GRUNDLAGEN MINERALISCHER BAUSTOFFE

Transkript

1 3. Einheit: GRUNDLAGEN MINERALISCHER BAUSTOFFE Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 1 von 24

2 ZIELE DER HEUTIGEN EINHEIT Am Ende der Einheit Untersuchung von Grundlagen mineralischer Baustoffe....kennen Sie relevante Baustoffe, deren Eigenschaften und Zusammensetzung...sind Sie in der Lage den Kalkkreislauf in wesentlichen Schritten unter Zuhilfenahme von Reaktionsgleichungen zu erläutern...können Sie den Einfluss von Säuren und Basen auf Baustoffe wie z.b. Marmor einschätzen. Kennen Sie Methoden zum Nachweis von Kohlenstoffdioxid und Sulfaten...können Sie die Begriffe Hydratation, exotherm, endotherm erklären. Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 2 von 24

3 WIEDERHOLUNG 1.EINHEIT Glasarbeiten Tabelle Name der Verbindung Summenformel ionische Bestandteile kovalent gebundene Bestandteile Quarz SiO 2 - SiO 2 oder Si + O Kohlenstoffdioxid CO 2 - CO 2 oder C + O Natriumcarbonat Na 2 CO 3 2 Na +, CO 3 2- CO 3 2- oder C + O Calciumcarbonat CaCO 3 Ca 2+, CO 3 2- CO 3 2- oder C + O Calciumoxid CaO Ca 2+, O 2- - Calciumsulfat CaSO 4 Ca 2+, SO 4 2- SO 4 2- oder S + O Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 3 von 24

4 WIEDERHOLUNG 1.EINHEIT SiO 4 -Tetraeder im Quarz: Maximaler Abstand der sich abstoßenden Sauerstoffatome voneinander Minimaler Abstand zum Siliciumatom im Zentrum Quarzglas bricht nicht bei starken Temperaturwechseln, gewöhnliches Laborglas (kann) schon! kleiner Wärmeausdehnungskoeffizient Zur Vermeidung von Rissen und Brüchen lässt man das Glas langsam abkühlen Tempern Zur Bearbeitung wird die rauschende Flamme (bläulich/ farblos) verwendet Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 4 von 24

5 KOVALENTE BINDUNG Die beteiligten Atome teilen sich ihre Außenelektronen und bilden sogenannte Elektronenpaarbindungen Jeder Partner erhält eine gefüllte Außenschale (Edelgaskonfiguration) Produkte sind Moleküle! Sie können fest, flüssig oder gasförmig sein Beispiele: Kohlenstoff mit Sauerstoff: C s + O 2 g CO 2 (s) Wasserstoff mit Sauerstoff: 2 H 2 g + O 2 g H 2 O (l) Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 5 von 24

6 IONISCHE BINDUNG Die beteiligten Atome geben Elektronen ab oder nehmen Elektronen auf geladene Teilchen (Ionen) Positiv geladen: Kationen Negativ geladen: Anionen Kationen und Anionen bilden zusammen ein Kristallgitter Wechselwirkung positiver und negativer Ladungen Ionenbindung Produkte sind feste Salze Beispiel: Chlorgas mit Natrium 2 Na s + Cl 2 g 2 Na Cl 2 Na Cl 2 NaCl (s) Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 6 von 24

7 IONENBILDUNG Bildung von Kation oder Anion hängt von der Anzahl der Valenzelektronen ab Ziel ist eine gefüllte Außenschale (Edelgaskonfiguration) Elemente mit wenigen Außenelektronen bevorzugen Elektronenabgabe (Metalle) Bildung von Kationen Volumenabnahme Elemente mit vielen Außenelektronen bevorzugen Elektronenaufnahme (Nichtmetalle) Bildung von Anionen Volumenzunahme Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 7 von 24

8 PRINZIP DER DICHTESTEN KUGELPACKUNG die Ionen ordnen sich zu einer dichtesten Kugelpackung kleine Kugeln in den Lücken zwischen den großen Kugeln Beispiel: im NaCl-Gitter sind die Cl - -Anionen (grün) größer als die Na + -Kationen (grau) im NaCl-Gitter sind die Na + -Ionen von sechs Cl - -Anionen umgeben und umgekehrt Koordinationszahl Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 8 von 24

9 BESTANDTEILE IONISCHER Salze bestehen aus positiven (Kationen) und negativen Teilchen (Anionen). Metallkationen Li +, Na +, K + Ca 2+, Mg 2+, Fe 2+ Al 3+, Fe 3+, Cr 3+ VERBINDUNGEN Nichtmetallanionen einfache Anionen Cl - (Chlorid), Br - (Bromid), I - (Iodid) O 2- (Oxid), S 2- (Sulfid) komplexe Anionen OH - (Hydroxid), NO 3 - (Nitrat) SO 4 2- (Sulfat), CO 3 2- (Carbonat) - PO 4 3- (Phosphat) Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 9 von 24

10 SALZKRISTALLE SIND ELEKTRISCH NEUTRAL die Ladungen der Kationen und Anionen sind in einer salzartigen Verbindung ausgeglichen elektrisch neutral die Zahl der positiven Ladungen ist in jeder Elementarzelle eines Ionengitters gleich der Zahl der negativen Ladungen Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 10 von 24

11 LÖSUNGSPROZESS VON SALZEN Wasser-Dipole lagern sich um die Ionen von Salzkristallen Hydratation Sauerstoffatome in Richtung der Kationen Wasserstoffatome in Richtung der Anionen Wassermoleküle bilden Hülle um Ionen (Hydrathülle) Endothermer Lösungsprozess: Die Lösung kühlt sich ab ( z.b. Kältepackung) Exothermer Lösungsprozess: Die Lösung erwärmt sich (z.b. Wärmepackung) Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 11 von 24

12 WAS SIND MINERALISCHE BAUSTOFFE? Sand, Quarz (SiO 2 ) Glas, Wasserglas (Bindemittel für Silikatfarben) Gebrannter Kalk (CaO) und Kalklauge (Ca(OH) 2 ) Bindemittel für Mörtel und Putz, Anstrichmittel Zement: Gemisch von Kalk mit hydraulisch härtenden Oxiden (SiO 2, Fe 2 O 3, Al 2 O 3 Bindemittel für Beton, Zementputze und Zementfarben) Beton: Zement (Bindemittel) + Zuschläge (Kies, Splitt) + Wasser Baugips (CaSO 4 * 0,5 H 2 O) Kunststeine (Ziegel, Klinker, Kalksandstein, Porenbeton etc.) Natursteine (Kalkstein, Sandstein, Marmor, Granit u. a.) Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 12 von 24

13 DER KALK-KREISLAUF Kalkstein CaCO 3 0 Brennen: 1000 C - CO 2 (Brannt-)Kalk CaO + H O 2 (Ab-)Löschen Kalkstein CaCO 3 Erhärten: + CO 2 - H O 2 (Versteinerung) Kalklauge Ca(OH) (gelöschter Kalk) 2 Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 13 von 24

14 DER KALKKREISLAUF CO 2 Kalkstein CaCO C Brennen Gebrannter Kalk CaO H 2 O CO 2 Löschen Versteinern Gelöschter Kalk Ca(OH) 2 H 2 O Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 14 von 24

15 DER KALK-KREISLAUF Brennen: CaCO 3 s 800 C CaO s + CO 2 (g) Löschen: CaO s + H 2 O l Ca(OH) 2 aq Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 15 von 24

16 CHEMISCHE ERHÄRTUNG VON KALK Aus Wasser und gebranntem Kalk bildet sich Kalklauge (Kalkwasser, Mörtel). Durch Aufnahme von Kohlendioxid aus der Luft erfolgt die Aushärtung. Hierbei bilden sich versteinerte CaCO 3 -Kristalle: Ca(OH) 2 aq + CO 2 g CaCO 3 s + H 2 O l Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 16 von 24

17 REAKTION VON SAUREM REGEN MIT KALKSTEIN Saurer Regen beschädigt Kalkstein Auflösung Bildung wasserlöslicher Verbindungen Immenser wirtschaftlicher Schaden Beispiel: H 2 SO 4 aq + CaCO 3 s CaSO 4 aq + H 2 O l + CO 2 (g) Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 17 von 24

18 NICHTHYDRAULISCHE ERHÄRTUNG Erhärtung nur an der Luft Wasser wird in Kristallgitter eingelagert Teilweise nach Erhärtung noch wasserlöslich Beispiele: herkömmliche Kalke, Gips Gips: gebrannter Baugips erhärtet durch Bindung von Wasser zu einem Produkt aus miteinander verfilzten Gipskristallen CaSO 4 2 H 2 O s 130 C CaSO 4 0,5 H 2 O s (Drehrohrofenprozess) + 1,5 H 2 O l CaSO 4 0,5 H 2 O s + 1,5 H 2 O l CaSO 4 2 H 2 O s (Erhärtungsvorgang) Baugips (Stuckgips) Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 18 von 24

19 HYDRAULISCHE ERHÄRTUNG Erhärtung an der Luft und unter Wasser Wasser wird chemisch gebunden wasserunlöslich Beispiele: Zement, hydraulische Kalke*, Beton Zement: Bindemittel muss zuerst an der Luft lagern 2 CaSiO 3 2 CaO s + 4 H 2 O l Ca 3 Si 2 O 7 3 H 2 O s + Ca(OH) 2 (s) Porenbeton: wird durch Zusatz von Wasser zu einem Gemisch aus einem Bindemittel mit Treibmittel und Sand hergestellt 2 Al s + 3 CaO s + 9 H 2 O l Ca 3 Al 2 O 6 6 H 2 O s + 3H 2 (g) Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 19 von 24

20 3.1 NACHWEIS VON KOHLENSTOFFDIOXID IN MARMOR Kalk löst sich bei Zugabe von Säure auf CaCO 3 s + 2 H 3 O + aq H 2 CO 3 aq + 2 H 2 O l + Ca 2+ aq Es entsteht die Kohlensäure bzw. Wasser und Kohlenstoffdioxid H 2 CO 3 aq H 2 O l + CO 2 (g) Nachweis mit Kalkwasser (Ca(OH)2) in einem Gärröhrchen (Kalkwasserprobe) CO 2 g + Ca(OH) 2 aq CaCO 3 s + H 2 O l Niederschlag in Form von Kalk Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 20 von 24 c/de/ch/6/ac/versuche/grafiken/carbonat_foto0 2.jpg Zugriff: :00

21 3.2 EIGENSCHAFTEN DER LÖSUNG VON CALCIUMOXID IN WASSER Calciumoxid löst sich in Wasser Wärmeentwicklung (theoretisch) ph-wert wird alkalisch bzw. basisch Es entsteht Calciumhydroxid-Lösung (Kalkwasser) CaO s + H 2 O l Ca(OH) 2 aq Kalkwasser ist eine starke Base Ca(OH) 2 aq Ca 2+ aq + 2 OH aq Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 21 von 24

22 3.3 REAKTION VON ALUMINIUM MIT NATRONLAUGE Aluminium löst sich mit Natronlauge auf Gasbildung Starke Wärmeentwicklung 2 Al s + 2 OH aq + 6 H 2 O l 2 [Al(OH) 4 ] aq + 3 H 2 g Exotherme Reaktion: Reaktion unter Wärmeabgabe Verbrennung Endotherme Reaktion: Reaktion unter Wärmeaufnahme Hochofenprozess Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 22 von 24

23 3.4 NACHWEIS VON SULFATIONEN IN LEITUNGSWASSER UND WÄSSRIGER CALCIUMSULFATLÖSUNG Bariumverbindungen dienen als Nachweis für Sulfationen Es entsteht das unlösliche Bariumsulfat BaSO 4 Weißer feiner Niederschlag Bariumverbindungen sind hochgiftig, außer Bariumsulfat Ca 2+ aq + SO 2 4 aq + Ba 2+ aq + 2 Cl aq Ca 2+ aq + BaSO 4 s + 2 Cl aq Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 23 von 24

24 3.5 DEMO: AUFSCHÄUMEN VON GIPS (Bau)Gips wird mit Hilfe von Aluminium und Natronlauge aufgeschäumt Aluminium und Natronlauge reagieren unter Gasbildung Gips härtet durch Wasseraufnahme aus Aufsteigendes Gas sorgt für die Porenbildung Gips dient als Baumaterial und Bindemittel CaSO 4 0,5 H 2 O s + 1,5 H 2 O l CaSO 4 2 H 2 O s Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 24 von 24