Chemie des Hausbaus. - Eisen - Stahl - Aluminium - Kupfer

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1 Universität Regensburg Institut für Anorganische Chemie Lehrstuhl Prof. Dr. A. Pfitzner Demonstrationsversuche im Wintersemester 2012/2013 Dozentin: Dr. M. Andratschke Referenten: Viola Kehl-Waas und Corinna Schriefer Chemie des Hausbaus 1. Einteilung der Baustoffe [1] Tab. 1 Einteilung der Baustoffe Organische Baustoffe Anorganische Baustoffe - Holz - Kunststoffe - Bitumen - Asphalt Metallische Baustoffe - Eisen - Stahl - Aluminium - Kupfer Mineralische Baustoffe - Naturstein - Glas - Mineralische Bindemittel 2. Mineralische Bindemittel 2.1 Gips [2, 3] Calciumsulfat (CaSO4) kommt in der Natur vorwiegend als Gips (CaSO4 2 H2O) und als Anhydrit (CaSO4) vor. Technisch wird Calciumsulfat durch Abbau natürlicher Lager gewonnen. Des Weiteren fällt er als Nebenprodukt der Phosphorsäure- und Flusssäuregewinnung sowie bei der Rauchgasentschwefelung an. Beim Erwärmen auf C spaltet Gips einen Teil seines Kristallwassers ab ( Brennen von Gips) und geht in das Halbhydrat CaSO4 0,5 H2O ( gebrannter Gips ) über [2]. Bei noch höheren Temperaturen wird das restliche Wasser unter Bildung von Anhydrit (kristallwasserfreier Gips) abgegeben. Somit gehen die drei Formen des Calciumsulfates gemäß -/+1,5 H2O (g) -/+ 0,5 H2O (g) CaSO4 2 H2O CaSO4 0,5 H2O Gips H 86 kj/mol Halbhydrat H 13 kj/mol CaSO4 Anhydrit ineinander über. Gips wird bereits seit der Jungsteinzeit als Baustoff verwendet und erfreut sich noch immer großer Beliebtheit, gerade im modernen Innenausbau, z. B. in Form von Gipsbauplatten oder Stuck. Aufgrund seiner hygroskopischen Eigenschaft (siehe Versuch 2) ist er nicht als Baustoff in feuchten Räumen oder im Außenbereich zu empfehlen. 1

2 Versuch 1: Herstellen von Gipsförmchen [2, 4] Plastikbecher Calciumsulfat-Halbhydrat (CaSO4 0,5 H2O) Plastikförmchen Wasser (H2O) Spatel Calciumsulfat-Halbhydrat (CaSO4 0,5 H2O) wird im richtigen Verhältnis mit Wasser (H2O) gemischt. Die entstandene homogene Masse wird in die Förmchen gegossen. Die Masse härtet innerhalb kurzer Zeit (ca. 5 min) aus und nimmt die gewünschte Form an. Erklärung: CaSO4 0,5 H2O + 1,5 H2O CaSO4 2 H2O Kristalliner Härtungsvorgang durch Hydratation (Einlagerung von Wassermolekülen in das Kristallgitter), d. h. durch die Wasseraufnahme bilden sich feine nadelförmige Kristalle, die ineinander verfilzen. Versuch 2: Nachweis von Sulfat-Ionen im Gips durch Fällung [5-8] Mörser und Pistill Gips(förmchen) (Versuch 1) Erlenmeyerkolben Wasser (H2O) Trichter + Filterpapier 2N Salzsäure (HCl) Bariumchloridlösung (BaCl2) Der ausgehärtete Gips wird im Mörser zerkleinert und in einen Erlenmeyerkolben, in dem sich ausreichend Wasser befindet, gegeben. Anschließend wird die Lösung mit verdünnter Salzsäure angesäuert und danach vom Ungelösten mit Hilfe eines Trichters abfiltriert. Das Filtrat wird mit Bariumchloridlösung versetzt. Nach der Filtration erhält man eine klare Lösung. Durch Zugabe der Bariumchloridlösung bildet sich ein weißer Niederschlag. Erklärung: SO Ba 2+ BaSO4 Calciumsulfat löst sich geringfügig in Wasser. Die Barium-Ionen bilden daraufhin einen schwerlöslichen Niederschlag mit Sulfat. 2.2 Kalk [2, 9] Als Ausgangsmaterial für Kalk (CaCO3) dient natürlich vorkommender Kalkstein (CaCO3). Er wird in großen Mengen u. a. als Rohstoff für die Baustoff-Industrie zur Herstellung von Branntkalk und Mörtel verwendet. Dabei wird Kalkstein durch Erhitzen auf C zu gebranntem Kalk (CaO), dem Branntkalk, umgesetzt. Dabei wird CO2 abgespalten. 178,4 kj + CaCO3 CaO + CO2 (Kalkbrennen) [2] 2

3 Gebrannter Kalk reagiert unter starker Wärmeentwicklung zu Calciumhydroxid (Ca(OH)2). CaO + H2O Ca(OH)2 + 65,19 kj (Kalklöschen) [2] Diesen Vorgang nennt man Kalklöschen, da durch die Wärme Wasser, wie beim Löschen eines Brandes, verdampft. Durch die starke exotherme Reaktion ist Branntkalk jedoch sehr brandgefährlich und bei einer Explosion kann Ca(OH)2 schwere Verätzungen nach sich ziehen. Auf dem Bau dient gelöschter Kalk (Ca(OH)2) als Bindemittel. Durch Zugabe von Sand wird der gelöschte Kalk als Kalkmörtel verwendet. Zunächst bindet der Mörtel durch Wasserabgabe ab. Durch Aufnahme von Kohlenstoffdioxid CO2 aus der Luft härtet er über längere Zeit (Tage bis Wochen) aus. Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O (Erhärten) [2] Da das Endprodukt dem Ausgangstoff entspricht, liegt ein Kreislauf vor (siehe Abb. 1). Abb. 1 Kalkkreislauf Versuch 3: Kalklöschen [2, 10] Reagenzglas Becherglas Löffelspatel Thermometer Branntkalk (CaO) Phenolphthalein Wasser (H2O) Teilversuch 1: Einige Tropfen Phenolphthalein und Wasser werden in einem Reagenzglas vorgelegt. Anschließend wird eine Spatelspitze voll Branntkalk CaO hinzugegeben. Teilversuch 2: Das Becherglas wird mit etwas Branntkalk CaO gefüllt und mit Wasser übergossen. Die Temperatur wird vor und nach dem Lösungsvorgang gemessen. Teilversuch 1: Farbumschlag von farblos nach violett. Teilversuch 2: Das Thermometer zeigt einen Temperaturanstieg an. (Vorversuch: tdest. Wasser = 20 C ; tlösung = 90 C) 3

4 Erklärung: CaO + H2O Ca(OH)2 + 65,19 kj Teilversuch 1: Aufgrund der entstehenden Hydroxidionen im Calciumhydroxid liegt der ph-wert der Lösung im basischen Bereich. Dies wird durch den Farbumschlag des Indikators Phenolphthalein von farblos nach violett angezeigt. Teilversuch 2: Da es sich um eine stark exotherme Reaktion handelt, bei der viel Energie frei wird, erwärmt sich das Becherglas. 2.3 Zement [2, 9] Als Luftmörtel erhärtet der gewöhnliche Kalkmörtel nur an der Luft, jedoch nicht unter Wasser. Um einen hydraulischen (wasserbeständigen) Kalkmörtel zu erhalten, muss der Kalkstein mit Ton (= eisenhaltige Aluminiumsilicate) gemischt und anschließend gebrannt werden. Das Produkt Zement besteht zum überwiegendem Teil aus wechselnden Mengen basischer Verbindungen des Calciumoxids CaO mit Siliciumdioxid SiO2, Aluminiumtrioxid Al2O3 sowie Eisentrioxid Fe2O3 [2]. Sie kommen als Silikate und Aluminosilikate in unterschiedlicher Zusammensetzung vor. Wird der Zement zum Verbinden von Bauteilen oder zum Verputzen verwendet, so wird er nur mit Sand vermischt und mit Wasser angerührt. Durch weiteres Zumischen von Kies oder Schotter erhält man als Produkt Beton. Durch Eisengitter kann der Beton stabilisiert werden (Stahlbeton). Durch den ph-wert im basischen Bereich wird das Eisen vor dem Rosten geschützt (siehe Versuch 4). Eine Veränderung des ph-bereichs des Stahlbetons würde einerseits zum Rosten des Eisengitters führen, andererseits werden die Bindungsstrukturen aufgelöst und der Beton wird brüchig und instabil. Versuch 4: Reaktion von Zement in Wasser [11] 2 Reagenzgläser Zement Löffelspatel Wasser Trichter + Filterpapier Phenolphthalein In ein Reagenzglas wird eine Spatelspitze voll Zement mit ca. 10 ml destilliertem Wasser aufgeschlämmt und anschließend filtriert. Die klare Lösung wird mit etwa 3 Tropfen Phenolphthalein versetzt. Nach der Filtration erhält man eine klare Lösung. Durch Zugabe des Indikators Phenolphthalein verfärbt sich die Lösung violett. Erklärung: Ca2SiO4 + H2O CaSiO3 + Ca(OH)2 Ca(OH)2 Ca OH - Alkalisch wirkende Bestandteile, wie Dicalciumsilicat Ca2SiO4 (2 CaO SiO2), im Zement reagieren mit Wasser unter Bildung von Calciumsilicat und Calciumhydroxid, das teilweise gelöst wird. 4

5 3. Lehrplanbezug 3.1 Realschule [12, 13] Baustoffchemie oder Bindemittel sind im Fach Chemie im Lehrplan der sechsstufigen Realschule (naturwissenschaftlicher Zweig) nicht vorgesehen. Jedoch vertiefen die Schüler im Rahmen des Profilbereichs Ch 8.5 (Oxidation und Reduktion als Sauerstoffübertragung) ihre Kenntnisse über chemische Reaktionen. Sie erarbeiten sich Grundregeln mit feuergefährlichen Stoffen und lernen Möglichkeiten kennen, Brände und Explosionen ( Kalklöschen) zu vermeiden und zu bekämpfen. Das Thema Zement kann im Profilbereich Ch 9.3 (Säuren und Basen) durchgenommen werden. Den Schülerinnen und Schülern kann an realitätsnahen Beispielen aufgezeigt werden, welche Auswirkungen Säuren und Basen auf Materialien, wie Beton, haben. Der Versuch 1 (Herstellen von Gipsförmchen) eignet sich beispielsweise gut in der letzten Stunde vor den Ferien als Schülerübung. 3.2 Gymnasium [14-16] Im achtjährigen Gymnasium kann die Chemie des Hausbaus in den verschiedenen Jahrgangsstufen des naturwissenschaftlich-technologischen Gymnasiums (NTG) behandelt werden. Zum Einen kann das Thema im Rahmen des Profilbereichs CNTG 8.4 besprochen werden. Hier eignen sich die Themenbereiche angewandte Chemie oder Energie und Chemie ( Kalklöschen, Kalkbrennen), Chemie der Erde ( Kalk) oder Chemie im Haushalt ( Baustoffe: Zement, Gips, Kalk). Im Unterricht kann dies mittels der Unterrichtseinheiten Stoffe und Reaktionen (CNTG 8.1) und Atombau und gekürztes PSE (CNTG 8.2) erfolgen. Andererseits eignet sich das Thema bei der Behandlung der Einheiten Protonenübergänge ( ph- Wert der Baustoffe) (CNTG 9.4) und Elektronenübergänge ( Rost) (CNTG 9.5). Im Themenbereich CNTG 9.6 sind hier die Unterrichtseinheiten Säuren und Basen im Alltag ( Auswirkung auf Materialien wie z. B. Beton), Redoxvorgänge in Natur und Technik geeignet ( Kalklöschen). Des Weiteren kann der Kalkkreislauf im Profilbereich CNTG 10.4 im Hinblick auf die anorganische Seite des Kohlenstoffs behandelt werden. 4. Literatur [1] G. Neroth, D. Vollenschaar: Wendehorst Baustoffkunde, 27. Auflage, Vieweg + Teubner Verlag, Hannover, 2011, S. 3. [2] N. Wiberg, E. Wiberg, A. F. Holleman: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter-Verlag, Berlin, New York, 2004, S. 1243, 1244, 1251, [3] [Stand: ] [4] H. Keune, W. Filbry: Chemische Schulexperimente, Band 2: Anorganische Chemie, Teil 1, Verlag Harri Deutsch, Thun, Frankfurt/M., 1978, S. 135 [5] [Stand: ] [6] C. Housecroft, A. Sharpe: Anorganische Chemie, 2. Auflage, Addison-Wesley Verlag, 2006, S. 315 [7] Demonstrationsvortrag in Anorganischer Chemie: M. Erhard, A. Faltermeier; Chemie des (Haus- )Baus, , Wintersemester 2007/2008, Regensburg, siehe auch: hausbau.pdf [Stand: ], S. 4 [8] en.pdf [Stand: ], S. 87, 88, 176, 177 5

6 [9] H. K. Cammenga, J. Daum, C. Gloistein, U. Gloistein, A. Steer, B. Zielsko: Bauchemie Eine Einführung für das Studium; 1. Auflage, Vieweg Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig, Wiesbaden, 1996, S. 79, 89 [10] K. Häusler, H. Rampf, R. Reichelt: Experimente für den Chemieunterricht; 2. korrigierte und verbesserte Auflage, Oldenbourg Schulbuchverlag GmbH, München, Düsseldorf, Stuttgart, 1995, S. 131, 132 [11] H. Keune, H. Boeck: Chemische Schulexperimente, Band 1: Anorganische Chemie, Cornelsen Verlag/Volk und Wissen Verlag, Berlin, 1998, S. 117 [12] [Stand: ], S. 2 [13] [Stand: ], S. 1, S. 2 [14] [Stand: ] [15] [Stand: ] [16] [Stand: ] 6