Roland Benedix Bauchemie

Roland Benedix

Bauchemie Einführung in die Chemie für Bauingenieure und Architekten 5., überarbeitete und aktualisierte Auflage STUDIUM

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Prof. Dr. rer. nat. habil. Roland Benedix Studium der Chemie an der Universität Leipzig. Promotion und Habilitation zur Struktur und zum spektroskopischen Verhalten von Übergangsmetallkomplexen. Wissenschaftlicher Assistent und Oberassistent an der Universität Leipzig bis 1992. Lehrtätigkeiten: Vorlesungen, Seminare und Praktika auf dem Lehrgebiet Allgemeine und Anorganische Chemie. Seit 1992 Professor für Allgemeine und Anorganische Chemie an der Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig. Lehrveranstaltungen: Chemie für Bauingenieure, Umwelt- und Wasserchemie Email: [email protected] Internet: www.imn.htwk-leipzig.de/~benedix

1. Auflage 1999 2. Auflage 2003 3. Auflage 2006 4. Auflage 2008 5., überarbeitete und aktualisierte Auflage 2011 Alle Rechte vorbehalten © Vieweg +Teubner Verlag | Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2011 Lektorat: Dipl.-Ing. Ralf Harms | Sabine Koch Vieweg+Teubner Verlag ist eine Marke von Springer Fachmedien. Springer Fachmedien ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. www.viewegteubner.de Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Druck und buchbinderische Verarbeitung: STRAUSS GMBH, Mörlenbach Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Printed in Germany ISBN 978-3-8348-1348-0

Vorwort zur 5. Auflage Die gute Akzeptanz, die das vorliegende Lehrbuch in den bisherigen vier Auflagen sowohl bei Studenten und Lehrkräften als auch bei Praktikern gefunden hat, macht eine Neuauflage erforderlich. An der bewährten Gliederung wurde weiterhin festgehalten: Allgemeinchemische Grundlagen, Luft und Luftinhaltsstoffe, Wasser und wässrige Lösungen, Redoxgleichgewichte / Grundlagen der Elektrochemie, Chemie der Baumetalle sowie Chemie nichtmetallisch-anorganischer und organischer Stoffe im Bauwesen. Im Ergebnis der ständigen Rückkopplung bei der Vermittlung des Bauchemie-Lehrstoffes im Rahmen von Lehrveranstaltungen, aber auch durch konstruktiv kritische Hinweise von Fachkollegen habe ich den Stoff weiter ergänzt, klarer dargestellt und wenn notwendig aktualisiert. Zusätzliche Abbildungen und Schemata sollen es dem Leser erleichtern, Zusammenhänge herzustellen und Verbindungen zwischen theoretischen Sachverhalten und praktischen Problemstellungen zu erkennen . Der mitunte r erhobenen Forderung nach einer moderneren grafischen Gestaltung, insbesondere nach mehrfarbigen Abbildungen, kann leider nicht entsprochen werden. Der Kaufpreis würde deutlich ansteigen - für ein studentisches Lehrbuch ein schlechtes Kaufargument! In den ersten mehr grundlagen-chemisch orientierten Kapiteln wurden alle TextsteIlen, für die sich Bezüge zum Bauwesen herstellen lassen, besonders gekennzeichnet. Großen Wert legt der Autor auf aktuelle Neuentwicklungen, insbesondere die Anwendung der Nanotechnologie in Architektur und Bauwesen. Die Nanotechnologie gilt als die Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts. Ihre Anwendung und Nutzung ist nicht nur für HightechBranchen , sondern auch für konventionelle Industriezweige wie den Bausektor von einem enormen wissenschaftlichen und wirtschaftlichen Interesse . An ausgewählten Beispielen werden Prinziplösungen zur Oberflächenfunktionalisierung, zur Verbesserung wichtiger Betoneigenschaften, zur Wärmedämmung und zu schaltbaren Verglasungen vorgestellt. Mein Dank gilt zuerst den Herren Prof. Dr-Ing. habil. Wolf-Peter Ettel (HTWK Leipzig) und Prof. Dr. Dr. h. c. habil. Lothar Beyer (Universität Leipzig) für die stete Bereitschaft zu fachlicher Diskussion und Unterstützung. Des Weiteren danke ich allen Fachkollegen und Fachleuten der Industrie, die mit konstruktiver Kritik zu Verbesserung des Buches beigetragen haben . Mein Dank gilt weiterhin den Herren Prof. Dr-Ing. habil. Jochen Stark und Dr. Bernd Möser (F. A. Finger-Institut für Baustoffkunde, Bauhaus-Universität Weimar) für die Bereitstellung von ESEM-Aufnahmen zur Zementhydratation und zu ausgewählten Baustoffen . Darüber hinaus danke ich den Herren Prof.'Dr. habil. UlfMessow und Dr. habil. Manfred Pulst für zahlreiche nützliche Hinweise bei der Qualifizierung des Manuskripts. Schließlich danke ich dem Vieweg+Teubner Verlag, insbesondere Herrn Dipl.lng. Ralf Harms und Frau Sabine Koch, für die jahrelange fruchtbringende und konstruktive Zusammenarbeit. Anregungen und konstruktive Kritik sind mir jederzeit willkommen. Leipzig, im Januar 2011

Roland Benedix

Inhalt 1 1.1 1.1.1 1.1.2 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5 1.2.6 1.2.7

Allgemein-chemische Grundlagen Stoffe Gemische und reine Stoffe Elemente und chemische Verbindungen Massen- und Volumenverhältnisse bei chemischen Reaktionen Massenverhältnisse bei chemischen Reaktionen Volumenverhältnisse - Satz von Avogadro Allgemeine Zustandsgleichung der Gase Atom- und Molekülmasse Stoffinenge - Mol Konzentrationsmaße Stöchiometrische Berechnungen

1 1 1 5 7 7 8 9 11 12 13 18

2 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.3.1 2.1.3.2 2.2 2.2.1 2.2.2

Atombau und Periodensystem der Elemente Bau der Atome Bestandteile des Atoms - Isotope - Radioaktivität Radioaktivität von Baustoffen Aufbau der Elektronenhülle Bohrsches Atommodell Orbitalbild der Elektronen Periodensystem der Elemente Ordnungsprinzip der Elemente Per iodizität wichtiger Eigenschaften

21 21 21 26 28 28 32 38 38 40

3 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.3 3.3 .1 3.3.2 3.3.3 3.4 3.5 3.5 .1 3.5 .2 3.5 .3 3.5.4

Chemische Bindung Ionenbindung Ausbildung von Ionen Wechselwirkung zwischen den Ionen - Gitterenergie Eigenschaften von Ionenverbindungen Atombindung (Kovalente Bindung) Elektronenpaarbindung - Modell von Lewis Überlappung von Orbitalen Räumliche Struktur der Moleküle: Hybridisierungsmodell Polarität einer Bindung - Elektronegativität Metallbindung Eigenschaften von Metallen - Metallischer Zustand Elektronengasmodell Energiebändermodell Intermolekulare Bindungskräfte Fester Zustand Struktur kristalliner Festkörper Struktur der Metalle Struktur ionischer Festkörper Legierungen

45 45 46 47 48 48 50 51 54 58 58 59 59 62 64 65 67 68 70

4 4.1 4.2 4.2.1

Die chemische Reaktion Stöchiometrie chemischer Reaktionen Energ iebilanz chemischer Reaktionen Reaktionsenthalpie

45

74 74 75 75

VIII

4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.4 4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.5.4

5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.4.1 5.4.1.1 5.4.1.2 5.4.2 5.4.2.1 5.4.2.2 5.4.2.2.1 5.4.2.2.2 5.4.3 5.4.3.1 5.4.3.2 5.4.3.3

5.5

5.5.1 5.5.1.1 5.5.1.2 5.5.1.3 5.5.2 5.5.3 5.5.3.1 5.5.3.2 5.5.3.3 5.5.3.4

6 6.1 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.2.1 6.2.2.2 6.2.2.3

Inhalt

Bildungsenthalpie - Berechnung von Reaktionsenthalpien Satz von Hess Triebkraft chemischer Reaktionen - Freie Enthalpie Geschwindigkeit chemischer Reaktionen Allgemeine Betrachtungen Konzentrationsabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit Katalyse Chemisches Gleichgewicht - Massenwirkungsgesetz Zustand des chemischen Gleichgewichts Massenwirkungsgesetz Beeinflussung der Lage des chemischen Gleichgewichts Heterogene Gleichgewichte

Luft und Luftinhaltsstoffe Zusammensetzung der Luft Physikalisch-chemische Eigenschaften der Luft Löslichkeit von Gasen Natürliche Luftinhaltsstoffe Stickstoff (N2) Physikalisch-chemische Eigenschaften Ausgewählte Stickstoffverbindungen Sauerstoff Sauerstoff (02): Physikalisch-chemische Eigenschaften Ozon (03) Physikalisch-chemische Eigenschaften Stratosphärisches und tropesphärisches Ozon - Ozonproblematik Kohlendioxid (C0 2) Physikalisch-chemische Eigenschaften Kohlensäure und Carbonate Kohlendioxid als Treibhausgas - Treibhauseffekt Luftschadstoffe Schwefeldioxid (S02) Physikalisch-chemische Eigenschaften Schwefelsäuren und deren Salze Saurer oder London-Smog Stickoxide (NO, N02) Schadwirkungen und Maßnahmen zu ihrer Verhinderung Saurer Regen und Folgeschäden Rauchgasentschwefelung - REA-Gips Entstickung von Rauchgas Abgaskatalyse bei Kraftfahrzeugen

Wasser und wässrige Lösungen Wasser - Vorkommen und Bedeutung Struktur und Eigenschaften des Wassers Molekülstruktur - Dipolnatur - Wasserstoffbrückenbindung Anomalien des Wassers Dichteanomalie Oberflächenspannung - Benetzung - Kapillarität Grenzflächenaktive Verbindungen: Tenside

79 81 82 83 83 84

85 88

90 90 91 93 95

97 97 99 100 103 103

103 104 106 106 107 107 109 113 113 115 117 119 119 119

120 121 122 123 124 125 129 129

131 131 132 132 134 134 136

140

IX

Inhalt

6.2.2.4 6.2.2.5 6.2.3 6.2.3.1 6.2.3 .2 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3 .3 6.4 6.4.1 6.4 .2 6.4.3 6.5 6.5.1 6.5.1.1 6.5.1.2 6.5.2 6.5.2 .1 6.5.2 .2 6.5.3 6.5.3 .1 6.5.3 .2 6.5.3.3 6.5.3.4 6.5.3.5 6.5.3.6 6.5.3.7 6.5.3.8

7 7.1 7.2 7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 7.3.5 7.3.6 7.4 7.5 7.6 8 8.1 8.1.1

142 142 143 143

Viskosität Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität Dampfdruck Dampfdruck reiner Flüssigkeiten - Phasendiagramme Kolligative Eigenschaften von Lösungen: Gefrierpunktserniedrigung und Siedepunktserhöhung Lösung und Löslichkeit Lösungsvorgang - Hydratation - Hydrate Einteilung von Lösungen nach ihrem Dispersionsgrad - Kolloide Löslichkeit - Löslichkeitsprodukt Wasser und Wasserinhaltsstoffe Härte des Wassers - Enthärtung Trinkwasser Wasser im Bauwesen Chemische Reaktionen in Lösung Komplexbildungsreaktionen Hydratation als Komplexbildung - Aufbau der Komplexe Analytische Bedeutung von Komplexverbindungen Elektrolyte und elektrolytische Leitfähigkeit Elektrolyte - Elektrolytlösungen Elektrolytische Leitfähigkeit - Aktivität Säure-Base-Reaktionen Säure-Base-Begriff Autoprotolyse des Wassers und pH-Wert Indikatoren, Säure-Base-Titration, Normallösungen Stärke von Säuren und Basen Protolyse von Salzen Berechnung des pH-Wertes Pufferlösungen Technisch und bauchemisch wichtige Säuren und Basen

146 151 151 155 160 166 166 170 171 173 173 173 175 177 177 179 181 181 185 187 192 197 198 201 203

Redoxreaktionen - Grundlagen der Elektrochemie

206

Begriffe: Oxidation - Reduktion Formulieren von Redoxgleichungen Redoxreaktionen - Spannungsreihe Redoxvermögen der Metalle - Halbzellen Galvanische Zellen Standardelektrodenpotentiale - elektrochemische Spannungsreihe Triebkraft chemischer Reaktionen - Potentialdifferenz Folgerungen aus der elektrochemischen Spannungsreihe - Praktische Spannungsreihe Konzentrationsabhängigkeit der Elektrodenpotentiale: Nernstsche Gleichung und ihre Anwendung Elektrochemische Stromerzeugung Elektrolyse Redoxreaktionen in nichtwässrigem Milieu

206 208 211 211 213 214 216

Chemie der Baumetalle

231 231 231

Eisen und Stahl Physikalische und chemische Eigenschaften des Eisens

217 221 224 227 230

x

Inhalt

8.1.2 8.1.3 8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 8.2.5 8.2.6 8.2.6.1 8.2.6.2 8.3 8.3.1 8.3.2 8.3.3 8.3.4 8.3.5 8.3.5.1 8.3.5.2

Produkte des Hochofenprozesses Stahl Korrosion von Metallen Wesen der metallischen Korrosion - Korrosionstypen Rosten von Eisen Kontaktkorrosion Korrosion von Stahl Erscheinungsformen der Korrosion Korrosionsschutz Passiver Korrosionsschutz Aktiver Korrosionsschutz Nichteisenmetalle - Eigenschaften und Korrosionsverhalten Aluminium Kupfer Zink Blei Chrom Physikalisch-chemische Eigenschaften und Verwendung Chrom im Zement - Chromatreduzierer

233 234 237 238 240 245 247 248 251 253 258 261 261 264 266 267 269 269 269

9

Chemie nichtmetallisch-anorganischer Baustoffe Minerale und Gesteine Gesteinsbildende Minerale Gesteine Magmatische Gesteine Sedimentgesteine - Kalkstein Metamorphe Gesteine Silicate und siliciumorganische Verbindungen Siliciumdioxid Kieselsäuren Silicate Alkalimetallsilicate - Silicatklassen - Asbeste Technische Silicate (Künstliche Silicate) Gläser Tone und Tonkeramik Siliciumorganische Verbindungen Anorganische Bindemittel Einleitende Bemerkungen - Historisches Baukalke Luftkalke Hydraulische Kalke Zemente Rohstoffe und Herstellung von Portlandzement Portlandzementklinker: Zusammensetzung und Eigenschaften Bestandteile von Normzementen Hauptbestandteile Nebenbestandteile Calciumsulfat (Zement)Zusätze Reaktion des Zements mit Wasser Hydratation der Klinkerphasen

272

9.1 9.1.1 9.1.2 9.1.2.1 9.1.2.2 9.1.2.3 9.2 9.2.1 9.2.2 9.2.3 9.2.3.1 9.2.3.2 9.2.3.2.1 9.2.3.2.2 9.2.4 9.3 9.3.1 9.3.2 9.3.2.1 9.3.2.2 9.3.3 9.3.3.1 9.3.3.2 9.3.3.3 9.3.3.3.1 9.3.3.3 .2 9.3.3.3.3 9.3.3.3.4 9.3.3.4 9.3.3.4.1

272 272 273 273 274 277 278 278 279 282 282 290 290 296 300 305 305 307 307 310 311 312 314 318 318 322 322 322 322 322

Inhalt

XI

9.3.3.4.2 9.3.3.4.3 9.3.3.5 9.3.3 .6 9.3.4 9.3.5 9.3.5.1 9.3.5.2 9.3.5.3 9.3.6 9.3.7 9.3.8 9.4 9.4.1 9.4.2 9.4.2.1 9.4.2.2 9.4.2.3 9.4.2.3.1 9.4.2.3.2 9.4.3 9.4.4 9.4.5

Hydratation von Zementen Erstarren - Erstarrungsstörungen Aufbau und Eigenschaften des Zementsteins Zementarten - Spezialzemente Chemische Zusatzmittel und ihre Wirkungsweise Gipse und Anhydrite Vorkommen, Darstellung, Eigenschaften und Verwendung Erhärtungsprozess Eigenschaften von Bindemitteln auf der Basis von CaS04 Magnesia- und Phosphatbinder Kalksandsandsteine und Porenbetone Umweltverträglichkeit von zementgebundenen Baustoffen Korrosion nichtmetaIIisch-anorganischer Baustoffe Korrosive Medien Chemischer Angriff auf zementgebundene Baustoffe Lösender Angriff Treibender Angriff Korrosiver Angriff auf die Bewehrung Carbonatisierung des Betons Chloridangriff Biokorrosion Salzablagerungen auf Bauwerksoberflächen (Ausblühungen) Maßnahmen zum Korrosionsschutz (Bautenschutz)

332 338 338 343 347 355 355 358 361 362 364 364 367 367 368 369 371 378 378 379 381 384 388

10 10.1 10.1.1 10.1.1.1 10.1.1.2 10.1.1.3 10.1.2 10.1.3 10.1.4 10.1.5 10.1.6 10.1.7 10.1.8 10.2 10.3 10.3.1 10.3.2 10.3.3 10.4 10.4.1 10.4.2 10.4.3 10.4.3.1 10.4.3.2 10.4.3.3 10.4.3.4 10.4.4

Chemie organischer Stoffe im Bauwesen Grundklassen organischer Verbindungen Kohlenwasserstoffe Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane und Cycloalkane Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene und Alkine Aromatische Kohlenwasserstoffe und Abkömmlinge Halogenalkane - FCKW Alkohole und Phenole Ether Aldehyde und Ketone Carbonsäuren und Ester Fette und Öle Heterocyclische Verbindungen Organische Lösungs- und Verdünnungsmittel Bitumen, Teer und Asphalt Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel Teer und Pech Asphalte Kunststoffe Allgemeine Eigenschaften Aufbau und Struktur Einteilung der Kunststoffe nach ihren thermischen und mechanischen Eigenschaften Thermoplaste (Plastomere) Elastomere Duroplaste (Duromere) Hilfs-, Füll- und Verstärkungsstoffe in Polymeren Einteilung der Kunststoffe nach ihrer Bildungsreaktion

391 391 391 391 395 397 401 403 406 407 410 414 415 416 419 420 425 426 427 427 428 431 431 434 436 436 438

XII

Inhalt

10.4.4.1 10.4.4.2 10.4.4.3 10.4.5 10.4.6 10.4.6.1 10.4.6.2 10.4.7 10.4.8

Polymerisationskunststoffe (Polymerisate) Polykondensationskunststoffe (Polykondensate) Polyadditionskunststoffe (Polyaddukte) Kunststoffdispersionen Beton mit Kunststoffen Kunststoffmodifizierte Mörtel und Betone Reaktionsharzbeton und -mörtel Alterung von Kunststoffen Klebstoffe - Fugendichtstoffe - Kitte

439 449 454 457 459 460 461 462 466

11 11.1 11.2 11.3

Holz und Holzschutz Aufbau und Zusammensetzung des Holzes Holzschutz Holzschutzmittel

472 472 474 475

12 12.1 12.2 12.3 12.4

Luftschadstoffe in Innenräumen Einleitende Bemerkungen Schadstoffe in Innenräumen und Gebäuden Schwarze Ablagerungen in Wohnungen ("Fogging") Sick-Building-Syndrom

480 480 482 483 485

13

Recycling von Baustoffen Allgemeine Bemerkungen Recyclingbaustoffe: Charakterisierung und Einteilung Anforderungen an Baustoffe aus Recyclingmaterial Bitumen- und pechhaltige Recyclingbaustoffe Baustoffrecycling heute : Eine kritische Bestandsaufnahme

487 487 488 489 491 492

Hightech im Bauwesen: Anwendung der Nanotechnologie in Architektur und Bauwesen Was sind Nanoteilchen? Innovationsfelder für Nanotechnologien auf dem Bausektor Oberflächenfunktionalisierung Weitere Anwendungsfelder

493 494 495 495 501

13.1 13.2 13.3 13.4 13.5

14 14.1 14.2 14.2.1 14.2.2 Literatur

507

Sachwortverzeichnis

512

Anhang 1 Anhang 2 Anhang 3 Anhang 4 Anhang 5 Anhang 6 Anhang 7

535 536 537 538 539 540

Elemente , Symbole, Atommassen Molare Bildungsenthalpien ausgewählter Verbindungen Löslichkeiten einiger Salze Stärke von Säuren und Basen (pK s - und pK B -Werte) Elektrochemische Spannungsreihe Die 14 Bravais-Gitter Relative Molekülmassen bauchemisch wichtiger Verbindungen; Fundamentalkonstanten

541