einer Ermittlung der Lücken innerhalb dieser verschiedene Systeme nach Mars-Relevanz, sowie chemischer Systematik ausgewählt und experimentell untersucht. Insgesamt wurden dabei 22 binäre Phasendiagramme von Salz-Wasser-Systemen betrachtet und 29 festen Phasen mittels Röntgen-Einkristallstrukturanalyse aufgeklärt. Aus diesen Strukturen wurde ein Modell zur Beschreibung einer zweiten Hydratationssphäre über eine Wechselwirkungsbilanz abgeleitet und an den verfügbaren Strukturen geprüft.
Inhaltsverzeichnis
1 EINLEITUNG UND PROBLEMSTELLUNG
2 LITERATURÜBERSICHT - KENNTNISSTAND
2.1 „Cryo-brines“ und ihre Verbindung zur aktuellen Mars-Forschung
2.2 Thermische Analyse zur Bestimmung von Phasendiagrammen
2.3 Phasendiagramme von Salz-Wasser-Systemen bei tiefen Temperaturen
2.3.1 Binäre Systeme
2.3.2 Ternäre Systeme
2.4 Glasübergang und -bildung im Bereich eutektischer Zusammensetzungen
2.5 Schlussfolgerungen und Zielstellung der Arbeit
3 EXPERIMENTELLE BESTIMMUNG VON PHASENDIAGRAMMEN BEI TIEFEN TEMPERATUREN
3.1 Experimentelle Vorgehensweise
3.2 System AlCl3 – H2O
3.3 System AlBr3 – H2O
3.4 System AlI3 – H2O
3.5 Vergleich der Eiskurven der Aluminiumhalogenide
3.6 System CaBr2 – H2O
3.7 System CaI2 – H2O
3.8 System Ca(ClO4)2 – H2O
3.9 System Cu(ClO4)2 – H2O
3.10 System Fe2(SO4)3 – H2O
3.11 System FeCl3 – H2O
3.12 System Fe(ClO4)3 – H2O
3.13 System LiClO4 – H2O
3.14 System MgCl2 – H2O
3.15 System MgBr2 – H2O
3.16 System MgI2 – H2O
3.17 Vergleich der Eiskurven der Magnesiumhalogenide
3.18 System Mg(ClO4)2 – H2O
3.19 System NaClO4 – H2O
3.20 System SnCl2 – H2O
3.21 System SnCl4 – H2O
3.22 System Sn(ClO4)2 – H2O
3.23 System Sr(ClO4)2 – H2O
3.24 System Zn(ClO4)2 – H2O
3.25 System ZnCl2 – H2O
4 KRISTALLSTRUKTUREN VON SALZHYDRATEN
4.1 Kristallzucht
4.2 Präparation der Kristalle und Strukturbestimmung
4.3 Kristallstrukturen von Aluminiumhalogenid-Hydraten
4.3.1 Aluminium(III)chlorid-Pentadecahydrat (AlCl3 · 15 H2O)
4.3.2 Aluminium(III)bromid-Pentadecahydrat (AlBr3 · 15 H2O)
4.3.3 Aluminium(III)bromid-Nonahydrat (AlBr3 · 9 H2O)
4.3.4 Aluminium(III)iodid-Pentadecahydrat (AlI3 · 15 H2O)
4.3.5 Aluminium(III)iodid-Heptadecahydrat (AlI3 · 17 H2O)
4.4 Kristallstrukturen von Calciumhalogenid-Hydraten
4.4.1 Calciumbromid-Nonahydrat (CaBr2 · 9 H2O)
4.4.2 Calciumiodid-6,5 hydrat (CaI2 · 6,5 H2O)
4.4.3 Calciumiodid-Heptahydrat (CaI2 · 7 H2O)
4.4.4 Calciumiodid-Oktahydrat (CaI2 · 8 H2O)
4.4.5 Vergleich der Calciumiodid- Hydrat-Strukturen
4.5 Kristallstrukturen von Magnesiumhalogenid-Hydraten
4.5.1 Magnesiumchlorid-Dodecahydrat (MgCl2 · 12 H2O)
4.5.2 Magnesiumchlorid-Oktahydrat (MgCl2 · 8 H2O)
4.5.3 Magnesiumchlorid-Tetrahydrat (MgCl2 · 4 H2O)
4.5.4 Vergleich der Magnesiumchlorid-Hydrat-Strukturen
4.5.5 Magnesiumbromid-Hexahydrat (MgBr2 · 6 H2O)
4.5.6 Magnesiumbromid-Nonahydrat (MgBr2 ·9 H2O)
4.5.7 Magnesiumiodid-Oktahydrat (MgI2 · 8 H2O)
4.5.8 Magnesiumiodid-Nonahydrat (MgI2 · 9 H2O)
4.6 Kristallstrukturen von Erdalkalimetallperchlorat-Hydraten
4.6.1 Calciumperchlorat-Tetrahydrat (Ca(ClO4)2 · 4 H2O)
4.6.2 Calciumperchlorat-Hexahydrat (Ca(ClO4)2 · 6 H2O)
4.6.3 Strontiumperchlorat-Trihydrat (Sr(ClO4)2 · 3 H2O)
4.6.4 Strontiumperchlorat-Tetrahydrat (Sr(ClO4)2 · 4 H2O)
4.6.5 Strontiumperchlorat-Nonahydrat (Sr(ClO4)2 · 9 H2O)
4.6.6 Vergleich der Strontiumperchlorat-Hydrat-Strukturen
4.7 Kristallstrukturen anderer Salzhydrate
4.7.1 Zinn(IV)-chlorid-Oktahydrat (SnCl4 · 8 H2O)
4.7.2 Zink(II)-chlorid-2,5 hydrat (ZnCl2 · 2,5 H2O)
4.7.3 Zink(II)-chlorid-Trihydrat (ZnCl2 · 3 H2O)
4.7.4 Zink(II)-chlorid-4,5 hydrat (ZnCl2 · 4,5 H2O)
4.7.5 Vergleich der Zinkchlorid-Hydrat-Strukturen
4.7.6 Natriumperchlorat-Dihydrat (NaClO4 · 2 H2O)
4.7.7 Eisen(III)-perchlorat-Nonahydrat (Fe(ClO4)3 · 9 H2O)
4.7.8 Zinn(II)-perchlorat-Trihydrat (Sn(ClO4)2 · 3 H2O)
5 HYDRATATIONSKONZEPT FÜR EINFACHE SALZHYDRATE
6 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
7 SYNTHESEVORSCHRIFTEN
7.1 Magnesiumiodid
7.2 Zinn(II)-perchlorat-Trihydrat
8 CHEMIKALIEN UND GERÄTE
8.1 Anorganische Salze
8.2 Organische Chemikalien
8.3 Differenz-Thermo-Analyse und Thermogravimetrie
8.4 Einkristall-Röntgendiffraktometrie
8.5 Lösungsanalysen
8.5.1 Natriumbestimmung
8.5.2 Lithiumbestimmung
8.5.3 Magnesiumbestimmung
8.5.4 Strontiumbestimmung
8.5.5 Calciumbestimmung
8.5.6 Zinkbestimmung
8.5.7 Eisenbestimmung
8.5.8 Zinn(II)-Bestimmung
8.5.9 Kupfer(II)-Bestimmung
8.5.10 Halogenidgehaltsbestimmung
9 PUBLIKATIONSVERZEICHNIS
10 LITERATURVERZEICHNIS
11 ANHANG A – KALIBRATION DER THERMOELEMENTE
12 ANHANG B – DATEN DER PHASENDIAGRAMMBESTIMMUNGEN
Zielsetzung und Forschungsfragen
Die Arbeit untersucht Phasengleichgewichte von Salz-Wasser-Systemen bei tiefen Temperaturen, um Erkenntnisse über die Stabilität tieftemperaturstabiler Salzlösungen („Cryo-brines“) auf dem Mars zu gewinnen. Dabei wird das Ziel verfolgt, Literaturdefizite zu identifizieren und ausgewählte, für die Mars-Forschung relevante binäre Systeme experimentell zu charakterisieren, um eine systematische Grundlage für das Verständnis komplexer marsrelevanter Umgebungen zu schaffen.
- Analyse und systematische Zusammenstellung vorhandener Literaturdaten zu Salz-Wasser-Systemen.
- Experimentelle Bestimmung von Phasendiagrammen für ausgewählte Systeme mittels thermischer Analyse.
- Aufklärung von Kristallstrukturen verschiedener Salzhydrate mittels Röntgen-Einkristallstrukturanalyse.
- Entwicklung eines Hydratationskonzepts für einfache Salzhydrate zur besseren Vorhersagbarkeit.
- Überprüfung der Stabilität von Bodenkörpern unter Mars-relevanten Temperaturbedingungen.
Auszug aus dem Buch
1 Einleitung und Problemstellung
Die Frage nach der Möglichkeit von Leben auf anderen Planeten in unserem Sonnensystem, vor allem auf dem Mars oder dem Jupitermond Europa[1], steht seit Jahrzehnten im Mittelpunkt des naturwissenschaftlichen Interesses. So beschreiben Clark et al.[2], dass der bekannte Chemiker Svante Arrhenius sich schon im Jahre 1910 mit der möglichen Existenz von Lösungen und Salzen auf dem Mars beschäftigte. Die Suche nach dem Vorkommen von Wasser spielt eine wichtige und entscheidende Rolle bei der aktuellen Forschung. Möhlmann[3] beschreibt dabei verschiedene Arten wie Wasser auf dem Mars vorliegen kann. Möglichkeiten um flüssiges Wasser auf der Mars-Oberfläche zu finden, sind zum Beispiel Wasser in dünnen Schichten bzw. Filmen oder adsorbiertes Wasser in porösen Oberflächen[3]. Eine andere Wasserquelle sind die Polkappen, welche auch auf dem Mars aus Eis bestehen[4]. Der wichtigste Punkt bei dieser Aufzählung sind tieftemperaturstabile Salzlösungen, sogenannte „Cryo-brines“[5]. Diese „Cryo-brines“ können die Grundlage für eine der einfachsten Formen des Lebens sein, wie beispielsweise für Bakterien. Auf der Erde sind die Lebensfähigkeiten dieser bei verschiedenen Bedingungen aufgrund des Vorkommens in der Antarktis, sehr gut untersucht[6-7]. Für das Wasser, welches zum Überleben der Bakterien notwendig ist, sind Wasseraktivitäten in Salzlösungen mit unteren Grenzwerten von bis zu 0,61[8-9] bekannt.
Für eventuell auf dem Mars vorkommende Lösungen wurde jedoch eine Wasseraktivität von 0,48[9] berechnet. Ein weiterer, sehr entscheidender Faktor für die Lebensfähigkeit von kleinsten Lebewesen ist auch die Temperatur. Dafür wurden von Marion et al.[10] minimale Temperaturen von -17 °C bis -20 °C für eine mikrobielle Aktivität genannt. Eine Übersicht über lebensnotwendige Faktoren in Bezug auf mikrobielles Leben wird durch Westall et al.[11] gegeben. „Cryo-brines“ verbinden also die zwei Basisvoraussetzungen von Leben: flüssiges Wasser selbst bei Mars-relevanten Temperaturen. Bei der Beschreibung von Salzlösungen spielen verschiedene Eigenschaften eine Rolle[12]. Phasendiagramme von Salz-Wasser Systemen sind die entscheidende Grundlage für alle Überlegungen. Sie geben Auskunft darüber, bei welchen Temperaturen wässrige Salzlösungen existieren können und welche Salzphasen am eutektischen Punkt auftreten.
Zusammenfassung der Kapitel
1 EINLEITUNG UND PROBLEMSTELLUNG: Die Arbeit thematisiert die Relevanz von Tieftemperatur-Salzlösungen für die astrobiologische Forschung auf dem Mars und definiert das Ziel, fehlende experimentelle Daten zur Phasendiagramm-Systematik zu erheben.
2 LITERATURÜBERSICHT - KENNTNISSTAND: Es erfolgt eine detaillierte Zusammenstellung des Wissensstandes zu Cryo-brines, thermischen Analysemethoden und vorliegenden Phasendiagrammen, wobei Trends in der Gefrierpunktserniedrigung und Wasseraktivität abgeleitet werden.
3 EXPERIMENTELLE BESTIMMUNG VON PHASENDIAGRAMMEN BEI TIEFEN TEMPERATUREN: Dieser Teil dokumentiert die experimentelle Vorgehensweise und die systematische Untersuchung zahlreicher binärer Salz-Wasser-Systeme sowie deren Einordnung in bestehende Literaturdaten.
4 KRISTALLSTRUKTUREN VON SALZHYDRATEN: In diesem Kapitel werden die neu bestimmten Kristallstrukturen verschiedener Salzhydrate präsentiert und deren Aufbau sowie Koordinationsverhältnisse diskutiert.
5 HYDRATATIONSKONZEPT FÜR EINFACHE SALZHYDRATE: Basierend auf den ermittelten Strukturen wird ein Konzept zur Beschreibung der Hydratationssphären von Kationen entwickelt.
6 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK: Die Arbeit schließt mit einer Gesamtschau der erzielten Ergebnisse, den Korrekturen an bisherigen Phasendiagrammen und Vorschlägen für zukünftige Forschungsansätze.
Schlüsselwörter
Mars, Cryo-brines, Phasendiagramme, Salz-Wasser-Systeme, Tieftemperatur, Thermische Analyse, Kristallstruktur, Salzhydrate, Wasseraktivität, Eutektikum, Hydratation, Perchlorate, Röntgenstrukturanalyse, Astrobiologie, Bodenkörper
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser wissenschaftlichen Arbeit im Kern?
Die Arbeit untersucht das Verhalten von Salz-Wasser-Systemen bei tiefen Temperaturen, um besser zu verstehen, wie Salzlösungen unter Mars-ähnlichen Bedingungen existieren und welche Rolle sie für mögliches mikrobielles Leben spielen könnten.
Welche Themenfelder stehen bei der Untersuchung im Fokus?
Zentrale Themen sind die experimentelle Bestimmung von Phasendiagrammen, die Aufklärung von Kristallstrukturen verschiedener Salzhydrate sowie die Analyse von Hydratationskonzepten in hochkonzentrierten wässrigen Systemen.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Ziel ist es, bestehende Lücken und Widersprüche in der Literatur zu Phasendiagrammen binärer Salz-Wasser-Systeme durch eigene experimentelle Untersuchungen zu schließen und eine fundierte chemische Systematik für den Kryobereich zu erarbeiten.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden angewendet?
Die Arbeit nutzt schwerpunktmäßig die thermische Analyse (Aufheiz- und Abkühlkurven), nasschemische Lösungsanalysen zur Gehaltsbestimmung sowie die Einkristall-Röntgendiffraktometrie zur Aufklärung der Kristallstrukturen.
Was wird im umfangreichen Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die experimentelle Erhebung von Phasendaten für zahlreiche Systeme (z.B. Chloride, Bromide, Iodide und Perchlorate der Al-, Mg-, Ca-, Fe-, Sn-, Zn- und Sr-Gruppen) sowie die detaillierte kristallographische Analyse der daraus resultierenden Salzhydrate.
Welche Begriffe charakterisieren diese Arbeit besonders?
Schlüsselbegriffe wie Cryo-brines, Phasendiagramme, Salzhydrate, Hydratationssphäre, Perchlorate und Kristallzucht bei tiefen Temperaturen beschreiben den Inhalt prägnant.
Welche Bedeutung haben die neu bestimmten Kristallstrukturen für die Forschung?
Die Aufklärung der Strukturen von 29 Salzhydraten liefert wichtige Details über die Anordnung von Wasser- und Salzmolekülen, was ein besseres Verständnis für die Stabilität dieser Verbindungen bei tiefen Temperaturen ermöglicht.
Welche Schlussfolgerung zieht der Autor bezüglich bisheriger Literaturdaten?
Die Arbeit zeigt auf, dass viele ältere Literaturdaten zu eutektischen Temperaturen und Hydratzusammensetzungen korrigiert werden müssen, da sie teilweise auf metastabilen Phasen oder unzureichenden Messmethoden beruhten.
- Quote paper
- Erik Hennings (Author), 2014, Cryo brines. Phasengleichgewichte von Salz-Wasser-Systemen bei tiefen Temperaturen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/336029
