Chemie des Hausbaus. Glas Stahl. Aluminium

Transkript

1 Universität Regensburg Institut für Anorganische Chemie Lehrstuhl Prof. Dr. A. Pfitzner Demonstrationsversuche im Sommersemester Dozentin: Dr. M. Andratschke Referenten: Thore Kuhnlein und Michaela Leyh Chemie des Hausbaus 1. Einordnung der Baustoffe Tabelle 1: Einteilung traditioneller Baustoffe [1] Organische Baustoffe Holz Kunststoffe Teerpeche Anorganische Baustoffe Metallische Baustoffe: Mineralische Baustoffe: Aluminium Glas Stahl Naturstein Kupfer Bindemittel wie Zement, Kalk oder Gips Chemisch relevant sind vor allem die mineralischen Bindemittel [2]: Mörtel (Bindemittel, das mit Wasser oder an Luft erhärtet) Verwendung zum Verputzen, Verkitten und Verfugen 2. Gips Wissenswertes über Gips [2], [3]: Calciumsulfat (CaSO 4 ) liegt natürlich als Anhydrit (CaSO 4 ) oder Gipsstein (CaSO 4 x 2 H 2 O), seltener als Bassanit = Halbhydrat (CaSO 4 x ½ H 2 O) vor. Abbau natürlicher Lagerstätten Technische Gewinnung als Nebenprodukt vieler chemischer Prozesse (z. B. Flusssäureund Phosphorsäuregewinnung; Rauchgasentschwefelung, Verbrennung fossiler Brennstoffe) Seit ca Jahren wird Gips nachgewiesener Maßen von Menschen genutzt (Verfugen von Mauerwerk, Stuck, Modellbau) Brennen führt zur Abspaltung von Kristallwasser Abbinden und Erhärten mit Wasser in geringer Zeit (in Minuten) - Luftmörtel form- und volumenbeständig 1

2 Chemische Reaktionen des Calciumsulfats [2]: Gips entsteht als Nebenprodukt der Rauchgasentschwefelung: Außerdem lassen sich das Anhydrit, der Gipsstein und das Halbhydrat durch Erhitzen bzw. Zugabe von Wasser ineinander umwandeln: Versuch zu Gips [2], [4]: Aushärten von Gips Kristallisierschale oder anderes flaches Gefäß Anhydrit (CaSO 4 ) oder alternativ Modellgips (Calciumsulfat-Halbhydrat, CaSO 4 x ½ H 2 O) Spachtel Form zum Ausgießen Vorgehen: Modellgips oder Anhydrit in die Schale geben und Gips im Verhältnis 2:1 anrühren Brei in eine Form gießen Nach kurzer Zeit wird der Gips fest und wird zum Abdruck der ursprünglichen Form 3. Kalk Chemische Reaktionen von Kalk (CaCO 3 ) der Kalkkreislauf [2]: Kalkbrennen: CaCO 3 CaO + CO 2 (bei 900 C 1200 C) Kalklöschen: CaO + H 2 O Ca(OH) ,19 kj Abbinden: Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 +H 2 O 2

3 Abb. 1: Kalkkreislauf (schematische Darstellung: gezeichnet nach A. F. Holleman & N. Wiberg, 1985) Wissenswertes über Kalk [5], [2]: Einer der ältesten (3000 v. Chr.) noch gebräuchlichsten Baustoffe (Kalkstein z. B. Straßen-, Gleis- und Hausbau; Gebrannt zur Verkittung von Baustoffen) Löschen von Branntkalk (CaO) zur Kalkmörtelherstellung ist gefährlich exotherme Reaktion, sehr brandgefährlich und Explosionsgefahr, Verätzungsgefahr (Ca(OH) 2 ist stark basisch) Verwendung als Mörtel: Abbinden durch Wasserabgabe, danach Erhärten durch CO 2 Aufnahme aus der Luft Luftmörtel Versuch zu Kalk: Kalklöschen [2], [4] Becherglas Calciumoxid (CaO) Phenolphthalein digitales Thermometer Vorgehen: Phenolphthalein wird in ein Becherglas mit Wasser gegeben zu dieser Lösung wird CaO zugegeben 3

4 4. Zement Entstehen einer milchigen Lösung (Suspension, genannt Kalkmilch ) Phenolphthalein schlägt nach rot um Temperaturerhöhung Auswertung: Der Farbumschlag des Indikators zeigt die basische Reaktion des entstehenden Calciumhydroxids an Die Temperaturerhöhung zeigt, dass es sich um eine exotherme Reaktion handelt Wissenswertes über Zement [2], [6], [7], [8], [9]: Zement im Sinne des Portland-Zements ist seit dem 19. Jahrhundert bekannt Gewinnung der Rohmaterialien in Steinbrüchen, anschließendes Mahlen und Brennen Zementklinker Herstellung aus tonreichen Mineralien (z. B. Kalkstein und Ton oder Kalk- und Tonmergel), welche gemischt und zerkleinert bei 1400 C 1450 C gebrannt werden Verwendung als Bindemittel (mit Sand vermischt zwischen Ziegeln), Beton (mit Kies oder Schotter) und Stahlbeton (mit Eisengitter, welche durch einen hohen ph-wet vor Oxidation geschützt sind) ph-wert liegt im basischen (ca. 12,5), weshalb Beton im Allgemeinen sehr säureempfindlich ist Gips wird als Erstarrungsregler hinzugegeben Kann an Luft und unter Wasser aushärten mörtel Chemische Reaktionen von Zement [8]: ph-wert-steigerung auf ca. 12,5 durch die Reaktion von verschiedenen Silikaten mit Wasser, wobei Calciumhydroxid entsteht. Diese Reaktion schützt den Stahl im Stahlbeton, welcher aus einem gewissen Teil aus Zement besteht, vor Korrosion. Des Weiteren folgt ein großer Teil der Härte von Baumaterialen, in welchen Zement verwendet wird, aus einer Reaktion der Inhaltsstoffe des Zements mit Wasser (unter der Bildung sog. Hydratphasen), wobei es zur Einlagerung des Wassers in die vorhandenen Silicate kommt. Versuche zu Zement: a) Reaktion von Zement mit Wasser [4] Papp-Becher Zement Indikatorpapier 4

5 Vorgehen: Ein Becherglas wird mit Wasser und Zementpulver befüllt ph-wert mit Indikatorpapier messen Indikatorpapier zeigt einen ph-wert im basischen Bereich (ph > 10) an b) Herstellung von Zementmörtel [4] Zement Sand Steine oder Ziegel Plastikbecher Plastiklöffel Vorgehen: und Sand werden zu gleichen Teilen mit drei Teilen Zement vermischt und auf einen Stein aufgetragen Ein weiterer Stein wird darauf gesetzt Der Zementmörtel härtet nach einiger Zeit aus und die Steine haften aneinander 5. Lehrplanbezug [10], [11], [12] In der 8. Klasse naturwissenschaftlicher Gymnasien bzw. der 9. Klasse der anderen Gymnasien kann die Chemie des Hausbaus im Rahmen des Profilbereiches (Abschnitt 8.4) durchgenommen werden. Die Themenbereiche angewandte Chemie, Chemie im Haushalt und Chemie der Erde sind dabei besonders geeignet, ebenso die Unterrichtseinheiten Stoffe und Reaktionen (Abschnitt 8.1) und Ordnung der Elemente im gekürzten Periodensystem der Elemente (Abschnitt 8.2). Des Weiteren ist die Chemie des Haushalts in der 9. bzw. der 10. Klasse bei der Behandlung der Einheiten Protonenübergänge (ph-wert der Baustoffe) (Abschnitt 9.4) und Elektronenübergänge (Rost) (Abschnitt 9.5) geeignet. Im Profilbereich (Abschnitt 9.6) sind großtechnische Chemie, Säuren und Basen im Alltag und Redoxvorgänge in Natur und Technik die für diesen Themenbereich verwendbaren Lehrplanabschnitte. Der Kalkkreislauf lässt sich ebenfalls gut unter anorganische Seite des Kohlenstoffs im Profilbereich 10.4 einsetzen. 5

6 6. Quellen [1] R. Wendehorst: Baustoffkunde. 24. Auflage, Vincentz-Verlag, Hannover, S. 3 [2] A. F. Holleman, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, , verbesserte und stark erweiterte Auflagen, Walter de Gruyter-Verlag, Berlin, 1985, , 918 u. 921 Sowie: N. Wiberg, E. Wiberg, A. F. Hollemann: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Stark umgearbeitete und verbesserte Auflage, Walter de Gruyter Verlag, Berlin, New York 2007, S. 570, 1243, 1244, 1251, [3] (letzter Aufruf: ) [4] H. Keune, H. Boeck: Chemische Schulexperimente, Band 1: Anorganische Chemie, Cornelsen-Verlag/ Volk und Wissen, Berlin, 1998, S. 53, 55, 117 [5] K. Krenkler: Chemie des Bauwesens Band 1 - Anorganische Chemie, Springer Verlag Berlin; Heidelberg, 1980, S. 125, 128, 130 [6] 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 , 89 [7] (letzter Aufruf: ) [8] H. Knoblauch, U. Schneider: Bauchemie, 3. Auflage, Werner-Verlag, Düsseldorf, 1992, S. 138 [9] H. R. Christen: Grundlagen der allgemeinen und anorganischen Chemie, 6. Auflage, Otto Salle Verlag GmbH & Co., Frankfurt am Main, 1980, [10] (letzter Aufruf: ) [11] (letzter Aufruf: ) [12] (letzter Aufruf: ) 6