Kalkstein · CaCO₃
Calciumcarbonat: schwer löslicher Feststoff, etwa in Kalkstein und vielen Kalkablagerungen.
Chemie · Verstehen und üben
Kalkkreislauf und Wasserhärte
Unterscheide Kalkstein, Branntkalk und Löschkalk. Erkläre mit Reaktionsgleichungen, warum Kalk sich löst, ausfällt und die Wasserhärte beeinflusst.
CaCO₃ → CaO → Ca(OH)₂ → CaCO₃
Stoffumwandlung · Gleichgewicht · Alltag
Kalk ist nicht immer derselbe Stoff
Im technischen Kalkkreislauf wird Calciumcarbonat erst in Calciumoxid, dann in Calciumhydroxid und schließlich wieder in Calciumcarbonat umgewandelt. Die ähnlichen Alltagsnamen stehen also für verschiedene chemische Stoffe.
Branntkalk · CaO
Calciumoxid: entsteht beim Erhitzen von Kalkstein und reagiert mit Wasser stark exotherm.
Löschkalk · Ca(OH)₂
Calciumhydroxid: bildet eine basische Lösung. Eine klare gesättigte Lösung nennt man Kalkwasser.
Gelöstes Calcium · Ca²⁺
In Wasser liegen Calcium-Ionen gelöst vor. Klares Wasser kann daher hart sein, ohne sichtbare Kalkteilchen zu enthalten.
Brennen, Löschen und Abbinden als Reaktionsgleichungen
1 · Brennen: CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g)
Die thermische Zersetzung benötigt Energie. Zusätzlich zum Energiebedarf wird CO₂ aus dem Carbonat selbst freigesetzt.
2 · Löschen: CaO(s) + H₂O(l) → Ca(OH)₂(s)
Die Reaktion setzt viel Wärme frei. „Löschen“ bedeutet hier eine chemische Reaktion mit Wasser, nicht bloß das Lösen eines Feststoffs.
3 · Abbinden: Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O
Luftkalkmörtel reagiert mit Kohlenstoffdioxid aus der Luft. Das entstehende Calciumcarbonat trägt zur Verfestigung bei. Feuchtigkeit ist für die Carbonatisierung wichtig; dies ist nicht der allgemeine Härtungsmechanismus jedes Zements.
Die Gleichungen erklären die Stoffumwandlung. Branntkalk und Calciumhydroxid gehören wegen Wärmeentwicklung und Ätzwirkung nicht in einen unbeaufsichtigten Versuch.
Warum CO₂-haltiges Wasser Kalk lösen kann
CaCO₃(s) + CO₂(aq) + H₂O(l) ⇌ Ca²⁺(aq) + 2 HCO₃⁻(aq)
Kohlenstoffdioxid im Wasser ermöglicht die Umwandlung von Carbonat zu Hydrogencarbonat. Calcium- und Hydrogencarbonat-Ionen liegen gelöst vor. So kann Wasser auf seinem Weg durch Kalkgestein Calcium aufnehmen.
Entweicht CO₂, kann die Rückreaktion begünstigt werden. Erwärmen fördert unter geeigneten Bedingungen die CO₂-Abgabe und Kalkabscheidung – etwa im Wasserkocher.
Ca²⁺ + 2 HCO₃⁻ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O
Das ist ein vereinfachtes Gleichgewichtsmodell. Ob und wie viel Kalk ausfällt, hängt auch von Konzentration, pH, Temperatur und Übersättigung ab.
Kalk-Labor: Lösen oder abscheiden?
Wähle eine Änderung. Erkläre jeweils, welche Stoffe reagieren und warum sich die Richtung ändert.
CaCO₃ + CO₂ + H₂O ⇌ Ca²⁺ + 2 HCO₃⁻
Folge im Modell
Lösen wird begünstigt
Begründung
Zusätzliches gelöstes CO₂ kann bei vorhandenem Kalk die Bildung gelöster Calcium- und Hydrogencarbonat-Ionen begünstigen.
Wasserhärte: Calcium und Magnesium zählen
Die Gesamthärte wird im Wesentlichen durch gelöste Calcium- und Magnesium-Ionen bestimmt. Natrium-Ionen zählen nicht zu diesen Härtebildnern.
Carbonathärte
Der mit Hydrogencarbonat beziehungsweise Carbonat verknüpfte Anteil kann durch Erhitzen teilweise vermindert werden. Häufig heißt er vorübergehende Härte.
Nichtcarbonathärte
Härtebildner können auch mit Sulfat oder Chlorid vorliegen. Abkochen entfernt diese Härte nicht einfach vollständig.
Seife in hartem Wasser
Ca²⁺ und Mg²⁺ können mit Fettsäure-Anionen schwer lösliche Salze bilden. Diese Kalkseifen verringern die nutzbare Seifenmenge.
Ionenaustausch
Ein Enthärter kann Ca²⁺ und Mg²⁺ gegen Na⁺ austauschen. Das enthärtet, entsalzt das Wasser aber nicht vollständig.
Ca²⁺ + 2 R–COO⁻ → (R–COO)₂Ca↓
Mehr dazu: Seifen und Tenside.
Beispiel: Stoffmengen beim Kalkbrennen
Im idealisierten Modell werden 100 g reines CaCO₃ vollständig zersetzt. Verwende gerundet M(CaCO₃) = 100 g/mol, M(CaO) = 56 g/mol und M(CO₂) = 44 g/mol.
n(CaCO₃) = 100 g / (100 g/mol) = 1,00 mol
1 mol CaCO₃ → 1 mol CaO + 1 mol CO₂
m(CaO) = 56 g · m(CO₂) = 44 g
Massenkontrolle: 56 + 44 = 100 g. Die Masse des verbleibenden Feststoffs sinkt, weil CO₂ entweicht – nicht weil Masse vernichtet wird.
Selbstcheck: Kalkreaktionen und Wasserhärte
1 · Ordne CaCO₃, CaO und Ca(OH)₂ den drei Kalknamen zu.
Tipp anzeigen
Kalkstein, Branntkalk und Löschkalk.
Lösung anzeigen
CaCO₃: Kalkstein; CaO: Branntkalk; Ca(OH)₂: Löschkalk.
2 · Welche Reaktion läuft beim Kalkbrennen ab?
Tipp anzeigen
Ein Gas wird abgespalten.
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CaCO₃ → CaO + CO₂; die Zersetzung benötigt Energie.
3 · Warum ist Kalklöschen kein bloßes Auflösen?
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Entsteht ein neuer Stoff?
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Ja. CaO reagiert mit H₂O zu Ca(OH)₂; dabei wird Wärme frei.
4 · Warum kann klares Wasser hart sein?
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Gelöste Ionen sind nicht als Körnchen sichtbar.
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Ca²⁺ und Mg²⁺ können gelöst vorliegen. Sichtbare Trübung ist für Härte nicht erforderlich.
5 · Erkläre die Kalkabscheidung beim Erwärmen mit einer Gleichung.
Tipp anzeigen
Hydrogencarbonat ist beteiligt.
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Ca²⁺ + 2 HCO₃⁻ → CaCO₃↓ + CO₂ + H₂O. CO₂-Abgabe kann die Abscheidung begünstigen.
6 · Entfernt Abkochen jede Wasserhärte?
Tipp anzeigen
Unterscheide Carbonat- und Nichtcarbonathärte.
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Nein. Die vorübergehende Härte kann teilweise vermindert werden; Nichtcarbonathärte wird durch Abkochen nicht zuverlässig entfernt.
7 · 250 g reines CaCO₃ werden vollständig gebrannt. Berechne CaO und CO₂.
Tipp anzeigen
Skaliere das 100-g-Beispiel mit 2,5.
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Es entstehen 140 g CaO und 110 g CO₂. Zusammen 250 g.
8 · Warum verbraucht hartes Wasser mehr Seife?
Tipp anzeigen
Denke an Calcium und Fettsäure-Anionen.
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Schwer lösliche Kalkseifen entstehen. Dadurch steht weniger gelöste Seife für die Waschwirkung zur Verfügung.
Kurzer Begriffscheck
Für Wasserhärte sind vor allem verantwortlich …
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Für den Unterricht: Stoffnamen und Teilchenebene verbinden
Einstieg: Die drei Kalkstoffe anhand ihrer Formeln unterscheiden.
Partnerarbeit: Im Kalk-Labor die Reaktionsrichtung vorhersagen.
Sicherung: Den Massenverlust beim Brennen berechnen und Kalkablagerungen chemisch erklären.
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