Gips

Gips hat die sehr geringe Mohshärte von 2 und ist neben Halit ein Standardmineral auf der Härteskala nach Friedrich Mohs. Seine Dichte beträgt zwischen 2,2 und 2,4 g/cm³, und er ist im Gegensatz zum häufig vergesellschafteten Mineral Halit nur schwer in Wasser löslich. Die Löslichkeit in Wasser beträgt unter Normalbedingungen 2,1 g/l,[12] die von Halit dagegen 358 g/l.[13] Aus reiner wässriger Lösung kristallisiert Calciumsulfat unterhalb von 66 °C stets als Gips, oberhalb von 66 °C als Anhydrit. Bei Gegenwart anderer Ionen, zum Beispiel Natrium, verschieben sich die Löslichkeitsgleichgewichte.

Beim Erhitzen geht das Kristallwasser verloren (TG-Kurve = Masseverlust, onset = Beginn der Wasserabspaltung, Peaks = Maxima der Reaktion), und es entsteht zuerst ein Hemihydrat (auch Halbhydrat, gebrannter Gips bzw. Bassanit genannt) mit der chemischen Formel CaSO₄ • ½ H₂O, bei weiterem Wasserverlust entsteht schließlich über den löslichen Anhydrit III der unlösliche Anhydrit II (CaSO₄), letztere beide werden mineralogisch schlicht Anhydrit genannt.

Gips kann unter besonderen natürlichen Umständen einem gesteinsbildenden Prozess unterliegen. Durch Verdunstung von calciumsulfathaltigem Meerwasser fallen Gips und Anhydrit in früher Phase der Carbonatabscheidung aus. Primär sedimentiert dabei Gips. Das in größeren Schichten beziehungsweise Aggregaten entstehende Gestein wird in der Petrographie zur Gruppe der Evaporite gezählt und ist auch unter dem Kulturbegriff Alabaster bekannt. Die Genese führt dabei zu kryptokristallinen oder kristallinen Ausbildungen mit einer Korngröße bis in den Zentimeterbereich.

Im Nahbereich von solchen Lagerstätten können kristalline Neubildungen des Minerals Gips entstehen, Marienglas genannt.

Gipsbrennerei, Théodore Géricault, 1822–1823

Im Mittelalter wurde gipshaltiges Gestein in Steinbrüchen oder bergmännisch abgebaut, sortiert und in Brechmühlen weiter zerkleinert, so dass es dem Brenn- oder Kochprozess zugeführt werden konnte. Die Gipsbrennereien betrieben Meiler- oder Grubenöfen, die mit Holz oder Torf befeuert wurden. Anschließend wurde der Gips in einer Gipsmühle fein gemahlen. Ein anderes Verfahren bestand darin, im Stollen ein Feuer anzufachen und anschließend den gebrannten Gips herauszuschlagen. → Gipsmuseum Schleitheim

Diese Tätigkeiten wurden zumeist von Bauern oder Müllern in der Zeit der Unterbeschäftigung erledigt. Je nach Reinheit und Feinheit unterschied man Baugips, Estrichgips und Stuckgips.

Weil Calciumsulfat bei vielen chemischen Prozessen (in der Regel in Form von Gips) als Sekundärprodukt entsteht, beispielsweise bei der Citronensäure-, Weinsäure- und Oxalsäureherstellung, erübrigt sich eine gezielte industrielle Herstellung im größeren Stil. Der bei der Herstellung von Phosphorsäure entstehende sogenannte Phosphorgips ist teilweise mit radioaktiven Substanzen verunreinigt, die aus den Phosphaten stammen, und ein Problemabfall. Der klassische Prozess ist die Fällung aus schwefelsaurem Wasser mit Kalkmilch oder Kalkstein:

${\displaystyle \mathrm {H_{2}SO_{4}+CaCO_{3}\longrightarrow CaSO_{4}+H_{2}O+CO_{2}} }$

Schon Goethe, ein passionierter Naturwissenschaftler und Chemiker, beschrieb diesen Prozess in seinem Roman Die Wahlverwandtschaften:

wobei der dichtende Chemiker die „zarte“ Kohlensäure meinte.

Gips entsteht auch bei allen Abwasserreinigungsverfahren, wenn es um die Neutralisation von sulfathaltigen Prozessabwässern oder schwefelsauren Beizen geht.

Bei der Herstellung von Fluorwasserstoffsäure aus Fluorit (Flussspat, Calciumfluorid) und konzentrierter Schwefelsäure fällt ebenfalls Gips (sogenanntes „Fluoroanhydrit“) an, der in der Zementindustrie und Bauindustrie als Anhydrit-Estrich Verwendung findet.

REA-Gips im Kraftwerk Schwarze Pumpe

Ebenso entsteht Gips als Endprodukt der Rauchgasentschwefelung („REA-Gips“) von Kohlekraftwerksabgasen. In der Regel – je nach Verunreinigungen – können solche Gipse (entwässerter Filterkuchen) in der Baustoffindustrie oder zur Weiterverarbeitung zu Calciumsulfat-Modifikationen (Hydraten) verwendet werden. Dieser Syntheseweg machte den Abbau von Naturgipslagerstätten in Europa Ende der achtziger Jahre teilweise überflüssig, heute sind die Produktionszahlen durch dieses Verfahren rückläufig, da häufig schwefelarme australische Steinkohle verwendet wird. Im Jahr 2014 wurden in Deutschland von 11 Mio. Tonnen Gips 7 Mio. Tonnen durch die REA gewonnen, während 4 Mio. Tonnen aus Naturgips gewonnen wurde.[24]

Recycling spielt bei Gips eine wichtige Rolle. Alleine in den USA wurden 2021 ca. 700.000 Tonnen Gips aus Baumaterialien recycelt. Bei industriellem Recycling wird Gips meist vermahlen und zur Herstellung neuer Gipskartonplatten, als Absorber für Trocknungsprozesse, in der Wasserbehandlung, oder als Spielfeldmarkierung eingesetzt.[21]

• α-Halbhydrat (CaSO₄·½ H₂O) entsteht in einem geschlossenen Gefäß (Autoklav) unter Nassdampfatmosphäre beziehungsweise drucklos in Säuren und wässrigen Salzlösungen. Er ist Ausgangsstoff für härtere Gipse (Typ III, IV und V) und benötigt weniger Wasser, aber mehr Zeit zum Abbinden.

• β-Halbhydrat (CaSO₄·½ H₂O) entsteht beim Brennen in einem offenen Gefäß unter normaler Atmosphäre. Beim Vermischen mit Wasser erfolgt innerhalb von Minuten eine Hydratation zum Dihydrat. Er ist Ausgangsstoff für die weicheren Gipse.

Im Fall von α- und β-Halbhydrat handelt es sich um unterschiedliche kristalline Formen des Halbhydrats.

• Anhydrit III (CaSO₄) entsteht bei Temperaturen bis 300 °C aus dem Halbhydrat. Bei Vorhandensein von Wasser, auch Luftfeuchtigkeit, bildet sich sehr schnell Halbhydrat.

• Anhydrit II_s (CaSO₄) entsteht bei Temperaturen zwischen etwa 300 bis 500 °C, das _s steht für „schwerlöslich“. Beim Vermischen mit Wasser erfolgt die Hydratation innerhalb von Stunden und Tagen.

• Anhydrit II_u (CaSO₄) bildet sich bei Temperaturen von 500 bis 700 °C aus dem Anhydrit II_s, das u steht dabei für „unlöslich“.

• Anhydrit I (CaSO₄) ist die Hochtemperaturmodifikation des Gipses, sie bildet sich bei 1180 °C.

Gips als Rohstoff wird vorwiegend bergmännisch als Gipsgestein gewonnen, fällt aber heute auch häufig als Nebenprodukt verschiedener chemischer großtechnischer Verfahren an.

Technisch nutzt man das Vermögen des Gipses, das durch Erhitzen (Brennen) teilweise oder ganz verlorene Kristallwasser beim Anrühren mit Wasser wieder aufzunehmen und dabei abzubinden. Bei Erhitzen auf etwa 110 °C entsteht so genannter gebrannter Gips (das oben erwähnte Hemihydrat), bei 130 bis 160 °C Stuckgips, ein Gemisch aus viel Hemihydrat und wenig Anhydrit. Bei 290 bis 900 °C entsteht Anhydrit, wobei das Kristallwasser ganz ausgebrannt ist. Sehr hoch erhitzter Gips wird auch „totgebrannter Gips“ beziehungsweise Analin oder Annalin genannt, weil er mit Wasser nicht mehr abbindet.

Ein aus Hochbrandgips gegossener Mauerstein, hergestellt um 1870

In der Bautechnik wird Gips (als Hemihydrat oder Mehrphasengips) heute meist in Form von REA-Gips für Gipswandbauplatten für Zwischenwände als auch für Gipskartonplatten für den Trockenbau, als Grundstoff für verschiedene Putze, Spachtelmassen und Trockenestriche verwendet, daneben auch als Füllmittel. Durch Vermengen mit Kalk erzeugt man für Putz-, Mauer- und Stuckarbeiten Gipskalk, der länger verarbeitbar ist als reiner Stuckgips und formbar wie Plastilin wird, bevor er aushärtet.

Da der abgebundene Gips eine gewisse Wasserlöslichkeit besitzt, werden Gipsbaustoffe überwiegend nur für den Innenausbau verwendet. Im Außenbereich müssen Gipsbaustoffe vor regelmäßigem Schlagregen geschützt werden. Früher wurde Gips auch für Stuckarbeiten an Fassaden eingesetzt und an Westfassaden ‘‘(Wetterseite)‘‘ mit Leinöl imprägniert.

Weil Gips hygroskopisch (wasseranziehend) ist und daher bei zu häufiger Durchnässung, schlechter Pflege oder Lüftung zu Verfärbungen und Verpilzungen neigt, ist er im Nass- und Kellerbereich nur eingeschränkt zu verwenden. Bei Renovierungsarbeiten wird Bau- oder Stuckgips verwendet, um kleine Risse, Löcher und Kabelschlitze in den Wänden zu schließen und Holz- und andere Bauteile einzudübeln. Im Neubau werden Gipsputze ebenso wie Gipskartonplatten verwendet, um auf rauem und unebenem Mauerwerk eine streich- und tapezierfertige Oberfläche herzustellen. Statisch nicht belastete Trennwände werden heute oft aus Gipskartonplatten mit Metallunterkonstruktion oder aus Gipswandbauplatten hergestellt.

Fest gegossener Anhydrit-Hohlraumboden mit Revisionsöffnungen im Rohbau

Auch Estriche, vor allem als Hohlboden-Unterkonstruktionen, werden aus Gips bzw. gegossenem Anhydrit hergestellt.

Daneben wird Gips zum Befestigen von Unterputzelementen für Elektroinstallationen in Rohbauwänden verwendet. Die Geschwindigkeit des Abbindens wird bei alkalischen Formulierungen – zum Beispiel Gipsputz – durch Zugabe von Wein- oder Zitronensäure reguliert. Neutrale Formulierungen können mit Eiweißverbindungen, Celluloseleim oder Weißkalkhydrat verzögert werden. Die Beschleunigung des Abbindevorgangs wird durch Zugabe von Kaliumsulfat oder fein aufgemahlenem Gips erreicht.

Im baulichen Brandschutz verwendet man bevorzugt Gips, da er bei relativ geringem Gewicht einen großen Feuerwiderstand bietet; den Schutz bewirkt das Kristallwasser des Dihydrats, das im Brandfall verdampft und auf der dem Brand zugewandten Seite einen schützenden Dampfschleier bildet.

Der Baustoff war namensgebend für den Beruf des Gipsers (heute Stuckateur).

Bei der Anwendung als Modell- oder Formengips, etwa bei Bozzetti, werden erhöhte Anforderungen an die Reinheit der Gipsrohstoffe und an die Aufbereitung gestellt. Durch eine feinere Aufmahlung und geringere Anteile an Fremdmineralien wird eine gleichmäßigere Oberflächenstruktur erzielt. Durch die Verwendung von α-Halbhydrat (entsteht unter Wasserdampfdruck und hat eine höhere Dichte) können höhere Festigkeiten der Formteile erreicht werden. In diesem Zusammenhang wird auch von Hartgips gesprochen.

In der bildenden Kunst wird Gips zur Erstellung von Skulpturen genutzt und ebenso wie in der Technik zum Anfertigen von Formen und Modellen verwendet. Marienglas spielt auch heute noch bei Kirchen- und Alabaster-Restaurierungen eine wichtige Rolle, während der totgebrannte Gips auch gerne als Zusatzstoff (Streckmittel) für Malerfarben verwendet wird, da er zu billigeren Produkten führt, ohne die Farbqualität stark zu beeinträchtigen.

Analin wird ebenso für Grundierungen von Leinwand, in der Tafelmalerei oder als Goldgrund (Assis) verwendet. Auch Tafelkreide und Malkreide bestehen in Deutschland in der Regel überwiegend aus Gips.

Bei der Herstellung von einigen Keramiken, insbesondere bei der klassischen Herstellung von Porzellan ist die Verwendung von Gipsformen unentbehrlich. So wird beim Schlickerguss ein als Schlicker bezeichnetes Mineral-Wasser-Gemisch in eine Form aus Gips gegossen. Der Gips entzieht dem Gemisch lokal Wasser, sodass sich an der Wand eine Schicht ablagert. Ist die gewünschte Wandstärke erreicht, wird das überschüssige Gemisch entfernt. Nachdem der Grünkörper ausreichend getrocknet ist, kann dieser aus der Form entnommen und getrocknet werden. Auch in der Modellierung von Keramiken werden häufig Gipsformen eingesetzt, beispielsweise bei der Herstellung von Agateware.

In der Medizin wird Gips für den Gipsverband verwendet: Dabei werden die betroffenen Gliedmaßen oder Gelenke zur Ruhigstellung und Stabilisierung mit feuchten Gipsbinden umwickelt, die dann innerhalb von Minuten aushärten und nach ungefähr zwölf Stunden voll belastbar sind.

In der Zahntechnik ist Gips der wichtigste Rohstoff für Dentalgipse zur Herstellung von Modellen, die aus Abformungen der Mund- und Zahnsituation erstellt werden. Nach der Norm für Dentalgipse EN ISO 6873 werden fünf Typen unterschieden:[25]

• Typ I: Abform- und Abdruckgips, β-Halbhydrat, 0,15 % Abbindeexpansion und 4 N/mm² Druckfestigkeit
• Typ II: Alabastergips, β-Halbhydrat, 0,3 % Abbindeexpansion und 9 N/mm² Druckfestigkeit
• Typ III: Hartgips, α-Halbhydrat, 0,2 % Abbindeexpansion und 20 N/mm² Druckfestigkeit
• Typ IV: Superhartgips, α-Halbhydrat, 0,15 % Abbindeexpansion, 35 N/mm² Druckfestigkeit
• Typ V: Superhartgips, α-Halbhydrat, 0,3 % Abbindeexpansion, 35 N/mm² Druckfestigkeit

International werden eher die genauen Spezifikationen angegeben, insbesondere das Mischungsverhältnis (ml Wasser je 100 g Gips) und die Druckfestigkeit (in MPa bzw. N/mm² nach bestimmter Zeit und im trockenen Zustand). Je nach Verwendungszweck wichtig ist auch die prozentuale Abbindeexpansion und die Dauer der Verarbeitungs- sowie Abbindezeiten.

Ungebrannter oder totgebrannter Gips wird anstelle von Kreide zur Spielfeldmarkierung verwendet.

Eine mit Wasser anzurührende Mischung von Gips und Holzmehl, die dem Gips nach dem Aushärten eine gewisse Restelastizität verlieh, wurde in der DDR unter dem Namen „MUM Heimwerker ‚Dübelmasse‘“ als Ersatz für Plastikdübel produziert und verwendet.

Zur Herstellung von Tofu wird das Protein aus gemahlenen Sojabohnen mit Calciumsulfat zur Gerinnung gebracht. Des Weiteren wird Calciumsulfat auch als Lebensmittelzusatzstoff (E 516) eingesetzt. Es gehörte zum ursprünglichen Kanon der in der Alternativmedizin verwendeten zwölf Schüßler-Salze.

In einigen Gegenden Deutschlands wie unter anderem im Südharz entsteht ein Gips-Verwitterungsprodukt, welches aufgrund seiner Ähnlichkeit zum Speisemehl im Volksmund auch als „Himmelsmehl“ oder „Gipsasche“ bezeichnet wird. In Zeiten von Hungersnöten wurde dieses Gipsmehl entweder als Mehlersatz oder zum Strecken von echtem Mehl zur Zubereitung von Speisen verwendet. Durch die Hitze beispielsweise beim Backen entsteht jedoch gebrannter Gips, der im Magen-Darm-System abbinden und zu tödlichen Darmverschlüssen führen kann.[26]

Lebensmittelfälschungen durch Beimengung gemahlenen Gipses, dort als „Plaster of Paris“ bezeichnet, waren aber auch beispielsweise im England des 19. Jhs.[27] eine nicht selten tödliche Praxis.

Im 18. Jahrhundert propagierte der „Gipsapostel“ Johann Friedrich Mayer die Verwendung von Gips als calciumreicher Dünger.[28]