Referat KALK - Reaktionen beim Herstellen und Abbinden von Löschkalk, KALK bei der Bodenentstehung, Kalk - Wasserenthärtung, KALK - Wasserhärte

KALK

Kalk ist Calciumcarbonat (Kalkspat, CaCO₃). Um Kalk als Bindemittel zu verwenden, wird das in Steinbrüchen abgebaute Kalkstein bei 1000°C gebrannt - "Kalkbrennen"- wobei sich Kohlendioxid abspaltet.

Das entstandene Calciumoxid (CaO) heißt in der Technik "gebrannter Kalk" = "Branntkalk".

Reaktionen beim Herstellen und Abbinden von Löschkalk:

CaCo₃                  CaO + CO₂

CaO + H₂O          Ca(OH)₂

Ca(OH)₂ + CO₂ CaCO₃ + H₂O

Es wird mit einer gewissen Menge Wasser versetzt, wobei es exotherm in einer Protolysereaktion zu Calciumhydroxid (Ca(OH)₂)  reagiert.

Den Vorgang bezeichnet man als "Kalklöschen", das Calciumhydroxid als "gelöschten Kalk". Dieser "Löschkalk" wird als Bindemittel für Mörtel zum Mauern und Verputzen eingesetzt. Dabei wird er mit Sand und Wasser gemischt. Kalkmörtel erhärtet unter Aufnahme von Kohlendioxid aus der Luft, wobei wieder das harte, schwer wasserlösliche Calciumcarbonat entsteht.

Nach dem Verarbeiten tritt scheinbar eine Erhärtung ein. Diese ist aber nur durch den Wasservelust bedingt. Kalkmörtel und Verputz sind sehr lange bearbeitbar. Der Erhärtungvorgang dauert Wochen, bei Mauern dicker Wände Monate bis Jahre. Da zum Erhärten Luft (d.h. CO₂) nötig ist, nennt man Kalkmörtel auch Luftmörtel. Unter Wasser erhärtet Baukalk nicht. Beim Erhärten wird Wasser frei. Daher sind frisch verputzte Wände noch monatelang feucht.

Der Erhärtungsvorgang verläuft unter Volumsverringerung. Um dieses Schwinden zu verringern, muß Sand zugesetzt werden - Kalk kann also nicht ohne Sandzusatz verarbeitet werden. Bei dickeren Veputzschichten treten trotzdem Schwindungsrisse auf. Daher verputzt man zweilagig, wobei erst die dünne Feinputzschicht die glatte, rißfreie Oberfläche ergibt.

Kalk ist aber nicht nur als Bindemittel von Bedeutung. Große Mengen Kalk benötigt man für die Glasherstellung, die Sodaherstellung (Solvay-Verfahren) und für die Herstellung von Zement.

Ein weiteres wichtiges Produkt, das ausgehend von Kalk, hergestellt wird, ist Calciumcarbid CaC₂. Dabei wird gebrannter Kalk mit Koks im elektrischen Lichtbogenoffen bei über 2000°C zur Reaktion gebracht. Das Calciumcarbid wird anschließend mit Wasser umgesetzt. Dabei entsteht Acetylen (Ethin: C₂H₂), das technisch wichtigste Schweißgas.

Calciumcarbid-Reaktionen

CaO + 3C CaC₂ + CO

CaC₂ + 2H₂O Ca(OH)₂ + C₂H₂

Verwendung von Kalk:

T  Glas

T  Soda

T  Zement

T  Baukalk

T  Calciumcarbid Acetylen

T  Füllstoff (z.B. Papier)

T  Zuschlagstoff (Stahlerzeugung)

KALK bei der Bodenentstehung

Der erste Schritt zur Entstehung der Böden ist die Gesteinsverwitterung. Kalk- und Dolomitgestein verwittern durch den Einfluß des Kohlendioxids aus der Atmosphäre und des Wassers. Dabei wandeln sich die Carbonate in lösliche Hydrogencarbonate um. Diese Verwitterung verläuft ziemlich rasch und führt daher zu den typischen schroffen Verwitterungsformen, wie sie aus den Kalkalpen und den Karstgebieten bekannt sind (tief eingeschnitte Täler, Höhlen und Dolinen). Wasser rinnt in Kalkgebirgen vorwiegend im Inneren der Berge durch Spalten und Höhlen ab. Da das Verwitterungsprodukt Hydrogencarbonat vom Wasser als Wasserhärte abtransportiert wird, bleibt das als anorganischer Bodenbestandteil nur Carbonatgestein zurück. Dabei entstehen dünne Bodenschichten,  die sich nur bei einer geschlossenen Pflanzendecke halten können. Liegt der Boden ohne Pflanzendecke offen, so wird er rasch weggeschwemmt. Eine Neubildung braucht sehr lange. Daher sind die Karstgebiete nur wenig fruchtbar. Anders verhält sich die Verwitterung der Silikate. Die geringe Löslichkeit bewirkt eine viel langsamere Verwitterung.

Kalkgestein                           silicatische Gesteine

schnelle Verwitterung                     langsame Verwitterung

schroffe Formen                              runde Formen

dünne Bodenschicht             dicke Bodenschicht

2H(AlSi₃O₈) + H₂O + CO₂  s K₂CO₃ + 2H(AlSi₃O₈)

Kalk - Wasserenthärtung

Enthärtetes Wasser wird nicht nur im Haushalt, sondern in großen Mengen auch in der Technik benötigt. Dabei wird das Wasser meist durch Zusatz von Salzen enthärtet, die die Härtebildner in unlösliche Verbindungen überführen. Dazu dienen Soda oder Calciumhydroxid. Die Härtebildner scheiden sich als Carbonate aus, die in Lösung verbleibenden Salze sind keine Härtebildner.

Wasserenthärtung durch Ausfällen der Härtebildner

Ca(HCO₃)₂ + Na₂CO₃  CaCO₃ + 2NaHCO₃

CaSO₄ + Na₂CO₃  CaCo₃ + Na₂SO₄

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂  2CaCO₃ + 2H₂O

Auch Waschmittel enthalten Wasserenthärter. Früher verwendete man dazu Polyphosphate, wie z.B. Natriumphosphat (NTP). Diese reagieren mit dem Calcium- und Magnesium-Ionen des Wassers zu wasserlöslichen Verbindungen (Komplexe). Diese Komplexe sind so feste Verbindungen, daß die Kesselsteinbildung und Kalkseifenbildung unterbunden wird, da die Ca²⁺- und Mg²⁺-Ionen nun nicht mehr frei sind. Heute sind diese Phosphate stark eingeschränkt, da sie Gewässerbelastungen herbeiführen.

Als Wasserenthärter in den heutigen Waschmitteln dient SASIL (Sodium-Aluminium-Silicate = Natrium). Dieses wirkt als Ionenaustauscher und ersetzt die Härtebildner durch Natriumionen.

KALK - Wasserhärte

Auch Süßwasser ist nicht frei von gelösten Salzen, die aus dem Boden aufgenommen werden. Den größten Anteil davon bilden meist Calcium- und Magnesiumsalze, die man als Wasserhärte bezeichnet. Sie gelangen durch Verwitterung von Kalk und Dolomit in das Wasser. Dabei entstehen die löslichen Salze Calcium- und Magnesiumhydrogencarbonat. Auch Calciumsulfat aus dem Gipsgehalt im Boden findet sich im Wasser gelöst.

Diese Härtebildner des Wassers haben eine wichtige Bedeutung. Völlig reines Wasser wäre über längere Zeiträume als Trinkwasser ungeeignet, da der Organismus einen Teil seiner Mineralstoffversorgung über das Trinkwasser bezieht. Reines Wasser würde dem Organismus sogar Mineralstoffe entziehen.

So wichtig die Härtebildner für Trinkwasser sind, so unangenehm wirken sie sich bei höherer Konzentration bei der Bereitung von Warmwasser aus. Beim Erhitzen kehrt sich die Reaktion der Carbonverwitterung um, und es entstehen aus den Hydrogencarbonaten wieder die wasserlöslichen Carbonate, da CO₂ aus dem heißen Wasser entweicht und so dem Gleichgewicht der Reaktion entzogen wird.

Ca(HCO₃)₂  CaCO₃ + H₂O + CO₂

Ca(HCO₃)₂ + Mg(HCO₃)₂  CaCO₃.MgCO₃ + 2H₂O + 2CO₂

Dieser Vorgang heißt Kesselsteinbildung, da sich Kessel zur Heißwasserbereitung so mit einer Schicht Kalk überziehen. Durch den Kesselstein werden Heizstäbe in Warmwasserboilern und Waschmaschinen zerstört, Wasserleitungsrohre in ihrem Querschnitt verengt und Armaturen angegriffen. Daher ist es notwendig, bei hoher Wasserhärte Enthärtungsanlagen zu installieren. Auch in der Technik schafft die Kesselsteinbildung Probleme. Daher muß Wasser für Dampfkessel und Kraftwerke enthärtet werden.

lösliche Seife

dafür verantwortlich

CaCO3 Carbonat härte

unlösliche Kalkseife Gesamt härte

H2O CO2

Waschen

Kochen

Hartes Wasser Ca2+   , Mg2+

Ein weiterer Nachteil von hartem Wasser ist seine Reaktion mit Seife. Seife besteht aus Natriumsalzen von Fettsäuren. Diese sind wasserlöslich. Im harten Wasser entstehen daraus die unlöslichen Calcium- und Magnesiumsalze der Fettsäuren, die Kalkseife. Hartes Wasser verringert die Waschwirkung von Seifen. Die unlöslichen Kalkseifen führen beim Waschen mit Seifenflocken zu einer zusätzlichen Anschmutzung der Wäsche. Daher enthalten Waschmittel immer Wasserenthärter. Auch der schmierige Belag, der in Badewannen und Waschbecken entsteht, ist Kalkseife.