Der Kalkkreislauf

Kalkkreislauf – Chemie

Sicher hast du schon Bilder von Tropfsteinhöhlen gesehen oder gar eine besucht oder von den mächtigen Kalksteinformationen auf Rügen gehört? Doch woraus bestehen diese Naturwunder, wie bilden sie sich und wie verwittern sie?
Dazu schauen wir uns heute den Kalkkreislauf genauer an.

Kalkkreislauf – zwei Arten

Bevor wir jedoch beginnen, gilt es zunächst, genauer einzugrenzen. Es gibt nämlich zwei verschiedene Kalkkreisläufe – den natürlichen und den technischen. Die beiden Kreisläufe sind miteinander verwandt, da in beiden Fällen Kalk, also Calciumcarbonat, im Mittelpunkt steht. Im Detail finden jedoch andere Prozesse statt. Im Folgenden wollen wir die Frage „Was versteht man unter dem natürlichen Kalkkreislauf?“ klären. Wenn du wissen möchtest, wie der technische Kalkkreislauf funktioniert und wo dieser Verwendung findet, empfehlen wir das passende Video Technischer Kalkkreislauf.

Der natürliche Kalkkreislauf – Definition und Verbindungen

Kalk wird als Begriff in verschiedenen Kontexten verwendet. Im Zusammenhang mit dem Kalkkreislauf wollen wir uns darauf einigen, dass es sich hierbei um das Mineral Calcit ($\ce{CaCO3}$) handelt, welches zum überwiegenden Teil das Gestein Kalkstein aufbaut. Wir finden Kalkstein z. B. als Rüdersdorfer Muschelkalk (bei Berlin), die Kreidefelsen auf der Insel Rügen (Ostsee, Mecklenburg-Vorpommern) bestehen zum großen Teil daraus und auch die Kalkalpen sind überwiegend aus Kalkstein aufgebaut. All diese Formationen bestehen aus den Überresten von Kalkschalen abgestorbener Meeresbewohner aus längst vergangenen Zeiten.
Der natürliche Kalkkreislauf beschreibt dann einfach erklärt die Wanderung der Calciumionen $\ce{Ca2+}$ in der Natur: vom Kalk, seinem Auflösen, dem Abtransport der Calciumionen bis hin zum erneuten Ausfällen von Kalk. Die Calciumionen können dabei sowohl gelöst als auch in gebundener Form auftreten. Folgende Verbindungen sind für das Verständnis des Kreislaufes wichtig:

• Calciumcarbonat (Calcit) $\ce{CaCO3}$
• Calciumhydrogencarbonat $\ce{Ca(HCO3)2}$
• Hydrogencarbonat $\ce{HCO3-}$
• Calciumionen $\ce{Ca2+}$
• Kohlenstoffdioxid $\ce{CO2}$
• Wasser $\ce{H2O}$

Der natürliche Kalkkreislauf – Einzelschritte

In der Abbildung siehst du den natürlichen Kalkkreislauf dargestellt. Man kann ihn in drei wichtige Schritte unterteilen:

1. Zersetzung des Kalksteins

Calcit besitzt mit $\pu{0,014 g//l}$ (bei $\pu{20 °C}$) eine extrem geringe Löslichkeit in Wasser. Er ist praktisch nicht wasserlöslich. Dennoch sind kalkhaltige Gesteine sehr stark durch Verwitterung beansprucht. Der Grund dafür liegt im in der Atmosphäre vorhandenen Kohlenstoffdioxid. Dieses bildet mit Wassermolekülen (Regen, Meerwasser) zunächst Kohlensäure und anschließend Calciumhydrogencarbonat nach folgenden Reaktionen:

$\ce{CO2 + H2O <=> H2CO3}$

$\ce{CaCO3 + H2CO3 -> Ca(HCO3)2}$

Das entstehende Calciumhydrogencarbonat ist mit $\pu{1,66 g//l}$ (bei $\pu{20 °C}$) gut in Wasser löslich und dissoziiert weiter zu Calcium- und Hydrogencarbonationen:

$\ce{Ca(HCO3)2 <=> Ca2+ + 2 HCO3-}$

2. Abtransport der Ionen

Die gelösten Ionen werden nun mit dem Wasser in Bächen, Flüssen bis hin zum Meer weitertransportiert. Zum Teil versickern sie auch an Ort und Stelle im Boden bzw. durch poröses Gestein. Dies geschieht, solange sich die Umgebungsbedingungen nicht ändern.

3. Ausfällung der gelösten Bestandteile

Verschiedene Faktoren können nun eine Ausfällung der gelösten Ionen begünstigen. Wird es z. B. wärmer, verdunstet das Wasser. Auch eine Übersättigung an gelösten Ionen führt zu deren Ausfällen. Je höher der pH-Wert, also desto basischer, umso mehr Calciumcarbonat fällt wieder aus dem Wasser aus. Der Prozess läuft nun wieder umgekehrt ab bzw. verschiebt sich zur Seite der Edukte (links vom Reaktionspfeil) der oben genannten Reaktionsgleichungen. Dies geschieht z. B. wenn Oberflächenwasser in Karstgebieten in unterirdische Höhlen versickert. Ist es dort wärmer, fallen die gelösten Ionen wieder aus und bilden die hängenden Stalaktiten bzw. stehenden Stalagmiten in den bekannten Tropfsteinhöhlen.

Beteiligung von Magnesium

In der Natur besteht Kalkstein äußerst selten nur aus reinem Calcit. Dieser enthält oft Anteile von Magnesium ($\ce{Mg}$). Die dazugehörigen Minerale sind Magnesit $\ce{MgCO3}$ und Dolomit $\ce{CaMg(CO3)2}$. Die Löslichkeit dieser Verbindungen unterscheidet sich im Einzelnen von der Calcit-Löslichkeit, die ablaufenden Prozesse sind jedoch ähnlich. Neben Calciumhydrogencarbonaten entstehen dann auch Magnesiumhydrogencarbonate. Diese sind im Übrigen auch für die Wasserhärte bestimmend. Je höher ihr Anteil, desto höher auch die Härte des Wassers.

Das Video Kalkkreislauf

Wie entstehen eigentlich Tropfsteinhöhlen mit ihren Stalagmiten und Stalaktiten? Diese Frage wird dir im folgenden Video mithilfe des Kalkkreislaufes beantwortet. Dieser beginnt mit dem Kalkstein, welcher von Wasser und Kohlenstoffdioxid angegriffen und aufgelöst wird. Die Calciumhydrogencarbonat-Lösung fließt dann ab und kann sich an einem neuen Ort sammeln, abtropfen und erneut verfestigen. Dabei wird wieder Wasser und Kohlenstoffdioxid abgegeben und neuer Kalkstein bildet sich. Wie genau die einzelnen Schritte aussehen und welche Reaktionen dabei ablaufen, kannst du dir im Video ansehen.
Wenn du wissen möchtest, was sich hinter den Begriffen Brennen und Löschen des Kalks, sowie Abbinden von Kalk verbirgt, empfehlen wir dir das Video Kalkstein, Branntkalk, Löschkalk.
Im Anschluss hast du die Möglichkeit, dein Wissen anhand von interaktiven Arbeitsblättern und Übungen zu festigen. Mit den neuen Informationen zum Thema Kalkkreislauf kannst du jetzt auch ein Referat halten.