Heterogene Gleichgewichte

Die vorstehenden Betrachtungen gelten in dieser Form nur fur homogene Reaktionen in einem abgeschlossenen System. Im Bauwesen spielen vor allem heterogene Re­aktionen, d. h. Reaktionen zwischen Feststoffen und Gasen bzw. Feststoffen und Losungen eine wichtige Rolle. Dazu kommt, dass baurelevante Umsetzungen nicht in abgeschlossenen, sondem in offenen Reaktionssystemen – also meist im Freien – ab – laufen. Eine Phase kann also standig aus dem Reaktionssystem austreten oder in das System eintreten. Entweicht bei einer Umsetzung ein gasformiges Reaktionsprodukt aus dem (offenen) System, werden die Ausgangsstoffe verbraucht, ohne dass sich ein chemisches Gleichgewicht einstellen kann. Mit anderen Worten: Das System lauft seinem Gleichgewichtszustand hinterher, ohne ihn erreichen zu konnen. Die chemi­sche Reaktion verlauft in diesem Falle nahezu quantitativ in Richtung des gebildeten Stoffes, der aus dem Reaktionssystem austritt.

Dieser Sachverhalt soil am Beispiel des Brennens von Kalkstein dargestellt werden. Wird die thermische Zersetzung

CaC03(s) — CaO(s) + C02(g) AH = +178 kJ/mol (4-10)

in einem geschlossenen Behalter durchgefiihrt, liegt ein Beispiel fur ein heterogenes chemisches Gleichgewicht vor. Die Reaktion kommt zum Stillstand, lange bevor alles CaC03 verbraucht ist. Im Gleichgewichtszustand liegen 3 Phasen nebeneinander vor: zwei feste Phasen (CaO und CaC03) und eine Gasphase (C02). Die Gleichgewichts- konstante hat bei heterogenen Reaktionen eine einfache Gestalt. Zunachst kann man formulieren:

Подпись: c(CaC02 )

„ c(C02) • c(CaO)

Da die Konzentration (exakt: Aktivitat, s. Кар. 6.5.2.2) einer reinen Phase gleich 1 gesetzt werden kann, ergibt sich

Kc = c(C02) bzw. bei Verwendung des Partialdrucks Kp = p(C02).

Die Gleichgewichtskonstante – und damit die Lage des Gleichgewichts – ist allein vom Partialdruck des Kohlendioxids abhangig. Erhitzt man CaC03 in einem geschlossenen Gefafi, z. B. auf 800°C, zersetzt es sich bis zu einem C02-Partialdruck von 0,22 bar. Bei diesem Druck liegt ein dynamisches Gleichgewicht vor. Die Zersetzungsge – schwindigkeit des CaC03 entspricht der Geschwindigkeit, mit der sich CaO und C02 wieder zu Calciumcarbonat verbinden. Der Druck von 0,22 bar ist der Zersetzungs – druck (auch: C02-Gleichgewichtsdruck) des CaC03 bei 800°C. Bei 500°C wird ein C02-Druck erreicht, der genauso groB ist wie der C02-Partialdruck in der Atmo- sphare, also 0,00035 bar.

Erfolgt die Zersetzung des CaC03 bei 800°C in einem ojfenen Behalter (System), ent – weicht das gebildete C02. Ein C02-Partialdruck von 0,22 bar wird niemals erreicht und ein Gleichgewicht kann sich nicht einstellen.

Bei der technischen Realisierung dieses Prozesses ist man naturlich an einer vollstan – digen Umsetzung interessiert. Es ist deshalb vom wirtschaftlichen Standpunkt her sinnvoll, die Reaktionstemperatur so hoch zu wahlen, dass der C02-Gleichgewichts – druck groBer als der Luftdruck ist. Industriell wird Kalkstein bei etwa 950°C gebrannt. Bei dieser Temperatur betragt der C02-Gleichgewichtsdruck etwa 2 bar. Er ist damit bereits doppelt so grofi wie der Luftdruck. Dieser Gleichgewichtsdruck kann sich allerdings nur in einem geschlossenen GefaB einstellen. Die Kalkbrennofen arbeiten jedoch als offene Systeme unter Atmospharendruck. Das Gleichgewicht kann sich nicht einstellen, da standig C02 entweicht, ehe der C02-Gleichgewichtsdruck erreicht ist. Die Reaktion lauft rasch und vollstandig ab.

Die Kalkhartung ist ein weiteres Beispiel fur eine heterogene Reaktion, die in der Baupraxis naturgemaB in einem offenen System, also an der Luft, ablauft (Gl.4-11).

Ca(OH)2(s) + C02(g) —► CaC03(s) + H20(1) AH= -112 kJ/mol (4-11)

Der C02-Anteil der Luft ist mit 0,3 Vol.-% relativ gering. Um moglichst schnell eine vollstandige CaC03-Bildung gemaB Gl. (4-11) zu erreichen, kann Kohlendioxid im Uberschuss angeboten werden (s. Кар. 9.3.2.1).

Bauwerke sind den standigen Einflussen der Atmosphare mit den in ihr natiirlich enthalte – nen Gasen Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid, den Edelgasen, wechselnden Mengen an Wasserdampf, aber auch mit den in ihr enthaltenen Luftschadstoffen wie Schwefeldioxid, Stickoxiden, Ozon sowie Staubpartikeln unterschiedlichster Herkunft ausgesetzt. Schlag – worte wie Saurer Regen, Sommersmog, Treibhausgase und Neuartige Waldschaden geho – ren dank der Berichterstattung durch die Medien zu unserem Alltag. Haufig besteht jedoch gerade bei Begriffen, mit denen wir ununterbrochen konfrontiert werden, der groBte Erkla – rungsbedarf. Zum einen im Hinblick auf das Verstandnis des Phanomens selbst, zum ande – ren aber im Hinblick auf die komplexen Wechselbeziehungen zu anderen naturlichen Pro- zessen und Vorgangen, die haufig auBerordentlich schwer zu uberschauen und zu bewerten sind.

Zum Beispiel ist das zur Carbonatisierung notwendige Kohlendioxid in der Lage, Warme – energie zu speichem. Deshalb steht es im Mittelpunkt der meisten Diskussionen zum Thema Treibhauseffekt. C02 ist inzwischen im Verstandnis der meisten Menschen das Treibhausgas schlechthin. Im Sonnenlicht wird der fur Menschen und Tiere lebensnotwen – dige Sauerstoff in Gegenwart von Farbstoffen in eine aggressive Form uberfuhrt, die Far – ben bleicht, Kunststoffe vergilben und Lackuberziige abblattem lasst. Saure Gase bzw. saurer Regen zerstoren zusehends historische Baudenkmale und fiihren zu einer Versaue – rung der Boden und Gewasser. Weitere Beispiele lieBen sich muhelos anfugen. Es ist des­halb fur den Bauingenieur unerlasslich, genauere Kenntnisse liber die Zusammensetzung und die Eigenschafiten der atmospharischen Luft und die darin ablaufenden Prozesse zu besitzen, um sie gezielt beispielsweise im Rahmen von BautenschutzmaBnahmen anwen – den zu konnen.