Salzgemische

Autoren: Michael Steiger, Hans-Jürgen Schwarz
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Selten tritt an einem Objekt nur ein einziges Salz auf. Die Analysen von Materialproben zeigen meist Mischungen aus mehreren Ionen wie z. B. des Magnesium, Kalium, Natrium und Chlorid, Sulfat und Nitrat. Wie reagieren nun diese Salzgemische auf ein vorhandenes Klima bzw. welche relativ Luftfeuchte stellt sich über einer Salzmischung ein. Nur in unendlich verdünnten Lösung reagieren Salze vollkommen unabhängig voneinander und nur dann könnte man sie getrennt wie die einzelnen Salze behandeln. Eine Kristallisation findet jedoch aus einer gesättigten Lösung statt, in der die einzelnen Ionen meist sehr stark miteinander in Wechselwirkung treten. Diese nicht idealen, komplexen, Systeme müssen somit getrennt behandelt werden.

Betrachtet man z. B. eine einfache Mischung aus drei Salzionen, aus Natriumnitrat und Natriumchlorid (siehe Abb. 1). Die Abbildung zeigt die Löslichkeit von Natriumchlorid in einer Natriumnitratlösung und umgekehrt. Punkt A stellt den einzigen Punkt dar, an dem beide Salze und Wasser im Gleichgewicht auftreten. Betrachten wir eine verdünnte Lösung von Natriumchlorid und Natriumnitrat im Verhältnis 5:1, repräsentiert durch die Gerade mit dem Punkt B. Verdunstet das Lösungsmittel, so folgt die Zusammensetzung der Salzlösung der Geraden durch BC bis der Punkt C erreicht ist. Am Punkt C kristallisiert dann Natriumchlorid aus. Verdunstet weiter Wasser so steigt die Konzentration des Nitrats im Verhältnis zum Chlorid und die Zusammensetzung der Lösung folgt bei weiterer Kristallisation von Natriumchlorid der Geraden CA. Beim Punkt A kristallisieren dann beide Salze zusammen aus. Wie verhalten sich aber die dazugehörigen Luftfeuchten über den Lösungen. Wie sieht die RH an dem Punkt aus, an dem die ersten Natriumchloridkristalle auftreten. Price und Brimblecombe (1994)haben dazu Berechnungen mit einem Programm von Clegg, der den Berechnungsformalismus von Pitzer (Pitzer 1991) beinhaltet, durchgeführt.

Dieser Formalismus berücksichtigt die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Ionen. Mit ihm kann eine Reihe von Eigenschaften, einschließlich der relativen Luftfeuchte im Gleichgewicht mit einer Salzmischung einer definierten Zusammensetzung berechnet werden.

Abbildung 1: Die relative Luftfeuchte in Abhängigkeit vom Molenbruch im System K-Na- Cl - NO3 (nach [Steiger:2002]Titel: Salts and Crusts
Autor / Verfasser: Steiger, Michael

Für obige Salzmischungen ergeben die Berechnungen einen Wert von 73.9% RH am Punkt C und für den Punkt A 67.9% RH. (beide Salze haben in etwa eine Gleichgewichtsfeuchte von 75% RH).

Abbildung 2: Die Löslichkeit von NaNO3 in wässeriger Lösung von NaCl bei 0°C und 25°C (nach [Steiger:2002]Titel: Salts and Crusts
Autor / Verfasser: Steiger, Michael

Die Gleichgewichtsfeuchte von Salzmischungen der beiden betrachteten Salze liegen also immer unter den Gleichgewichtsfeuchten der einzelnen Salze, obwohl im betrachteten Fall beide Salze die gleiche Gleichgewichtsfeuchten aufweisen. Es ist somit klar, dass die Wechselwirkungen selbst bei einfachen Salzmischungen die relativen Luftfeuchten und damit auch die Kristallisatonsbereiche der Salze radikal verändern.

	Abbildung 3: Die Löslichkeit von CaSO4 in einer wässrigen Lösung von NaCl bei 20°C und umgekehrt. Die Zahlen an der Kurve geben die relative Luftfeuchte der Mischung am jeweiligen Punkt an.( nach Price & Brimblecomb 1994)

Ein anderer Fall stellt die nächste Abbildung dar. Im System Natriumchlorid/ Calciumsulfat, das in zahlreichen Objekten nahe am Meer anzutreffen ist, liegt die Ursache für einen schnelleren Schadensfortschritt, verglichen mit den Einzelsalzen verborgen. Während geringe Mengen an Calciumsulfat die Löslichkeit von Natriumchlorid kaum beeinflussen, hat Natriumchlorid einen großen Einfluss auf die Löslichkeit von Gips. Mit zunehmender Konzentration von Natriumchlorid nimmt die Löslichkeit von Calciumsulfat zunächst stark zu, um bei weiterer Zunahme an Natriumchlorid bis zur gesättigten Lösung wieder leicht abzunehmen.

Der hohe Gehalt an Natriumchlorid erhöht somit nicht nur die Löslichkeit von Calciumsulfat, sondern bewirkt auch die Kristallisation von Gips sowohl bei Abnahme der RH von 90 auf 75 %RH als auch bei Zunahme auf über 90% RH. Während reines Calciumsulfat nur bei Einfluss von flüssigem Wasser direkt einen Schaden bewirken kann, kann es bei Anwesenheit von Natriumchlorid auch durch Änderungen der Luftfeuchte, die im Bereich üblicher Werte für Innenraumklimata liegt, zu Schäden kommen.

In Tabelle 12 sind die relativen Luftfeuchte über gesättigten /konzentrierten Lösungen von Salzen dargestellt. Abb. 17 zeigt das Phasendiagramm im System NaCl-Na2SO4-H2O. Aus dem Diagramm geht deutlich hervor, dass es neben Temperatur und relativer Luftfeuchte insbesondere von der Salzmischung abhängt, ob das Na2SO4 zuerst als Thenardit oder als Mirabilith auskristallisiert .

relative humidity /relative Luftfeuchte

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