Gips

Definition und mineralogische Einordnung

Gips ist ein sehr häufiges Mineral aus der Mineralklasse der Sulfate (und Verwandten). Seine chemische Zusammensetzung lautet Ca[SO₄]·2H₂O; es handelt sich um wasserhaltiges Calciumsulfat beziehungsweise Calciumsulfat-Dihydrat. Das IMA-Mineral-Symbol ist seit 2021 „Gp“. Geologisch wird Gips auch Gipsspat genannt.

Gips kristallisiert im monoklinen Kristallsystem. Typisch sind tafelige, prismatische oder nadelige Kristalle, aber auch körnige bis massige Aggregate. Meist ist Gips farblos oder weiß; durch Fremdionen und Beimengungen wie Sand oder Bitumen kann er gelblich, rötlich, grau oder braun erscheinen. Die Strichfarbe bleibt weiß. Gesteine, die fast vollständig aus Gips bestehen und nur geringe Mengen anderer Minerale wie Anhydrit, Quarz oder Tonminerale enthalten, heißen ebenfalls Gips oder Gipsstein.

In der Systematik nach Strunz gehört Gips in der 9. Auflage zur Abteilung „Sulfate (Selenate usw.) ohne zusätzliche Anionen, mit H₂O“, Unterabteilung „Mit ausschließlich großen Kationen“, Systemnummer 7.CD.40. Die Systemnummern lauten außerdem VI/C.16 nach der 8. Strunz-Auflage, VI/C.22-020 im Lapis-System und 29.06.03.01 nach Dana.

Kristallstruktur und Eigenschaften

Die Raumgruppe von Gips ist A2/a (Nr. 15, Stellung 2). Die Gitterparameter betragen a = 6,52 Å, b = 15,18 Å, c = 6,29 Å und β = 127,4°; pro Elementarzelle gibt es vier Formeleinheiten (Z = 4). Häufige Kristallflächen sind {010}. Kontaktzwillinge sind sehr häufig, unter anderem als Schwalbenschwanz-, Montmartre- oder Durchdringungszwillinge.

Gips ist mit einer Mohshärte von 2 sehr weich und dient neben Halit als Standardmineral der Härteskala nach Friedrich Mohs. Die Dichte beträgt gemessen 2,317 und berechnet 2,31 g/cm³; allgemein werden 2,2 bis 2,4 g/cm³ angegeben. Er ist nach {010} sehr vollkommen spaltbar und zeigt nach {111} deutliche Faserbildung. Der Bruch ist muschelig. Gips kann durchsichtig bis undurchsichtig sein und Glas-, Perlmuter- oder Seidenglanz besitzen. Die Brechungsindizes betragen nα = 1,519–1,521, nβ = 1,522–1,523 und nγ = 1,529–1,530; die Doppelbrechung beträgt δ = 0,010. Der optische Charakter ist zweiachsig positiv, der Achsenwinkel 2V beträgt gemessen 58° und berechnet 58° bis 68°.

Gips ist in Wasser schwer löslich. Unter Normalbedingungen lösen sich 2,1 g/l, bei Halit sind es 358 g/l. Aus reiner wässriger Lösung kristallisiert Calciumsulfat unterhalb von 66 °C als Gips und oberhalb von 66 °C als Anhydrit; andere Ionen, etwa Natrium, verschieben die Löslichkeitsgleichgewichte.

Beim Erhitzen verliert Gips sein Kristallwasser. Zuerst entsteht das Hemihydrat oder Halbhydrat CaSO₄·½H₂O, auch gebrannter Gips oder Bassanit genannt. Bei weiterem Wasserverlust folgen der lösliche Anhydrit III und schließlich der unlösliche Anhydrit II mit der Formel CaSO₄.

Bildung, Varietäten und Vorkommen

Gips und Anhydrit entstehen häufig als Evaporite durch Verdunstung von calciumsulfathaltigem Meerwasser. Dabei sedimentiert zunächst Gips; unter sedimentärer Auflast kann er zu Anhydrit werden und später wieder hydratisieren. Gips kann außerdem als Verwitterungsprodukt sulfidischer Erze oder in vulkanischen Schloten entstehen, wenn austretende Schwefelsäure mit Kalkstein reagiert. Typische Begleitminerale sind unter anderem Anhydrit, Aragonit, Calcit, Coelestin, Dolomit, Halit und Schwefel.

Varietäten sind massiger, feinkörniger Alabaster und feinfaseriger Fasergips, der auch Seidenspat oder Alabaster-Seidenspat heißt. Durchsichtige Kristalltafeln werden Marienglas, Fraueneis oder Selenit genannt. Rosettenartige Verwachsungen heißen Sandrose, Gipsrose oder Wüstenrose. Die uneinheitliche Bezeichnung Atlasspat wird für feinfaserigen Gips, teilweise aber auch für feinfaserigen Calcit verwendet. Eine irreführend als Polyhalit bezeichnete Varietät enthält Kaliumsulfat und Magnesiumsulfat und kommt unter anderem in den Steinsalzlagern von Staßfurt, Berchtesgaden und Bad Ischl vor.

Weltweit waren 2022 mehr als 7800 Fundorte dokumentiert. Besonders große Kristalle wurden in der Mine von Naica in Mexiko mit Längen bis zu 15 m gefunden. Die Pulpí-Geode in Spanien ist 1,8 × 1,7 m groß und 8 m lang; ihre Innenflächen sind mit durchschnittlich einem halben Meter langen Marienglas-Kristallen ausgekleidet. Gips wurde außerdem am Meeresboden verschiedener Meere und Rücken sowie auf dem Mars nachgewiesen.

2020 waren die Vereinigten Staaten mit 21,2 Mio. t der größte Produzent, gefolgt vom Iran mit 16 Mio. t und China mit 12,6 Mio. t. Die weltweite Abbaumenge betrug 2021 etwa 144 Mio. t in 78 Ländern. Deutschland steigerte seine Produktion von 3.300.300 t im Jahr 2019 auf 4.500.000 t im Jahr 2020; die Gesamtmenge lag 2019 bei 148 Mio. t und 2020 bei 144 Mio. t.

Herstellung, Modifikationen und Recycling

Gips wird bergmännisch als Naturgestein gewonnen, entsteht aber auch als Nebenprodukt chemischer und industrieller Verfahren. Der klassische Herstellungsprozess ist die Fällung aus schwefelsaurem Wasser mit Kalkstein oder Kalkmilch: H₂SO₄ + CaCO₃ → CaSO₄ + H₂O + CO₂. Gips fällt außerdem bei der Herstellung von Citronen-, Wein- und Oxalsäure, bei der Neutralisation sulfathaltiger Abwässer und bei der Herstellung von Fluorwasserstoffsäure an. Phosphorgips aus der Phosphorsäureherstellung kann radioaktive Verunreinigungen enthalten und gilt teilweise als Problemabfall. Rauchgasgips (REA-Gips) entsteht bei der Rauchgasentschwefelung von Kohlekraftwerken.

2014 stammten in Deutschland von 11 Mio. t Gips etwa 7 Mio. t aus REA-Gips und 4 Mio. t aus Naturgips. 2021 deckte REA-Gips noch 40 % des jährlichen Bedarfs von rund 10 Mio. t; bis 2025 wurde ein Anteil von etwa 35 % erwartet. Mit dem Rückgang der Kohleverstromung soll diese Quelle letztlich entfallen.

Die technisch wichtigen Modifikationen unterscheiden sich durch Herstellung, Löslichkeit und Festigkeit:

• α-Halbhydrat, CaSO₄·½H₂O, entsteht im Autoklaven unter Nassdampf oder drucklos in Säuren und Salzlösungen. Es benötigt weniger Wasser und bindet langsamer ab; daraus entstehen härtere Gipse der Typen III, IV und V.
• β-Halbhydrat entsteht beim Brennen unter normaler Atmosphäre und hydratisiert beim Mischen mit Wasser innerhalb von Minuten. Es ist Ausgangsstoff für weichere Gipse.
• Anhydrit III entsteht bis 300 °C und bildet bei Feuchtigkeit schnell wieder Halbhydrat.
• Schwerlöslicher Anhydrit IIₛ entsteht bei etwa 300–500 °C und hydratisiert in Stunden bis Tagen; unlöslicher Anhydrit IIᵤ entsteht bei 500–700 °C.
• Anhydrit I ist die Hochtemperaturmodifikation und bildet sich bei 1180 °C.

Beim Recycling wird Gips meist vermahlen und für neue Gipskartonplatten, Trocknungsprozesse, Wasserbehandlung oder Spielfeldmarkierungen eingesetzt. In den USA wurden 2021 etwa 700.000 t Gips aus Baumaterialien recycelt. Für Deutschland werden bis 2040 etwa 1 Mio. t recycelter Gips pro Jahr prognostiziert, also rund 10 % des Jahresbedarfs.

Verwendung als Baustoff und in Technik und Kunst

Die wichtigste technische Eigenschaft ist, dass gebrannter Gips beim Anrühren mit Wasser wieder Kristallwasser aufnimmt und dabei abbindet. Bei etwa 110 °C entsteht Hemihydrat, bei 130–160 °C Stuckgips, ein Gemisch aus viel Hemihydrat und wenig Anhydrit. Zwischen 290 und 900 °C entsteht Anhydrit. Sehr stark erhitzter, „totgebrannter“ Gips bindet mit Wasser nicht mehr ab.

Im Bauwesen wird Gips für Gipswandbauplatten, Gipskartonplatten, Putze, Spachtelmassen, Trockenestriche und als Füllmittel verwendet. Mit Kalk entsteht Gipskalk, der länger verarbeitbar bleibt. Gips eignet sich vor allem für den Innenausbau, weil der abgebundene Baustoff wasserlöslich bleibt. Im Außenbereich muss er vor regelmäßigem Schlagregen geschützt werden. Wegen seiner Hygroskopie, also der Fähigkeit, Wasser anzuziehen, kann er bei häufiger Durchfeuchtung, schlechter Pflege oder mangelnder Lüftung Verfärbungen und Verpilzungen zeigen. Im baulichen Brandschutz schützt das Kristallwasser des Dihydrats: Es verdampft im Brandfall und bildet einen schützenden Dampfschleier.

Bau- und Stuckgips schließen bei Renovierungen Risse, Löcher und Kabelschlitze. Gipsputze und Gipskartonplatten erzeugen streich- und tapezierfähige Oberflächen; nicht tragende Trennwände werden häufig aus Gipskartonplatten mit Metallunterkonstruktion oder aus Gipswandbauplatten hergestellt. Auch Hohlraumböden und Estriche können aus Gips oder gegossenem Anhydrit bestehen.

Für Modelle, Bozzetti und Formen werden besonders reine Rohstoffe, feine Mahlung und geringe Fremdmineralanteile verlangt. α-Halbhydrat ergibt wegen seiner höheren Dichte besonders feste Formteile und wird daher auch Hartgips genannt. In der Kunst wird Gips für Skulpturen, Formen und Modelle verwendet. Marienglas dient bei Kirchen- und Alabasterrestaurierungen; totgebrannter Gips wird als Streckmittel für Malerfarben genutzt. Tafel- und Malkreide bestehen in Deutschland meist überwiegend aus Gips.

In der Keramikfertigung, besonders bei klassischem Porzellan, nimmt eine Gipsform beim Schlickerguss Wasser aus dem Mineral-Wasser-Gemisch auf. Dadurch lagert sich an der Formwand eine Schicht ab, bis die gewünschte Wandstärke erreicht ist. Danach wird der überschüssige Schlicker entfernt und der getrocknete Grünkörper aus der Form genommen.

Medizin, Lebensmittel und weitere Anwendungen

Für Gipsverbände werden feuchte Gipsbinden um verletzte Gliedmaßen oder Gelenke gewickelt. Sie härten innerhalb von Minuten aus und sind nach ungefähr zwölf Stunden voll belastbar. In der Zahntechnik ist Gips der wichtigste Rohstoff für Dentalgipse zur Herstellung von Modellen aus Abformungen von Mund und Zähnen. Nach EN ISO 6873 gibt es fünf Typen:

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

Weitere wichtige Angaben sind international das Mischungsverhältnis in ml Wasser je 100 g Gips, die Druckfestigkeit in MPa beziehungsweise N/mm², die Abbindeexpansion sowie Verarbeitungs- und Abbindezeit.

Ungebrannter oder totgebrannter Gips wird zur Spielfeldmarkierung verwendet. Calciumsulfat dient bei der Tofuherstellung als Gerinnungsmittel und ist als Lebensmittelzusatzstoff E 516 zugelassen. Im 18. Jahrhundert wurde Gips außerdem als calciumreicher Dünger propagiert. Das Verwitterungsprodukt „Himmelsmehl“ oder „Gipsasche“ wurde in Hungersnöten als Mehlersatz oder zum Strecken von Mehl verwendet; dies konnte tödliche Darmverschlüsse verursachen, weil der beim Backen entstehende gebrannte Gips im Verdauungssystem abbinden kann.