Chemie des Hausbaus. 1. Zement. 2. Gips Vorkommen: 2.2. Gewinnung:

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1 Universität Regensburg Institut für Anorganische Chemie - Lehrstuhl Prof. Dr. A. Pfitzner Demonstrationsvorträge im Sommersemester Betreuung: Dr. M. Andratschke Referenten: Kristina Altmann und Kathrin Dummer 1. Zement Chemie des Hausbaus Zement (von lat. caementum = Mörtel, Bruchstein) besteht vorwiegend aus variablen Mengen basischer Verbindungen des Calciumoxids (CaO) mit Siliciumdioxid (SiO 2 ), Aluminiumoxid (Al 2 O 3 ) und Eisenoxid (Fe 2 O 3 ) in Form von Tricalciumsilicat (Ca 3 SiO 5 ), Dicalciumsilicat (Ca 2 SiO 4 ), Tricalciumaluminat (Ca 3 Al 2 O 6 ) und Dicalciumaluminatferrit (Ca 2 AlFeO 5 ). Der Mörtel des Zements ist ein Bindemittel, das mit Wasser angerührt wird, nach einiger Zeit erhärtet und vor allem zum Bau von Mauerwerken verwendet wird. Der Zementmörtel ist ein Wassermörtel, der sowohl an Luft als auch unter Wasser erhärtet. [1] 1. Versuch: Herstellung und Verwendung von Zementmörtel [2-6] o Plastiklöffel o Plastikbecher oder schüssel o Steine (wahlweise Ziegel) o Zement o Wasser (H 2 O) o Quarzsand (SiO 2 ) 2. Gips Man vermischt ca.100 g Zement mit etwa 50 ml Wasser zu einer homogen Masse und dickt sie eventuell mit Quarzsand (ca. 300 g) zusätzlich an. Anschließend wird die Masse zwischen zwei Steinen verteilt und festgedrückt. - Beobachtung: Nach einiger Zeit wird der Zement fest und hält die Steine zusammen Vorkommen: Gips ( Gipsstein ) CaSO 4 2 H 2 O und das Anhydrit CaSO 4 sind zwei natürlich vorkommende Sulfate des Calciums. Seltener dagegen ist das Halbhydrat ( Bassanit ) CaSO 4 ½ H 2 O. Zwei weitere Abarten des Gipses sind Alabaster und Marienglas ( Frauenglas ). [1] 2.2. Gewinnung: Calciumsulfat kann durch Abbau in der Natur gewonnen werden ( Naturgips bzw. Naturanhydrit ). Zusätzlich erhält man sowohl Chemiegips als auch das Chemieanhydrit als Nebenprodukte wichtiger chemischer Verfahren. Sie entstehen bei der Herstellung von Phosphorsäure (a), bei der Fluorwasserstoffherstellung (b) und der Rauchgasentschwefelung (c). 1

2 a) Ca 3 (PO 4 ) H 2 SO 4 3 CaSO H 3 PO 4 Hier kann das entstandene Calciumsulfat (je nach Temperatur des Aufschlusses) als Gips (CaSO 4 2 H 2 O) oder als Hemihydrat (CaSO 4 ½ H 2 O) abfiltriert werden. b) 59 kj + CaF 2 + H 2 SO 4 CaSO HF c) CaCO 3 + SO 2 CaSO 3 + CO 2 CaSO 3 + ½ O 2 CaSO 4 (entsteht als Gips) Das Halbhydrat und das Anhydrit werden allerdings auch durch Dehydratation von Gips gewonnen. Um das Halbhydrat zu erhalten, muss dabei auf C erhitzt werden und um das Anhydrit zu erhalten noch stärker. T T CaSO 4 2 H 2 O CaSO 4 ½ H 2 O + 1,5 H 2 O CaSO H 2 O Gips Halbhydrat Anhydrit gebrannter Gips wasserfreier Gips [1] 2.3. Verwendung: Gips wird auf der Welt in einem Maßstab von 100 Megatonnen produziert. Verwendung findet er in erster Linie in der Bauindustrie, da der gebrannte und wasserfreie Gips mit Wasser zu einem homogenen Brei angerührt werden kann (Gipsmörtel), der dann unter Hydratation zu einer festen Masse, die aus feinfaserigen, miteinander verfilzten Gipskriställchen besteht, erhärtet. Mit dem Gipsmörtel werden sowohl Gipsbauteile wie Wand- und Deckenplatten, als auch Verzierungen von Decken und Wänden hergestellt (Stuck). Außerdem dient er zum Verputz von Mauerwerken. Er darf dabei aber aufgrund seiner hygroskopischen Eigenschaft nur im Innenbereich von Bauten eingesetzt werden. Desweiteren findet Gips in der Medizin bei Verbänden und in der Dentaltechnik zur Herstellung von Modellen, die aus Abformungen der Mund- und Zahnsituation erstellt werden, Anwendung. [1, 7] 2.4. Versuche 2. Versuch: Herstellen von Gipsförmchen; Wasserlöslichkeit von Gips [3, 5, 8-10] a) Herstellen von Gipsförmchen o Plastiklöffel o Plastikbecher oder schüssel o Plastikförmchen o Anhydrit (CaSO 4 ) o Wasser Circa 150 g Anhydrit werden mit etwa 50 ml Wasser zu einer homogen, zähen Flüssigkeit vermischt und zügig in vorbereitete Förmchen eingegossen. Daraufhin wartet man einige Minuten (je nach Größe der Förmchen). - Beobachtung: Der Gips erhärtet in den Förmchen. Anrühren und Erhärten des Gipses: CaSO H 2 O CaSO 4 2 H 2 O 2

3 b) Wasserlöslichkeit des Gipses o Reibschale mit Mörser o 3 Reagenzgläser o erhärtete Gipsform o Wasser o Bariumchlorid-Lösung (BaCl 2 -Lösung) o verdünnte Salzsäure (HCl) 3. Kalk Ein Gipsförmchen wird in einer Reibschale mit Mörser zerkleinert und anschließend in einem Reagenzglas in Wasser so gut wie möglich gelöst. Diese Lösung wird dann in ein zweites Reagenzglas abdekantiert, mit einigen Tropfen verdünnter Salzsäure angesäuert und mit wenig Bariumchlorid-Lösung versetzt. - Beobachtung: Es fällt ein weißer Niederschlag aus. CaSO 4 + Ba Cl - BaSO 4 + Ca Cl Vorkommen 7 % der Erdkruste bestehen aus Calciumcarbonat (CaCO 3, Kalk). Dabei bedecken fossile Überreste früherer Meereslebewesen einen großen Teil der Erdoberfläche als Sedimentgestein. Calciumcarbonat kristallisiert in drei verschiedenen Modifikationen. Neben der beständigsten Modifikation, dem trigonal-rhomboedrisch kristallisierten Calcit ( Kalkspat ), sind auch das orthorhombisch kristallisierte Aragonit und das hexagonal kristallisierte Vaterit in der Natur zu finden. Die bekannten natürlichen Erscheinungsformen des Calciumcarbonats, bestehend aus Calcitkristallen, sind der in den Nordalpen auftretende Kalkstein sowie Muschelkalk, Marmor und Kreide. Außerdem ist in den Südalpen das Doppelsalz Dolomit (CaMg(CO 3 ) 2 bzw. CaCO 3 MgCO 3 ) anzutreffen. [1] 3.2. Gewinnung Calciumcarbonat wird sowohl im Tagebau als auch im Untertagebau aus natürlichen Lagerstätten gewonnen. Außerdem kann es synthetisch durch Einleiten von Kohlendioxid in Calciumhydroxid-Lösung hergestellt werden. Dabei entsteht unter anderem Wasser: Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O [1] 3.3. Verwendung Calciumcarbonat hat eine Weltjahresproduktion im 1000 Megatonnenmaßstab. Es wird bei der Rauchgasentschwefelung, zur Sodaherstellung, als Düngemittel oder in der Metallurgie eingesetzt. Desweiteren findet es in der Bauindustrie als Schotter für Gleise oder zur Steinherstellung für Mauern Verwendung. Calciumcarbonat dient zudem zur Gewinnung von gebranntem Kalk, der für Mörtel und Zement be- 3

4 nötigt wird. Dabei ist der Vorgang des Kalkbrennens, der einen Ausschnitt des Kalkkreislaufes (siehe Abb. 1) darstellt, von zentraler Bedeutung. [1] H 2 O Abbinden und Erhärten CaCO 3 Calciumcarbonat Kalk Kalkbrennen C CO 2 Ca(OH) 2 Calciumhydroxid gelöschter Kalk CO 2 CaO Calciumoxid gebrannter Kalk Kalklöschen H 2 O 3.4. Versuche Abbildung 1 Der Kalkkreislauf [vgl. 1] 3. Versuch: Brennen und Löschen von Kalk (vgl. Kalkkreislauf) [5, 11] a) Kalkbrennen o Bunsenbrenner o Dreifuß mit Tondreieck o Porzellantiegel o Löffel o Calciumcarbonat (CaCO 3 ) Ein Löffel voll Calciumcarbonat wird in einem Porzellantiegel ca. 5 Minuten über dem Bunsenbrenner erhitzt. - Beobachtung: Es ist nichts zu beobachten. Zersetzung von Calciumcarbonat beim Erhitzen (vgl. Abb. 1 ): 178,4 kj + CaCO 3 CaO + CO 2 [1] weißes Pulver weißes Pulver b) Kalklöschen o Petrischale o Tiegelzange o Abdampfschale o Spritzflasche o Calciumoxid (CaO) o Wasser o Phenolphthalein o Ei 4

5 Teilversuch 1: In einer Petrischale werden etwas Wasser und einige Tropfen Phenolphthalein vorgelegt. Dann wird vorsichtig eine Spatelspitze voll Calciumoxid hinzugegeben. Teilversuch 2: Eine Abdampfschale wird mit einer großer Menge an Calciumoxid befüllt und mit Wasser übergossen. Im Anschluss wird darüber ein rohes Ei eingeschlagen. - Beobachtung: Teilversuch 1: Teilversuch 2: Es ist ein Farbumschlag nach violett zu beobachten. Das Ei wird gebraten. CaO + H 2 O Ca(OH) ,19 kj (vgl. Abb. 1) [1] Teilversuch 1: Der Farbumschlag des Phenolphthaleins nach violett zeigt den ph-wert der Lösung im basischen Wertebereich, der vom Calciumhydroxid herrührt, an. Teilversuch 2: Bei der exothermen Reaktion wird so viel Energie frei, dass das Ei gebraten wird. 4. Lehrplanbezug (Gymnasium) Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, die Chemie des Hausbaus in den gymnasialen Chemieunterricht einzubinden. In der 8. Klasse (8.3 Salze, Metalle und molekular gebaute Stoffe) soll auf die Bedeutung der Salze in Natur und Technik eingegangen werden. Zusätzlich kann unter 8.4 (Profilbereich) Kalkbrennen und löschen als Beispiel der angewandten Chemie und Chemie der Erde behandelt werden. Baustoffe und ihre Eigenschaften lassen sich auch unter dem Aspekt Chemie im Haushalt genauer erläutern. Zur weiteren Vertiefung kann in der 10. Klasse (10.4 Profilbereich) das Thema Baustoffe erneut aufgegriffen werden, indem der Kalkkreislauf als anorganische Seite des Kohlenstoffs gelehrt wird. [12] 5. Literatur- und Quellenangaben [1] N. Wiberg, E. Wiberg, A. F. Hollemann: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102., stark umgearbeitete und verbesserte Auflage, Walter de Gruyter-Verlag, Berlin, 2007, S. 131, 448, 570, 796, 863, 1236, 1237, 1243, 1244, , [2] Demonstrationsvortrag in Anorganischer Chemie: R. Obermayr; Chemie des Hausbauens, , Sommersemester 2004, Regensburg; s. auch 5

6 [3] Demonstrationsvortrag in Anorganischer Chemie: S. Hauser und C. Bogner; Chemie des Hausbaus, , Sommersemester 2007, Regensburg; s. auch [4] Demonstrationsvortrag in Anorganischer Chemie: W. Pöschl; hart wie Beton, , Sommersemester 2002, Regensburg; s. auch [5] H. Keune, W. Filbry: Chemische Schülerexperimente, Band 2: Anorganische Chemie, erster Teil, Verlag Harri Deutsch, Thun, Frankfurt/M., 1978, S , 133, 135 [6] H. Keune, H. Boeck: Chemische Schulexperimente, Band 1: Anorganische Chemie, Cornelsen Verlag/Volk und Wissen, Berlin, 1998, S. 117 [7] (Stand: ) [8] Demonstrationsvortrag in Anorganischer Chemie: T. Hafner; Chemie des Hausbaus, , Wintersemester 2002/2003, Regensburg; s. auch [9] Demonstrationsvortrag in Anorganischer Chemie: E.Sterr; Die Chemie des Hausbaus, , Wintersemester 2004/2005, Regensburg; s. auch [10] G. Jander, E. Blasius: Lehrbuch der analytischen und präparativen anorganischen Chemie, 14. Auflage, S. Hirzel-Verlag, Stuttgart, 1995, S , 397, 399 [11] K. Häusler, H. Rampf, R. Reichelt: Experimente für den Chemieunterricht, 2. Auflage, Oldenbourg Schulbuchverlag, S [12] lehrplan.de/contentserv/3.1.neu/g8.de/index.php?storyid=26448&subtemplate=print&supertemplate= (Stand: ) lehrplan.de/contentserv/3.1.neu/g8.de/index.php?storyid=26225&subtemplate=print&supertemplate= (Stand: ) 6

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