Wasserglas

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Wasserglas

Wasserglas ist die Trivialbezeichnung für wasserlösliche Alkalisilikate, meist Natrium- oder Kaliumsilikat. In Wasser gelöst bildet es eine sirupartige, stark alkalische Flüssigkeit, die technisch und historisch vielseitig eingesetzt wurde.

Chemische Grundlagen

Die allgemeine Formel für Natronwasserglas lautet:

Na₂O · m SiO₂ · n H₂O
bzw.
Na₂SiO₃ · n H₂O.Für Kaliwasserglas gilt:
K₂SiO₃ · n H₂O.Das Modul m gibt das molare Verhältnis SiO₂ : Na₂O an und liegt technisch meist zwischen 2,0 und 3,4. Ein höheres Modul erhöht die Klebkraft.

Härtung / Verkieselung

Wasserglas härtet nicht durch Trocknung, sondern durch chemische Reaktion. Mit Kohlenstoffdioxid aus der Luft:

Na2SiO_3 + CO2 + H2O = SiO2 + Na_2CO_3

Mit Calciumhydroxid aus Kalkmörtel:

Na_2SiO3 + Ca(OH)2 = CaSiO3 = + 2NaOH

Das ausfallende Kieselgel bzw. Calciumsilikat ist wasserunlöslich und verklebt mineralische Stoffe. Dieser Vorgang wird als Verkieselung oder Silifizierung bezeichnet.

Historisches

Wasserglas wurde 1818 von Johann Nepomuk von Fuchs entdeckt. Ab etwa 1850 erfolgte die industrielle Produktion. Nach dem Brand des Wiener Ringtheaters 1881 wurde es als Feuerschutzmittel für Kulissen und Holzbauteile vorgeschrieben.

Im Umfeld von Kalköfen und Glashütten wurde die Abwärme oft genutzt, um Stückenglas in Druckkesseln zu lösen. Es galt als universeller Hilfsstoff im Bauwesen vor der Verbreitung von Zement und Kunststoffen.

1. Schmelzverfahren

Quarzsand SiO2  und Soda (Mineral) Na_2CO_3 werden bei 1200–1400 °C zusammengeschmolzen:
Na2CO3 + SiO2 + Energie 1200GradCelsius = Na2SiO_3 + CO2 

Das entstehende „Stückenglas“ wird anschließend im Autoklaven bei 120–150 °C und 4–5 bar Druck in Wasser gelöst.

2. Hydrothermalverfahren

Direkte Umsetzung von Quarzsand mit Natronlauge unter Druck:

2 NaOH + SiO_2 = Na_2SiO_3 + H_2O

Dieses Verfahren ist heute industrieller Standard.

Als Klebstoff

Wasserglas dient als Bindemittel für mineralische Stoffe. Verwendung in Wellpappe, Mineralfaserplatten und als feuerfester Kleber für Schamottestein.

Zur Wasserabdichtung

In Verbindung mit Zement bildet Wasserglas unlösliches Calciumsilikat und dichtet Poren ab. Anwendung als Dichtschlämme für Keller, Zisternen und Brunnenschächte. Auch zur Injektion in Mauerwerk und zur Bodenstabilisierung im Tunnelbau.

Lebensmittelkonservierung

Wasserglas-Eier: Frische Eier werden in 10%iger Wasserglaslösung eingelegt. Das Kieselgel verschließt die Poren der Schale und macht Eier 6–9 Monate haltbar. Historisch auch zum Beizen von Saatgut.

Steinherstellung / Formteile

Gemische aus Sand und Wasserglas härten durch Begasung mit CO2 oder Zugabe von Säure wie Essig in Minuten aus. Anwendung für Gusskerne in Gießereien und für Not-Reparaturen an Ofenauskleidungen.

Anstriche und Putze

Zusatz von 5–10 % Wasserglas zu Kalkfarbe macht den Anstrich abrieb- und wischfest. Tränkung sandender Kalkputze führt zur Verkieselung der Oberfläche. Nennt sich „verkieselte Kalktünche“.

Brandschutz

Imprägnierung von Holz, Textilien und Theaterkulissen. Das Material verkohlt bei Hitze, entzündet sich aber nicht.

Chemischer Garten

Wasserglas ist Grundlage für den bekannten Schauversuch „Chemischer Garten“. Dabei werden Kristalle von Metallsalzen wie Kupfersulfat, Eisensulfat oder Kobaltnitrat in verdünnte Wasserglaslösung gegeben.

Reaktion: An der Oberfläche der Kristalle bildet sich sofort eine halbdurchlässige Membran aus Metallsilikat. Durch Osmose dringt Wasser ein, der Innendruck steigt und die Membran reißt oben auf. Es „wachsen“ röhrenförmige Gebilde nach oben, die an Pflanzen erinnern.

Na_2SiO_3 + CuSO_4 = CuSiO_3 + Na_2SO_4

Der Versuch demonstriert Membranbildung und osmotischen Druck und wurde historisch als Modell für Zellwachstum diskutiert.

Weitere Anwendungen

• Grundstoff zur Herstellung von Kieselgel, Zeolithen und Waschmittelzusätzen
• Wundverschluss in der Gärtnerei
• Festigung mürber Natursteine in der Denkmalpflege

Moderne Bedeutung

Trotz seiner Entdeckung im 19. Jahrhundert ist Wasserglas bis heute ein bedeutender Rohstoff.

Industrie und Technik

• Geopolymere / Betonersatz: Als Aktivator in „grünem Beton“. Ersetzt Portlandzement, spart bis zu 80 % CO2. Einsatz bei Infrastrukturprojekten.
• Gießereiindustrie: Standardverfahren zur Herstellung von Sandkernen im CO2-Prozess. Gas- und emissionsarm im Vergleich zu organischen Bindern.
• Chemische Industrie: Hauptrohstoff für gefällte Kieselsäure und Kieselgele, die als Füllstoffe, Mattierungsmittel oder in Zahnpasta verwendet werden.
• Brandschutzbeschichtungen: Intumeszierende Anstriche für Stahlbau basieren oft auf Alkalisilikaten.

Bauwesen und Denkmalpflege

• Betonvergütung: Oberflächenbehandlung von Industrieböden gegen Staub und Öl. „Lithiumwasserglas“ als moderner Nachfolger.
• Injektionsmittel: Abdichtung von Tunneln, Schächten und Deichen gegen drückendes Wasser.
• Steinkonservierung: In der Restaurierung als Steinfestiger für Sandstein und Tuff. Kaliwasserglas ist hier Standard, da es keine Salzausblühungen erzeugt.

Nischenanwendungen

• Eierkonservierung: Im ländlichen Raum und in der Selbstversorgung noch bekannt, jedoch durch Kühlkette ersetzt.
• Gartenbau: Ökologisches Mittel zum Verschließen von Baumwunden und zur Saatgutbeize.
• Bastel- und Experimentierbereich: „Chemischer Garten“ durch Reaktion mit Metallsalzen.

Wasserglas gilt heute als umweltverträglicher, mineralischer Werkstoff und erlebt durch die Suche nach zementfreien Bindemitteln eine Renaissance.

Arbeitsschutz

Wasserglaslösungen sind stark alkalisch mit pH 11–13. Schutzhandschuhe und Schutzbrille tragen. Reagiert mit Glas, Aluminium und Leichtmetallen. Nicht mit Gips oder säurehaltigen Produkten mischen.

Literatur

• Johann Nepomuk von Fuchs: Über ein neues Produkt aus Kieselerde und Kali, 1818.
• Knoblauch, H.; Schneider, U.: Bauchemie, 7. Auflage. Werner Verlag, 2013, ISBN 978-3-8041-5237-3.
• Snethlage, R.: Leitfaden Steinkonservierung, 4. Auflage. Fraunhofer IRB Verlag, 2014, ISBN 978-3-8167-9084-4.
• Davidovits, J.: Geopolymer Chemistry and Applications, 5. Auflage. Geopolymer Institute, 2020, ISBN 978-2-9544-8201-0.

Weblinks

• GESTIS-Stoffdatenbank – Eintrag zu Natriumsilikat, BG BAU
• Baunetz Wissen – Artikel zur Verkieselung von Kalkputzen
• Chemie.de Lexikon – Übersicht zu Natriumsilikat
• Video: Chemischer Garten – Experiment zum Selbermachen

Bildquelle

https://www.wikipedia.de/