Chemie des Hausbaus. Mineralische Bindemittel. - Zement - Gips - hydraulische Kalke - Luftkalke

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1 Universität Regensburg Institut für Anorganische Chemie Lehrstuhl Prof. Dr. A. Pfitzner Demonstrationsvorträge im Wintersemester 2011/ Dozentin: Dr. M. Andratschke Referenten: Tanja Tenschert, Wolfgang Sax Chemie des Hausbaus 1. Mineralische Bindemittel [1] Mineralische Bindemittel hydraulisch luftbindend - Zement - Gips - hydraulische Kalke - Luftkalke 2. Zement [1, 2] Bereits seit dem 19. Jahrhundert ist Zement (lat. caementum = Mörtel, Bruchstein) als Baustoff bekannt. Kalkstein, Sand, Ton und Gips werden vermischt, zerkleinert und bei 1450 C gebrannt. Dabei entstehen die sog. Hauptklinkerphasen, welche aus basischen Verbindungen des Calciumoxids (CaO) bestehen: Haupfklinkerphasen des Zements: Klinkerphase Formel Kurzbezeichnung Massenanteile im Klinker [%] Tricalciumsilicat / Alit 3 CaO SiO 2 C 3 S 45 bis 80 Dicalciumsilicat / Belit 2 CaO SiO 2 C 2 S 0 bis 32 Tricalciumaluminat 3 CaO Al 2 O 3 C 3 A 7 bis 15 Calciumaluminatferrit 4 CaO (Al 2 O 3, Fe 2 O 3 ) C 4 (A,F) 4 bis 14 Vermischt man Zement mit Sand und Wasser, so erhält man Zementmörtel. Aufgrund seiner Hydraulizität (Aushärtung sowohl an Luft als auch im Wasser) eignet er sich besonders für den Bau von Mauerwerken. Versuch: Herstellung und Verwendung von Zementmörtel [1, 3-5] - Zement - Plastikbecher - Wasser (H 2 O) - Plastiklöffel - Quarzsand (SiO 2 ) - Steine oder Ziegel 1

2 Durchführung: Etwa 150 g Zement werden mit circa 40 ml Wasser und 40 g Quarzsand zu einer zähflüssigen Masse vermischt. Diese wird zwischen zwei Steinen aufgetragen und festgedrückt. Nach ein paar Minuten härtet der Zement aus und die Steine haften aneinander. Erklärung: Die Reaktion von Zement mit Wasser besteht aus zwei verschiedenen chemischen Reaktionen: Bei der Hydrolyse wird Calciumoxid (CaO) aus den Klinkerphasen freigesetzt und reagiert mit dem Wasser zu Calciumhydroxid. Im zweiten Schritt, der Hydratation, werden die Klinkerphasen allmählich verbraucht und es entstehen wasserhaltige, kristalline Hydratphasen. Beispiel Alit: 2 (3 CaO SiO 2 ) + 6 H 2 O 3 CaO 2 SiO 2 3 H 2 O + 3 Ca(OH) 2 3. Gips [1, 2, 6, 7] In der Natur findet man Gipssteinvorkommen (CaSO 4 2 H 2 O) häufig als Meeressedimente. Diese sind dort entstanden, wo Meerwasser und Anhydrit (CaSO 4 ) zusammengetroffen sind. Hitze und Druck sorgen dafür, dass daraus Anhydritstein (CaSO 4 ) entsteht. Das Erhitzen von gemahlenem Gipsstein liefert das Halbhydrat (CaSO 4 0,5 H 2 O) bzw. Anhydrit (CaSO 4 ): ± 1,5 H 2 O (g) ± 0,5 H 2 O (g) CaSO 4 2 H 2 O CaSO 4 0,5 H 2 O CaSO 4 H ± 86 kj/mol H ± 13 kj/mol Des Weiteren fallen Gips oder Anhydrit aber auch als Nebenprodukt verschiedener chemischer Verfahren an, wie z.b. bei der Nassphosphorsäureherstellung, Rauchgasentschwefelung und Fluorwasserstoffherstellung. Anhydrit bzw. die Hemihydrat-Formen verbinden sich zusammen mit Wasser zu Gipsmörtel (Luftmörtel). Einsatz finden die CaSO 4 -Formen in der Bauchemie je nach gewünschten Eigenschaften beispielsweise als Stuckgips (Wandverzierungen, Wandbauplatten), Formengips (Verbände, Keramikindustrie), Estrichgips (Bodenbeläge) oder Putzgips (Spachtelmasse). Wegen seiner hygroskopischen Eigenschaft wird Gips nur im Innenausbau verwendet. Jedoch ist er im Nasszellenund im Kellerbereich nur bedingt einsetzbar. 2

3 Versuche: a) Herstellung von Gipsformen [1, 3, 4] - Anhydrit (CaSO 4 ) - Plastiköffel - Wasser - Plastikbecher - Förmchen Durchführung: 50 g Anhydrit werden mit etwa 25 ml Wasser versetzt und zu einer homogenen Masse vermischt. Diese wird zügig in vorbereitete Plastikförmchen gegossen. Dann wartet man einige Minuten. Der Gips erhärtet und man erhält einen Abguss der Plastikförmchen. Erklärung: CaSO H 2 O CaSO 4 2 H 2 O Bei der Hydratation (Einlagerung von Wassermolekülen in das Kristallgitter) entstehen nadelförmige Kristalle. Diese verfilzen und verwachsen, was zu einer Aushärtung des Gipses führt. b) Wasserlöslichkeit des Gipses [3, 8] - erhärteter Gips - Reibschale mit Pistill - Wasser - 2 große Reagenzgläser - verdünnte Salzsäure (HCl) - Bariumnitrat-Lösung (Ba(NO 3 ) 2 -Lösung) Durchführung: Erhärteter Gips wird in einer Reibschale mit einem Pistill zerkleinert. Ein Teil davon wird in einem Reagenzglas mit Wasser gelöst. Anschließend wird die Lösung in ein weiteres Reagenzglas dekantiert, mit wenigen Tropfen verdünnter Salzsäure angesäuert und mit Bariumnitrat-Lösung versetzt. Es fällt ein weißer Niederschlag aus. 3

4 Erklärung: CaSO 4 + Ba NO 3 BaSO 4 + Ca NO 3 Das Calciumsulfat löst sich geringfügig in Wasser. Dabei entstehen Calcium- und Sulfat- Ionen. Die Barium-Ionen bilden zusammen mit den Sulfat-Ionen eine schwerlösliche Verbindung (Bariumsulfat), die als weißer Niederschlag ausfällt. 4. Kalk [6] Schon 3000 Jahre v. Chr. verwendeten die Ägypter Kalk (CaCO 3 ). Die Römer führten erstmals um 300 v. Chr. den Beruf des Kalkbrenners ein. Heutzutage wird im Hausbau vornehmlich Luftkalk benutzt. Dabei handelt es sich um ein Gemisch aus gelöschtem Kalk (Ca(OH) 2 ) und Sand, welches als Mörtel verwendet wird und nur an der Luft aushärtet. Dieser lässt sich aufgrund seiner Plastizität und Elastizität gut verarbeiten. Die hohe Rissfestigkeit und die starke Frost- und Wetterbeständigkeit tragen dazu bei, dass Kalkmörtel auch als Außenputz verwendet werden kann. Kalkmörtel ist ein Bindemittel bestehend aus Branntkalk (CaO), welcher mit Wasser nach dem Zusatz von Sand angerührt wird. Von großer Bedeutung für die Herstellung und Verarbeitung von Kalk ist dabei der Kalkkreislauf (vgl. Abb. 1). Abbinden und Erhärten Calciumcarbonat H 2 O CaCO 3 Kalk Kalkbrennen C CO 2 CO 2 Calciumhydroxid Ca(OH) 2 gelöschter Kalk Calciumoxid CaO gebrannter Kalk (Branntkalk) Kalklöschen H 2 O Abbildung 1 Der Kalkkreislauf [vgl. 6] 4

5 Versuch: Löschen von Branntkalk [2, 4, 9] - Calciumoxid (CaO) - 2 Petrischalen - Wasser - Becherglas - Phenolphthalein Durchführung: Teilversuch 1: In einem Becherglas werden etwas Wasser und einige Tropfen Phenolphthalein vorgelegt. Dann wird eine Spatelspitze voll Calciumoxid hinzugegeben. Teilversuch 2: Eine Petrischale wird mit Calciumoxid vollständig gefüllt und mit Wasser übergossen. Eine weitere Petrischale wird über die erste gelegt. Teilversuch 1: Es ist ein Farbumschlag nach violett zu beobachten. Teilversuch 2: Die Petrischale wird nach einigen Minuten heiß. Erklärung: CaO + H 2 O Ca(OH) ,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 gezeigt. Teilversuch 2: Da es sich um eine stark exotherme Reaktion handelt, bei der viel Energie frei wird, erwärmt sich die Petrischale sehr. 5. Lehrplanbezug (Realschule) [10] Baustoffchemie oder Bindemittel werden im Lehrplan des Faches Chemie in der Realschule nicht explizit erwähnt. Jedoch eignen sich die Versuche sehr gut, um den Schülerinnen und Schülern die große Bedeutung der Chemie im alltäglichen Leben anhand realitätsnaher Beispiele aufzuzeigen. Außerdem eignet sich dieses Thema, um fächerübergreifenden Unterricht, vorzugsweise mit den Fächern Geschichte und Erdkunde, zu gestalten. 5

6 6. Literaturverzeichnis: [1] H. Knoblauch, U. Schneider: Bauchemie, 3. Auflage, Werner-Verlag, Düsseldorf, 1992, S , , 135, 138 [2] A. F. Holleman, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102., stark umgearbeitete und verbesserte Auflage, Walter de Gruyter-Verlag, Berlin, 2007, S.1243, 1251, [3] Demonstrationsvortrag in Anorganischer Chemie: K. Altmann, K. Dummer, , Sommersemester 2011, Regensburg; s. auch [4] H. Keune, W. Filbry: Chemische Schülerexperimente, Band 2: Anorganische Chemie, Teil 1, Verlag Harri Deutsch, Thun, Frankfurt/M., 1978, S , 133, 135 [5] H. Keune, H. Boeck: Chemische Schulexperimente, Band 1: Anorganische Chemie, Cornelsen-Verlag/Volk und Wissen, Berlin, 1998, S. 117 [6] K. Krenkler: Chemie des Bauwesens, Band 1, Anorganische Chemie, 1. Auflage, Springer-Verlag, Berlin, 1980, S , , 132 [7] (Stand: ) [8] G. Jander, E. Blasius: Lehrbuch der analytischen und präparativen anorganischen Chemie, 15, Auflage, Hirzel-Verlag, Leipzig, 2002, S. 395 [9] K. Häusler, H. Rampf, R. Reichelt: Experimente für den Chemieunterricht mit einer Einführung in die Labortechnik, 2., korrigierte und verbesserte Auflage, Oldenbourg-Verlag, München, 1995, S [10] (Stand: ) (Stand: ) (Stand: ) 6

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