Kieserit

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HJS MgSO4 092503-3.jpg
Mineralogische Salzbezeichnung	Kieserit
Chemische Bezeichnung	Magnesiumsulfathydrat
Trivialname	Bittersalz
Chemische Formel	Mg[SO4] • H2O
Hydratformen	Sanderit (MgSO4•2H2O) Starkeyit (MgSO4•4H2O) Pentahydrit (MgSO4•5H2O) Hexahydrit (MgSO4•6H2O) Epsomit (MgSO4•7H2O) Meridianiit (MgSO4•11 H2O) Magnesium 12-Hydrat
Kristallsystem	{{{Kristallsystem}}}
Deliqueszenzfeuchte 20°C
Löslichkeit(g/l) bei 20°C	{{{Löslichkeit}}}
Dichte (g/cm³)	2,57 g/cm3
Molares Volumen	53,85 cm3/mol
Molare Masse	138,9 g/mol
Transparenz	durchsichtig bis durchscheinend
Spaltbarkeit	vollkommen
Kristallhabitus	bipyramidale Kristalle, oft stark deformiert, körnige, massige Aggregate
Zwillingsbildung
Phasenübergang
Chemisches Verhalten
Bemerkungen
Kristalloptik
Brechungsindices	nx = 1,523-1,520 ny = 1,535-1,533 nz = 1,586-1,584
Doppelbrechung	Δ = 0,063-0,064
Optische Orientierung	zweiachsig positiv
Pleochroismus	farblos
Dispersion	55°
Verwendete Literatur
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Autoren: Hans-Jürgen Schwarz, NN....

Allgemeines

Vorkommen von Kieserit

Kieserit bildet in der Natur selten Einzelkristalle aus. Das Magnesiumsulfathydrat kommt in Lagerstätten zusammen mit Sylvin und Steinsalz vor, diese finden sich in den Allpen und in Norddeutschland, Italien (Vesuv), Arizona (Bisbee), Nevada, Whashington (Mt. Kruger). Häufiger kommt Epsomit als Ausblühung an Gesteinswänden magnesiumhaltiger Gesteine vor, dabei handelt es sich meist auch um Gesteine mit hohem Karbonatanteil (Calcit oder Dolomit). Außerdem bildet es sich bei dem Eindampfen von Gewässern oder als Sekundärmineral bei der Oxidation von Eisensulfiden. An Oberflächen von Bauwerken kommt es ebenfalls vor, wo es zu gravierenden Schäden führen kann.

Angaben zu Herkunft und Bildung von Kieserit an Baudenkmalen

[[Epsomit|Magnesiumsulfate)) bilden sich an Baustoffen, sofern diese eine Quelle für Magnesiumionen darstellen. Diese können verschiedene Baustoffe bilden.

• Kalk mit dolomitischem Anteil:

Dolomit ist ein Doppelsalz, das sowohl Calcium als auch Magnesium beinhaltet. Der negative Ladungsträger wird durch das Karbonation gebildet. Für die Mörtelherstellung wird Kalk verwendet, der Dolomit enthalten kann. Durch das Brennen und Löschen entstehen reine Salze (CaCO₃ und MgCO₃). Die Löslichkeit des Magnestis (1,76 g/l) ist deutlich höher als die des reinen Calcits (0,014 g/l) oder des Dolomits (0,078 g/l). Tritt in dem Baustoff Feuchte auf, können die Magnesiumverbindungen gelöst werden und bei dem Entzug der Feuchtigkeit wieder als Salze ausfallen. Hierbei können die Sulfate gebildet werden, insbesonder wenn durch die Verwendung von Gipshaltiger Produkte am selben Objekt die Sulfationen zur Verfügung gestellt werden.

CaMg[CO₃]₂ -> CaCO₃ + MgCO₃

MgCO₃ + n H₂O -> Mg²⁺ aq + CO₃^2- aq

Mg²⁺ + SO4^2- -> MgSO₄

• Magnesiabinder:

Magnesiabinder beinhaltet ebenfalls Magnesiumverbindungen, die hygroskopische Salze bilden können. Diese stellen eine Magnesiumquelle dar, und können in Verbindung mit Sulfationen zu Magnesiumsulfaten umgebildet werden.

• Zement:

Auch in Zement ist Magnesium enthalten. Um Schäden vorzubeugen ist in Zement laut DIN 1164 nu ein Höchstgehalt von 5M% zugelassen, weil das Magnesium auch aus dem Zement herausgelöst werden und Sulfate bilden kann. Eine weitere Quelle für Magnesiumionen in einer Lösung kann Streusalz bilden, weil dieses oft geringe Mengen von MgCl2 enthält. Des weiteren können auch Ionen aus der Bodenlösung ein Problem darstellen, sofern diese durch kapillaren Aufstieg an die Oberfläche transortiert werden.

Angaben zum Schadenspotential und zur Verwitterungsaktivität von Kieserit

Lösungsverhalten

Löslichkeiten in Wasser MgSO4, Grafik: M. Steiger

Die Wasserlöslichkeit von Kieserit ist 684 g/l bei einer Temperatur von 100 °C [Steiger und Asmussen,2008], damit zählt es, wie alle beschriebenen Magnesiumsulfathydratformen, mit einer Löslichkeit von deutlich über 100 g/l (bei 20 °C) zur Gruppe der leichtlöslichen Salze (vgl.Tabelle Hygroskopizität der Salze und Gleichgewichtsfeuchte). Damit ist im Prinzip eine große Mobilität des Salzes und eine häufige Verlagerung der Anreicherungszonen im Materialgefüge verbunden. Mit dem Temperatureifluss auf die Löslichkeit kann die Gefahr eines Ausfallens gelöster Salze bei raschem Temperaturabfall verbunden sein. [Mainusch, 2001]

Hygroskopizität

Die geringe Hygroskopizität des Reinsalzes Kieserit, die in dem hohen Wert der Gleichgewichtsfeuchte im Bereich  % r.F. deutlich wird, kann nicht isoliert betrachtet werden.

Deliqueszenzfeuchten von MgSO4, Grafik: M. Steiger

In Mischsystemen, d.h. unter dem Einfluss von Fremdionen, liegt der Sorptionspunnkt tiefer. Die Möglichkeit der hygroskopischen Feuchteaufnahme mit den damit verbundenen Problematiken ist trotz des hohen Deliqueszenzpunktes durchaus gegeben. [Mainusch, 2001]

Kristallisationsdruck

Aufgrund der leichten Löslichkeit des Salzes treten bei entsprechenden Feuchteverhältnissen Lösungs- und Rekristallisationsvorgänge ein. Der dabei (theoretisch berechenbare) Kristallisationsdruck liegt bei Epsomit zwischen 10,5-12,5 N/mm² - MPa und bei Hexahydrit 26 MPa (25°C) zwischen 11,8-14,4 N/mm² - MPa. Im Vergleich mit anderen Bauschädlichen Salzen liegen diese Werte im unteren Drittel einer berechneten Werteskala, die insgesamt von 7,2 bis 65,4 N/mm² reicht. [Mainusch, 2001]

Verglichen mit dem Hydratationsdruck ist der Kristallisationsdruck eher gering. Bei der Hydratation von Kieserit zu Hexahydrit kann bei entsprechender Luftfeuchte ein Hydratationsdrück von 57 MPa entstehen. [Steiger et al., 2008]

Hydratationsverhalten

Als stabile Verbindungen sind die oben aufgelisteten sechs Hydratstufen des Magnesiumsulfates belegt. Mit der Ausnahme des Magnesiumsulfat-12-Hydrates wurden alle oben aufge führten Kristallwasserstufen des Magnesiumsulfates an Baudenkmalen nachgewiesen, wobei im wesentlichen jedoch nur Epsomit, Hexahydrit, Pentahydrit und Kieserit auftreten.

Kieserit ist das Magnesiumsulfat pentahydrat. Es kann durch die Dehydratisierung von Magnesiumsulfathydraten entstehen. Bei der Umwndlung kommt es zu einer Volumenabnahme, durch die Abgabe von Wasser. Mit zunehmender Relativen Luftfeuchte nimmt auch der Hydratwassergehalt innerhalb des Magnesiumsulfates zu. Bei Raumtemperatur (25°C) ist Kieserit bis zu einer RF von ca. 42 % stabil, darüber findet die Umwandlung zu Hexahydrt oder Epsomit statt. Hexahydrat ist bis unterhalb von 51 % RF stabil, darüber bildet sich Epsomit. Die Phasenumwandlung kann direkt erfolgen oder über die Lösung und Rekristallisation. Hierbei kommt es zur metastabielen Existenz der wasserärmeren Phase bis zu ihrer Deliquiszenzfeuchte, oberhalb dieser RF löst sich die Phase und es entsteht eine überkritische Lösung, aus der die hydratisierte Phase auskristallisiert. [Steiger et al., 2008]

Analytischer Nachweis

Mikrochemie

Kristallisiertes Magnesiumsulfat, welches an einem Objekt vorliegt, kann in unterschiedlichen Morphologien erscheinen, wobei bestimmte Erscheinungsformen vorzugsweise auftreten. Bei einem im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit untersuchten Objekt stellte sich die Ausbildung eines Gemisches von Epsomit und Hexahydrit in situ als lockere Kruste einer opaken, grauweißlichen Substanz dar. In Form “körniger Krusten” ist Epsomit in der Klosterkirche St. Johann in Müstair belegt, Magnesiumsulfatausblühungen in Form von Salz-Whiskern wurden in der St. Georgskirche in der Steiermark in Österreich nachgewiesen.

Laboruntersuchung:

Behauchen einer überwiegend magnesiumsulfathaltigen Ausblühung bewirkt keine makroskopisch beobachtbaren Veränderungen. Charakteristisch hingegen ist das gute Lösungsverhalten in Wasser, ein pH-Wert um 7 und die Ausbildung eines mit bloßem Auge erkennbaren, ringförmigen und leicht erhabenen Saumes bzw. einer transparenten Schicht, die nach dem Verdampfen des wäßrigen Lösemittels verbleibt.

Im Labor sind die Ergebnisse der Objekttests unter Zuhilfenahme des Mikroskops zu überprüfen. Die Betrachtung einerseits des Rohprobematerials, wie auch des rekristallisierten Salzes zeigt:

Magnesiumsulfatkristalle treten im Probematerial in sehr unspezifischen Erscheinungsformen auf. Versuche, gut ausgebildete Magnesiumsulfat-Einzelkristalle auf dem Wege der Rekristallisation aus wäßriger Lösung zu erstellen, erweisen sich als sehr schwierig, da eine starke Verwachsungstendenz besteht. So bildet sich in der Regel der erwähnte auffällige, ringförmige Saum von flach ineinander verwachsenen Kristallen, wenn eine überwiegend magnesiumsulfathaltige Lösung vorsichtig eingedampft wird. Epsomit zeigt eine geringe Löslichkeit in wasserfreiem Ethanol und in Glyzerin, was unter dem Mikroskop gut zu beobachten ist. Die Tendenz von Magnesiumsulfat, beim Rekristallisieren aus wäßriger Lösung kaum äquidimensionale oder elongierte Einzelkristalle auszubilden, erschwert die Erstellung guter Präparate für die weitergehende polarisationsmikroskopische Untersuchung beträchtlich. Die geringe Ethanollöslichkeit ermöglicht es allerdings, durch sehr dosierte, eventuell mehrfache Zugabe auf das rekristallisierte Material Einzelpartikel zu isolieren. Sowohl am Ausgangsmaterial, wie auch am rekristallisierten Präparat ist die weiterfolgende Untersuchung am Polarisationsmikroskop durchzuführen.

Mikroskopie

Polarisationsmikroskopische Untersuchung:

Bei der Untersuchung mit Hilfe des Polarisationsmikroskopes ist zu beachten, dass bei normalen Raumbedingungen, einer Temperatur von ca. 20 °C und einer Relativen Luftfeuchte von ca. 40 %, Hexahydrit die stabile Pase ist. Aufgrund dessen ist muss für die Kristallisation vorn Kieserit das Raumklima verändert werden.

Kieserit kristalliesert ... Da es sich um ein optisch anisotropes Mineral handelt, zeigt es eine Doppelbrechug bei gekreuzten Polarisatoren. Seine Interferenzfarben sind niedrig innerhalb der ersten Ordnung. Die Brechungsindizes liegen bei α=1,520 β=1,533 γ=1,584 mit einer Doppelbechung von 0,01. Die Brechungsindizes sind verglichen mit anderen Sulfaten, sowie im Vergleich mit anderen Salzen relativ hoch. Die Doppelbrechung ist bei den Sulfaten im unteren Bereich und verglichen mit beispielsweise den Nitraten sehr niedrig. Epsomit ist ein zweiachsig positives Mineral.

Kieserit besitzt ein monoklines Kristallsystem, was eine realtv niedrige Symmetrie aufweist. Die Kristalle löschen meist ... aus.

Verwechslungsmöglichkeiten:

Zunächst ist zu bemerken, dass die verschiedenen Hydratstufen von Magnesiumsulfat nich deutlich von einander unterschieden werden können, besonders das Hexahydrat und Heptahydrat sind sich in ihren optischen Eigenschaften sehr ähnlich, die Doppelbrechung sowie die einzelnen Brechungsindizes liegen sehr dicht bei einander. Unteschiedlich sind lediglich die Kristallsysteme, die sich darin unterscheiden, dass im orthorhombische System (Epsomit) die Gitterachsen senkrechte Winkel bilden, wohingegen die Achsen im monoklinen Kristallsystem (Hexahydrit) nicht senkrecht zu einander stehen.

Epsomit/Hexahydrit sind zuzuweisen, sofern die unteren Untersuchungskriterien eindeutig geklärt sind:

• gute Wasserlöslichkeit
• charakteristisches Erscheinungsbild bei der Rekristallisation
• geringe Doppelbrechung

Salze und Salzschäden im Bild

Unter dem Polarisationsmikrokop

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Weblinks

http://webmineral.com/data/Kieserite.shtml

http://www.mindat.org/min-2204.html

http://www.mineralienatlas.de/lexikon/index.php/MineralData?mineral=Kieserit

Literatur

[Filter fehlt]

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

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

relative Luftfeuche

Als Phase wird ein stofflicher Zustand bezeichnet, der in sich, makroskopisch betrachtet, homogen ist.

Differential-Thermoanalyse, eine Methode zur Charakterisierung von Materialien anhand von Reaktionswärmen

Thermogravimetrie