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Die chemischen Gesellschaften feiern dieses Jahr das Internationale Jahr des Periodensystems. Grund dafür ist der 150. Geburtstag des Periodensystems der Elemente (PSE). Die meisten dürften diese Tafel im Chemiesaal der Schule gesehen und bald danach wieder vergessen haben. Tatsächlich ist das Periodensystem für den Chemiker so etwas wie das ABC. Als Student lernt man es zunächst mühevoll auswendig, bis man irgendwann entdeckt, wie hilfreich es dabei ist, Dinge herzuleiten, die man nun nicht mehr mühevoll auswendig lernen muss.

Aus heutiger Sicht mit unseren Kenntnissen des Aufbaus der Atome ist das PSE eine Selbstverständlichkeit und ergibt sich quasi von selbst. Aber zur Zeit des Russen Dimitri Mendelejew und des Deutschen Lothar Meyer waren Atome eine bloße Hypothese und Protonen und Elektronen waren gar nicht bekannt. Es gab Beobachtungen, aus denen man auf die Existenz von Elementen im Gegensatz zu Verbindungen, die aus Elementen bestanden, geschlossen hatte. Es gab aber keine Möglichkeit, zu erklären, warum manche Elemente sich im Verhältnis 1:1, andere dagegen im Verhältnis 1:2 zu Verbindungen fügen, oder warum manche Elemente flüssig sind und andere fest, und manche leicht und manche schwer. Die beiden oben genannten Wissenschaftler suchten jedoch nach einer Systematik und stießen dabei unabhängig voneinander auf Gesetzmäßigkeiten und vergleichbare Eigenschaften. Sie ordneten die bekannten Elemente entsprechend an und das Periodensystem war geboren. Für mich eine enorme Leistung. Die chemische Welt stürzte sich allerdings nicht voller Begeisterung auf das Konzept, sondern blieb eher skeptisch. Dies scheint auch eine Gesetzmäßigkeit zu sein, unter denen neue Konzepte, Ideen, Entdeckungen usw leiden. Auch Mendelejew bestritt, dass es so etwas wie Radioaktivität geben könnte. Für ihn war ein Atom, wie schon das griechische Wort sagt, unteilbar.

Was dem PSE zum Durchbruch verhalf, war die Tatsache, dass das System Lücken aufwies und Mendelejew diese Lücken mit noch zu entdeckenden Elementen füllte. Ein Beispiel hierfür ist Germanium. Man kannte bereits Kohlenstoff, Silicium und Zinn. Aber zwischen Silicium und Zinn musste sich noch ein Element befinden. Mendelejew sprach von Ekasilicium (Eka, Sanskrit für „eins“) und sagte unter anderem das Atomgewicht, die Dichte, das Atomvolumen und spezifische Wärme sowie einige Elementverbindungen vorher. Z. B. sollte es ein Dioxid und ein Tetrachlorid geben. 1886 gelang dem Deutschen Clemens Winkler die Isolierung eines neuen Elements, das genau diese Eigenschaften aufwies. Dieses Element wurde zu Ehren des Chemikers „Germanium“ getauft.

Der Aufbau der Atome (griech. „unteilbar“) aus Atomkern mit Neutronen und Protonen und der sich darum befindlichen Elektronenhülle wurde erst rund 40 Jahre später aufgeklärt. Damit ergab sich auch eine Erklärung, warum das Periodensystem genauso aufgebaut ist, wie seinerzeit von Mendelejew und Meyer aufgestellt. Beide erfuhren nicht mehr, welche Gesetzmäßigkeiten hinter ihrer bahnbrechenden Arbeit stehen und warum das PSE genauso aussieht, wie sie es entwickelt hatten. Darum in diesem Jahr: Chapeau vor einer visionären Leistung.

Zwar kann ich nicht von der Festkörper- und Materialchemie lassen, aber meine Arbeitsthemen sind doch weiter gestreut und gehen weit über diese Themen hinaus. Könnte ich Beton noch zu meiner Kernkompetenz rechnen, gilt das für AntifoulingZusammensetzungen schon nicht mehr. Geschweige denn die zahlreichen Pharmapatente mit neuesten Wirkstoffen gegen Krebs, Alzheimer und zahlreiche andere Krankheiten. Daher besuchte ich einmal eine eher medizinische Konferenz: die MoBi 2018. MoBi sthet für molekulare Bildgebung. Es geht also um CT, PET, MRI, Mikroskopie, Ultraschall und deren Anwendung für medizinische Fragestellungen. Es gab längere Vorträge von „Experten“, also den arrivierten Wissenschaftlern, und kürzere von Studenten. Das Niveau war hoch, aber aufgrund der breiten Streuung an Themen und Beteiligten (Mediziner, Ingenieure, Chemiker und alles was sich daraus kombinieren lässt) nicht so fachspezifisch, dass man nicht hätte folgen können.

So gab beispielsweise einen kurzen Vortrag über ein ultraschallabgeleitetes Verfahren zur Untersuchung von Muskeln bei der Duchenne-Krankheit. Diese muskeldegenerative Erkrankung ist gar nicht so selten, 1 von ca. 4500 männlichen Babys ist davon betroffen. Sie bricht nach etwas 2-4 Jahren aus, im Teenage-Alter landet man im Rollstuhl und um die 20 herum ist das Leben zuende. Es gibt erste hoffnungsvolle Behandlungsansätze, aber um die Wirksamkeit zu testen, sind schwierige Tests erforderlich, bei denen Kleinkinder eher streiken und wenig kooperativ sind. Z.B. wird gemessen, wie weit ein Kind in 6 Minuten kommt. Ein Verfahren, das schmerzfrei und schnell die Muskeln untersuchen kann, wäre eine echte Hilfe. Und die vorgestellten Ergebnisse waren sehr beeindruckend und stimmten hoffnungsvoll.

Ein anderer junger Wissenschaftler, frisch zurück vom MIT, beschäftigte sich mit einer Bildgebungsmethode im kurzwelligen IR-Bereich. Dieser Bereich ist militärisch sehr interessant. Man kann damit z. B. durch Wolken gucken, ist also für Drohnen interessant. Daher war es gar nicht leicht, Ausrüstung zu bekommen, denn diese Ausrüstung ist militärisch relevant. Aber man kann in diesem Bereich nicht nur durch Wolken gucken, man kann mit extrem beeindruckendem Kontrast Organe und Gefäße angucken. Benötigt wird nur noch ein effizientes Kontrastmittel.

Und dies sind nur zwei Beispiele für die zahlreichen, faszinierenden Beiträge zum Thema Arthrtis und Knochenstruktur, Epilepsieentstehung, Aufbau und Funktion von Synapsen, Alzheimer-Entstehung, Auffinden einzelner (sic!) Krebszellen und vieles mehr. Leider war die Konferenz in Englisch, was zum Vokabel lernen nicht so effizient war. Aber vom fachlichen Standpunkt habe ich in kurzer Zeit enorm viel gelernt und interessante Menschen kennengelernt. Fazit: Es lohnt sich wirklich, auch mal über den eigenen Tellerrand hinauszuschauen.

 

Genau genommen fand diese Entdeckung schon vor 201 Jahr statt, aber die Entdeckung des schwedischen Chemikers Johan August Arfwedson wurde erst 1818 von dessen Mentor Berzelius veröffentlicht: „Herr August Arfwedson, ein junger sehr verdienstvoller Chemiker, [das ist mal wirklich ein netter Kommentar!] der seit einem Jahre in meinem Laboratorie arbeitet, fand bei einer Analyse des Petalits von Uto’s Eisengrube, einen alkalischen Bestandtheil, … Wir haben es Lithion genannt, um dadurch auf seine erste Entdeckung im Mineralreich anzuspielen, da die beiden anderen erst in der organischen Natur entdeckt wurden. Sein Radical wird dann Lithium genannt werden.“ (J.Chem. Phys. 21, 44, Ann. Physik. 1818, 59, 238). Der Schüler des bekannteren Chemikers Berzelius entdeckt das Element also bei der Analyse des Minerals Petalit (LiAl[Si4O10]). Kurz darauf gelang dem Briten Sir Humphry Davy die erste Darstellung des Metalls durch Elektrolyse von Lithiumcarbonat. Und wie Berzelius schreibt, geht die Bezeicnung Lithium auf das griechische Wort für Stein, lithos, zurück, da das Element als erstes in Gestein entdeckt wurde – im Gegensatz zu Natrium und Kalium, die in Pflanzen gefunden wurden.

Lithium kommt als Begleiter von Natrium und Kalium in zahlreichen Silikaten vor, aber meist nur in kleinen Mengen, was die Gewinnung des Metalls erschwert. Gewonnen wird es aus Lithiumchlorid durch die sogenannte Schmelzelektrolyse. Das heißt, das Chlorid wird für die Elektrolyse geschmolzen und nicht in Wasser oder einem anderen Lösungsmittel gelöst. Würde man Lithiumchlorid in Wasser elektrolysieren, entstünde Wasserstoff anstelle des Metalls, da dieses sehr viel unedler ist.

Charakteristisch ist die rote Flamme, mit der das silberweiße, weiche Metall an Luft verbrennt – in der Tat sehr schön, wie ich aus leidvoller Erfahrung berichten kann. Es bestitzt eine Dichte von nur 0,534 g/cm³ und ist das leichteste aller festen Elemente (abgesehen von festem Wasserstoff, der aber bei Normalbedingungen nicht existent ist). Bis vor einigen Jahren wurde es hauptsächlich als Legierungsbestandteil eingesetzt. Des Weiteren  gibt es Nischenanwendungen zur Produktion von Tritium für Fusionsreaktoren. Und seit den 1950gern wird Lithium in Form seiner Salze für bipolare Affektstörungen, Depression und ähnliche Krankheiten eingesetzt. Es wirkt offenbar beruhigend, aber nicht einschläfernd, wobei der genaue Wirkmechanismus noch nicht geklärt ist.

Und wie allgemein bekannt, erlebt das Metall derzeit einen enormen Boom, da es heute in den Lithiumionenbatterien breite Verwendung findet. Dies hat dazu geführt, dass die Produktion von rund 100 Kilotonnen in den 1980gern auf derzeit rund 600 Kilotonnen hochgeschnellt ist. Dies führt zu Überlegungen, ob Lithium nicht zu einem knappen Material werden könnte. Siehe auch meinen Blog vom Januar 2018.

Lithiumionenbatterien (LIB) kennt heute quasi jedes Kind. Viele moderne Technologien, von denen wir heute so abhängig werden – Smartphones, Notebooks,… – wären ohne diese Batterien undenkbar. Auch in Sachen Elektromobilität stehen LIB im Fokus– auch wenn ich persönlich diese Entwicklung für eine Fehlentwicklung halte, aber das ist ein anderes Thema.

Lithium weist unter den Metallen die geringste Dichte unter Standardbedingungen auf, ist also sehr leicht. Seine Ionen sind zudem klein und es hat ein extrem negativ liegendes Redoxpotential, oder anders gesagt, es ist äußerst unedel. Letzteres ermöglicht hohe Zellspannungen von annähernd 3 V (vgl. Nickel-Akkumulatoren mit 1,2 bis 1,5 V Spannung). Erstes führt zu hohen Energiedichten, d. h. viel Energie pro Gewichtseinheit (Li-Ionen: 120-210 Wh/kg, Ni-Akkus: 40-110 Wh/kg). Diese Eigenschaften ermöglichten erst die kleinen und langlebigen Akkus für Smartphones und Notebooks. Leider führt das unedle Verhalten auch zu einigen Problemen, denn Lithium ist äußert reaktiv, wie einige spektakuläre Brände von Elektroautos eines amerikanischen Herstellers demonstrieren. Außerdem kommt es nicht in unendlich großen Mengen vor (es ist seltener als z. B. Kupfer, aber häufiger als z. B. Blei) und seine Herstellung ist eher teurer.

Natriumionenbatterien

Sollte sich die Fehlentwicklung zur Elektromobilität wie von uneinsichtigen Weltverbesserern gefordert entwickeln, könnte es zu Engpässen in der Versorgung mit Lithium kommen. Häufiger vorkommende und preiswertere Metalle wären also attraktiv. Ein Metall, das als Ersatz diskutiert wird, ist Natrium. Dieses Metall ist chemisch gesehen dem Lithium recht ähnlich, allerdings sind seine Ionen etwas größer, was Probleme im Zusammenhang mit Volumenveränderungen der Batteriekomponenten erhöht. Außerdem ist es natürlich auch schwerer, was sich negativ auf die Energiedichte auswirkt. Andererseits kommt es deutlich häufiger vor als Lithium (z. B. in Form von Kochsalz) und ist daher preiswerter zu haben.

Ein Übersichtsartikel in der Angewandten Chemie befasst sich nun mit den chemisch/physikalisch/technischen Auswirkungen eines Ersatzes von Lithium durch Natrium. Dabei zeigte sich, dass die Batteriechemie häufig komplexer wird und manche für Lithiumionenbatterien gut gelösten Probleme neuer Lösungen bedürfen, Natriumionenbatterien jedoch nicht per se schlechtere Leistungen bieten. Sie werden wohl keine Lösungen für die Fahrzeugtechnik bieten, jedoch womöglich für eine stationäre Energiespeicherung, z. B. im Zusammenhang mit Photovoltaik- oder Windkraftanlagen, bei denen das Gewicht der Batterie keine Rolle spielt. Aber auch wenn die Forschung zu NIB in den vergangenen Jahren große Fortschritte erzielt hat, steht sie eher noch am Anfang und eine technische Realisierung wird noch Zeit brauchen.

Der besagte Artikel, dessen Übersetzung ins Deutsche übrigens von mir stammt, findet sich unter:

Deutsch: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.201703772/abstract

Englisch: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201703772/abstract

Das Jahr ist noch jung. Aber schon sind erste Fortbildungen geplant. Und zwar sowohl für die fachliche, sprich chemische wie auch die arbeitstechnische Seite.

Im Februar veranstaltet der Verband Aticom ein Seminar zum Post-Editing. Zugegebenermaßen ist das nicht ein Lieblingsthema. Für Nichteingeweihte: Post-Editing bedeutet, eine Maschinenübersetzung „lesbar“ zu machen bzw. zu korrigieren. Das erfordert ganz andere Vorgehensweise als ein Lektorat – offensichtlich. Nach dem Seminar werde ich mehr wissen. Vielleicht ist die ein oder andere Vorgehensweise ja auch für das Korrekturlesen meiner Übersetzungen interessant. Allerdings macht mir die bloße Korrektur fremder Übersetzungen eigentlich keinen Spaß. Ein Pluspunkt meiner Übersetzertätigkeit ist der kreative Umgang mit Sprache, der selbst bei Patenten noch stattfindet. Ich mag eigentlich nicht der Dienstbote für irgendwelche Maschinen werden. Aber der Markt ändert sich schnell. Maschinelle Übersetzungen werden so schnell besser, dass mir ganz mulmig wird. Sicher, vieles funktioniert immer noch nicht gut. Aber diese Übersetzungen sind bereits besser, als ich es zu diesem Zeitpunkt erwartet hätte. So muss vielleicht in nicht allzu ferner Zukunft ein weiteres Standbein her. So oder so ist es nicht verkehrt, sich mit dieser Möglichkeit zu befassen. Wir wissen alle: Wer zu spät kommt, den bestraft das Leben.

Und in der Chemie?

Im März steht dann wie jedes Jahr eine informelle Chemikertagung im Bereich Festkörper- und Materialchemie statt. Dabei gibt es kurze, knackige Vorträge – so etwa 5 bis 7 pro 90 min – mit intensiven Diskussionen und alles ganz brandaktuelle Forschung. Es ist schon faszinierend, was sich seit den Tagen meiner Doktorarbeit so alles getan hat und tut.