Der Kalkkreislauf

Der Kalkkreislauf Übung

• Bestimme die Formeln der beteiligten Stoffe am Kalkkreislauf.

  Tipps

  Achte auf die richtigen Ladungen.

  Lösung

  Kohlenstoffdioxid und Wasser spielen die wichtigste Rollen im ersten Schritt – die Zersetzung der Kalkfelsen. Durch die beiden Stoffe wird das Calciumcarbonat $CaCO_3$ umgewandelt zu Calciumhydrogencarbonat $Ca(HCO_3)_2$. Das Carbonation ${CO_3}^{2-}$ ist zweifach negativ geladen und das Calciumion ist zweifach positiv geladen. Anders ist es bei dem Calciumhydrogencarbonat. Das Hydrogencarbonation ist immer einfach negativ geladen $({HCO_3}^-)$.

  Beide Anionen entstehen durch Deprotonierung der Kohlensäure ${H_2CO_3}$. Wird ein Proton abgegeben, also eine positive Ladung, entsteht das Hydrogencarbonat, welches einfach negativ geladen ist. Wird nun ein weiteres Proton abgegeben, entsteht das Carbonation, welches zweifach negativ geladen ist.

  Deshalb braucht man zwei Hydrogencarbonat-Ionen als Ausgleich in der Reaktion mit Calcium.

• Nenne die einzelnen Schritte des Kalkkreislaufes.

  Tipps

  Überlege, welche Reaktionen bei den jeweiligen Vorgängen ablaufen.

  Die Reaktionen sind außerhalb der Kästchen anzubringen.

  Lösung

  Der natürliche Kalkkreislauf besteht aus drei Schritten.

  Im ersten Schritt sind zwei Reaktionen von besonderer Bedeutung: Zunächst reagieren Wasser und Kohlenstoffdioxid mit dem Calciumcarbonat ($CaCO_3$) der Kalkfelsen zum Calciumhydrogencarbonat ($Ca(HCO_3)_2$. Dieses Calciumhydrogencarbonat dissoziiert dann in Wasser zu Calcium-Ionen und zu Hydrogencarbonat-Ionen.

  • $Ca(HCO_3)_2$ $\rightleftarrows$ $Ca^2+$ + $2HCO_3$

  Im zweiten Schritt läuft keine direkte Reaktion ab. Im dritten Schritt jedoch erfolgen wieder zwei Reaktionen. Zunächst reagieren die im wassergelösten Calcium- und Hydrogencarbonat-Ionen wieder zum Calciumhydrogencarbonat. Die Dissoziation wird umgekehrt.

  • $Ca^2+$ + $2HCO_3$ $\rightleftarrows$ $Ca(HCO_3)_2$

  Das Calciumhydrogencarbonat wird durch die Wärme zersetzt zu Calciumcarbonat und Kohlensäure.

  • $Ca(HCO_3)_2$ $\to$ $CaCO_3$ + $H_2CO_3$

  Diese Kohlensäure ist aber nicht sehr beständig und reagiert deshalb gleich zu Kohlenstoffdioxid und Wasser.

  • $H_2CO_3$ $\to$ $H_2O$ + $CO_2$

• Erkläre, wie Kalk im Haushalt entstehen kann.

  Tipps

  $Ca(HCO_3)_2 \rightarrow CaCO_3 + H_2O + CO_2$

  Lösung

  Im Haushalt läuft im wesentlichen der dritte Schritt des Kalkkreislaufes statt – die Verdunstung des Wassers. Unser Leitungswasser enthält in der Regel oft sehr viele Calcium-, Hydrogencarbonat- und Magnesium-Ionen, welche das sogenannte harte Wasser hervorrufen. Je höher die Konzentration an Ionen ist, desto härter ist das Wasser. Kocht man dieses Wasser nun z.B. im Wasserkocher auf, passiert dieselbe Reaktion wie in den Tropfsteinhöhlen, nur viel schneller. Die Calciumionen und Hydrogencarbonat reagieren wieder zum Calciumhydrogencarbonat, welches durch die Wärme im Kocher zu Calciumcarbonat (Kalk), Wasser und Kohlenstoffdioxid, welches aufsteigt, reagiert. Nach und nach lagert sich der Kalk an den Wänden ab. Kalk kann ganz einfach mit verdünnten Säure entfernt werden.

• Erschließe, welche Objekte zur Entfernung von Kalk nützlich sind.

  Tipps

  Säuren können Kalk entfernen.

  Lösung

  Säuren besitzen die Fähigkeit, Kalk zu entfernen. In der Zitrone befindet sich die Citronensäure und in der Cola die Phosphorsäure. Besonders gut ist aber auch Essigsäure geeignet, die sich zum Beispiel in Essig oder Essigessenz befindet. Der Nachteil hier ist der stechende Geruch. Die Essigsäure reagiert mit dem Kalk zu Calciumacetat und Kohlensäure.

  • $2~CH_3COOH + CaCO_3 \rightarrow Ca(CH_3COO)_2 + H_2CO_3$

  Das entstandene Calciumacetat kann ganz einfach mit Wasser weggewaschen werden und die Kohlensäure zerfällt in Wasser und Kohlenstoffdioxid.

  Grundsätzlich gilt für alle Säuren:

  • $2~H^+ + CaCO_3 \rightarrow Ca^{2+} + H_2CO_3$

• Bestimme die drei Schritte des natürlichen Kalkkreislaufs.

  Tipps

  Bedenke, dass es sich hierbei um den natürlichen Kalkkreislauf handelt.

  Lösung

  Man unterscheidet zwischen dem natürlichen und dem technischen Kalkreisklauf. Wir behandeln in dieser Übung nur den natürlichen Kalkkreislauf. Dieser besteht aus drei Schritten. Zunächst erfolgt die Zersetzung der Kalkfelsen, welche aus Calciumcarbonat ($CaCO_3$) bestehen. Calciumcarbonat ist nicht wasserlöslich. Wasser und Kohlenstoffdioxid wirken auf den Kalkfelsen ein. Zusammen können sie das Calciumcarbonat zersetzen. Es entsteht das Calciumhydrogencarbonat, welches wasserlöslich ist. Es dissoziiert in Calcium-Ionen und Hydrogencarbonat-Ionen. Danach folgt der zweite Schritt. Bei diesem erfolgt der Abtransport dieser Ionen, z.B. in Flüsse. Der letzte und dritte Schritte ist die Verdunstung des Wassers. Hier erfolgt die Umkehrung der Dissoziation. Die Calcium- und Hydrogencarbonat-Ionen reagieren wieder zu Calciumhydrogencarbonat. Durch die Wärme reagiert dieses wieder zu Calciumcarbonat, Wasser und Kohlenstoffdioxid und der Kreislauf beginnt von vorn.

• Formuliere die Reaktionsgleichungen von Magnesiumcarbonat.

  Tipps

  Achte auf den Ladungsausgleich.

  Beachte die Reaktionsart.

  Lösung

  Calcium und Magnesium bilden beide zweiwertige Kationen, da sie beide in der zweiten Hauptgruppe stehen. Die Reaktionen von Magnesiumcarbonat sind daher vergleichbar mit denen von Calciumcarbonat.

  Zunächst reagiert das Magnesiumcarbonat mit Wasser und Kohlenstoffdioxid zu Magnesiumhydrogencarbonat. Auch Magnesium ist wie Calcium zweifach positiv geladen, deshalb braucht man auch hier zweimal das Hyrogencarbonation. Das Magnesiumhydrogencarbonat kann genauso wie das Calciumhydrogencarbonat in Wasser zu Magnesium-Ionen und Hydrogencarbonat-Ionen reagieren. Magnesiumhydrogencarbonat kann dann durch Wärme wieder zu Magnesiumcarbonat und Kohlensäure reagieren. Aufgrund der schlechten Beständigkeit der Kohlensäure zerfällt diese wieder in Kohlenstoffdioxid und Wasser.