Bauchemie: Einführung in die Chemie für Bauingenieure

523 Pages·2006·34.909 MB·German

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

Roland Benedix
Bauchemie
Roland Benedix
Bauchemie
Einführung in die Chemie
für Bauingenieure
3., durchgesehene und aktualisierte Auflage 2005
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. nat. habil. Roland Benedix
Studium der Chemie an der Universität Leipzig. Promotion und Habilitation zur Struktur und zum spek-
troskopischen Verhalten von Übergangsmetallkomplexen. Wissenschaftlicher Assistent und Oberassi-
stent an der Universität Leipzig bis 1992.
Lehrtätigkeiten: 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-leipzig.de
Email: [email protected]
In der 1. Auflage erschien das Buch unter dem Titel „Chemie für Bauingenieure“ im Teubner Verlag.
1. Auflage 1999
2. Auflage 2003
3., durchges. u. akt. Auflage Januar 2006
Alle Rechte vorbehalten
© B.G.Teubner Verlag / GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2006
Lektorat: Ralf Harms / Sabine Koch
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Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
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ISBN 3-519-20226-3
Vorwort zur 3. Auflage
Die gute Akzeptanz, die das vorliegende Lehrbuch in seinen ersten beiden Auflagen so-
wohl bei Studenten und Lehrkr~iften als auch bei Praktikern gefunden hat, machen eine
Neuauflage erforderlich. An der bew~ihrten Gliederung wurde festgehalten: Allgemein-
chemische Grundlagen - Luft und Luftinhaltsstoffe - Wasser und w~issrige L/Ssungen-
Redoxgleichgewichte/Grundlagen der Elektrochemie - Chemie der Baumetalle - Chemic
nichtmetallisch-anorganischer und organischer Stoffe im Bauwesen. Im Ergebnis der stan-
digen Riickkopplung bei der Vermittlung des Bauchemie-Lehrstoffes im Rahmen von
Lehrveranstaltungen, aber auch im Ergebnis konstruktiv krifischer Hinweise von Fachkol-
legen habe ich den Stoff an einigen Stellen ,tzni~gre klarer dargestellt bzw. aktualisiert. Die
Kapitel zur Chemie nichtmetallisch-anorganischer und organischer Baustoffe wurden
grundlegend iiberarbeitet. Zus~itzliche Abbildungen und Schemata sollen es dem Leser
erleichtern, Zusammenhange herzustellen und Verbindungen zwischen theoretischen Sach-
verhalten und praktischen Problemstellungen zu erkennen.
In den ersten mehr grundlagenchemisch orientierten Kapiteln habe ich alle Textstellen, zu
denen sich Beziige zum Bauwesen herstellen lassen, besonders gekennzeichnet. Neu auf-
genommen wurden Kapitel zur Umweltvertr~iglichkeit zementgebundener Baustoffe, zur
Belastung der Innenraumluft, zum Baustoff-Recycling und - was mir besonders am Herzen
liegt - zu bauchemisch interessanten Neuentwicklungen. Die Fokussierung auf Latentw~ir-
mespeicher und Photokatalyse/schadstoffzersetzende Baustoffe im letzten Kapitel ist zu-
nachst als erster Schritt gedacht und natiirlich subjektiv. Dieses Kapitel kann (und soil)
aktuell erweitert werden.
Mein Dank gilt den Herren Prof. Dr.-Ing. habil. Wolf-Peter Ettel (HTWK Leipzig) und
Prof. Dr. Dr. h.c. habil. Lothar Beyer (Universit~it Leipzig) ~r die stete Bereitschaft zu
fachlicher Diskussion und UntersttRzung. Des Weiteren danke ich allen Fachkollegen und
Fachleuten der Industrie, die mit konstruktiver Kritik zu Verbesserung des Buches beige-
tragen haben. Mein besonderer Dank gilt den Herren Prof. Dr.-Ing. habil. Jochen Stark und
Dr. Bernd M6ser (F. A. Finger-Institut ftir Baustoffkunde, Bauhaus-Universit~it Weimar)
ftir die Bereitstellung von ESEM-Aufnahmen zur Zementhydratation und zu ausgew~ihlten
Baustoffen. Den Kollegen der Fachgruppe Chemie danke ich ftir ihre Hilfe und Unter-
stiRzung bei der miihevollen Arbeit des Korrekturlesens. SchliefSlich danke ich der GWV
Fachverlage GmbH/Teubner-Verlag, insbesondere Herrn Ralf Harms und Frau Sabine
Koch, fiir die entgegenkommende Zusammenarbeit.
Anregungen und konstruktive Kritik sind mir jederzeit willkommen.
Leipzig, im September 2005 Roland Benedix
Inhalt
1 Allgemein-chemische Grundlagen 1
1.1 Stoffe 1
1.1.1 Gemische und reine Stoffe 1
1.1.2 Elemente und chemische Verbindungen 5
1.2 Massen- und Volumenverhitltnisse bei chemischen Reaktionen 7
1.2.1 Massenverhifltnisse bei chemischen Reaktionen 7
1.2.2 Volumenverhiflmisse - Satz von Avogadro 8
1.2.3 Allgemeine Zustandsgleichung der Gase 9
1.2.4 Atom- und Molektilmasse 11
1.2.5 Stoffinenge - Mol 21
1.2.6 Konzentrationsmal3e 31
1.2.7 StOchiometrische Berechnungen 81
2 Atombau und Periodensystem der Elemente 21
2.1 Bau der Atome 21
2.1.1 Bestandteile des Atoms - Isotope - Radioaktivitat 21
2.1.2 Radioaktivit~t yon Baustoffen 26
2.1.3 Aufbau der Elektronenhtille 28
2.1.3.1 Bohrsches Atommodell 28
2.1.3.2 Orbitalbild der Elektronen 32
2.2 Periodensystem der Elemente 38
2.2.1 Ordnungsprinzip der Elemente 38
2.2.2 PeriodizitiR wichtiger Eigenschaften 40
3 Chemische Bindung 45
3.1 Ionenbindung 45
3.1.1 Ausbildung von Ionen 45
3.1.2 Wechselwirkung zwischen den Ionen - Gitterenergie 46
3.1.3 Eigenschaften von Ionenverbindungen 47
3.2 Atombindung (Kovalente Bindung) 48
3.2.1 Elektronenpaarbindtmg - Modell von Lewis 48
3.2.2 Uberlappung yon Orbitalen 50
3.2.3 R~iumliche S ~ der Molekfile" Hybridisierungsmodell 15
3.2.4 Polarit~t einer Bindung - Elektronegativit~tt 54
3.3 Metallbindung 58
3.3.1 Eigenschaften von Metallen - Metallischer Zustand 58
3.3.2 Elektronengasmodell 59
3.3.3 Energieb~dermodell 59
3.4 Intermolekulare Bindungskrafte 62
3.5 Fester Zustand 64
3.5.1 Smaktur kristalliner FestkOrper 65
3.5.2 S ~ der Metalle 67
3.5.3 S ~ ionischer FestkSrper 68
3.5.4 Legierungen 70
4 Die chemische Reaktion 74
4.1 StOchiometrie chemischer Reaktionen 74
4.2 Energiebilanz chemischer Reaktionen 75
4.2.1 Reaktionsenthalpie 75
VIII Inhalt
4.2.2 Bildungsenthalpie - Berechnung von Reaktionsenthalpien 79
4.2.3 Satz von Hess 18
4.2.4 Triebkraft chemischer Reaktionen- Freie Enthalpie 82
4.3 Geschwindigkeit chemischer Reaktionen 38
4.3.1 Allgemeine Betrachttmgen 38
4.3.2 Konzentrationsabhfingigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit 84
4.3.3 Temperaturabhfingigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit 58
4.4 Katalyse 88
4.5 Chemisches Gleichgewicht - Massenwirkungsgesetz 90
4.5.1 Zustand des chemischen Gleichgewichts 90
4.5.2 Massenwirkungsgesetz 19
4.5.3 Beeinflussung der Lage des chemischen Gleichgewichts 93
4.5.4 Heterogene Gleichgewichte 95
5 Lufl und Luftinhaltsstoffe 97
1.5 Zusammensetzung der Luft 97
5.2 Physikalisch-chemische Eigenschaften der Luft 99
3.5 L6slichkeit von Gasen 001
5.4 NatOrliche Luftinhaltsstoffe 301
5.4.1 Stickstoff )2N( 301
5.4.1.1 Physikalisch-chemische Eigenschaften 301
5.4.1.2 Ausgewahlte Stickstoffverbindungen 401
5.4.2 Sauerstoff 601
5.4.2.1 Sauerstoff (O2): Physikalisch-chemische Eigensehaften 601
5.4.2.2 Ozon (03) 701
5.4.2.2.1 Physikalisch-chemische Eigenschaften 701
5.4.2.2.2 Stratosphfirisches und troposphfirisches Ozon - Ozonproblematik 901
5.4.3 Kohlendioxid )2OC( 311
5.4.3.1 Physikalisch-chemische Eigenschaften 311
5.4.3.2 Kohlens~ure und Carbonate 511
5.4.3.3 Kohlendioxid als Treibhausgas - Treibhauseffekt 711
5.5 Luftschadstoffe 911
5.5.1 Schwefeldioxid (SO2) 911
5.5.1.1 Physikaliseh-chemische Eigenschaften 911
5.5.1.2 Schwefelsauren und deren Salze 021
5.5.1.3 Saurer oder London-Smog 121
5.5.2 Stickoxide (NO, NO2) 221
5.5.3 Schadwirkungen und MafSnahmen zu ihrer Verhinderung 321
5.5.3.1 Saurer Regen und Folgeschaden 421
5.5.3.2 Rauchgasentsehwefelung- REA-Gips 521
5.5.3.3 Entstickung von Rauchgas 921
5.5.3.4 Abgaskatalyse bei Kraftfahrzeugen 921
6 Wasser und w~issrige LSsungen 131
1.6 Wasser - Vorkommen und Bedeuttmg 131
6.2 Smflcmr und Eigenschaften des Wassers 231
6.2.1 Moleldilsmflcan-- Dipolnatur- Wasserstoffbrtickenbindung 231
6.2.2 Anomalien des Wassers 431
6.2.2.1 Dichteanomalie 431
6.2.2.2 Oberfliichenspannung- Benetzung - Kapillarit~it 631
6.2.2.3 Grenzfllichenaktive Verbindungen: Tenside 041
Inhalt IX
6.2.2.4 ti~tisoksiV 241
6.2.2.5 W~xmeleitf~igkeit und spezifische Warmekapazitfit 241
6.2.3 Dampfdruck 341
6.2.3.1 Dampfdruck reiner Fltissigkeiten - Phasendiagramme 341
6.2.3.2 Kolligative Eigenschaften von LOsungen: Geffierpunktserniedrigung und Siede-
ptmktserhShung 641
3.6 LSsung und LSslichkeit 151
6.3.1 L/3sungsvorgang- Hydratation- Hydrate 151
6.3.2 Einteilung von LSsungen nach ihrem Dispersionsgrad - Kolloide 551
6.3.3 LSslichkeit- LSslichkeitsprodukt 061
6.4 Wasser und Wasserinhaltsstoffe 661
6.4.1 Harte des Wassers - Enthfirtung 661
6.4.2 Trinkwasser 071
6.4.3 Wasser im Bauwesen 171
6.5 Chemische Reaktionen in LSsung 371
6.5.1 Komplexbildungsreaktionen 371
6.5.1.1 Hydratation als Komplexbildung - Aufbau der Komplexe 371
6.5.1.2 Analytische Bedeutung von Komplexverbindungen 571
6.5.2 Elektrolyte und elektrolytische Leitf~ihigkeit 771
6.5.2.1 Elektrolyte- ElektrolytlOsungen 771
6.5.2.2 Elektrolytische Leitf~Jaigkeit- Aktivit~it 971
6.5.3 Saure-Base-Reaktionen 181
6.5.3.1 Sfiure-Base-Begriff 181
6.5.3.2 Autoprotolyse des Wassers und pH-Wert 581
6.5.3.3 Indikatoren, Saure-Base-Titration, NormallOsungen 781
6.5.3.4 Starke von Sauren und Basen 291
6.5.3.5 Protolyse von Salzen 791
6.5.3.6 Berechnung des pH-Wertes 891
6.5.3.7 Pufferl0sungen 201
6.5.3.8 Technisch und bauchemisch wichtige nerui~S und Basen 203
7 Redoxreaktionen- Grundlagen der Elektrochemie 206
1.7 Begriffe: Oxidation - Reduktion 206
7.2 Formulieren von Redoxgleichungen 208
3.7 Redoxreaktionen- Spannungsreihe 211
7.3.1 RedoxvermOgen der Metalle - Halbzellen 211
7.3.2 Galvanische Zellen 213
7.3.3 Standardelektrodenpotentiale - elektrochemische Spannungsreihe 214
7.3.4 Triebkraft chemischer Reaktionen- Potentialdifferenz 216
7.3.5 Folgerungen aus der elektrochemischen Spannungsreihe - Praktische Spannungs-
reihe 217
7.3.6 Konzentrationsabh~ingigkeit der Elektrodenpotentiale: Nernstsche Gleichung und
ihre Anwendung 221
7.4 Elektrochemische Stromerzeugung 224
7.5 Elektrolyse 227
7.6 Redoxreaktionen in nichtwassrigem Milieu 230
8 Chemie der Baumetalle 231
1.8 Eisen und Stahl 231
8.1.1 Physikalische trod chemische Eigenschatten des Eisens 231
X Inhalt
8.1.2 Produkte des Hochofenprozesses 233
8.1.3 Stahl 234
8.2 Korrosion von Metallen 237
8.2.1 Wesen der metallischen Korrosion - Korrosionstypen 238
8.2.2 Rosten von Eisen 240
8.2.3 Kontaktkorrosion 245
8.2.4 Korrosion von Stahl 247
8.2.5 Erscheinungsformen der Korrosion 248
8.2.6 Korrosionsschutz 251
8.2.6.1 Passiver Korrosionsschutz 253
8.2.6.2 Aktiver Korrosionsschutz 258
3.8 Nichteisenmetalle - Eigenschaften und Korrosionsverhalten 162
8.3.1 Aluminium 162
8.3.2 Kupfer 264
8.3.3 Zink 266
8.3.4 Blei 267
8.3.5 Chrom 269
8.3.5.1 Physikalisch-chemische Eigenschaften und Verwendung 269
8.3.5.2 Chrom im Zement - Chromatreduzierer 269
9 Chemie nichtmetallisch-anorganischer Baustoffe 272
1.9 Minerale und Gesteine 272
9.1.1 Gesteinsbildende Minerale 272
9.1.2 Gesteine 273
9.1.2.1 Magmatische Gesteine 273
9.1.2.2 Sedimentgesteine- Kalkstein 274
9.1.2.3 Metamorphe Gesteine 277
9.2 Silicate und siliciumorganische Verbindungen 278
9.2.1 Siliciumdioxid 278
9.2.2 Kiesels~iuren 279
9.2.3 Silicate 282
9.2.3.1 Alkalimetallsilicate- Silicatklassen- Asbeste 282
9.2.3.2 Technische Silicate (Ktinstliche Silicate) 290
9.2.3.2.1 resi~lG 290
9.2.3.2.2 Tone und Tonkeramik 296
9.2.4 Siliciumorganische Verbindungen 300
9.3 Anorganische Bindemittel 305
9.3.1 Einleitende Bemerkungen - Historisches 305
9.3.2 Baukalke 307
9.3.2.1 Luftkalke 307
9.3.2.2 Hydraulische Kalke 310
9.3.3 Zemente 113
9.3.3.1 Rohstoffe und Herstellung von Portlandzement 312
9.3.3.2 Portlandzementklinker: Zusammensetzung und Eigenschaften 314
9.3.3.3 Bestandteile yon Normzementen 318
9.3.3.3.1 Hauptbestandteile 318
9.3.3.3.2 Nebenbestandteile 322
9.3.3.3.3 Calciumsulfat 322
9.3.3.3.4 (Zement)Zus~itze 322
9.3.3.4 Reaktion des Zements mit Wasser 322
9.3.3.4.1 Hydratation der Klinkerphasen 322
Inhalt XI
9.3.3.4.2 Hydratation von Zementen 332
9.3.3.4.3 Erstarren- ErstarrungsstOrtmgen 338
9.3.3.5 Aufbau und Eigenschaften des Zementsteins 338
9.3.3.6 Zementarten- Spezialzemente 343
9.3.4 Chemische Zusatzmittel und ihre Wirkungsweise 347
9.3.5 Gipse und Anhydrite 355
9.3.5.1 Vorkommen, Darstellung, Eigenschaften und Verwendung 355
9.3.5.2 ssezorpsgmttri~hrE 358
9.3.5.3 Eigenschaften von Bindemitteln auf der Basis von CaSO4 163
9.3.6 Magnesia- und Phosphatbinder 362
9.3.7 Kalksandsandsteine und Porenbetone 364
9.3.8 Umweltvertraglichkeit von zementgebundenen Baustoffen 364
9.4 Korrosion nichtmetallisch-anorganischer Baustoffe 367
9.4.1 Korrosive Medien 367
9.4.2 Chemischer Angriff auf zementgebundene Baustoffe 368
9.4.2.1 LOsender Angriff 369
9.4.2.2 Treibender Angriff 173
9.4.2.3 Korrosiver Angriff auf die Bewehrung 378
9.4.2.3.1 Carbonatisierung des Betons 378
9.4.2.3.2 Chloridangriff 379
9.4.3 Biokorrosion 380
9.4.4 Salzablagerungen auf Bauwerksoberflachen (Ausbltihungen) 384
9.4.5 Maf3nahmen zum Korrosionsschutz (Bautenschutz) 388
10 Chemie organischer Stoffe im Bauwesen 391
1.01 Grtmdklassen organischer Verbindungen 193
1.1.01 Kohlenwasserstoffe 193
10.1.1.1 etgitti~seG Kohlenwasserstoffe: Alkane und Cycloalkane 193
10.1.1.2 Unges~ttigte Kohlenwasserstoffe: Alkene und Alkine 395
10.1.1.3 Aromatische Kohlenwasserstoffe und Abktimmlinge 397
10.1.2 Halogenalkane - FCKW 401
3.1.01 Alkohole und Phenole 403
10.1.4 Ether 406
10.1.5 Aldehyde und Ketone 407
10.1.6 Carbons~uren und Ester 410
10.1.7 Fette und 01e 414
10.1.8 Heterocyclische Verbindungen 415
2.01 Organische L6sungs- und Verdttnmmgsmittel 416
3.01 Bitumen, Teer und Asphalt 419
1.3.01 Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel 420
10.3.2 Teer und Pech 425
3.3.01 Asphalte 426
10.4 Kunststoffe 427
1.4.01 Allgemeine Eigenschaften 427
10.4.2 Aufbau und Struktur 428
3.4.01 Einteilung der Kunststoffe nach ihren thermischen und mechanischen Eigenschaften 431
10.4.3.1 Thermoplaste (Plastomere) 431
10.4.3.2 Elastomere 434
10.4.3.3 Duroplaste (Duromere) 436
10.4.3.4 Hilfs-, FUll- und Verst~ktmgsstoffe in Polymeren 436
10.4.4 Einteilung der Kunststoffe nach ihrer Bildungsreaktion 438