Wasserglas

Probe Natriummetasilicat Na₂SiO₃

Ausschnitt aus der Kettenstruktur von Natriummetasilicat

Als Wasserglas werden aus einer Schmelze erstarrte, glasartige, also amorphe, wasserlösliche Natrium-, Kalium- und Lithiumsilicate oder ihre wässrigen Lösungen bezeichnet. Je nachdem, ob überwiegend Natrium-, Kalium- oder Lithiumsilicate enthalten sind, spricht man von Natronwasserglas, Kaliwasserglas oder Lithiumwasserglas.

Die Trocknung einer wässrigen Lösung von Wasserglas beginnt mit der Verdunstung von Wasser und wird gefolgt von der Ausbildung wasserunlöslicher Kieselsäure (Verkieselung). Die Verkieselung von Wasserglas ist irreversibel, das heißt durch Zugabe von Wasser zur Kieselsäure entsteht nicht wieder Wasserglas.

Geschichte

Nachdem von Helmond schon 1640 die leichter lösliche Kieselfeuchte entdeckte, wurde das Wasserglas erstmals 1818 durch den Chemiker und Mineralogen Johann Nepomuk von Fuchs hergestellt; Fuchs gab der neuen Verbindung auch ihren Namen. „Die ersten größeren Gemälde mit Wasserglasfarben schuf der Kirchen- und Historienmaler Josef Schlotthauer (1789–1869)“.

Herstellung

Zur Herstellung fester Wassergläser (Festgläser) werden Gemenge aus Quarzsand und Kaliumcarbonat (für Kaliwasserglas) bzw. Natriumcarbonat (für Natronwasserglas) unter CO₂-Entwicklung bei 1100 °C bis 1200 °C verschmolzen:

$\mathrm {M_{2}CO_{3}+{\mathit {n}}\ SiO_{2}\longrightarrow M_{2}O\cdot {\mathit {n}}\ SiO_{2}+CO_{2}\uparrow }$ ... (M = Alkalimetall)

Die von der Zusammensetzung der Gemenge abhängige, allgemeine Formel M₂O · n SiO₂ technisch wichtiger Wassergläser liegt etwa im Bereich zwischen n gleich 1 bis 4. In der Regel werden für ein Wasserglas das Mol- oder Massenverhältnis von SiO₂ zu Na₂O bzw. SiO₂ zu K₂O angegeben. Natronwasserglas (siehe auch Natriumsilicate) mit dem Molverhältnis 3,4 bis 3,5 bildet den mengenmäßig wichtigsten Anteil. Die Dichte wird noch häufig in der veralteten Einheit Grad Baumé angegeben.

Das abgekühlte Glas wird zu einem Pulver gemahlen. Daraus wird durch Lösen in Wasser bei hohen Temperaturen (z. B. 150 °C bei 5 bar Druck) flüssiges Wasserglas (Flüssigglas) als klare, kolloide alkalische Lösung oder auch als alkalisches Gel (gallertartige bis feste Masse) gewonnen.

Verwendung

Zur Anwendung kommt meist flüssiges Wasserglas (flüssiges Kalium-/Natriumsilicat, liquid glass, liquor silicium). Natronwasserglas ist nicht für einen dauerhaften Feuchtigkeitsschutz geeignet, weil es sich im Gegensatz zu Kaliwasserglas nach längerer Zeit allmählich auflöst. In der Keramik dient Wasserglas als Elektrolyt zur Verflüssigung einer keramischen Masse. Benutzt wird es zudem als Klebstoff (z. B. zum Aufkleben der Elfenbeinplatten auf Klaviertasten), als Stabilisator von Bleichflotten in der Textil- und Papierindustrie, als Bindemittel (z. B. bei Mineralfarben), als Zusatz in Schweißelektroden, in Waschmitteln, um Bauteile von Waschmaschinen vor Korrosion zu schützen, als Abdichtung bei Mauerwerk, Deponien und im Untertagebau, zum Schutz von Natursteinen vor Witterungseinflüssen, bei Sol-Gel-Prozessen und als Pflanzenstärkungsmittel in der ökologischen Landwirtschaft. In der Mikrobiologie wird Wasserglas als Ersatz für Agar, der im sauren pH-Bereich hydrolysiert, bei der Herstellung von festen Nährmedien für die Anzucht säureliebender (acidophiler) Bakterien eingesetzt. In der Gießereitechnik benutzt man Wasserglas zum Härten von Sandformen und Kernen.

Im Bauwesen findet Wasserglas traditionell Verwendung

• zur Verfestigung und Abdichtung von Putzen und Mauerwerk sowie zum Schutz von Natursteinen vor Witterungseinflüssen durch Verkieselung. Je nach Saugfähigkeit des Untergrunds wird es beispielsweise mit zwei Teilen Wasser verdünnt und in einer Menge von ca. 120 bis 380 ml pro Quadratmeter aufgetragen.
• zum gleichmäßigen Füllen der (kleinen) Hohlräume der Betonoberfläche durch Lithium‐Wasserglas
• als Zusatz für Kalkfarben, um deren Haftung sowie Wisch- und Wasserfestigkeit zu verbessern,
• zur Herstellung einer Antischimmelfarbe, welcher noch eine fünfprozentige Borax-Lösung hinzugefügt wird
• zur Konservierung und Verringerung der Entzündlichkeit von Bauholz; ein Überstreichen ist im Allgemeinen nach einer Trocknungszeit von zwei bis fünf Tagen möglich,
• zum Kleben von Fliesen an Wände und Kachelöfen. Eine Haftfestigkeit kann bereits nach 10 Minuten eintreten.

In der Konservierung und Restaurierung von Wandmalerei und Steinobjekten wurde Wasserglas als Festigungsmittel verwendet. Aufgrund seiner geringen Eindringtiefe und der möglichen Bildung von Salzen (Alkalicarbonate in Verbindung mit Kohlendioxid aus der Luft) wird es nicht mehr zur Festigung von Stein verwendet. Kaliumsilikat wird jedoch weiter als Bindemittel für stark farbige, wasserfeste Farben und Beschichtungen (Mineralfarben) benutzt.

In der Gießereitechnik kann Wasserglas als Bindemittel für Sandformen verwendet werden. Dabei wird das Aushärten meist durch künstliche Begasung mit Kohlendioxid beschleunigt.

In der Zahntechnik findet Wasserglas als Bindemittel Anwendung bei der Herstellung von Feineinbettmassen zum Gießen von Modellgussprothesen.

Im Haushalt kann Wasserglas zum Abdichten von Vasen und Töpferwaren und als Kleber für Papier auf Metall und Glas verwendet werden.

Eine vor der Verbreitung von Kühlschränken gebräuchliche Konservierungsmethode, z. B. zum Einlegen von Eiern, beruht ebenfalls auf Wasserglas: Man rührt eine gewisse Menge der Alkalisilicatlösung in Wasser (meist 1 Teil Wasserglas auf 9 Teile Wasser) und schlägt die Mischung mit einem Schneebesen auf. Nach einer Weile wird die Lösung dann gallertartig/halbfest. In diese Lösung werden die gereinigten Eier eingelegt. Die Wirkung dieser Konservierungsmethode basiert darauf, dass die Poren der Eierschale aufgefüllt werden, so dass das Ei vor dem Eindringen von Wasser, Luft und Mikroorganismen geschützt ist.

Wasserglas (vor allem als Natriumsilicat) kann verwendet werden, um „magische Kristallgärten“ zu erzeugen. Dazu wird Wasserglas mit verschiedenen Metallsalzkristallen vermischt. In der Folge wachsen farbige, stängelartige Gebilde aus den Kristallen heraus. Chemisch gesehen ist dies eine Folge der Polymerisation der Natriumsilicationen unter Einfluss der als Lewissäuren dienenden Metallionen; die Farbe der Gebilde entsteht durch die Substitution der Natriumionen durch andere Metallionen. Die farbigen Fortsätze können sowohl stalaktit- als auch stalagmitähnlich sein, abhängig davon, ob die Kristalle nach unten sinken, oder auf der Oberfläche schweben. Dazu ist zu bemerken, dass die Gebilde nur ihrer Form nach grob an die angegebenen Tropfsteinformationen erinnern und dass die Verteilung (oben/unten) vertauscht ist. Das Wachstum dieser Strukturen nach oben entsteht dadurch, dass das Polymer wie eine semipermeable Membran wirkt, welche die hochkonzentrierte Metallsalzlösung einschließt; das Wachstum entsteht dementsprechend durch ein kontinuierliches Aufreißen dieser Membran an der Stelle, wo sie am dünnsten ist (oben).

In den USA wird die Chemikalie gegenwärtig benutzt, um zu verschrottende Motoren vor Inanspruchnahme einer staatlichen Verschrottungsprämie tatsächlich nachweislich unbrauchbar zu machen (Verschrottungspflicht). Dies geschieht, indem das Motoröl durch eine wässrige Natriumsilicatlösung ersetzt wird.

Wasserglas ist ein Bestandteil der sogenannten Einrauchpaste, mit der die Kopfbohrung vieler Tabakspfeifen aus Bruyère ausgekleidet wird, um das Holz beim ersten Rauchen zu schützen.

Im April 2011 wurde ein Abdichtmittel auf Wasserglas-Basis zum Verschließen eines Lecks am havarierten japanischen Kernkraftwerk Fukushima I verwendet, aus dem hoch kontaminiertes Wasser ins Meer austrat.

Weblinks

• Wasserglas. Eintrag in Meyers Großem Konversations-Lexikon, 6. Auflage, 1905–1909, online verfügbar bei Zeno.org
• Sicherheitsdatenblatt (PDF) (323 kB): Kali-Wasserglas
• Sicherheitsdatenblatt (PDF) : Natronwasserglas
• OECD: Screening Information Dataset (SIDS) Initial Assessment Report (SIAR) für Soluble Silicates (PDF)