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Kalk und Kohlensäure
Calciumsalze, wie Kalk (CaCO3) und Gips (CaSO4) sind wichtige Baustoffe.
Damit Maurer Kalk als Mörtel zum Verbinden der Steine benutzen können, muss der Kalk chemisch behandelt werden (technischer Kalkkreislauf). Aber auch in der Natur ist Kalkstein nicht auf dauer beständig, da sich Kalk durch Säuren auflöst. Eine leichte Säure, die Kohlensäure, bildet sich schon, wenn sich Kohlenstoffdioxid aus der Luft in Regenwasser löst. Dieses leicht saure Regenwasser kann dann den Kalkstein auflösen. Tropft diese Lösung dann durch Spalten in Höhlen, so bilden sich beim Verdunsten Tropfsteine (natürlicher Kalkkreislauf).
Gelöste Calcium- und Magnesiumsalze bestimmen die Härte des Wassers. Hartes Wasser enthält also viele gelöste Salze, weiches Wasser dagegen enthält kaum gelöste Salze.
Natürlicher und technischer Kalkkreislauf
Vom natürlichen Kalkkreislauf spricht man, wenn man die Reaktion von kohlensäurehaltigem Regenwasser mit Kalkstein betrachtet.
H2O + CO2 H2CO3 (Kohlensäure, instabil)
Auflösen: H2CO3 (aq) + CaCO3 (s) Ca(HCO3)2 (aq)
Ausfallen:
Das Auflösen passiert, während das kohlensäurehaltige Regenwasser durch den Kalkstein sickert, der Kalk fällt wieder aus, wenn das Wasser langsam wieder verdunstet (so entstehen dann Tropfsteine).
Beim technischen Kalkkreislauf wird der Kalk zunächst erhitzt (Branntkalk), dann mit Wasser versetzt (Löschkalk, Mörtelzusatz) und dann lässt man den Kalk unter Einwirkung von Kohlenstoffdioxid wieder aushärten.
Branntkalk: CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g)
Löschkalk: CaO (s) + H2O (l) Ca(OH)2 (aq)
Kalk entsteht wieder: Ca(OH)2 (aq) + CO2 (g) CaCO3 (s) + H2O (l)
Mineralwasser
Mineralwasser enthält verschiedene Ionen, darunter Calcium-Ionen und Hydrogencarbonat-Ionen, also gelöstes Calciumhydrogencarbonat.
Erhitzt man Mineralwasser und fügt einen Indikator hinzu, so beobachtet man, dass die Lösung anfangs leicht sauer ist, beim Erhitzen dann aber unter Gasentwicklung allmählich alkalisch wird.
Deutung: Mineralwasser ist leicht sauer, da es Kohlensäure enthält, also in Wasser gelöstes Kohlenstoffdioxid. Wird das Mineralwasser erhitzt, so entweicht zum Einen die Kohlensäure, zum Anderen bildet sich aus dem gelösten Calciumhydrogencarbonat unlöslicher Kalk, Calciumcarbonat.
Kalkkreislauf im Labor
Die Stoffe, die im Kalkkreislauf vorkommen, können auch im Labor hergestellt werden, ausgehend vom Metall Calcium.
Gibt man elementares Calcium zu Wasser oder zu Kohlensäure-haltigem Wasser, so stellt man nicht nur eine deutliche Gasentwicklung fest, sondern bei Zugabe eines Indikators auch, dass eine alkalische Lösung entsteht.
Bei beiden Reaktionen entsteht Wasserstoff. Bei der Reaktion mit Wasser könnte Calciumoxid entstehen, das reagiert aber sofort weiter zu Calciumhydroxid. Kalk (Calciumcarbonat) entsteht bei der Reaktion von Calcium mit Kohlensäure.
Ca (s) + 2 H2O (l) CaO (aq) + H2 (g) + H2O (l) Ca(OH)2 (aq) + H2 (g)
Ca (s) + H2O (l) + CO2 (aq) CaCO3 (s) + H2 (g)
Da beide Lösungen alkalisch sind, muss auch bei der Reaktion mit Kohlensäure-haltigem Wasser zum Teil Calciumhydroxid entstanden sein.
Bei der Reaktion mit Wasser ist der entstandene Niederschlag Calciumhydroxid, da der abfiltrierte Feststoff im feuchten Zustand bei Zugabe eines Indikators eine starke alkalische Reaktion zeigt und bei Zugabe von Säure nicht schäumt.
Versetzt man Kalk mit Säure, so setzt eine Gasentwicklung ein, da Kohlenstoffdioxid entweicht und sich ein anderes Calciumsalz mit dem Säurerest der zugegebenen Säure bildet.