Niter

Autoren: Hans-Jürgen Schwarz, Nils Mainusch
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Niter
Mineralogische Salzbezeichnung	Nitrokalit, Niter, Kalisalpeter
Chemische Bezeichnung	Kaliumnitrat
Trivialname	Salpeter, Kali-Salpeter, Kehrsalpeter, Konversionssalpeter
Chemische Formel	KNO3
Hydratformen	keine
Kristallsystem	orthorhombisch
Deliqueszenzfeuchte 20°C	93,7 %
Löslichkeit(g/l) bei 20°C	3,108 mol/kg
Dichte (g/cm³)	2,103 g/cm3
Molares Volumen	48,04 cm3/mol
Molare Masse	101,10 g/mol
Transparenz	durchsichtig bis undurchsichtig
Spaltbarkeit	vollkommen
Kristallhabitus	rhombenförmig
Zwillingsbildung
Phasenübergang
Chemisches Verhalten	in Wasser leicht löslich
Bemerkungen
Kristalloptik
Brechungsindices	nx = 1,335 ny = 1,505 nz = 1,506
Doppelbrechung	Δ = 0,171
Optische Orientierung	zweiachsig negativ
Pleochroismus
Dispersion
Verwendete Literatur
[Steiger.etal:2014]Titel: Weathering and Deterioration Autor / Verfasser: Steiger, Michael; Charola A. Elena; Sterflinger, Katja [Robie.etal:1978]Titel: Thermodynamic properties of minerals and related substances at 298.15 K and 1 bar pressure and higher temperatures Autor / Verfasser: Robie R.A., Hemingway B.S.; Fisher J.A.

Abstract

Niter ist eines der wichtigsten Salze, die an z. B. Bauwerken und Wandmalereien für Schäden verantwortlich sind. Insbesondere in Innenräumen ist er häufig als sichtbare, oft watteartige Ausblühungen zu finden. Abbildungen, Mikroaufnahmen und Beispiele aus der Praxis ergänzen und veranschaulichen das Dargelegte.

Allgemeines

Kalisalze waren bis in das 19. Jh. ein wichtiger Rohstoff für die Herstellung von Schieß- und Sprengstoffen und wurden natürlichen Lagern entnommen (Kalilagerstätten enthalten neben diversen Kalirohsalzen maximal etwa 10% KNO₃) oder aber durch Umwandlung von Natriumnitrat mittels Kaliumchlorid gewonnen. Derzeitig existieren unterschiedliche Verfahren großtechnischer Herstellung des Salzes durch die Umsetzung von Kalirohsalzen mit Salpetersäure.
Anwendung findet Kaliumnitrat gegenwärtig in der Landwirtschaft als Düngemittel.

Vorkommen von Niter

In Form einer natürlichen Ablagerung kann Kaliumnitrat überall dort entstehen, wo (beispielsweise im Zuge der Verwesung organischer Materie) Stickstoffverbindungen synthetisiert werden und in ausreichender Menge Kaliumionen vorliegen. Großen Mengen nitrifizierbarer Bestandteile und Stickstoffverbindungen sind bekanntermaßen in Dung und Harn von Lebewesen enthalten.

Angaben zu Herkunft und Bildung von Niter an Baudenkmalen

Als wesentliche Eintragsquellen für Kaliumionen kommt belastetes Grundwasser und der Eintrag aus mit NO_x -belasteter Luft durch Immission in Betracht. Zudem können Bau- und Restaurierungsmaterialien lösliche Kaliumverbindungen enthalten. Erwähnt seien Kaliwasserglas, Kalilauge (als Reinigungsmittel) und Zemente.
Nitrate können aus biogenen Quellen stammen und über kapillaren Feuchtetransport in das Materialgefüge gelangen. Als wichtige mögliche Nitratquelle ist mikrobielle Aktivität durch Nitrifikanten anzuführen.

Lösungsverhalten

Abbildung 1: Löslichkeit von Kaliumnitrat in Wasser, aufgetragen ist die Molalität m [n(KNO₃)•kg(H₂O)^-1] gegen die Temperatur.

Kaliumnitrat besitzt eine gute Wasserlöslichkeit und zählt somit zur Gruppe der mobilen Salze, was mit häufigen Veränderungen der Anreicherungszonen am Objekt verbunden sein kann. Der Temperatureinfluss auf die Wasserlöslichkeit ist hoch, was am steilen Kurvenverlauf in Abbildung 1 abzulesen ist.

Verbunden ist hiermit die Gefahr einer Lösungsübersättigung bei raschem Temperaturabfall und einer Kristallisation des Salzes.

Hygroskopizität

Abbildung 2:Deliqueszenzverhalten von KNO₃ in Abhängigkeit der Temperatur. Aufgetragen ist die Wasseraktivität a_w gegen die Temperatur.

Die Deliqueszenzfeuchte von Kaliumnitrat liegt im Temperaturbereich von 0°C bis 30°C stets über 90% r.F. und ist vergleichsweise linear. Sie wird unter dem Einfluss von Fremdionen allerdings deutlich nach unten verschoben.

Tabelle 1: Deliqueszenzfeuchte von Kaliumnitrat in Temperaturabhängigkeit nach [Steiger.etal:2014]Titel: Weathering and Deterioration
Autor / Verfasser: Steiger, Michael; Charola A. Elena; Sterflinger, Katja

0°C	10°C	20°C	30°C	40°C	50°C
97,0%r.F.	95,5%r.F.	93,7%r.F.	91,5%r.F.	88,9%r.F.	85,9%r.F.

Tabelle 2: Deliqueszenzfeuchte bei 21°C im Salzgemisch (Mischungsverhältnis: Gesättigte Lsg. KNO₃/ gesättigte Lsg.B=1:1) nach [Vogt.etal:1993]Titel: Der Einfluss hygroskopischer Salze auf die Gleichgewichtsfeuchte und Trocknung anorganischer Baustoffe
Autor / Verfasser: Vogt, R.; Goretzki, Lothar

	MgSO4	Ca(NO3)2	Na2SO4	NaCl
KNO3	78% rF	51% rF	81% rF	67% rF

Feuchtesorption

Abbildung 3:Deliqueszensfeuchten von Natrit, Halit und Niter

Die Feuchtesorption von Kaliumnitrat nach 56 Tagen liegt bei einer Lagerungsfeuchte von 87% r.F . erst bei 6 M% (vgl. Tablle 1). Bei niedrigeren Lagerungsfeuchten von 81% oder 79% konnte keine Feuchtesorption festgestellt werden. Unter gleichen Bedingungen konnte mit einer Mischung (1:1) von Kaliumnitrat und Natriuchlorid eine Feuchtesorption bei 87% r.F. von 221 M%, bei 81% r.F. von 130 M% und bei 79% r.F. von 70 M% gemessen werden.[(vgl. Tabelle 1)

Tabelle 3: Feuchtesorption von Kaliumnitrat in M.% nach 56 Tagen Lagerung [nach [Vogt.etal:1993]Titel: Der Einfluss hygroskopischer Salze auf die Gleichgewichtsfeuchte und Trocknung anorganischer Baustoffe
Autor / Verfasser: Vogt, R.; Goretzki, Lothar
]

Lagerungsfeuchte	87%r.F.	81%r.F.	79%r.F.
KNO3	6	0	0
KNO3 + NaCl (1:1 molare Mischung)	221	130	70

Analytischer Nachweis

Mikroskopie

Laboruntersuchung: Bei langsamer Rekristallisation eines überwiegend aus Kaliumnitrat bestehenden Präparates werden tafelig-flache, rhombenförmige Kristalle und lattige oder stäbchenförmige Partikel ausgefällt. Insbesondere zu Beginn der Rekristallisation von Kaliumnitrat aus wässerigen Lösungen wie auch aus Lösungen mit geringem Fremdionenanteil, lässt sich eine charakteristische Bildung rhombenförmiger Kristalle beobachten, die am Lösungstropfenrand entstehen. Unter starkem Einfluss von Fremdionen (bei hoher Fremdionenkonzentration im Ausgangsmaterial) können die oben beschriebenen morphologischen Charakteristika nahezu wegfallen, und es treten unspezifischere Kristallformen des Kaliumnitrates auf. Der pH-Wert von überwiegend kaliumnitrathaltigen Präparaten liegt im neutralen Bereich, die Hygroskopizität ist gering.[Mainusch:2001]Titel: Erstellung einer Materialsammlung zur qualitativen Bestimmung bauschädlicher Salze für Fachleute der Restaurierung
Autor / Verfasser: Mainusch, Nils

Brechungsindizes:    n_x = 1,335; n_y =1.505; n_z =1.506
Doppelbrechung:      Δ = max. 0,171
Kristallklasse:            orthorhombisch

Polarisationsmikroskopische Untersuchung

Die Zuweisung der Brechungsindizes von Kaliumnitrat erfolgt entsprechend der Immersionsmethode, wobei die Einbettung in Standard-Immersionsöl mit dem Brechungsindex n_D=1,518 bereits alle notwendigen Beobachtungen ermöglicht. Aufgrund der hohen maximalen Doppelbrechung zeigt Kaliumnitrat lebhafte Interferenzfarben. Zur korrekten Zuweisung der höchsten Interferenzfarbe empfiehlt es sich, den Rot I -Kompensator zu benutzen.
Die Auslöschung ist parallel oder symmetrisch. Im Regelfall tritt beim Einschwenken in die Normalstellung an elongierten Kristallen eine gut beobachtbare parallele Auslöschung auf. Symmetrische Auslöschung kann an rhombenförmigen Partikeln beobachtet werden.
Die Abbildungen weiter unten veranschaulichen einen Spezialfall im Auslöschungsverhalten an elongierten Kristallen. Was zunächst als eine schiefe Auslöschung gedeutet werden kann, erweist sich bei detaillierter Betrachtung der Einzelkristalle und der Klärung der tatsächlich vorliegenden Symmetrieebenen als parallele und symmetrische Auslöschung.

Verwechslungsmöglichkeiten

Kaliumnitrat ist eindeutig identifizierbar. Die in der nachstehenden Tabelle angegebenen Nitrate weisen Brechungsindizes auf, die denen des Kaliumnitrats ähneln, gleichwohl existieren klare Unterscheidungsmerkmale.

Salzphase	Unterscheidungsmerkmale zu Kaliumnitrat
Nitronatrit NaNO3
Nitromagnesit Mg(NO3)2 • 6H2O	schiefe Auslöschung/ hygroskopisch
Nitrocalcit Ca(NO3)2 • 4H20	deutlich niedrigere Doppelbrechung/schiefe Auslöschung/hygroskopisch

Betrachtung von Mischsystemen (nach [Mainusch:2001]Titel: Erstellung einer Materialsammlung zur qualitativen Bestimmung bauschädlicher Salze für Fachleute der Restaurierung
Autor / Verfasser: Mainusch, Nils
)

Im Mischsystem K⁺-NO₃^2-– Ca²⁺-SO₄^2- werden aufgrund des hohen Fremdionenanteils stark verwachsene KNO₃-Kristalle ausgebildet. Die Tendenz, in großteiligen und länglich geformten Partikeln zu kristallisieren, bleibt beim Kaliumnitrat bestehen. Verfolgt man den Prozess der Rekristallisation, so ist die zeitlich frühere Bildung von Gipskristallen klar nachzuvollziehen. Im vorliegenden, komplexen Mischsystem werden neben Kaliumnitrat und Gips als Hauptkomponenten noch andere Salzphasen wie Kaliumsulfat und Kalium-Calcium-Doppelsalze gebildet (Calciumnitrat konnte nicht festgestellt werden). Der Nachweis aller Salzphasen, die in diesem Mischsystem entstehen können, ist mit einigem Aufwand bei der Trennung und Präparation verbunden. Hilfreich ist es, sich bei der Präparation und der Trennung die Unterschiede der Wasser- und Ethanollöslichkeiten der Salze zunutze zu machen.
Bei der Betrachtung des zweiten Mischsystems (K⁺-NO3^2- – Na⁺- Cl^-) zeigt sich, daß der Ausfall von gut ausgebildeten KNO₃-Einzelkristallen kurz vor der Bildung isotroper Halitkristalle einsetzt. Dies entspricht den geringfügigen Löslichkeitsunterschieden der beiden Salze. Als Produkte ist es möglich, Kaliumnitrat und Halit nachzuweisen.

Salze und Salzschäden im Bild

Am Objekt

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  Salzflaum aus Niter zerstört die Oberfläche

Unter dem Polarisationsmikroskop

• KNO3 kristallisiert aus wässriger Lösung auf einem Objektträger
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  in einfach polarisiertem Licht

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  unter gekreuzten Polarisatoren

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  unter gekreuzten Polarisatoren und Rot I

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  in einfach polarisiertem Licht

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  unter gekreuzten Polarisatoren

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  unter gekreuzten Polarisatoren und Rot I

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  unter gekreuzten Polarisatoren und Rot I

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  unter gekreuzten Polarisatoren und Rot I

Literatur

[Mainusch:2001]	Mainusch, Nils (2001): Erstellung einer Materialsammlung zur qualitativen Bestimmung bauschädlicher Salze für Fachleute der Restaurierung, Diplomarbeit, HAWK Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst Hildesheim/Holzminden/Göttingen, file:Diplomarbeit Nils Mainusch.pdf
[Robie.etal:1978]	Robie R.A., Hemingway B.S.; Fisher J.A. (1978): Thermodynamic properties of minerals and related substances at 298.15 K and 1 bar pressure and higher temperatures. In: U.S. Geol. Surv. Bull, 1452 ()
[Steiger.etal:2014]	Steiger, Michael; Charola A. Elena; Sterflinger, Katja (2014): Weathering and Deterioration. In: Siegesmund S.; Snethlage R. (Hrsg.): Stone in Architecture, Springer Verlag Berlin Heidelberg, 223-316, Webadresse, https://doi.org/10.1007/978-3-642-45155-3_4.
[Vogt.etal:1993]	Vogt, R.; Goretzki, Lothar (1993): Der Einfluss hygroskopischer Salze auf die Gleichgewichtsfeuchte und Trocknung anorganischer Baustoffe, unveröffentlichter Bericht.

Die Deliqueszenzfeuchte beschreibt die Höhe der relativen Luftfeuchte, oberhalb der z. B. ein Salz Feuchtigkeit aus der Luft aufnimmt und in Lösung geht.

Konzentrationsangabe, bei der die Stoffmenge des gelösten Stoffes pro Kilogramm Lösungsmittel angegeben wird. Die Einheit ist mol•kg^-1.

relative Luftfeuche

Wassergehalt, der sich in einem Material nach Lagerung bei konstanten Bedingungen ergibt (relative Luftfeuchte, Temperatur).

Unter Interferenz versteht man die Überlagerung von Lichtwellen. Dadurch entstehen unterschiedliche Farben, die Interferenzfarben.

Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst Hildesheim/Holzminden/Göttingen (vormals Fachhochschule Hildesheim/Holzminden/Göttingen)