Technisch und bauchemisch wichtige Sauren und Basen

Schwefelsaure H2S04. Wasserfreie Schwefelsaure ist eine farblose, olig-dicke Fliissigkeit (Smp. 10°C5 Sdp. 280°C) mit einer Dichte von p = 1,83 g/cm3. Die im Handel erhaltliche konzentrierte Schwefelsaure ist 98%ig, das entspricht einer Stoffmengenkonzentration c(H2S04) von 18 mol/1. Enthalt sie S03 im Uberschuss gelost, spricht man von „rauchender Schwefelsaure66.

Konzentrierte H2S04 wirkt stark hygroskopisch (wasserentziehend). Deshalb wird sie im chemischen Laboratorium als Trocknungsmittel fur Chemikalien genutzt. Sie ist auch in der Lage, einer Reihe von Verbindungen das Wasser zu entziehen (Dehydratisierungsmit – tel). Zum Beispiel entsteht beim Einwirken von konz. H2S04 auf Zucker eine porose Koh – lenstoffmasse.

Schwefelsaure ist eine oxidierende Saure, da neben den Hydroniumionen (H30+) auch das Sulfation als Oxidationsmittel reagieren kann. Zwar ist ihre Oxidationskraft geringer als die der Salpetersaure, trotzdem ist sie insbesondere bei hoheren Temperaturen in der Lage, Metalle wie Cu, Ag und Hg zu losen.

Die Reaktion der Schwefelsaure mit Wasser ist stark exotherm. Beim Verdunnen von rei­ner oder konz. H2S04 mit Wasser ist es deshalb notwendig, die Saure in dunnem Strahl, oder noch besser tropfenweise, unter Umruhren in das Wasser einzutragen. Gibt man um – gekehrt H20 in die Schwefelsaure, kann es durch die starke Warmeentwicklung zum Her – ausspritzen der Saure, vielleicht sogar zum Springen des GlasgefaBes kommen.

Schwefelsaure ist ein zweiprotonige Saure. Die Protolyse erfolgt in zwei Stufen (Gl. 6-59: H2S04 + H20 -* НзО+ + HSO4- und Gl. 6-60: HS04‘ + H20 — H30+ + S042′), wobei die Abspaltung des ersten Protons praktisch vollstandig ablauft. Das bedeutet, Gl. 6-59 liegt weitgehend auf der rechten Seite. Es entstehen Hydrogensulfationen (HS04”) und Hydroniumionen (H30+). Das zweite Gleichgewicht (6-60) liegt dagegen – insbesondere bei hoheren Konzentrationen – vorwiegend auf der Seite des Hydrogensulfations. Damit sind in einer laborublichen, verdiinnten H2S04-L6sung der Konzentration 1 mol/1 als vor – herrschenden Species HS04~- und H30+-Ionen zu finden. Erst bei relativ starker Verdiin – nung (с < 10"2 mol/1) oder bei Zugabe von starkeren Basen als Wasser (z. B. Hydroxidio – nen: HSO4" + OH" -> H20 + S042") liegen iiberwiegend Sulfationen (S042-) vor.

Vor dem Hintergrund der obigen Protolysegleichgewichte kann eine Schwefelsaurelosung als Mischung zweier verschieden starker Sauren aufgefasst werden, einer sehr starken Saure (H2S04) und einer nur zum Teil protolysierten mittelstarken Saure (HS04~). Trotz­dem kristallisiert bei Zugabe von mehrfach geladenen Metallionen (z. B. Ca2+) das entspre – chende Metallsulfat und nicht das Hydrogensulfat aus. Begrundung: Die frei werdende Gitterenergie (Кар. 3.1.2) ist im Fall eines Kristalls aus zweifachgeladenen Kationen und Anionen groBer als bei einer Kombination von zweifach geladenen Kationen und einfach geladenen Anionen.

Die Sulfate insbesondere der Erdalkali – und Alkalimetalle sind von auBerordentlicher Be – deutung fur das Bauwesen. So ist zum Beispiel Calciumsulfat als Halbhydrat, Dihydrat oder Anhydrit ein wichtiger Bau – bzw. Zementzusatzstoff. Auf der anderen Seite bildet CaS04 den Ausgangspunkt fur gefurchtete Bauschaden (Gips – bzw. Sulfattreiben, Кар. 9A2.2).

Salpetersaure HN03. Reine Salpetersaure ist eine farblose Flussigkeit, die bei 82,6°C siedet. Da sie sich bei Lichteinwirkung teilweise zersetzt, wird sie in braunen Flaschen aufbewahrt. Das bei der Zersetzung (2 HN03 -+ 2 N02 + H20 + 14 02) entstehende braune Gas N02 farbt verdunnte Losungen gelb, in hoheren Konzentrationen rot. Die an der Luft rotbraun dampfende Losung bezeichnet man als „rote rauchende Salpetersaure4′.

Handelstibliche konzentrierte Salpetersaure (p= 1,41 g/cm3 bei 20°C; Sdp. 121,8°C) ist eine 69,2%ige Losung von Salpetersaure in Wasser (c = 14,5 mol/1). Die Salze der Salpe­tersaure heilien Nitrate. Der Name Salpeter leitet sich von den historisch entstandenen Bezeichnungen fur einige Nitrate ab, z. B. Natriumnitrat NaN03 (Chilesalpeter), Kaliumni – trat KN03 (Salpeter), Ammoniumnitrat NFysFCb {Ammonsalpeter) und Calciumnitrat Ca(N03)2 (Kalksalpeter). Das hygroskopische Ca(N03)2 gehort zu den stark bauschadigen – den Salzen (Mauersalpeter, Кар. 9.4.4).

Sowohl konzentrierte als auch die im Laborbetrieb gebrauchliche halbkonzentrierte Salpe­tersaure (~30%ig) sind starke Oxidationsmittel. Sie losen Metalle wie Kupfer, Quecksilber und Silber auf. Gold und Platin werden nicht gelost (Кар. 7.3.5). Neben den Metallkatio – nen entstehen Stickoxide. Mit halbkonzentrierter Salpetersaure bildet sich uberwiegend NO, mit zunehmender Konzentration der Salpetersaure wird mehr und mehr N02 zum Hauptprodukt des oxidativen Angriffs. Das bedeutet, dass neben dem H30+-Ion auch das Nitration N03” als Oxidationsmittel reagieren kann. Salpetersaure gehort deshalb zu den oxidierenden Sauren. Starker verdUnnte HN03 reagiert mit unedlen Metallen unter H2- Entwicklung.

Salzsaure HC1. Salzsaure (Chlorwasserstoffsaure) ist die wassrige Losung des Gases Chlorwasserstoff (HC1). Chlorwasserstoff ist in Wasser extrem gut loslich. Zum Beispiel lost 1 Liter Wasser bei 0°C unter starker Warmeentwicklung 507 Liter, bei 20°C 442 Liter Chlorwasserstoffgas. Der Name Salzsaure ruhrt von der Darstellung der Saure her. Salz­saure wird aus Kochsalz (NaCl) gewonnen.

Handelstibliche konzentrierte Salzsaure (p = 1,19 g/cm3 bei 20°C) ist 38%ig. Das entspricht einem Stoffmengenanteil von etwa 12 mol/1. Da sie an der Luft stark raucht, wird sie auch als „rauchende Salzsaure44 bezeichnet. Die Salze der Salzsaure heilien Chloride. Charakte – ristisch fur konzentrierte Salzsaure ist ihr stechender Geruch. Er ist auf HCl-Moleklile in der Gasphase zuriickzufuhren. Die im Laborbetrieb verwendete verdunnte HC1 besitzt in der Regel eine Stoffmengenkonzentration von 2 mol/1.

Verdunnte Salzsaure ist in der Chemie die nichtoxidierende Saure schlechthin, denn wenn ein unedles Metall wie z. B. Zink von HC1 gelost wird (Bildung von Zn2+ und H2), kommen nur die H30+-Ionen als Oxidationsmittel in Frage. Die Chloridionen sind redoxstabile Teil – chen. Salzsaure lost deshalb nur unedle Metalle wie Zn, A1 und Fe.

Salzsaure bildet sich bei der Reaktion von Chlorwasserstoff (Gas!) mit Wasser. In der wassrigen Losung liegen ausschlieUlich H30+- und Cl"-Ionen vor. Das heiBt, alle HCl-Mo- lekule haben sich in einer Protolysereaktion mit H20 umgesetzt (Merkmal einer starken Saurel). Wenn bei stochiometrischen Aufgabenstellungen von Salzsaure die Rede ist, be – zieht man sich stets auf die Stoffmenge des gelosten Chlorwasserstoffs, obwohl dieser in Losung praktisch nicht mehr vorliegt. Es gilt somit: c(HCl) = c(H30+).

Reine Salzsaure ist farblos. Technische Salzsaure weist dagegen eine Gelbfarbung auf, die von Eisenverunreinigungen (FeCl3 bzw. [FeCl4]“) stammt.

Wasserlosliche Chloride fordem generell die Korrosion von Eisen/Stahl (Кар. 8.2.2). Wir – ken chloridhaltige Wasser, z. B. Meerwasser oder chloridhaltige Taumittel, auf Stahlbeton ein, mtissen besondere SchutzmaBnahmen getroffen werden.

Schwefelsaure, Salpetersaure und Salzsaure gehoren zu den stark betonaggressi – ven Stoffen. Ihr Angriffsgrad hangt von der Konzentration ab.

Phosphorsaure H3PO4. Wenn man im praktischen Sprachgebrauch von der Phosphorsaure spricht, meint man im Allgemeinen die Orthophosphorsaure H3PO4. Sie ist eine mittel – starke dreiprotonige Saure, die ihre Protonen in drei Protolysestufen abspalten kann (Gl. 6­61 bis 6-63). Dabei entstehen drei Gruppen von Salzen:

M1 H2P04 Dihydrogenphosphate (primare Phosphate),

MI2HP04 Hydrogenphosphate (sekundare Phosphate),

MT3 P04 Orthophosphate (tertiare Phosphate).

Orthophosphorsaure H3P04 bildet farblose Kristalle (Smp. 42°C)? die sich gut in Wasser losen. Handelsiibliche konz. Phosphorsaure (85%ig) ist eine sirupose Losung der Dichte 1,687 g/cm3 (20°C). Ihre hohe Viskositat ist auf WasserstoffbrUckenbindungen zwischen den Molekulen zuriickzufuhren.

Die betonangreifende Wirkung der Phosphorsaure ist als gering einzustufen. Im Bauwesen findet H3P04 vor allem als Bestandteil von Rostwandlem und beim Phosphatieren von Stahloberflachen (8.2.6.1) Anwendung.

Salz-, Schwefel – und Salpetersaure werden haufig als Mineralsauren bezeichnet, da sie in Form ihrer Salze in den meisten Mineralen enthalten sind.

Die Kohlensaure und die Kieselsauren werden in Кар. 5.4.3.2 bzw. 9.2.2 naher bespro – chen.

Natriumhydroxid NaOH und Kaliumhydroxid KOH. Natriumhydroxid und Kaliumhy – droxid sind weiBe, hygroskopische Substanzen. Sie losen sich sehr gut in Wasser (z. B. bei 25°C: 1090 g NaOH pro Liter H20) und bilden unter Warmeentwicklung Basen (Laugen). Sowohl Natronlauge als auch Kalilauge reagieren stark alkalisch. Sie wirken atzend und sind giftig. Beide Laugen greifen Zink und Aluminium an, in heiBer hochkonzentrierter Form sogar Eisen.

Na20 und K20 (mitunter kurz als ^Ikalien “ bezeichnet) sind in geringen Mengen im Ze – ment enthalten bzw. entstehen aus Natrium – oder Kaliumsalzen. Bei Zugabe von Wasser bilden sie Laugen (M20 + H20 2 МОН, M = Na, K). Verdunnte Alkalilaugen schadigen

den Zementstein nicht.

Bei Verwendung von Gesteinskomungen mit alkaliloslicher Kieselsaure konnen die Alka – lien zur Alkali-Kieselsaure-Reaktion fuhren (Alkalitreiben, Кар. 9.4.2.2).

Die wichtigsten alkalischen Verbindungen der Bauchemie, das Calciumhydroxid Ca(OH)2 bzw. dessen Baseanhydrid, das Calciumoxid CaO, werden in Кар. 9.3.2.1 naher bespro – chen.