Waterguide - Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht

Was ist das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht?

Das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht (auch Calcitsättigung genannt) beschreibt das chemische Gleichgewicht zwischen gelöstem Kalk bzw. Calciumcarbonat (CaCO3, CaO oder Ca(OH)2), der Kohlensäure (H2CO3) und dem Kohlendioxid CO2. Dieses Gleichgewicht ist essenziell für die Umwelt und sehr wichtig bezüglich der Wasserhärte im Trinkwasser.

Wie ist das chemische Gleichgewicht der Calcitsättigung?

Kommt CO2 in Kontakt mit Regen, löst es sich zu 99 % physikalisch. Ca. 1 % reagiert durch eine Reaktion mit den Wassermolekülen zu Kohlensäure H2CO3.

CO2 + H2O → H2CO3

Abhängig von dem pH-Wert kann die Kohlensäure dissoziieren und es entstehen Hydrogencarbonat (HCO3-) und ein Oxonium (H3O+). Bei einem pH-Wert von 6,5 liegen CO2 und HCO3- in gleich großen Anteilen vor.

H2CO3 + H2O → HCO3- +  H3O+

Bei einer weiteren Erhöhung des pH-Wertes dissoziiert Hydrogencarbonat und es entsteht das Carbonat-Ion CO32+. Bei einem pH-Wert von 10,5 liegen HCO3- und CO32- in gleich großen Anteilen vor.

HCO3 + H2O → CO32- + H3O+

Calcium wird durch CO2-haltiges Wasser aus Gesteinen wie Kalkstein oder Gips gelöst und reagiert nach folgender Gleichgewichtsreaktion:

Ca2+ + 2 HCO3- → CaCO3 + H2CO3

Wie entstehen die Gleichgewichtsverschiebungen?

Durch eine Erhöhung des pH-Wertes entsteht mehr HCO3 und CO32+.

Beispiel: Durch Zugabe von Natronlauge in das CO2-haltige Wasser, entstehen mehrere Reaktionen, da Kohlensäure wie oben beschrieben in mehreren Stufen dissozziert. Als Folge dessen liegt am Ende weniger CO2 im Wasser vor.

Durch eine Erniedrigung des pH-Wertes entsteht mehr CO2.

Beispiel: Durch Zugabe von Salzsäure verläuft die Reaktion mit der Natronlauge in umgekehrter Reihenfolge ab. Am Ende liegt mehr CO2 im Wasser vor.

Je nach Gewässer, kann es vorkommen, dass mehr Calcium vorliegt und somit das Gleichgewicht gestört wird. Die Gleichgewichtsrichtung ändert sich auf die Eduktseite. Liegt mehr Kohlendioxid vor, so verschiebt sich das Gleichgewicht mehr in Richtung der Produktseite.

Ebenfalls sorgen Verdunstungen für eine Konzentrationsänderung im Wasser.

Was ist freie und gebundene Kohlensäure?

Freie Kohlensäure: Liegt fast nur als CO2 vor. (ca. 1 % als Kohlensäure)

Gebundene Kohlensäure: Liegt gebunden in Carbonaten vor CaCO3.

Welche Auswirkung hat die Gleichgewichtsverschiebung?

Kohlensäureüberschüss: pH-Wert ist niedrig (Im sauren Bereich) und verursacht dadurch das Absterben der umliegenden Bäume (Ätzende Wirkung). Entsteht auch dadurch, wenn saurer Regen auf Kalkarmen Boden trifft und die Säure nicht neutralisiert werden kann.

Saurer Regen wird Regenwasser bezeichnet, welches einen niedrigen pH-Wert besitzt (zwischen 4,2 und 4,8). Dieser Regen entsteht durch säurebildende Gase, welche durch spezielle Gegebenheiten in der Natur vorkommen. Dieser Effekt wird durch menschliches Zutun, im allgemeinen durch Abgase, verstärkt.

Kohlendioxidüberschüss: Korrodierende Wirkung in Metallleitungen. Löst Metalle wir Kupfer, Blei und Nickel heraus.

Da Trinkwässer sich in einem bestimmten pH-Bereich bewegen müssen und nicht calcitlösend sein dürfen, muss in der Wasseraufbereitung ein stabiles Gleichgewicht eingestellt werden.

 

 

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