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Rund um die Kohlensäure

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Carbonat-Ionen und
Calcium-Ionen

Calciumhydrogencarbonat, der natürliche Kalkkreislauf

Hartes Wasser
- weiches Wasser

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Kohlensäurehaltiges Wasser reagiert mit Calciumcarbonat

Peinlich, Peinlich:

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Du kippst versehentlich auf einer Party ein Sektglas auf einem Marmortisch um. Der Gastgeber, der dich dabei beobachtet hat, spricht dich am nächsten Tag an und fragt dich, warum du den Sekt nicht gleich aufgewischt hast. Nun wäre der Marmortisch an dieser Stelle stumpf. Die Oberfläche sei rau und porös.

Lizenfreie Fotos und Cliparts


Kohlensäure reagiert mit dem Calciumcarbonat (im Marmor) zu Calciumhydrogencarbonat, welches wasserlöslich ist.

bildung-hydrogencarbonat-einfach


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

bildung-hydrogencarbonat-detail

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?

Calciumcarbonat01Wenn 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:

Hydrogencarbonat wird_protoniert

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.

Calciumhydrogencarbonat01

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Der natürliche Kalkkreislauf

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:

Kalkkreislauf-schematisch

Beachte die Formelschreibweise:

Ca2+CO32- 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)!

Beispiel eines Schülerproduktes zur Hausaufgabe

"Schreibe einen Aufsatz über den natürlichen Kalkkreislauf, so wie eine Chemikerin / ein Chemiker dies deiner Meinung nach machen würde. Vergiss dabei nicht zu erwähnen, welche Stoffe wasserlöslich sind und welche nicht!":


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Bedeutung:

  • Korallen, Muscheln und andere Schalentiere der Meere wandeln Calciumhydrogencarbonat in Calciumcarbonat um, um daraus ihre Schalen aufzubauen.

  • Kalkgebirge lösen sich im Laufe von Millionen von Jahren auf, durch Ablagerungen von Schalen im Meer entstehen an diesen Stellen Kalkschichten.

  • Bildung von Tropfsteinhöhlen.

  • Die Bildung von Kohlenstoffdioxid beim natürlichen Kalkkreislauf ist ein Faktor, der für den natürlichen Kohlenstoffdioxidanteil der Luft verantwortlich ist.

  • Verwitterung von Gebäuden, die mit Kalkmörtel verputzt sind oder als Kalkstein oder Marmor (Taj Mahal) bestehen.

  • Verwitterung von Denkmälern, die aus Kalkstein bzw. Marmor bestehen.

Gerade die hier angesprochenen Verwitterungsprozesse werden durch einen hohen Säuregehalt des Regenwassers (siehe: Saurer Regen) stark beschleunigt.

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