Cryo brines. Phasengleichgewichte von Salz-Wasser-Systemen bei tiefen Temperaturen

Inhaltsverzeichnis (Table of Contents)

• 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)
• 4.7.6.1 Alpha-Natriumperchlorat-Dihydrat (α-NaClO4 ∙ 2 H2O (Plättchen))
• 4.7.6.2 Beta-Natriumperchlorat-Dihydrat (β-NaClO4 ∙ 2H2O (Nadeln))
• 4.7.7 Eisen(III)-perchlorat-Nonahydrat (Fe(ClO4)3 ∙ 9 H2O)
• 4.7.8 Zinn(II)-perchlorat-Trihydrat (Sn(ClO4)2 ∙ 3 H2O)

Zielsetzung und Themenschwerpunkte (Objectives and Key Themes)

Die Dissertation befasst sich mit der Untersuchung von Phasendiagrammen von Salz-Wasser-Systemen bei tiefen Temperaturen, insbesondere im Hinblick auf die Marsforschung. Ziel ist es, bestehende Wissenslücken zu schließen und neue Daten zur Hydratation und Deliqueszenz von Salzen unter marsianischen Bedingungen zu liefern.

• Charakterisierung von binären Salz-Wasser-Systemen bei tiefen Temperaturen
• Bestimmung von Gefrierpunkten und eutektischen Temperaturen
• Identifizierung von Hydratphasen mittels Kristallstrukturanalyse
• Entwicklung eines Hydratationskonzepts für einfache Salzhydrate
• Untersuchung von Glasübergängen in konzentrierten Salzlösungen

Zusammenfassung der Kapitel (Chapter Summaries)

• Kapitel 1 gibt eine Einführung in die Problemstellung und erläutert die Relevanz der Forschung für die Marsforschung.
• Kapitel 2 bietet einen umfassenden Überblick über den aktuellen Stand der Forschung zu Phasendiagrammen von Salz-Wasser-Systemen bei tiefen Temperaturen. Die Datenbank mit Literaturdaten zu binären und ternären Systemen wird vorgestellt und Trends im Kurvenverlauf der Eiskurven in Abhängigkeit von Kationen und Anionen werden diskutiert.
• Kapitel 3 beschreibt die experimentelle Vorgehensweise zur Bestimmung von Phasendiagrammen mittels thermischer Analyse und isothermer Lagerung. Die Ergebnisse für 22 binäre Systeme werden ausführlich präsentiert und mit bestehenden Literaturdaten verglichen. Die Ergebnisse zeigen neue eutektische Temperaturen, Hydratphasen und peritektische Übergänge.
• Kapitel 4 konzentriert sich auf die Kristallstrukturanalyse von Salzhydraten, die im Rahmen der Arbeit erhalten wurden. 29 neue Kristallstrukturen werden vorgestellt und detailliert diskutiert. Die Strukturen werden im Kontext des Hydratationskonzepts für einfache Salzhydrate eingeordnet.
• Kapitel 5 führt ein Hydratationskonzept für einfache Salzhydrate ein, das auf der Grundlage der bestimmten Kristallstrukturen entwickelt wurde. Das Konzept beschreibt die Bildung einer zweiten Hydratationssphäre um Kationen durch Wasserstoffbrückenbindungen.

Schlüsselwörter (Keywords)

Die Dissertation fokussiert auf die Bereiche Cryo-brines, Phasendiagramme, Salz-Wasser-Systeme, tiefe Temperaturen, Eiskurven, Hydratphasen, Kristallstrukturen, Wasserstoffbrückenbindungen, Marsforschung, Lebensfähigkeit, Wasseraktivität.