Thenardit

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Autoren: Hans-Jürgen Schwarz , Michael Steiger, Tim Müller
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Thenardit<ref>http://webmineral.com/data/Thenardite.shtml gesehen 29.07.2010</ref><ref>http://www.mindat.org/min-3935.html gesehen 29.07.2010</ref><ref>

http://www.mineralienatlas.de/lexikon/index.php/MineralData?mineral=Thenardit gesehen 29.07.2010</ref>

HJS-Na2SO4-111703-02-10x.jpg
Mineralogische Salzbezeichnung Thenardit
Chemische Bezeichnung Natriumsulfat
Trivialname Phase V, Makit, Menardit, Pyrotechnit
Chemische Formel Na2SO4
Hydratformen Mirabilit (Na2SO4•10H2O)
Natriumsulfat-Heptahydrat (Na2SO4•7H2O)
Kristallsystem orthorhombisch
Deliqueszenzfeuchte 20°C 86,6 %
Löslichkeit(g/l) bei 20°C 3,706 mol/kg
Dichte (g/cm³) 2,689 g/cm³
Molares Volumen 53,11 cm3/mol
Molare Masse 142,04 g/mol
Transparenz durchsichtig
Spaltbarkeit vollkommen
Kristallhabitus
Zwillingsbildung
Phasenübergang
Chemisches Verhalten
Bemerkungen löslich in Wasser und Glycerin,
in wasserfreiem Ethanol unlöslich
Kristalloptik
Brechungsindices nx = 1,471
ny = 1,477
nz = 1,484
Doppelbrechung Δ = 0,013
Optische Orientierung positiv
Pleochroismus
Dispersion 82,5°
Verwendete Literatur
[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.
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[Dana:1951]Titel: Dana's System of Mineralogy
Autor / Verfasser: Dana J.D.
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Natriumsulfat und Thenardit[Bearbeiten]

Abstract[Bearbeiten]

Thenardit als wasserfreie Phase des Natriumsulfats und seine Eigenschaften sollen vorgestellt werden.

Vorkommen[Bearbeiten]

Sowohl Thenardit wie auch Mirabilit erscheinen als natürliche Mineralien. In Mineralwässern, als Ablagerungen ehemaliger Salzseen und in Form unterschiedlicher Doppelsalze tritt Natriumsulfat in der Natur auf. Die Kenntnis des kristallwasserhaltigen Natriumsulfates reicht nachweislich bis in das 16. Jh. zurück. Erste Beschreibungen desselben sind von Glauber aus dem Jahre 1658 überliefert, welcher es als “sal mirable” bezeichnete. Auf dessen Namen zurückgehend ist auch die Trivialbezeichnung “Glaubersalz” für Mirabilit in der Literatur anzutreffen.

Angaben zu Herkunft und Bildung von Thenardit/Mirabilit an Baudenkmalen[Bearbeiten]

Durch den Eintrag von Materialien, die lösliche Natriumverbindungen enthalten, kann im mineralischen System eines Baudenkmals Natriumsulfat als Ausblühsalz entstehen, wenn mit schwefeligen Gasen kontaminierte Luft einwirkt oder sonstige Sulfatquellen vorliegen. Einen hohen Gehalt an Natriumionen weisen Zemente auf, in denen nach DIN-Vorgaben bis zu 0,5% lösliche Alkalien enthalten sein dürfen. Rein rechnerisch können 100 kg Portlandzement mit einem Gehalt von lediglich 0,1% löslichem Na2O in schwefelsäurehaltiger Luft 520g Mirabilit ausbilden [Angaben nach Arnold/Zehnder 1991]. Eine Fülle von Reinigungsmaterialien und v.a. früher verwendeten Restaurierungsprodukten (wie Wasserglas) können Natriumionen in Baudenkmäler eintragen. Als weitere Quellen sind Grundwasser und Oberflächenwasser anzuführen, die Na+-Ionen enthalten können. Streusalz besteht zu großem Teil aus leicht löslichem Natriumchlorid. In Küstennähe ist NaCl-haltiges Meerwasser als Natriumquelle zu berücksichtigen.


Lösungsverhalten[Bearbeiten]


Abbildung 1: Löslichkeiten im System Na2SO4-H2O in Abhängigkeit der Temperatur, nach [Steiger.etal:2008]Titel: Crystallization of sodium sulfate phases in porous materials: The phase diagram Na2SO4 -H2O and the generation of stress
Autor / Verfasser: Steiger, Michael; Asmussen, Sönke
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.


Thenardit ist unterhalb von 32,4 °C metastabil. Mit einer Löslichkeit von 3,7 mol/kg bei 20°C gehört es zu den leichtlöslichen Salzen und somit auch zu den leicht mobilisierbaren Salzen (vgl.Tabelle Hygroskopizität der Salze und Gleichgewichtsfeuchte). Die Löslichkeit von Thenardit weist wie auch die der anderen Phasen im System Na2SO4-H2O eine Temperaturabhängigkeit auf. Mit dem starken Einfluß der Temperatur auf die Löslichkeit von Thenardit ist die Gefahr einer Lösungsübersättigung bezüglich Mirabilit bei raschem Temperaturabfall und Kristallisation von Mirabilit verbunden.
Siehe hierzu auch Natriumsulfat.


Hygroskopizität[Bearbeiten]


Abbildung 2:Deliqueszenzfeuchten im System Na2SO4-H2O, sowie Gleichgewichtsfeuchten der Thenardit-Mirabilit-Umwandlung. Nach [Steiger.etal:2008]Titel: Crystallization of sodium sulfate phases in porous materials: The phase diagram Na2SO4 -H2O and the generation of stress
Autor / Verfasser: Steiger, Michael; Asmussen, Sönke
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In Abbildung 2 ist der Temperatureinfluß auf die Deliqueszenzfeuchten von Thenardit sowie der anderen Phasen des Natriusulfats verdeutlicht. Auffällig sind hierbei die gegenläufigen Kurvenverläufe der Deliqueszenz von Thenardit und Mirabilit. Siehe hierzu auch Natriumsulfat.

Die Deliqueszenzfeuchte von Thenardit verschiebt sich bei steigender Temperatur zu höheren Werten (s. Tabelle 1).

Tabelle 1: Deliqueszenzfeuchte von Thenardit in Temperaturabhängigkeit nach [Steiger.etal:2008]Titel: Crystallization of sodium sulfate phases in porous materials: The phase diagram Na2SO4 -H2O and the generation of stress
Autor / Verfasser: Steiger, Michael; Asmussen, Sönke
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0°C 10°C 20°C 30°C 40°C 50°C
84,4%r.F. 85,6%r.F. 86,6%r.F. 87,3%r.F. 87,9%r.F. 88,4%r.F.



In Anwesenheit von Fremdionen (bei Salzgemischen) verändern sich die Parameter der Gleichgewichtsfeuchte und der notwendigen Temperatur- und Feuchtebedingungen für Umkristallisationen zudem deutlich. Als orientierende Daten sind in der unteren Tabelle experimentell erfaßte Werte der Gleichgewichtsfeuchte in unterschiedlichen Salzgemischen wiedergegeben. Es zeigt sich, daß alle Werte der Gleichgewichtsfeuchte unter denen des Reinsalzes Mirabilit liegen (vgl. Tabelle Gleichgewichtsfeuchte in Abhängigkeit von Temperatur).


Tabelle 2 - Angaben der Gleichgewichtsfeuchten über gesättigten Mischlösungen (Mischungsverhältnis: Gesättigte Lsg.A/ gesättigte Lsg.B =1:1) [Vogt.etal:1993]Titel: Der Einfluss hygroskopischer Salze auf die Gleichgewichtsfeuchte und Trocknung anorganischer Baustoffe
Autor / Verfasser: Vogt, R.; Goretzki, Lothar
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MgSO4 Ca(NO3)2 KNO3
Na2SO4 • 10H2O 87(21°C) 74 (21°C) 81(21°C)


Feuchtesorption:


Als weitere Angabe zur Abschätzung der Hygroskopizität von Thenardit sind in der nachstehenden Tabelle Werte für das Sorptionsverhalten des Reinsalzes und des Gemisches mit Halit bei unterschiedlichen relativen Feuchten wiedergegeben:


Tabelle 3: Feuchtsorption in M.% nach 56 Tagen Lagerung von Natriumsulfat [nach [Vogt.etal:1993]Titel: Der Einfluss hygroskopischer Salze auf die Gleichgewichtsfeuchte und Trocknung anorganischer Baustoffe
Autor / Verfasser: Vogt, R.; Goretzki, Lothar
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]
Lagerungsfeuchte 87% r.F. 81% r.F. 79% r.F.
Na2SO4 79 0 0
Na2SO4+NaCl (1:1 molare Mischung) 157 32 15

Kristallisationsdruck[Bearbeiten]

Bei der Kristallisation aus wäßriger Lösung läßt sich für Thenardit ein Kristallisationsdruck von 29,2-34,5 N/mm2 angeben. Im Vergleich mit den berechneten Angaben der Kristallisationsdrücke anderer bauschädlichen Salze kann Thenardit einen hohen Kristallisationsdruck aufbauen [Winkler:1975]Titel: Stone: Properties, Durability in Man ´s Environment
Autor / Verfasser: Winkler, Erhard M.
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.

Hydratationsverhalten[Bearbeiten]

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Umwandlung von Mirabilit(?) in Thenardit

Das System Na2SO4 – H2O:

Als nachweisbare, stabile Hydratstufen existieren lediglich das Anhydrit (Thenardit) und das Dekahydrat (Mirabilit). Die Erzeugung von Mirabilit kann durch Rekristallisation des Salzes aus übersättigter, wäßriger Lösung bei einer Temperatur von unter 32,4°C erfolgen. Insbesondere aufgrund der Hydratstufenbildung, der mit einem Einbau von 10 Wassermolekülen in das Kristallgitter und einer Volumenexpansion von rund 320% verbunden ist und der niedrigen Übergangstemperatur von ca. 32-35°C zählen Natriumsulfate zu den sehr verwitterungsaktiven Schadsalzen. Auch dieser Wert ist als Richtwert zu verstehen. Der Phasenübergang Mirabilit – Thenardit kann bei einer Temperatur von 25 °C bei einer relativen Feuchte von ca. 80%  stattfinden, beträgt die Umgebungstemperatur 0°C, so ist ein Übergang bereits bei einer r.F. von 60,7% möglich [Angaben nach Gmelin]. Es zeigt sich also auch hier ein starker Temperatureinfluß. Eine Abschätzung der Schadensaktivität durch Kristallisations- und Hydratationsprozesse der Natriumsulfate wird sich an einem Bauwerk bei varierenden Einflußgrößen also sehr schwierig darstellen, da die Klimaparameter das Verhalten extrem beeinflussen.


Hydratationsdruck[Bearbeiten]

Der Hydratationsdruck, der beim Übergang von Thenardit zu Mirabilit aufgebaut wird, ist stark abhängig von den bestehenden Luftfeuchte- und Temperaturverhältnissen, was in der nachstehenden Tabelle verdeutlicht ist:


Tabelle 3: Hydratationsdruck Thenardit-Mirabilit nach [Winkler.etal:1970]Titel: Saltburst by Hydration Pressure in Architectural Stone in Urban Atmosphere
Autor / Verfasser: Winkler, Erhard M.; Wilhelm, E.J.
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rel. Feuchte % 20,0 °C 25,0 °C 30,0 °C
100 48,9 N/mm2 40,5 N/mm2 28,9 N/mm2
95,0 41,3 N/mm2 32,7 N/mm2 23,3 N/mm2
90,0 33,5 N/mm2 24,9 N/mm2 13,7 N/mm2
85,0 25,5 N/mm2 16,0 N/mm2 5,1 N/mm2
80,0 16,4 N/mm2 7,8 N/mm2 0,0
75,0 6,7 N/mm2 0,0 -


Die Volumenveränderung, die beim Phasenübergang stattfindet, ist mit ca. 320% anzugeben [Sperling.etal:1980]Titel: Salt Weathering on Arid Environment, I. Theoretical ConsiderationsII. Laboratory Studies
Autor / Verfasser: Sperling, C.H.B.and Cooke, R.U.
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.

Analytischer Nachweis[Bearbeiten]

Mikroskopie
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Laboruntersuchung:
Durch mikroskopische Beobachtungen des Lösungsverhaltens sind die gute Wasserlöslichkeit und Ethanolunlöslichkeit zu verifizieren. Thenardit und Mirabilit besitzen keine morphologische Charakterisitka, die bei einfachen Rekristallisationsversuchen zur Identifizierung beitragen können. Vielmehr ist eine große Bandbreite unterschiedlichster Erscheinungsformen beobachtbar.

Brechungsindizes:    nx = 1,468; ny =1,473; nz =1,483
Doppelbrechung:      Δ = 0.015
Kristallklasse:            orthorhombisch


Polarisationsmikroskopische Untersuchung:

In Abhängigkeit von den vorliegenden Luftfeuchte- und Temperaturbedingungen verändern Kristalle des Rohprobematerials und des rekristallisierten Präparates ihren Kristallwassergehalt. An trockner Luft (mit r.F. < 80% und Raumtemperatur) verliert Mirabilit sein Kristallwasser und geht in Thenardit über. Dieser Vorgang kann mikroskopisch klar nachvollzogen werden, wenn der Prozess der Rekristallisation beobachtet wird. Mirabilit weist charakteristische anormale Interferenzfarbe auf, im Zuge des Wasserverlustes und Entstehen von Thenardit schwächen sich die anormalen Interferenzphänomene zunehmend ab.

Die Zuweisung der Brechungsindizes von Thenardit erfolgt entsprechend der Immersionsmethode. Aufgrund der niedrigen maximalen Doppelbrechung zeigt Thenardit zumeist graue Interferenzfarben. Die Auslöschung ist parallel oder symmetrisch.


Verwechslungsmöglichkeiten:

Generell ist die Unterscheidung einer bestimmten Anzahl von Sulfaten (die unten aufgelistet sind und wozu Thenardit zählt) ohne mikrochemische Bestimmung der Anionen problematisch, da die Brechungsindizes der Salze dicht beieinander liegen und alle Salze eine niedrige Doppelbrechung aufweisen. Hilfreich ist die Verwendung eines Immersionsmittels mit einem nD-Wert von 1,48. Eine Differenzierung innerhalb dieser Gruppe wird damit möglich. Außerdem können die unten genannten Eigenschaften als Abgrenzungskriterien hinzugezogen werden.

Eindeutig bestimmbar wird Thenardit durch die Möglichkeit, nach Auflösung des Probematerials im Zuge der Rekristallisation das Phänomen anormaler Interferezfarben beobachten zu können, sprich Mirabilit in der hohen Hydratstufe zu identifizieren und somit indirekt Thenardit nachzuweisen.

Tabelle 3: Unterscheidungsmerkmale zu anderen Sulfaten
Salzphase Unterscheidungsmerkmal
Boussingaultit (NH4)2Mg(SO)4 • 6H20 keine anormalen Interferenzfarben / schiefe Auslöschung
Pikromerit K2Mg(SO4)2 • 6H20 keine anormalen Interferenzfarben / schiefe Auslöschung
Bloedit Na2Mg(SO4)2 • 6H20 alle Indizes >1,48 / keine anormalen Interferenzfarben / schiefe Auslöschung / optisch negativ orientiert.
Glaserit K3Na(SO4)2 alle Indizes >1,48 / keine anormalen Interferenzfarben/schiefe Auslöschung
Arcanit K2SO4 alle Indizes >1,48 / keine anormalen Interferenzfarben
Magnesiumformiat Mg(HCO2)2 • 2H2O vergleichsweise hohe Doppelbrechung / keine anormalen Interfernzfarben / schiefe Auslöschung


Betrachtung von Mischsystemen:

Mischsystem Na+– Ca2+– SO4 2-: Der Ausfall von Gips erfolgt im Zuge der Rekristallisation entsprechend der geringeren Löslichkeit desselben zuerst. Der charakteristische nadelige Habitus von einzelnen Gipskristallen wie auch von Aggregaten bleibt bestehen. Der Ausfall von Natriumsulfat erfolgt später, das eigentliche Kristallwachstum vollzieht sich merklich schneller. Die Morphologie ist unspezifisch.

Mischsystem Na+– SO4 2-– Cl-: Der Ausfall der beiden Partikelsorten beginnt etwa zeitgleich. Halit mit charakteristischer Morphologie, Natriumsulfat in extrem variierender Gestalt.


Salze und Salzschäden im Bild[Bearbeiten]

Am Objekt[Bearbeiten]


Weblinks
[Bearbeiten]

<references />

Literatur[Bearbeiten]

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Weitere Literatur

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

Bezeichnet für ein Salz den Grenzwert, oberhalb dessen dieses Luftfeuchte aufnimmt, bis es sich darin vollständig löst.

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

Wasserglas ist eine klare Lösung von Natrium- oder Kaliumsilikaten in Wasser.

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.