Bauchemie

Die Chemie ist eine noch relativ junge naturwissenschaftliche Disziplin, die sich mit der Zusammensetzung und der Umwandlung von Stoffen befasst. Gegenstand dieses Wissenschaftsgebietes sind damit die Gesetzmäßigkeiten, die den strukturellen Aufbau und die wechselseitige Umwandlung der ungeheuren Vielfalt von Stoffen bestimmen. Die Chemie ist in erster Linie eine experimentelle Wissenschaft. Akkumuliertes Wissen, neue Anschauungen und Konzepte sind der Ausgangspunkt für neue Experimente und Beobachtungen, die ihrerseits wiederum zu einem verfeinerten Verständnis und zu weiterentwickelten Anschauungen hinsichtlich der Struktur der Stoffe sowie der sie zusammenhaltenden Kräfte führen. Zur Aufklärung von Struktur und Eigenschaften der neuen Substanzen werden immer modernere physikalische und auch biologische Messmethoden eingesetzt. Insofern sind die Interessengebiete von Chemie, Physik, Biologie, Geologie und Mineralogie eng verknüpft und eine strenge Abgrenzung des Aufgabengebiets der Chemie von dem der übrigen naturwissenschaftlichen Disziplinen ist weder sinnvoll noch notwendig. Ziel der chemischen Forschung ist die Synthese von Substanzen mit völlig neuen Eigenschaften. Damit ist die Chemie zugleich auch ein wesentlicher Bestandteil zahlreicher anwendungs- orientierter Disziplinen wie der Werkstoffwissenschaften, der Baustofflehre oder der Metallurgie.

Die Frage nach der Struktur der Materie ist ein besonders instruktives Beispiel dafür, wie in enger Wechselbeziehung zwischen Experiment, Theorienbildung und Modellvorstellung die schrittweise Aufklärung der atomaren Substruktur zu immer detaillierteren Kenntnissen hinsichtlich des Aufbaus des Atomkerns und der Elektronenhülle führte. Gegen Ende des neunzehnten Jahrhunderts zeichnete sich ab, dass die Atome aus noch kleineren Teilchen aufgebaut sein müssten. Basierend auf den Arbeiten von M. Faraday zur Elektrolyse, d.h. zur Zersetzung von chemischen Verbindungen durch den elektrischen Strom, schlug G. J. Stoney 1874 die Existenz elektrischer Ladungsträger vor, die mit dem Atom in irgendeiner Weise assoziiert sind. Diesen Ladungsträgern gab er später den Namen Elektronen.

Chemische Stoffe weisen teilweise sehr unterschiedliche Eigenschaften auf. Betrachtet man beispielsweise solche wichtigen Stoffeigenschaften wie die Löslichkeit oder die elektrische und thermische Leitfähigkeit, so existieren in der Regel signifikante Unterschiede zwischen den Salzen und Oxiden einerseits und den organischen Verbindungen bzw. den Nichtmetallen andererseits. Während organische und nichtmetallische Stoffe häufig wenig wasserlöslich sind und den Strom schlecht oder gar nicht leiten, lösen sich Salze gut in Wasser und ihre wässrigen Lösungen leiten den elektrischen Strom. Metalle zeichnen sich dagegen durch eine ausgesprochen hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit und durch Glanz aus. Ursache für dieses unterschiedliche Verhalten ist die Art und Weise, mit der die Atome untereinander verknüpft sind. Erst die entstehenden Aggregate aus Atomen, Molekülen oder Ionen besitzen die für die jeweilige Stoffklasse charakteristischen physikalisch-chemischen Eigenschaften wie salzartig, nichtleitend oder leitend und metallisch. Welche der verschiedenen Stoffeigenschaften vorliegen, ergibt sich aus den spezifischen Wechselwirkungen zwischen den Atomen oder Molekülen. Je nach der Natur der vorliegenden Wechselwirkung unterscheidet man drei Grenztypen der chemischen Bindung:

Chemische Reaktionen sind Stoffumwandlungsprozesse. In einer submikroskopischen Betrachtungsweise ist eine chemische Reaktion stets mit einer Änderung der relativen Lage der Atomkerne im Raum und damit einer Veränderung der elektronischen Struktur der beteiligten Atome, Ionen und Moleküle verbunden. Makroskopisch gesehen ist die chemische Reaktion durch das ganz oder teilweise Verschwinden von Ausgangsstoffen und die Neubildung von Reaktionsprodukten gekennzeichnet. Werden alle Ausgangsstoffe zu Reaktionsprodukten umgesetzt, liegt ein vollständiger Stoffumsatz vor. Erfolgt der Stoffumsatz nur teilweise, kann sich unter entsprechenden Voraussetzungen ein chemisches Gleichgewicht einstellen.

Bauwerke sind den ständigen Einflüssen der Atmosphäre mit den in ihr natürlich enthaltenen 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. Schlagworte wie Saurer Regen, Sommersmog, Treibhausgase und Neuartige Waldschäden gehören dank der Berichterstattung durch die Medien zu unserem Alltag. Häufig besteht jedoch gerade bei Begriffen, mit denen wir ununterbrochen konfrontiert werden, der größte Erklärungsbedarf. Zum einen im Hinblick auf das Verständnis des Phänomens selbst, zum anderen aber im Hinblick auf die komplexen Wechselbeziehungen zu anderen natürlichen Prozessen und Vorgängen, die häufig außerordentlich schwer zu überschauen und zu bewerten sind.

Das Wasser der Erde besitzt ein Gesamtvolumen von ca. 1,4 Milliarden km³. Der überwiegende Teil (97,23%!) davon ist Salzwasser. Die restlichen 2,77% Süßwasser liegen zu etwa drei Viertel in Form von Polar- und Gletschereis vor [UC 2]. Zieht man vom Süßwasseranteil auch die für eine geregelte Trinkwasserversorgung ungeeignete Bodenfeuchte, das Tiefengrundwasser, das Wasser der Biosphäre und den Wasserdampf der Atmosphäre ab (Tab. 6.1), steht als Trinkwasser nur ein winziger Teil der Gesamtwassermenge, nämlich 0,3%, zur Verfügung. Diese Zahl macht deutlich, dass vor dem Hintergrund des explosionsartigen Anwachsens der Weltbevölkerung (2010: ca. 6,9 Mrd. Menschen) der Wert des Trinkwassers nicht hoch genug einzuschätzen ist und künftig noch weiter steigen wird. Wasser ist in bedeutendem Maße am Aufbau der Tier- und Pflanzenwelt beteiligt. Beispielsweise besteht der Körper eines erwachsenen Menschen zu etwa 70% aus Wasser, bei Kindern liegt der Anteil sogar noch etwas höher. Seine Funktion besteht unter anderem darin, gelöste oder suspendierte Stoffe zu den Körperzellen zu transportieren. Die Atmosphäre kann bis zu 4 Vol.-% Wasser Zwischenspeichern. Sie gibt es unter entsprechenden Druck- und Temperaturbedingungen in flüssiger (Regen, Nebel) oder fester Form (Reif, Schnee, Hagel) wieder ab. Eine Reihe von Mineralen speichern Wasser als Kristallwasser (kap. 6.3.1).

Die Begriffe Oxidation und Reduktion sind im Laufe der historischen Entwicklung der Chemie mehrfach erweitert und auf einer höheren Erkenntnisebene neu definiert worden. Ursprünglich wurde unter einer Oxidation die Reaktion eines Stoffes mit Sauerstoff (Oxy- genium), also eine Sauerstoffaufnahme verstanden. Die Rückführung des Stoffes in den ursprünglichen Zustand, d.h. die Abgabe von Sauerstoff, wurde als Reduktion bezeichnet. Zum Beispiel verbrennt Magnesium bei höheren Temperaturen unter Aussendung von blendend weißem Licht. Mg wird oxidiert und es bildet sich weißes Magnesiumoxid MgO (Gl. 7-1).

Neben der großen Gruppe nichtmetallischer Baustoffe (kap. 9) gehören vor allem die Metalle und ihre Legierungen, mit ihren ganz spezifischen chemischen und technologischen Eigenschaften, zu den wichtigsten Bau- und Werkstoffen. Inhalt des vorliegenden Kapitels sollen die physikalisch-chemischen Besonderheiten metallischer Werkstoffe, ihr Verhalten gegenüber atmosphärischen Einflüssen (Korrosion) sowie gegenüber anorganisch-nichtmetallischen Baustoffen wie Gips, Kalk und Beton sein.

Die äußerste Schicht unserer Erde ist aus einer Vielzahl unterschiedlicher Gesteine aufgebaut, die sich über lange geologische Zeiträume hinweg gebildet haben. Von der Art der bei der Bildung der Gesteine ablaufenden physikalischen oder chemischen Vorgänge hängen Struktur und Aufbau und damit die Gebrauchseigenschaften eines Gesteins ab, wie z.B. Härte, Druckfestigkeit, Porosität und Wasseraufnahmevermögen. Natursteine besitzen als Baustoffe eine zentrale Bedeutung. Sie finden unter anderem für Fassadenbekleidungen und Dachbedeckungen, für Treppen und Fensterbänke, als Setzsteine für Massivmauerwerk und als Beton- und Mörtelzuschläge Anwendung. Im Straßenbau werden sie als Schotter, Splitt, Sand, Pflaster- und Bordsteine genutzt, im Eisenbahnbau vor allem als Gleisbettungsstoff. Darüber hinaus stellt man aus Natursteinen wichtige Baustoffe her, zum Beispiel aus Kalkstein Kalk, aus Kalkmergel Zement und aus Gipsstein Gips.

In den letzten Jahrzehnten haben gesundheitliche Beschwerden zugenommen, die in engem Zusammenhang mit dem Aufenthalt in Innenräumen bzw. Gebäuden stehen. Ausgasungen chemischer Substanzen aus Möbeln, Farben, Anstrichen und Baustoffen, Schimmelpilzbefall in Wohnungen, das Sick-Building-Syndrom und das Phänomen der „Schwarzen Wohnungen" sind – unter Berücksichtigung einer ansteigenden Aufenthaltsdauer der Menschen in Innenräumen – Anlass genug, das Problem der Innenraumbelastung mehr in den Focus des Gesundheitsschutzes zu rücken. Man geht heute davon aus, dass die Menschen ca. 90% ihrer Lebenszeit in Innenräumen verbringen. Davon entfallen etwa 2/3 auf die Wohnräume und wiederum davon der größte Teil auf das Schlafzimmer.

So unterschiedlich wie die auf dem Bausektor eingesetzten mineralischen und nichtmineralischen Baustoffe (s. kap. 8-10), so unterschiedlich sind die Baureststoffe (Bauabfalle), die am Ende der Nutzungsphase von Bauwerken, von Straßen usw. anfallen. Baureststoffe stellen im Hinblick auf das Gesamt-Abfallaufkommen in der BRD (2002: ca. 381 Mio. t.) mit 241 Mio. t den größten Anteil, nach Gewicht sind das etwa 65% und nach Volumen ca. 45...50% des Gesamtaufkommens [AB 21]. Der Anfall an Baureststoffen lag Mitte der 90er Jahre noch bei etwa 300 Mio. Tonnen. Der Rückgang zu heute wird auf eine absinkende Bautätigkeit zurückgeführt. Der durch Recycling aufbereitete Anteil ist mit etwa 25% gleich geblieben.

Die Nanotechnologie gilt weltweit als die Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts. Für zahlreiche Industriebranchen wie etwa den Automobilbau, die chemische und pharmazeutische Industrie, die Informationstechnik sowie die optische Industrie hängt die künftige Wettbewerbsfähigkeit ihrer Produkte sehr wesentlich von der Erschließung moderner Technologien zur kontrollierten Erzeugung und Nutzung nanoskaliger Strukturen ab. Doch die Nanotechnologien bieten nicht nur den Hightech-Branchen, sondern auch den konventionellen Industriezweigen wie dem Bausektor erhebliche Entwicklungs- und Geschäftspotentiale. Der gezielte Einsatz nanotechnologischer Innovationen, die das Bauen schneller, flexibler, nachhaltiger und kostengünstiger machen, stärkt die Wettbewerbsfähigkeit der Bauwirtschaft – und schafft Arbeitsplätze.