Bauchemie: Einführung in die Chemie für Bauingenieure

487 Pages·2003·22.089 MB·German

by  Prof. Dr. rer. nat. habil. Roland Benedix (auth.)

Roland Benedix
Bauchernie
Roland Benedix
Bauchemie
Einführung in die Chemie
für Bauingenieure
2., überarbeitete Auflage 2003
Teubner
B. G. Teubner Stuttgart· Leipzig· Wiesbaden
Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.ddb.de> abrufbar.
Prof. Dr. rer. nato 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.
Lehrtätigkeit: Vorlesungen, Seminare und Praktika auf dem Lehrgebiet Allgemeine und Anorga
nische Chemie. Seit 1992 Professor für Allgemeine und Anorganische Chemie an der Hochschule
für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig (FH). Lehrveranstaltungen: Chemie für Bauingenieure,
Umwelt-und Wasserchemie.
Internet: www.imn.htwk-Ieipzig.de
Email: [email protected]
In der 1. Auflage erschien das Buch unter dem Titel "Chemie für Bauingenieure" im Teubner Verlag.
1 . Auflage 1999
2., überarb. Auflage Juli 2003
Alle Rechte vorbehalten
© B. G. Teubner Verlag / GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2003
Der B.G. Teubner Verlag ist ein Unternehmen der Fachverlagsgruppe BertelsmannSpringer.
www.teubner.de
Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Ver
wertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne
Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Verviel
fältigungen, 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 soiche Namen im
Sinne der Waren- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von
jedermann benutzt werden dürften.
Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
ISBN 978-3-519-10226-7 ISBN 978-3-322-91845-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-91845-1
Vorwort zur 2. Auflage
Die Chemie für Bauingenieure stellt weder ein Sondergebiet dar, noch fußt sie auf anderm
Gnmdlagm als die Chemie für Polygraphm, Maschinmbauer oder Chemiker. Der Untertitel
"Gnmdlagm der Chemie für Bauingenieure" soll lediglich auf eine Auswahl aus dem um
fangreichm Wissmsgebiet der Chemie hinweism, die vom Autor Wlter dem Blickptmkt der
spezifischm Belange eines Bauingenieurs bzw. Architektm getroffm wurde.
Das vorliegmde Buch soll zwei Ftmktionm erfüllm: Es soll sowohl dem Studienanfanger
eine Hilfe sein, dm Anfordertmgm eines Regelstudimganges Bauingenieurwesm oder Ar
chitektur zu mtsprechm, als auch dem Baupraktiker als Nachschlagewerk dimm. Besonde
re Aufmerksamkeit wurde dem erstm Aspekt gewidmet. Die sich für ingenieurtechnische
Studiengänge einschreibmdm Studmtm weism auf Gnmd verschiedmer Ausbildungswege,
insbesondere aber auf Gnmd vielf"aItiger Wahl- Wld Abwahlmöglichkeitm des "modernm"
Gymnasiums höchst unterschiedliche (häufig mangelhafte!) naturwissmschaftliche Vor
kenntnisse auf. Deshalb hielt ich es für notwmdig, auch die chemischm Gnmdlagm in einer
didaktisch schlüssigm Weise darzustel1m. Denn es sind häufig fehlmde Gnmdbegriffe, wie
z.B. die stöchiometrische Wertigkeit, das Aufste11m von Formeln Wld ReaktionsgleichWlgm,
der Säure-Base- bzw. der Redox-Begriff usw., die dem Studmtm das Verständnis prakti
scher Prozesse erschwerm.
Die Konzeption des Buches, in die mehrjährige Erfahrtmgm in der AusbildWlg von Bauin
genieurstudmtm an der ehemaIigm TH Leipzig Wld an der jetzigm Hochschule für Teclmik,
Wirtschaft Wld Kultur Leipzig (FH) eingegangm sind, hat sich bewährt: Gnmdlagm der all
gemeinm Chemie, Atombau Wld Periodmsystem der Elemmte, Chemische Bindung, Stoff
Wld Energieverhältnisse bei chemischm Reaktion, Chemie der Luft Wld des Wassers, Che
mie der Baumetalle Wld der nichtmetallisch-anorganischm Baustoffe sowie die Chemie der
organischm Stoffe im Bauwesm. Sie wurde in der zweiten Auflage beibehalten. Ein beson
deres Anliegm des vorliegmdm Buches ist es, dort wo es sich anbietet, dm Bezug zu öko
logischm Problemen unserer Zeit herzustellen. Ozonabbau Wld Sommersmog, Klimawandel
Wld Waldsterbm, FCKW-Verbot, Eutrophiertmg Wld Dioxinbelastung sind Themen, die
heute in jede ingenieurteclmische AusbildWlg Eingang finden müssen. So Wlterliegm die in
den Bauwerkm verwmdetm Materialim Umwelteinflüssen unterschiedlichster Art. Durch
aggressive Stoffe initiierte chemische Umsetzungm könnm zu Schädigungm bis hin zur
ZerstÖrtmg der Bausubstanz führm. Deshalb wird die Diagnose Wld BehandlWlg von Bau
schädm künftig an Bedeutung gewinnm.
Die meisten Kapitel, insbesondere die Kapitel zu nichtmetallisch-anorganischen Baustoffm
Wld organischm Stoffm im Bauwesm, wurdm überarbeitet. Mein Dank gilt allen Fachkol
legm Wld Fachleuten der Industrie, die mit konstruktiver Kritik zur Verbessertmg des Bu
ches beigetragm habm.
Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr. w.-P. Ettel (HTWK Leipzig) für hilfreiche Dis
kussionm Wld zahlreiche Hinweise. Herrn Prof. Dr. L. Beyer (Universität Leipzig) danke
ich für die stetige Bereitschaft zu fachlicher Diskussion Wld Unterstützung. Dm Kollegm
der Fachgruppe Chemie danke ich für ihre Hilfe Wld Unterstütztmg bei der mühevol1m Ar
beit des Korrekturlesms. Schließlich danke ich dem Verlag Teubner (Wiesbadm), insbeson
dere Herrn R. Harms Wld Frau S. Koch, für die entgegenkommmde Zusammmarbeit.
Anregtmgm Wld Kritik sind dem Autor weiterhin jederzeit willkommm.
Leipzig, im Mai 2003 Roland Bmedix
Inhalt
1 Allgemein-chemische Grundlagen ................................. .
1.1 Stoffe ••••.••••••••.•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••
1.1.1 Gemische und reine Stoffe •••.••••••••••••••••••••••••••••••.••••.••. 1
1.1.2 Elemente und chemische Verbindungen. • • • • • • • . • • • • • • • • • • . . • • • . . • • . • . • • • 5
1.2 Massen-und Volumenverhältnisse bei chemischen Reaktionen • • • . • . . • • • • . • • • • 7
1.2.1 Massenverhältnisse bei chemischen Reaktionen. • • • • . . • • • • • . • • • • • . • • • • • . • . . 7
1.2.2 Volumenverhältnisse - Satz von Avogadro. • . • • • • • • • • • • • • • • • • . • • . • • . • • • • • 9
1.2.3 Allgemeine Zustandsgleichung der Gase •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • • • • . • • . . . 9
1.2.4 Atom-und Molekülmasse •••••.••••.••••••.•••..•••..••••••.•••.•.••. 11
1.2.5 Stoffinenge - Mol ••••.•••..••••••••••.•••••••••••••••.•••••••.••.• 12
1.2.6 Konzentrationsmaße ••••••••••••.••••••.••••••••••••••••••••.••.••.• 13
1.2.7 Stöchiometrische Berechnungen. • • . • • . • • . • • • • . • • • • • . • • • • • • • • • • • • • • • • . •• 20
2 Atombau und Periodensystem der Elemente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1 Bau der Atome. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . . • • • . . • • • . . • • • . • . • • • • • . . • • • • • • • • 23
2.1.1 Bestandteile des Atoms - Isotope - Radioaktivität......................... 23
2.1.2 Aufbau der Elektronenhülle. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • • • • . • • .• 30
2.1.2.1 Bohrsches Atommodell •••••••••••••••.••..•••••..••••.•••••.••• • • . •• 30
2.1.2.2 Orbitalbild der Elektronen • • • . • • • • . • • • • • • • • • • • • . • • • • • • • • • • • • . • • • • • • • •• 34
2.2 Periodensystem der Elemente ••••••••••••••••••.••••.•••••••.••.•••••• 40
2.2.1 Ordnungsprinzip der Elemente. • • • • • • • • . • • • • . • • • • • • . • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 40
2.2.2 Periodizität wichtiger Eigenschaften ••••••••••••••••••••••••••••.••••••• 42
3 Chemische Bindung .............................................. 47
3.1 Ionenbindung (Heteropolare Bindung)................................... 47
3.1.1 Ausbildung von Ionen •• • • • • . • • • • . • • • • • • • • • • • • • . • • • • • . • • • • • • . • • • • • . • • 47
3.1.2 Wechselwirkung zwischen den Ionen - Gitterenergie ••••••••••••••.••••••• 48
3.1.3 Eigenschaften von Ionenverbindungen ••..••...••••.••••••.••••••••••••• 49
3.2 Atombindung (Kovalente Bindung) •.••..•••.•••••.••••••.••••••••••••• 50
3.2.1 Elektronenpaarbindung - Modell von Lewis ••••.••••••..•••..•••••.•••.• 50
3.2.2 Räumliche Struktur der Moleküle (D: VSEPR-Modell • • • • . • • • • . • • • • • • • • • • • •• 52
3.2.3 Überlappung von Orbitalen •••••••••••••••.•••••..•••..•••..•••••••••• 54
3.2.4 Räumliche Struktur der Moleküle (II): Hybridisierungsmodell ••••.•••.••••••• 56
3.2.5 MO-Beschreibung der chemischen Bindung .••••••••.•••••••••.•••••.•••• 59
3.2.6 Polarität einer Bindung - Elektronegativität.............................. 62
3.3 Metallbindung • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • • • • . • • • • • • • • • • • • • • • •• 65
3.3.1 Eigenschaften von Metallen - Metallischer Zustand ••••••••••••••••••.•••• 65
3.3.2 Elektronengasmodell •.••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 66
3.3.3 Energiebändermodell. ••• ••••• •••• •••• • ••• • • • • . ••• • ••••• . ••• . •• • • • ••• 67
3.4 Intermolekulare Bindungskräfte • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 70
3.5 Fester Zustand ••••••••••••••.••••••••.•••••••.••••••••••••••••.••.• 72
3.5.1 Struktur kristalliner Festkörper. • • . • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . . • • • • • • • •• 72
3.5.2 Struktur der Metalle. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • • • • • • •• 74
3.5.3 Struktur ionischer Festkörper. • • . • • • • • • • • • • • • • • • . . . • • • • . • • • . . • • . • . • • • •• 76
3.5.4 Legierungen. • . • • • • • • • • . • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • • • • • . • • . • • 78
VIII Inhalt
4 Die chemische Reaktion •••••••••••••.•••••••.•••••••..••••••.••.•• 82
4.1 Stöchiometrie chemischer Reaktionen • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • • • • • • • • 82
4.2 Energiebilanz chemischer Reaktionen • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • • • • 83
4.2.1 Reaktionsenthalpie •••••••••••••••••••••••••••••••••••••.••••••••••• 83
4.2.2 Bildungsenthalpie -Berechnung von Reaktionsenthalpien • • • • • • • • • . • • • • • • • • • • 87
4.2.3 Satz von Hess ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••.•••••••••••• 89
4.2.4 Triebkraft chemischer Reaktionen -Freie Enthalpie •••.•••••••••••••••••••• 90
4.3 Geschwindigkeit chemischer Reaktionen • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • .• 91
4.3.1 Allgemeine Betrachtungen. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• 91
4.3.2 Konzentrationsabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit • • • • • • • • • • • • • • . • • • • 92
4.3.3 Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit. • • • • • • • • • • • . • • . • • • • • • 92
4.4 Katalyse • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • . • • • •• 96
4.5 Chemisches Gleichgewicht und Massenwirkungsgesetz. • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • 98
4.5.1 Zustand des chemischen Gleichgewichts. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • • • •• 98
4.5.2 Massenwirkungsgesetz. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • .• 99
4.5.3 Beeinflussung der Lage des chemischen Gleichgewichts. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •. 101
4.5.4 Heterogene Gleichgewichte. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . •• 102
5 Chemie der Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 104
5.1 Zusammensetzung der Luft •••••••••••••••.••••••••••••••••••••••••••• 104
5.2 Physikalisch-chemische Eigenschaften der Luft • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• 106
5.3 Löslichkeit von Gasen • • • • • • • • • • • . . • • • • . • • • • • • • • • • • • • • . . • • . • • . • • . • • •• 107
5.4 Natürliche Luftinhaltsstoffe • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • • • • • • • • • • • • . • • • • • .• 110
5.4.1 Stickstoff • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • . • •. II 0
5.4.2 Sauerstoff. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• 113
5.4.2.1 Disauerstoff • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . . • • • • • • • • . • •. 113
5.4.2.2 Ozon •••••••••••••••••••••••••••••••••••••• , ••••••••••••••.••.••. 114
5.4.3 Kohlendioxid. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• 120
5.5 Luftschadstoffe. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • . • • . • • . •• 126
5.5.1 Schwefeldioxid •••••••••••••••••••••••••.•••••••••••••••••••••••••• 126
5.5.2 Stickoxide • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • • • • • • • • • • • • • • . • • • • • • • • • • • • • • • •• 128
5.5.3 Schadwirkungen und Maßnahmen zu ihrer Verhinderung. • • • • • • • • • • • • • • • • • •• 130
6 Chemie des Wassen •.....•....•.•••.•.•.......................... 134
6.1 Wasser - Vorkommen und Bedeutung ••••• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• 134
6.2 Struktur und Eigenschaften des Wassers. • • • • • • • • • • • • • • • . • • • • • • • • • • • . • • • •• 135
6.2.1 Molekülstruktur und Dipoleigenschaften • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • • • • • • •. 135
6.2.2 Anomalien des Wassers. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • . • • . •• 137
6.2.2.1 Dichteanomalie •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 138
6.2.2.2 Oberflächenspannung und Kapillarität. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • • • •• 139
6.2.2.3 Viskosität. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • . • • • • •. 143
6.2.2.4 Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität. • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • • •• 144
6.2.3 Dampfdruck. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • • • •. 144
6.2.3.1 Dampfdruck reiner Flüssigkeiten, Phasendiagramme • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • •. 144
6.2.3.2 Kolligative Eigenschaften von Lösungen • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . . • • • • • • • • • •• 148
6.3 Lösung und Löslichkeit. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• 152
6.3.1 Hydratation und Lösungsvorgang. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• 152
6.3.2 Einteilung von Lösungen nach ihrem Dispersionsgrad ••••.•••••.•••••••••••. 156
6.3.3 Löslichkeit und Löslichkeitsprodukt. • • • • . • • • • • • • . • • • • • . • • • • • . • • • • • . • • • •. 159
6.4 Wasser und Wasserinhaltsstoffe ••••••••••••••••••••••••••••.••••••••••• 166
Inhalt IX
6.4.1 Härte des Wassers •••••••••••••••••••••.•••••••.•••..••.•••••••••.••• 166
6.4.2 Trinkwasser •••••••••••••••••••••••.••••.•••••••••••••••••••••••.• 169
6.4.3 Wasser im Bauwesen ••••••••••••••••••.•••••••..•••.••••••••••.•.••• 171
6.5 Chemische Reaktionen in Lösung. • . • • • • • • • • • • • • • • • • • • . . • • • • • • • • • • • • . • •• 172
6.5.1 Komplexreaktionen • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • • • • • • • . • • • . • . . • . • • • • • • • . .• 172
6.5.1.1 Hydratation als Komplexbildung -Aufbau der Komplexe. . . • • • • • . • . • • . • • . • . .• 172
6.5.1.2 Analytische Bedeutung von Komplexverbindungen. • • • • • • • • • • • • • • • . • • • • • • •• 175
6.5.2 Elektrolyte in Lösung. • • • • . • • . • • • • • • • • • • . . • • • • • . . • • • • • • • • • . • • • • • • • . •• 176
6.5.2.1 Elektrolytische Dissoziation, Leitfähigkeit von Elektrolytlösungen • • • • . • • . • • • • •. 176
6.5.2.2 Starke und schwache Elektrolyte, Dissoziationsgrad. • • • • • • • • • . • • • • • • • • • • • • •. 178
6.5.3 Säure-Base-Reaktionen ••••••.••••.••..•....••••.•••.••••••••••.••.•• 180
6.5.3.1 Der Säure-Base-Begriff •••••••••••••••••••••.••••..•••••.••••.•••••.• 180
6.5.3.2 Autoprotolyse des Wassers ••••••..•••••••••••••..••••••••••••••..••.•• 184
6.5.3.3 pH-Wert ••••••••••••••••••.•••••••••••...•.••.••••.••••.••..•••••. 185
6.5.3.4 Stärke von Säuren und Basen. . • • • • • • • • . • • . . . • • • • . . • • • • • • • • • . • • . • • • • • .• 190
6.5.3.5 Protolyse von Salzen •••••••••••••••••••••••...•••.•••••••••••.•••••• 194
6.5.3.6 Berechnung des pH-Wertes ••••.••••.•••.••••••.•••••••••••••.••.••.•. 195
6.5.3.7 Pufferlösungen. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • • . . • • • • . • • . • • .• 197
6.5.3.8 Technisch und bauchemisch wichtige Säuren und Basen . • • . . • • • • • . • • . • • • • . .• 199
6.5.4 Redoxreaktionen -Elektronenübertragung in Lösung. • • . • • • • • • • • • • • • • • • . • •• 201
6.5.4.1 Oxidation -Reduktion ••••••••.•••.•••.••...••. '" •••••••••.••• " .••. 201
6.5.4.2 Aufstellen von Redoxgieichungen •••.••••.•.••...•••••••••••••••.•••••• 203
6.5.4.3 Redoxvermögen der Metalle -Galvanische Elemente. • • • • • • • • • . • • • • • . • • • • • •• 207
6.5.4.4 Standardelektrodenpotentiale -Spannungsreihe •.••••.•••• '" .•• " ..••••••• 210
6.5.4.5 Folgerungen aus der Spannungsreihe ••.•••.•••••..•••••••••••••••.••••.. 213
6.5.4.6 Nemstsche Gleichung ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••.•••••••. 215
6.5.4.7 Elektrochemische Stromerzeugung •••••••••••••••...•••.••.•.••••.....• 218
6.5.4.8 Redoxreaktionen in nichtwäßrigem Milieu ••.••••••.•••...•.••.•..•.••.•• 220
6.5.4.9 Elektrolyse ..••••.••••••••••••••••••••••••..•••.•••..•.•..••.•.•..• 221
7 Chemie der BaumetaUe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 224
7.1 Eisen und Stahl • • • • • • • • • • • • • . • • • • . • • • • • • • • • . . . • • . • • • • . • . . • . • . • • . • .. 224
7.1.1 Physikalische und chemische Eigenschaften des Eisens • . • • • . . • • . • . • • . • • . • • .• 224
7.1.2 Produkte des Hochofenprozesses. • • . • . • • • . • • . . • . • • • • • • • • • • • • • • . • • • • . • • •• 226
7.1.3 Stahl ••••••••••••••••••••.••••.•••••••••..•••..••..••.••••.•••••• 227
7.2 Korrosion von Metallen. • • • . • • • • • • • • • • • • • . . • • • . . . • • • • • • • • • . • • • • • • • . •. 230
7.2.1 Wesen der metallischen Korrosion. • • • • • • • • • • . • • • • • . • • • • • • • • • . • • . • • . • . •• 231
7.2.2 Rosten von Eisen ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••.••.•.• 233
7.2.3 Kontaktkorrosion. • • • • • • • . • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • • • • • • . • •• 237
7.2.4 Korrosion von Stahl • • • • . • • • • • • • . • • • • . • • . . . • • • • . . • • • . • • • . • • . • • • • . • • •• 239
7.2.5 Erscheinungsformen der Korrosion .•••..••..•••••..•••.•••.•.•..••.•••• 240
7.2.6 Korrosionsschutz • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • • • . • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • .. 243
7.2.6.1 Passiver Korrosionsschutz • • • • • • • • • • • • • • • . • • • • . • • • • • • • • • . • • • • . • • • • • • •. 244
7.2.6.2 Aktiver Korrosionsschutz • • • • • • • • • • • • . • • • . • • • • . . • • • . • • • • . . • . • • • • . • • • •• 249
7.3 Nichteisenmetalle -Eigenschaften und Korrosionsverhalten •••.••••..••••••.. 252
7.3.1 Aluminium •••••••••••••••••••••••••.••..•..•••.••••••••••••••.••• 252
7.3.2 Kupfer ••••••••••••..•••••....••.•••••.••••••••••••••••••••••••.•• 254
7.3.3 Zink ••••••••••••••.••••••••..•.•..••....•.••..••••.•••••••.•••••. 256
7.3.4 Blei •••••.••••••••••••••••••••.••••.••••••••••••••••••.•••••••••• 258
7.3.5 Chrom ••••••••••••••••••••••••.••••..•••••.••••••••••.•.••.•..••• 259
x Inhalt
8 Chemie nichtmetallisch-anorganischer Baustoffe •••••••.••••••.••••••• 261
8.1 Minerale und Gesteine. . • . • • • • . . . . . • • . . . • . . . • • • • • . . . • • . . . . . . • • . • . . . .. 261
8.1.1 Gesteinsbildende Minerale. • • • . . . . . . . . . . . . . . • • • • . • . . • . . . • • . . . . . . . . . . .• 261
8.1.2 Gesteine. . • • • • • • • • • • • • . • • • . . . . • • • . . • . . . . • • . • . . . • . • • • • . . . . • • . • . . . .. 263
8.1.2.1 Magmatische Gesteine •.•.•......••• , ......••.•...•••••••..•.•.•..... 263
8.1.2.2 Sedimentgesteine ••••.••...•......• , ..••.•••••...•.••••..•.••••..... 264
8.1.2.3 Metamorphe Gesteine. • • • • • . • . . • . • • • . • . • . • • . • • • • • • • • . • • • . . • . • . . . • . • •• 266
8.2 Chemie der Silicate und siliciumorganischen Verbindungen ................•• 267
8.2.1 Siliciumdioxid • • . • . • • • • • . . • • • . • • . . . . • • . • • • . • • • • • • . . • . • . . • . . . . • . . • .• 267
8.2.2 Kieselsäuren ••••.••.••....•••••.•••.....•••.••.•••••••.••••.•..•.. 268
8.2.3 Silicate. • • • • • • • • • • . . • • • • • . . • . • • • . • . • • • . . . • • • • • . . • . • . • • . . . . . . • . . .. 270
8.2.3.1 Alkalimetallsilicate, Einteilung natürlicher Silicate ••••.•••••••...•.•.•..... 270
8.2.3.2 Technische Silicate (Künstliche Silicate) ........••....•••••.••.•..•..•.•• 278
8.2.3.2.1 Gläser ••.•••••••..•••.•.••••.••••••.•••.••••••...•.••..•...•..•.. 278
8.2.3.2.2 Tone und Tonkeramik •••.••.....••....•••...••••........•.......•.. 284
8.2.4 Siliciumorganische Verbindungen .•••.••...•....•.•.....•.....•....... 288
8.3 Anorganische Bindemittel und ihre Erhärtungsreaktionen • • • • • • • • • • • • • • • . • . .. 292
8.3.1 Baukalke . . • • • • • • • • • • • • • . • . • • . . • • . • • • . • • . . . • • . • . . . • • . . . . • • • • • . . . •. 293
8.3.1.1 Luftkalke ••••••••••••••.•••••••.•••.••.•••••••.•••.••••••.••.••••• 293
8.3.1.2 Hydraulische Kalke... . . .• . . •.. . .•• . ..• ••• . •••• •• . ..• . . .... .• . • . . . .. 296
8.3.2 Zemente ••••••••••..••..••...•••....•.••...•.•................... 297
8.3.2.1 Rohstoffe und Herstellung von Portlandzement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 297
8.3.2.2 Zusammensetzung und Eigenschaften des Portlandzements •.........•.•..... 299
8.3.2.3 Reaktion des Zements mit Wasser. . . . . . . . . . . . . . • . . . • • . . . . . . . . . . . . . • . • .• 303
8.3.2.3.1 Hydratation der Klinkerphasen •.••••.••.•.•.•••••..••.•••..••.....•.•. 303
8.3.2.3.2 Hydratationswärme • • • • . • • • • . . • • . . • • • . • • . . • • • . • • • • • . • • . • . • • • . . . • . . .• 309
8.3.2.4 Aufbau und Eigenschaften des Zementsteins . . . . . . . . . . . • . . . . . . • . . . . . . . . . .. 310
8.3.2.5 Betonzusätze •••••••••.•.. '" . . ••• . ••• ••.. . •• . .• . •• . . •..• . • . •.• .•• 314
8.3.2.5.1 Zusatzmittel •••••••••••...•••....•.....••...•••............•.•.... 314
8.3.2.5.2 Zusatzstoffe •••••..••.......•............•..•...•................. 319
8.3.2.6 Zementarten, Spezialzemente •....••...••.••..•••••.•.•..•....•...... 321
8.3.3 Gipse und Anhydrite... . . •••• . •••• . . ••• • .. . . ••••• . .•. . .•.. . . . ••. ... 324
8.3.3.1 Vorkommen, Darstellung, Verwendung und Eigenschaften. . . • . . . . • . . . . . . . . .. 324
8.3.3.2 Erhärtungsprozeß. • • • • • • . • . . . • . • . • . . . . • • . . • • • • • • • • • . • • • • . . • • • • . . • .• 326
caSo
8.3.3.3 Bindemittel auf der Basis von 4 ••••••••••••••••••••••••••••••••••• 328
8.3.4 Magnesiabinder • . • • • . . . . • • • • • . • • • • • . • • . . . • • • • . . • • • • • • • . . . . • • • . • . . .. 329
8.3.5 Kalksandsandsteine und Porenbetone .••••••••••••••.•.••...••.....•.... 330
8.4 Korrosion nichtmetallisch-anorganischer Baustoffe. • • • . • . . • • . . . • . • . • . . • • • •. 330
8.4.1 Korrosive Medien ••.•••••...•••.•••••.•••.•••.•..••..•.••....••.•.. 330
8.4.2 Korrosion zementgebundener Baustoffe ..• , .••.. '" .••.••.••••..••.••.•.. 332
8.4.2.1 Lösender Angriff • • • • . • . . • • • • • . • • • . • . • . • . • • • . • • . . • • • • . • . . . . • • . • . . . .. 332
8.4.2.2 Treibender Angriff ••.•••.......................••................... 335
8.4.2.3 Korrosiver Angriff auf die Bewehrung .•..•.•••••••••.•••.....••........ 342
8.4.2.3.1 Carbonatisierung des Betons .......................................... 342
8.4.2.3.2 Chloridangriff •••••.•••..•..•••••.•.••••••••••.•...•.•...•.......•. 344
8.4.3 Salzablagerungen aufBauwerksoberflächen (Ausblühungen) .•.•.••.....•..... 345
8.4.4 Maßnalunen zum Korrosionsschutz (Bautenschutz) ••.••..•...••..••.•.••.•• 349
9 Chemie organischer Stoffe im Bauwesen ............................. 351
9.1 Grundklassen organischer Verbindungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . . • • . . . . .. 351
Inhalt XI
9.1.1 Kohlenwasserstoffe .••..•••.••..••.•••.•..•••••.....••.•••.•.•..•••.• 351
9.1.2 Halogenalkane • • • • • • . . • • . • • • . . • • . • • • . • • . • • • . . . . . . . • • . • • • . • • . • . • . • .• 362
9.1.3 Alkohole und Phenole. • • . • • • • • • • • . • • • • • . • • • . . . . . • • • • . . • . . • • • • • • • . • . •• 364
9.1.4 Ether •.••••••••.•••..•.•••.•••..••..•.••••••....•..•••.••••.•.•.. 367
9.1.5 Aldehyde und Ketone •..••.••••••••••..••..•••....•••.••..•.••••.••• 368
9.1.6 Carbonsäuren und Ester ••••..•••.•••.••..•...•••••..••..••.••.•.••.•. 370
9.1.7 Fette und Öle ••.•.•••.••..••.••••.••..•...•••....••••••..•.••.••••. 375
9.1.8 Heterocyclische Verbindungen .•••.•••.••.••....••••..••..••.••.•.••.•• 376
9.2 Organische Lösungs-und Verdünnungsmittel •...••••...••..••..•.•.••••• 377
9.3 Bitumen, Teerpeche und Asphalte. . . • • . . • . • • • . . . . • • • • • . • • . . • • . • • . • . . • .• 380
9.3.1 Bitumen und Teerpeche . . • • . . • • • . • • . . • . . • • . . . • • • • • . . • • • . • • . • • • • • • • . •• 380
9.3.2 Asphalte ..••.•..••..••.•••..••.••.••...•••.....••.•••..•.••.•..•. 385
9.4 Kunststoffe •.•••••..••••••...••.••.•••.••••....••.•••..••.••.••.•. 385
9.4.1 Allgemeine Eigenschaften •.•••..••..•..••....•••....•.•••..•.•..•..• 385
9.4.2 Aufbau und Struktur ...••.•••.•••..••..••..••••....••..••.••.•.••..• 389
9.4.3 Einteilung nach thermischen und mechanischen Eigenschaften .••..••.•.••..• 390
9.4.3.1 Thermoplaste (plastomere) •.•••.•••.••..••....••••...••.•••.••••..... 390
9.4.3.2 Elastomere •••..••...•..••..•••.••...•...•••••..•••.••..••.•..•.. 393
9.4.3.3 Duroplaste (Duromere) ••.•.•.•••.•••.••..••••....•••.•••..•.••.••.•• 395
9.4.3.4 Hilfs-, Füll-und Verstärkungsstoffe in Polymeren. • . . . • • • • . . • . . . • • . • • • • • • •• 395
9.4.4 Einteilung der Kunststoffe nach ihrer Bildungsreaktion ••••.•••.•••.••.•.••. 397
9.4.4.1 Polymerisationskunststoffe (Polymerisate) ••.•••.....•••..•..•••.••.•.••• 397
9.4.4.2 Polykondensationskunststoffe (polykondensate) ••••....•••.•••...•.•.••.•• 409
9.4.4.3 Polyadditionskunststoffe (polyaddukte) •••..•....•......••..••..•.•..•..• 415
9.4.5 Kunststoffdispersionen •.••..•••..••..••.••••...••••..••..••.•..•.••. 418
9.4.6 Kunststoff und Beton •••••..••••.•••.••..•••....•••..•••..•.••.••.•. 420
9.4.6.1 Kunststoffinodifizierte Mörtel und Betone . • • . • • • . . . . . . . . . . . . . . . • . . • . • . . •. 420
9.4.6.2 Polymermörtel und -betone •..•••..•••.••.••••...••••..•••..•..•.••.•. 421
9.4.7 Alterung von Kunststoffen •...••..••••••..•••....•••...••.....•.••.•. 424
9.4.8 Klebstoffe und Kitte. . . . • . • • • . . • • • . . • • . . • . . . • • • . . . . • • • . . . • • . • • . • . • . .• 427
9.5 Holz und Holzschutz • . . • • • • • • . . • • . . • • • . • • . . . • . • . . . . • • . . . • • . . • . • . • • .• 431
9.5.1 Aufbau und Zusammensetzung des Holzes ••.•••.....•••..•••..•..•.•.••. 431
9.5.2 Holzschutz •..••.•••..••.••••..•••.••.•••.....••••.•••...•.•.••.•. 433
9.5.3 Holzschutzmittel •••.•••.••...•••..••..•....••.....••...••.••.•.••.• 435
Anhang 1 Elemente, Symbole, Atommassen ••.•••..•....••.•...•••..••.••.•..••• 440
Anhang 2 Molare Bildungsenthalpien ausgewählter Verbindungen •...••...••.•.••.•.• 441
Anhang 3 Löslichkeiten einiger Salze •.•••..•••..•....••.....•••..••..••••.••.• 442
Anhang 4 Stärke von Säuren und Basen •.•.•••..••..••••....••••.••••.•..•.•••• 443
Anhang 5 Elektrochemische Spannungsreihe .................................... 444
Anhang 6 Die 14 Bravais-Gitter .............................................. 445
Anhang 7 Relative Molekülmassen bauchemisch wichtiger Verbindungen; Fundarnental-
konstanten. • • . • • • . . • • . • • • • . . . . • • • . . • . . • . • • • . . . . • • • • . . • • . • • • • . • • .• 446
Literatur • • • • • . . . • • • . • • • . • • • . • • . . . . • • • . . . • • • . • • • . . . . • • • • . . • • • • . . • • • • . • . •• 447
Sachwortverzeichnis •••••...••.•......••••.••.....••.....•••..•••.•••..... 451
1 Allgemein-chemische Grundlagen
Die Chemie ist eine noch relativ jlUlge naturwissenschaftliche Disziplin, die sich mit der
Zusammensetzung lUld der UmwandilUlg von Stoffen befaßt. Gegenstand dieses Wissen
schaftsgebietes sind damit die Gesetzmäßigkeiten, die den strukturellen Aufbau lUld die
wechselseitige UmwandilUlg der lUlgeheuren Vielfalt von Stoffen bestimmen. Die Chemie ist
in erster Linie eine experimentelle Wissenschaft. Akkumuliertes Wissen, neue AnschaulUl
gen lUld Konzepte sind der Ausgangspunkt für neue Experimente lUld BeobachtlUlgen, die
ihrerseits wiederum zu einem verfeinerten Verständnis lUld zu weiterentwickelten Anschau
lUlgen hinsichtlich der Struktur der Stoffe sowie der sie zusammenhaltenden Kräfte führen.
Zur Aufklärung von Struktur lUld Eigenschaften der neuen Substanzen werden immer mo
dernere physikalische lUld auch biologische Meßsysteme eingesetzt. Insofern sind die inte
ressengebiete von Chemie, Physik, Biologie, Geologie lUld Mineralogie eng verknüpft lUld
eine strenge Abgrenzung des Aufgabengebiets der Chemie von dem der übrigen naturwis
senschaftlichen Disziplinen ist weder sinnvoll noch notwendig. Ziel der chemischen For
schlUlg ist die Synthese von Substanzen mit völlig neuen Eigenschaften. Damit ist die Che
mie zugleich auch ein wesentlicher Bestandteil zahlreicher anwendlUlgsorientierter Diszipli
nen wie der Werkstoffwissenschaften, der Baustoffiehre oder der Metallurgie.
Hauptan1iegen der Chemie ist lUld bleibt die UntersuchlUlg der chemischen Reaktion. Und in
diesem Zusammenhang ist es belanglos, ob es sich um VerfestiglUlgsprozesse bei anorgani
schen Bindemitteln, um die Synthese von polygraphischen Druckschichten, um den Angriff
aggressiver Medien auf Metall- oder Gesteinsoberflächen oder um Probleme des Bauten
schutzes handelt. Das Interesse des Chemikers richtet sich jeweils darauf, lUlter welchen
Bedingoogen lUld mit welcher Geschwindigkeit die zu betrachtenden StoffwnwandilUlgen
ablaufen, wie erwünschte Reaktionen gefördert lUld lUlerwünschte lUlterdrückt werden lUld
wie neue Substanzen mit ganz spezifischen, auf ein bestimmtes AnwendlUlgsgebiet ausge
richteten Stoffe igenschaften synthetisiert werden können.
1.1 Stoffe
1.1.1 Gemische und reine Stoffe
Die Chemie lUlterteilt die lUlS umgebende Materie in lUlterschiedliche Stoffe. Sie können je
nach den vorliegenden Zustandsbedingoogen, charakterisiert durch die Zustandsgrößen
Temperatur lUld Druck, in drei verschiedenen Aggregatzuständen auftreten: als Gas, als
Flüssigkeit oder als Feststoff. Ein Gas kann im Prinzip jedes beliebige Volumen einnehmen,
es hat keine spezifische Form. Verkleinert man das Volumen eines Gases, so wird es kom
primiert. Bei Volumenvergrößerung expandiert es. Das bekannteste lUld für das Bauwesen
wichtigste Gas ist die Luft (Kap. 5). Die VerwendlUlg des Begriffes Dampffür Gase erfolgt
häufig dann, wenn Gleichgewichtsprozesse zwischen einem Gas lUld der zugehörigen Flüs
sigkeit betrachtet werden (z.B. Wasserdampf als gasförmiges Wasser, das mit flüssigem
Wasser in Kontakt steht). Auch eine Flüssigkeit hat keine definierte Form. Sie nimmt je
weils die Form des Gefäßes an, in dem sie sich befindet. Für eine gegebene Temperatur be-
R. Benedix, Bauchemie
© B. G. Teubner Verlag / GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2003