Anwendungen: "Kalkerosion und Kalkkreislauf"

Der Kalkkreislauf in der Natur

Abbildung 1: Kalkkreislauf in der Natur (Quelle: Elemente: Grundlagen der Chemie für Schweizer Maturitätsschulen, Klett und Balmer Verlag Zug, 1. Auflage, 2007)

Wenn der Untergrund in der Natur aus Kalk besteht, hat es häufig Spalten und Höhlen im Gestein, welche durch die Umwandlung des Calciumhydrogencarbonates in Calciumcarbonat (Kalk) entstehen. Diese Reaktion findet statt, wenn CO₂-haltiges Regenwasser in das Gestein eindringt. Das Regenwasser nimmt auf dem Weg durch die Luft Kohlenstoffdioxid auf und beim Eindringen in den Boden entstehen die Furchen. Der Kalkkreislauf wird als Kreislauf bezeichnet, da sich die erklärten Prozesse ständig wiederholen.

Die Reaktionsgleichung dieser Gleichgewichtsreaktion sieht folgendermassen aus:

CaCO_2(s) + H₂O_(l) + CO_2(g) ⇌ Ca(HCO₃)_2(aq)

Tropfsteinhöhlen

Genau durch diesen Vorgang entstehen Tropfsteinhöhlen. Wenn ein Wassertropfen die Decke einer Höhle erreicht, entweicht das CO₂ in die Höhle, da diese einen CO₂-Mangel hat und eine Verschiebung des Gleichgewichts innerhalb der obigen Gleichung führt dazu, dass es eine Kalkablagerung an der Decke der Höhle entsteht. Solche Ablagerungen entwickeln sich zu den sogenannten Stalaktiten. Derselbe Vorgang kann sich am Höhlenboden abspielen, wenn ein Wassertropfen zu Boden fällt. Die vom Boden herausragenden Kalkgebilde werden Stalagmiten genannt. Die Ablagerungen wachsen jährlich um circa 0,2 mm.

Wie findet man heraus, wo das Gleichgewicht in der Gleichung liegt?

Das Gleichgewicht ist vom CO²-Gehalt abhängig. Die Wasserhärte ist durch den CO²-Gehalt bestimmbar. Beispielsweise Pflanzen haben einen tiefen Kohlenstoffdioxidgehalt durch die Photosynthese, sodass das Gleichgewicht links liegt. Seen haben folglich weiches Wasser, da durch die Algenpflanzen das Gleichgewicht links gehalten wird.

Allgemein kann gesagt werden:

CO₂-Wert tief - Gleichgewicht links - weiches Wasser (geringer Kalkgehalt) - Kalkablagerungen

CO₂-Wert hoch - Gleichgewicht rechts - hartes Wasser (hoher Kalkgehalt) - keine Kalkablagerungen

Kalk in Boilern

Die Kalkablagerungen sind im Haushalt sehr störend, da sie beispielsweise Wasserhahnen und -leitungen verstopfen, aber auch Boiler sind davon beeinträchtigt. Boiler sind metallene Behälter, welche als Warmwassererwärmer und Speicher dienen. Wenn die Heizstäbe in den Boilern von Kalk belagert werden, werden sie isoliert und die Wärme wird schlechter abgegeben. Somit nimmt die Leistung von verkalkten Boilern ab.

Wasserhärte

Die Wasserhärte hängt von der Ca2+, Mg2+, Sr2+ und Ba2+ Konzentration ab. Der Begriff "Wasserhärte", bzw. "hartes Wasser" ist entstanden, weil beim Waschen mit hartem Wasser die Wäsche hart wird und umgekehrt mit weichem Wasser sehr fein und angenehm wird. Die benutzte Seife bildet nämlich Kalkseife gemeinsam mit dem harten Wasser.

Es gibt neuerdings nur noch die drei Abstufungen "hart", "mittel" und "weich" und keine Zahlenskala zur Angabe der Wasserhärte. So ist es für den Ottonormalverbraucher einfacher, die richtigen Waschmittel zu kaufen, weil er weiss, welche Wasserhärte im Eigenheim vorhanden ist.

Kalkbrennerei

Abbildung 2: Technischer Kalkkreislauf oder Kalkbrennerei (Quelle: Wikipedia, Technischer Kalkkreislauf, heruntergeladen am: 26.06.2016)

Das Brennen von Kalk wird als technischer Kalkkreislauf oder Kalkbrennerei bezeichnet. Der Kalkmörtel wird oft als Baustoff und zur Herstellung von Zement, Brannt- und Löschkalk benutzt.

Gebrannter Kalk: Durch die Erhitzung des Kalkes auf circa 1000 Grad Celsius zerfällt er in CO₂ und Calciumoxid.

CaCO₃ --> CaO + CO₂

Löschkalk: Calciumoxid und Wasser reagieren exotherm, weshalb die Reaktion der beiden als Löschen des Calciumoxides bezeichnet wird.

Kalkmörtel: Löschkalk vermischt mit Sand und Wasser wiederum ergibt Mörtel, welcher früher als Bindemittel von Mauersteinen verwendet wurde, mittlerweile jedoch von Zement ersetzt worden ist. Wenn Kalkmörtel Kohlenstoffdioxid aus der Luft aufnimmt, entsteht wieder Calciumcarbonat.

Die obig erklärten Vorgänge können also in einem Kreislauf zusammengefasst werden, der technische Kalkkreislauf.

Quellen

• Chemieunterlagen von Herr R. Deuber

• Wikipedia: Technischer Kalkkreislauf

• Elemente: Grundlagen der Chemie für Schweizer Maturitätsschulen, Klett und Balmer Verlag Zug, 1. Auflage, 2007

• Elemente: Chemie 1, Unterrichtswerk für Gymnasien, Ernst Klett Verlag Deutschland, 1. Auflage, 1986

• Elemente: Sicher und kompetent zur Matura, ÖBV Verlag, 1. Auflage, 2011

Weblinks

• Swisseduc – Unterrichtsserver für Chemie
• [1] – Wikipedia Eintrag zum technischen Kalkkreislauf