Quecksilber ist ein neurotoxisches Schwermetall und hat in der Öffentlichkeit einen schlechten Ruf. Kunden, die Lampen kaufen, sind besorgt über seine Auswirkungen auf ihre Gesundheit. Für Lichtquellen wie Leuchtstofflampen oder Quecksilberlampen ist Quecksilber jedoch völlig unverzichtbar. Ausgediente Leuchtmittel müssen ordnungsgemäß entsorgt werden, damit sie nicht zu einer Belastung für die Umwelt werden. Lassen Sie uns mehr über dieses interessante Element sprechen.

Die Wurzeln des tschechischen Namens sind unklar [1], ein möglicher slawischer Ursprung ist die Transliteration von truji (= Gift). Polnisch ist Quecksilber rtęć, slowakisch Quecksilber und russisch ртуть. Möglicherweise stammt es auch vom arabischen utarid (Planet Merkur), so wie auch andere (al-)chemische Begriffe aus dem Arabischen stammen - z. B. Alkohol oder Alkali. Es ist in viele Sprachen als "lebendes Silber" von lateinisch argentum vivum oder als "flüssiges Silber" von griechisch hydrargyros eingegangen. Im englischen quicksilver und im deutschen Quecksilber finden sich neben Silber, Schnelligkeit und Beweglichkeit auch Attribute des Quecksilbers, von dem der Name Quecksilber in vielen Sprachen abgeleitet ist. Quecksilber heißt auf Ungarisch higany, auf Kroatisch živa und auf Chinesisch 汞 (gông).

Quecksilber, ein Element mit einer Protonenzahl (Ordnungszahl) von 80, steht im Periodensystem der Elemente neben Gold und Thallium in der zwölften Gruppe unter Zink und Cadmium. Unter normalen Bedingungen ist es ein silbriges Flüssigmetall. Quecksilber hat einen Schmelzpunkt von -38,8 °C, einen Siedepunkt von 356,7 °C und eine Dichte von 13,534 g-cm-3. Sein spezifischer elektrischer Widerstand von 961 nΩ-m ist für ein Metall recht hoch und ähnelt dem von rostfreiem Stahl. Die Wärmeleitfähigkeit von 8,3 W-m-1-K-1 ist eine der niedrigsten für Metalle.

Lichtquellen

Aufgrund seiner Fließfähigkeit und hohen Dampfspannung ist Quecksilber eines der wenigen Elemente mit geeigneten Eigenschaften für den Bau von Entladungslampen mit guter Effizienz und Haltbarkeit. Die Art der Strahlung der Quecksilberentladung hängt stark vom Quecksilberdampfdruck ab. Bei niedrigem Sättigungs-Quecksilberdampfdruck (etwa 1 Pa) ist die Quecksilberentladung eine Quelle intensiver UV-C-Strahlung mit einer Wellenlänge von hauptsächlich 253,7 nm und auch 184,9 nm (siehe Abbildung 3) mit minimaler Lichtausbeute, die nur noch durch einen geeigneten Leuchtstoff in das sichtbare Spektrum umgewandelt werden muss. Diese Art von Entladung wird in Leuchtstofflampen, Kompaktleuchtstofflampen, Induktionslampen usw. verwendet. Mit steigendem Druck (etwa 100 kPa) nimmt der Anteil der Strahlung im sichtbaren Bereich und der Wirkungsgrad der Umwandlung von elektrischer Energie in Lichtenergie (etwa 50 lm/W) deutlich zu, aber auch bei dieser Entladung fehlt der Rotanteil vollständig, und für allgemeine Beleuchtungszwecke ist ebenfalls die Verwendung geeigneter Leuchtstoffe erforderlich (diese Art der Entladung wird z. B. in Das Quecksilberspektrum wird durch die Strahlung anderer Elemente ergänzt, die das Linienspektrum von Quecksilber im sichtbaren Bereich in geeigneter Weise ergänzen (Halogen-Metalldampflampen). Erst bei Drücken über 0,1 MPa ist das Entladungsspektrum kontinuierlich, mit Wirkungsgraden bis zu 75 lm/W, was jedoch hauptsächlich für Speziallampen verwendet wird. Zugleich ist Quecksilber relativ unempfindlich gegenüber Elektroden und modernen Leuchtstoffen.

Die RoHS-Richtlinie2 (2011/65/EU) begrenzt das Vorhandensein von Quecksilber in Produkten auf 0,1 Gewichtsprozent für homogene Materialien und führt Ausnahmen auf - für die meisten Arten von Leuchtstofflampen ist der Gehalt auf 2,5 bis 5 mg pro Stück begrenzt, was einer Kugel mit einem Durchmesser von 0,7 bis 0,9 mm entspricht. In der Vergangenheit wurden T12-Leuchtstofflampen mit mehr als 100 mg Quecksilber hergestellt. Damit sollte der betriebsbedingte Verlust von Quecksilber im Leuchtstoff und die Schwierigkeit, kleinere Mengen Quecksilber zuverlässig und reproduzierbar in die Lampe zu dosieren, sowie der Verlust von Quecksilber bei der Massenproduktion der Lampen zur Erreichung der geforderten Lebensdauer ausgeglichen werden. Wenn das Quecksilber verbraucht ist, leuchtet die Leuchtstofflampe in Neon und Argon schwach rosa-orange. Technologien zur Einbringung von Quecksilber in Form eines geeigneten Amalgams ermöglichen es, Quecksilber in Form einer festen Legierung in einer bestimmten geringen Menge sicher zu dosieren und den optimalen Quecksilberdampfdruck in der Leuchtstofflampe über einen breiten Bereich von Umgebungstemperaturen aufrechtzuerhalten. So werden beispielsweise Indium-, Wismut- und Zinkamalgame verwendet. Bei normalem Druck (während der Herstellung oder beim Zerbrechen der Leuchtstofflampe) wird weniger Quecksilberdampf aus dem Amalgam freigesetzt als aus der flüssigen Phase. Der Nachteil von Amalgam-Leuchtstofflampen besteht darin, dass die Quelle langsamer anläuft und der Start bei niedrigen Temperaturen schwieriger ist (dieses Problem wird jedoch durch die Verwendung eines Starter-Amalgams gelöst, das in geeigneter Weise in die Lichtquelle eingesetzt wird).

Quecksilber in der Umwelt

Wie andere Elemente ist auch Quecksilber Teil des natürlichen Hintergrunds in unserer Umwelt. Dieser Hintergrund erhöht sich mehrere Jahre lang, wenn große Vulkane ausbrechen (siehe Abbildung 4). Von den menschlichen Aktivitäten trägt die Verbrennung von Kohle zur Stromerzeugung am meisten dazu bei. Kohle enthält immer einen gewissen Anteil an Quecksilber, je nach Standort. Dies gilt für fast die gesamte industrialisierte Welt. Ein weiterer Beitrag ist die primitive Verarbeitung von Golderz, das in Quecksilber ausgelaugt wird. Das dabei entstehende Goldamalgam wird dann verbrannt und das Quecksilber entweicht in die Atmosphäre. Dies ist derzeit vor allem im Amazonasgebiet ein Problem. In unserem Gebiet ist die Quecksilberverschmutzung in der Umgebung von Spolana Neratovice und Spolchemie Ústí nad Labem am größten, wo durch Elektrolyse von Sole Chlor und Natriumhydroxid hergestellt und Natrium in die Quecksilberkathode eingebracht wird. Beide Unternehmen bereiten sich auf die Einführung der quecksilberfreien Membrantechnologie etwa im Jahr 2016 vor. Ebenfalls verschmutzt ist der Skalka-Stausee in der Nähe von Cheb, in den der Fluss Reslava mündet, an dessen Zufluss die älteste deutsche Chemiefabrik, die Chemische Fabrik Marktredwitz, ein traditioneller Hersteller von Quecksilber und seinen Verbindungen, 1985 wegen katastrophaler Verschmutzung geschlossen wurde. In den angrenzenden Gewässern gefangene Fische weisen stark erhöhte Quecksilberkonzentrationen in ihrem Muskelgewebe auf. An allen drei Standorten wurden bzw. werden derzeit Umweltsanierungsmaßnahmen durchgeführt.

Quecksilbervergiftung

Akute Vergiftungen mit elementarem Quecksilber sind in unserem Land sehr selten. Elementares Quecksilber gelangt hauptsächlich über die Atemwege und auch über die Haut in den Körper. In der Regel handelt es sich dabei um Unfälle mit quecksilberhaltigen Geräten, den Umgang mit kontaminierten Gegenständen oder Tätigkeiten in Gebäuden mit ungelösten Altlasten, wie z. B. bei der Umnutzung älterer Gebäude zu Wohnungen. Die ersten Symptome einer akuten Quecksilbervergiftung sind meist neurologischer Natur: Zittern, Aggressivität, Wahrnehmungs- und Koordinationsstörungen sowie Muskelschwäche. Bei schweren Vergiftungen kann die Lunge versagen. Später versagt die Nierenfunktion. Die Abhängigkeit der Symptome von der Quecksilberkonzentration im Blut ist sehr individuell. Die Behandlung besteht in der Chelatisierung von Quecksilber (Entfernung des Metalls durch ein organisches Mittel), z. B. mit Unithiol (DMPS), und seiner anschließenden Ausscheidung aus dem Körper.

Elementární rtuť má velkou vazební afinitu k síře, která je využívána při sanacích nehod se rtutí. Vzniklý sulfid rtuťnatý (HgS) je hlavní rtuťnatou rudou (cinabarit). V těle se rtuť váže se na disulfidické můstky v bílkovinách. Napadené bílkoviny nejsou funkční a pomalu jsou vylučovány močí. Při chelataci unithiolem se rtuť rovněž váže se sírou. Rtuť velmi ochotně reaguje se selenem. V těle pak blokuje selenoenzymy, které jsou významnými antioxidanty, podílejí se na imunitní odezvě a regulují působení hormonů štítné žlázy. Podle nařízení vlády, kterým se stanovují podmínky ochrany zdraví při práci (zákon 361/2007 Sb.), je pro rtuť přípustný expoziční limit PEL = 0,02 mg·m–3 a nejvyšší přípustná koncentrace NPK-P = 0,15 mg·m–3. U člověka je běžná koncentrace rtuti 3 až 7 μg·l–1 v moči a 4 až 10 μ g·l–1 v krvi. Akutní toxicita LC50 pro krysu je < 27 mg·m–3 vzduchu po dobu 2 h (dávka, při které uhyne polovina testovací skupiny). U ryb je LC50 přibližně 0,5 mg·l–1 vody po dobu 96 h. Příklad: Kdyby se odpařilo celých 5 mg rtuti z rozbité zářivky a toto množství se rovnoměrně rozptýlilo v místnosti 4 x 3,3 x 2,5 m, způsobí právě dosažení limitu nejvyšší přípustné koncentrace 0,15 mg·m–3. Ve skutečnosti je rozložení nerovnoměrné a do vzduchu se ihned uvolní pouze plynná rtuť, které je u kompaktní zářivky asi 50 μg [3], a další se začne odpařovat z tekuté fáze. Tenze par, a tedy i rychlost odpařování prudce rostou s teplotou. Pokusy ukazují, že už po asi 15 minutách intenzivního větrání klesá koncentrace rtuti ve vzduchu na hodnotu pozadí. V případě nehod se zářivkami je vhodné ihned začít intenzivně větrat a z prostoru se na chvíli vzdálit. Přibližně 80 % vdechnuté páry rtuti zůstává v těle a pouze 20 % odchází s výdechem. Téměř všechna rtuť uvolněná do ovzduší nakonec vlhkostí zoxiduje a déšť ji spláchne do půdy a do řek, kde se jí otráví bakterie, které na rtuťnaté ionty navážou metylovou skupinu –CH3, aby je dokázaly v podobě methylrtuti vyloučit. Methylrtuť je přitom pro vodní živočichy i člověka (vrchol potravního řetězce) velmi jedovatá, neboť prochází hematoencefalickou bariérou do mozku, kde poškozuje neurony.

Biotransformation

Der Mechanismus der Biotransformation von Quecksilber wurde in den 1950er Jahren in Japan in der Minamata-Bucht entdeckt, wo die Chemiefabrik Chisso Abfälle mit anorganischem Quecksilber einleitete. Die Bewohner (Fischkonsumenten) litten unter schweren neurologischen Störungen, die durch Methylquecksilbervergiftungen verursacht wurden. Viele Kinder kamen mit Geburtsfehlern zur Welt, und insgesamt waren mehr als 10.000 Menschen betroffen.

Biokonzentration

Quecksilber hat eine weitere gefährliche Eigenschaft für lebende Organismen, nämlich die Biokonzentration. Der Bioakkumulationsfaktor (BCF) gibt an, wie oft sich die Konzentration eines Stoffes aus der Umwelt in der Konzentration im Organismus widerspiegelt. Bei Fischen beträgt der BCF für Quecksilber zum Beispiel 156. Raubfische haben viel höhere Quecksilberwerte, weil sie sich von kontaminierten kleineren Fischen ernähren. Haie, die an der Spitze der ozeanischen Nahrungskette stehen, weisen die höchsten Quecksilberkonzentrationen auf und können im Gewebe Quecksilberkonzentrationen aufweisen, die mehr als eine Million Mal höher sind als im umgebenden Wasser. Der HPA-Erhebung zufolge ist der durchschnittliche Quecksilbergehalt in der tschechischen Bevölkerung aufgrund des relativ geringen Fischkonsums niedrig. In Ländern, in denen Fisch einen großen Teil der Ernährung ausmacht, ist die Situation jedoch umgekehrt.

Methylquecksilber-Vergiftung

Methylquecksilbervergiftungen haben eine Latenzzeit von Wochen bis Monaten. Länger andauernde Vergiftungen mit Bioakkumulation kleiner Dosen können sich erst nach Jahren manifestieren. Leichte Vergiftungen äußern sich durch Störungen des Herz-Kreislauf-Systems und des Immunsystems. Bei höheren Dosen kommt es zu schweren Störungen des Nervensystems, wobei das erste Symptom ein unkontrollierbares Zittern der Augenlider ist. Es wird vermutet, dass die Quecksilberbelastung mit Autismus, Multipler Sklerose, Parkinson und Alzheimer-Demenz in Verbindung gebracht wird [4].

Es ist daher sehr sinnvoll, die Quecksilberverschmutzung zu verhindern. Die Europäische Union vertritt den Ansatz, dass Quecksilber sehr gefährlich ist und dass wir als normale Bürger so wenig wie möglich damit in Berührung kommen sollten. So ist insbesondere das Inverkehrbringen von quecksilberhaltigen Thermometern und Manometern verboten. Es ist verboten, Quecksilber aus der EU auszuführen. Im vergangenen Jahr ist die Tschechische Republik dem so genannten Minamata-Übereinkommen über Quecksilber beigetreten, was ein Schritt zur Verringerung der Umweltbelastung durch dieses Element sein dürfte. Die Rücknahme von quecksilberhaltigen Leuchtmitteln aus dem gewerblichen Bereich ist in der Tschechischen Republik sehr gut, aber 60 % der Leuchtstofflampen aus Haushalten landen in gemischten Abfallcontainern oder auf Deponien. Hier ist noch einiges an Aufklärung nötig.

Attraktionen

Quecksilber besteht hauptsächlich aus zweiwertigen (quecksilberhaltigen) Verbindungen. In (einwertigen) Quecksilberverbindungen sind zwei Quecksilberatome aneinander gebunden. Bei niedrigen Temperaturen bilden sie ein vierwertiges Fluorid (HgF4). Es ist das einzige bekannte Element, das Verbindungen (Helide) mit ansonsten unlöslichem Helium (HgHex) bildet. Flüssiges Quecksilber bildet zweiatomige Moleküle (Hg2), aber Quecksilberpaare sind einatomig. Die Quantentheorie sagt seinen Schmelzpunkt bei +82 °C voraus, und seine Fließfähigkeit bei Raumtemperatur ist ein Beispiel für die relativistische Orbitalkontraktion. Die Alchemisten betrachteten Quecksilber als das Urmetall, aus dem alle anderen Metalle entstehen, die sich durch ihren Schwefelanteil unterscheiden. Quecksilber ist wahrscheinlich ein Teil des Steins der Weisen.

In der Fortsetzung dieses Artikels werden wir die historische Verwendung von Quecksilber, die Methoden zur Messung seines Gehalts in Luft und Feststoffen sowie die Methode der Neutronenaktivierungsanalyse erörtern, die vom Zentrum für (Kern-)Forschung Řež, s. r. o. zur Messung des Quecksilbergehalts in Leuchtstofflampen verbessert wird.

fuksa@nasli.net

Literatur:

[1] MACHEK, V.: Etymologisches Wörterbuch der tschechischen Sprache. Prag, Academia, 1968.

[2] KRABBENHOFT, D. - SCHUSTER, P.: Glacial Ice Cores Reveal A Record of Natural and Anthropogenic Atmospheric Mercury Deposition for the Last 270 Years. USGS Fact Sheet FS-051-02. 2002. Verfügbar unter: http://toxics.usgs.gov/pubs/FS-051-02/.

[3] KRBAL, M. - BAXANT, P. - ISKANDIROVA, M. - ŠKODA, J. - SUMEC, S.: Light sources and ecology. Light, 2014, vol. 17, no. 2, pp. 48-50. Verfügbar unter: http://www.odbornecasopisy.cz/flipviewer/Svetlo/2014/02/Svetlo_02_2014_output/web/Svetlo_02_2014_opf_files/Web-Search/page0050.html.

[4] URBAN, P.: Aktuelle Probleme der Quecksilber-Neurotoxizität. Neurologie für die Praxis, 2006, Nr. 5, S. 251-253.

Rezension: Ing. Vladimír Dvořáček

Abb. 1. Das astronomische Zeichen des Merkur und das alchemistische Symbol des Merkur

Abb. 2. Piktogramme für Quecksilber gemäß der CLP-Richtlinie (1272/2008/EU) Kann bei Einatmen zum Tode führen. Kann den Fötus im Körper der Mutter schädigen. Verursacht Organschäden bei längerer oder wiederholter Exposition. Sehr giftig für Wasserorganismen + lang anhaltende Wirkung

Abb. 3: Emissionsspektrum einer Niederdruck-Quecksilberentladung

Abb. 4. Quecksilberkonzentration im Fremont-Gletscher, Wyoming, USA, entnommen aus [2].

Autor.
Antonín Fuksa, NASLI & Blue Step spol. s r. o. Veröffentlicht in Světlo 4/2014