Dieses einfache Reaktionsschema in Symbolformelschreibweise drückt den Zusammenhang nur unvollständig aus. Folgendes Reaktionsschema in Ionenformelschreibweise schließt mehr Informationen ein:

Dieser Umwandlungsprozess von Calciumcarbonat (Kalk) zu Calciumhydrogencarbonat ist auch ein Grund für die "Verwitterung" von Denkmälern aus Kalkstein oder Marmor. Dies wurde schon im Thema "Saurer Regen" angesprochen.

Doch wieso werden beim Calciumcarbonat die Ionen nicht durch Wassermoleküle aus ihrem Ionengitter gelöst?

Wenn man sich die Modellvorstellung von der kleinsten Baueinheit des Stoffes Calciumcarbonat ansieht, dann fällt sofort auf, dass die beiden Komponenten dieser salzähnlichen Verbindung hohe Ladungen tragen. Offensichtlich schaffen die Wassermoleküle es nicht, das Calcium-Ion vom Carbonat-Ion zu trennen.

Wie wir gelernt haben, dissoziiert die Kohlensäure in zwei Schritten, wobei es sich immer um Gleichgewichtsreaktionen handelt. So kann ein Carbonat-Ion auch wieder ein Wasserstoff-Ion (=Proton) aufnehmen. Dann entsteht ein Hydrogencarbonat-Ion, das nur einfach negativ geladen ist:

An dem einem 2-fach positiv geladenen Calcium-Ion können sich zwei einfach negativ geladene Hydrogencarbonat-Ionen anlagern. Diese "hängen" - jedoch aufgrund ihrer einfachen Ladung - nicht so fest am Calcium-Ion. Wassermoleküle können nun die Ionen voneinander trennen und anschließend umhüllen (Hydratation), so dass sich die Ionen nicht mehr anziehen können und frei beweglich im Wasser "umherschwimmen" können.

Wir haben gelernt, dass das Regenwasser mit dem Kohlenstoffdioxid in der Luft zu kohlensäurehaltigem Wasser reagiert. Außerdem wissen wir nun, dass kohlensäurehaltiges Wasser mit wasserunlöslichem Calciumcarbonat (Kalkstein, Marmor, Muschelschalen) reagiert, wobei das wasserlösliche Calciumhydrogencarbonat entsteht. Wasser, das Calciumhydrogencarbonat enthält, nennt man auch "hartes" Wasser. Überall dort, wo dieses harte Wasser verdunstet oder erhitzt wird, wandelt sich das Calciumhydrogencarbonat wieder zu Calciumcarbonat - also Kalk -, Wasser und Kohlenstoffdioxid um. Damit schließt sich der natürliche Kreislauf: Der Kreislauf begann mit Wasser und Kohlenstoffdioxid. Beide Stoffe werden am Ende des Kreislaufes wieder gebildet.

Schematisch:

Beachte die Formelschreibweise:

Ca²⁺CO₃^2- für das wasserunlösliche Calciumcarbonat und Ca²⁺_(aq) + 2 HCO₃^-_(aq) für das in Wasser gelöste Calciumhydrogencarbonat (bei ihm sind die Ionen alle voneinander getrennt und bewegen sich frei im Wasser)!

Auch im Trinkwasser befindet sich gelöstes Calciumhydrogencarbonat.

Sind sehr viele Calcium-Ionen (und Magnesium-Ionen) im Wasser gelöst, spricht man von hartem Wasser; dagegen enthält weiches Wasser nur in geringen Mengen gelöste Calcium-Ionen.

Wenn das Wasser erwärmt wird, entsteht aus dem gelösten Calciumhydrogencarbonat wieder Kohlenstoffdioxid und schwer lösliches Calciumcarbonat. Dieser Kalk setzt sich z. B. am Tauchsieder und in allen Geräten, in denen Wasser erwärmt wird, als sogenannter Kesselstein ab.

Die Härte des Wassers wird in Härtegraden (°dH) angegeben und ist z. B. für die Dosierung von Waschmitteln besonders wichtig.

Die Wasserhärte ist in den einzelnen Gebieten der Bundesrepublik sehr unterschiedlich und hängt stark von der Bodenbeschaffenheit und auch von der Jahreszeit ab. So ist Quellwasser in regenreichen Gebieten, das aus Gesteinsschichten mit geringer Löslichkeit stammt, weich. Härter dagegen ist Wasser aus regenarmen Gebieten. In Kalklandschaften kann das Wasser erhebliche Härte erreichen.

Dazu aber mehr im nächsten Kapitel ...