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Kohlensäure und Wasserhärte

Die Kohlensäure im Wasser beeinflusst die Wasserhärte.

Definition der Härte im Wasser

Unter Wasserhärte versteht man den Gehalt des Wassers an Calcium- (Ca 2+ ) und Magnesium-Ionen (Mg 2+ ).

Definition der Härte im Wasser

Unter Wasserhärte versteht man den Gehalt des Wassers an Calcium- (Ca 2+ ) und Magnesium-Ionen (Mg 2+ ). Definition : Härte = c(Ca 2+ ) + c(Mg 2+ ) [mol/m³] bzw. [mmol/L] [ c() = Stoffmengenkonzentration ] Die Angabe in Grad deutscher Härte (°dH) ist veraltet aber dennoch immer noch in Gebrauch. 1 mol/m³ = 5,6 °dH Das Verhältnis von Ca zu Mg im Wasser beträgt allgemein etwa 5:1, also ca. 83% Ca und 17% Mg. Der Anteil an Magnesium kann aber je nach Geologie auch höher oder niedriger liegen. Die Eigenschaft, dass Wasser mit hoher Härte beim Wäschewaschen zu harter und spröder Wäsche führt, ist heute größtenteils nicht mehr von Bedeutung. Früher wurden Seifen zur Wäsche verwendet, die dann mit den Härtebildnern zu sogenannten Kalkseifen reagierten und sich in der Wäsche ablagerten, was die Kleidung hart und spröde machte. Diese Eigenschaft der Härtebildung haben alle Erdalkali-Ionen: Elemente der 2. Hauptgruppe des Periodensystems (Erdalkalimetalle): Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium (Sr), Barium (Ba), Radium (Ra) Da die anderen Erdalkali-Ionen aber nur in geringen Konzentrationen oder überhaupt nicht im Wasser enthalten sind, hat man die Definition der Wasserhärte auf Calcium und Magnesium begrenzt. Heute verwendet man überwiegend synthetische Waschmittel, meist Sulfonate, die diese Eigenschaft nicht haben. Weiterhin bleibt aber von Bedeutung, dass Kalk beim Erhitzen des Wassers ausfällt und zu technischen Problemen führen kann. Deswegen werden Waschmitteln sogenannte Härtestabilisatoren beigemischt.
Da jedoch der Erdboden und das Gestein unterschiedliche Kalkgehalte aufweisen, ist die Härte im Wasser regional sehr unterschiedlich und abhängig von der Geologie im jeweiligen Gebiet. Die Löslichkeit von Gips ist relativ hoch (CaSO 4 : L = 6,1 10 -5 (mol/L) 2 25 °C), so dass Wasser in Kontakt mit Gipslagerstätten viel gelöstes Calcium, aber auch Sulfat in höheren Konzentrationen enthalten kann. Dies trifft für Calcium-reiche Mineralwässer zu. (L = Löslichkeitsprodukt) In Carbonat-haltigem Gestein kann sich durch das geringere Löslichkeitsprodukt für Calcit (CaCO 3 : L = 3,9 • 10 -9 (mol/L) 2 10 °C) nur weniger Calcium lösen. Die Löslichkeit wird aber durch Vorhandensein von CO 2 durch den dadurch erniedrigten pH-Wert erhöht. In chemischen Gleichungen wird die durch CO 2 verstärkte Löslichkeit für Calcit häufig vereinfacht in einer einzigen Reaktionsgleichung dargestellt: Summarisch ( vereinfacht !! ): CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Ca 2+ + 2 HCO 3 - Die größere Löslichkeit des Calcits wird aber allein durch die Senkung des pH-Wertes durch das CO 2 verursacht (ausführliche Reaktionsmechanismen werden im Fachbuch dargestellt). Durch die Lösung des Carbonats steigt der pH-Wert wieder an. Weitere chemische Umsetzungen des CO 2 im Boden mit silikatischen Mineralien (Ton) führen unter anderem auch zur Freisetzung von Calcium- und Magnesium-Ionen: - silikatische Mineralien (Tone) Ton + CO 2 K, Na, Mg, Ca, Al, Silikate Beispielhafte Härtegrade natürlicher Wässer: 21 °dH Grundwasser Gaienhofen (Bodensee) 16 °dH Grundw. Münsterländer Kiessandzug 9 °dH Bodensee 3 °dH Talsperrenwasser Harz
Härtegrade im Wasser in mmol/L und °dH
Abbildung: Härtegrade im Wasser
Abbildung: Kalksandstein mit Klüften (Leerbachquelle)
Abbildung: Dolomit (Rhumequelle)

Entstehung der Härte im Wasser

Calcium und Magnesium liegen als Mineralien im Boden und im Gestein vor, Calcium primär als Calcit (CaCO 3 ) und Gips (CaSO 4 ), Magnesium als Dolomit CaMg(CO 3 ) 2 , Magnesit oder als Silikat. Beim Kontakt von Wasser mit dem Boden/Gestein lösen sich die Mineralien im Wasser. Die Lösung von Carbonaten führt zu einer Erhöhung der Härte (Ca/Mg) !
Kalksandstein Dolomit

Kalk und Kohlensäure im Haushalt

Im Haushalt führt besonders Kalk wegen seiner geringen Löslichkeit zu Problemen. Der Magnesiumanteil der Härte ist dagegen im Haushalt nicht von Bedeutung, da Magnesium unter diesen Bedingungen nur leicht lösliche Verbindungen bildet. Wenn Wassertropfen auf Oberflächen trocknen, dann bleiben weiße Ränder zurück. Will man diese mit einem feuchten Lappen wegwischen, so entfernt man zwar alle leicht löslichen Verbindungen wieder, aber der ausgefallene Kalk bleibt hartnäckig zurück, so dass immer noch weiße Ränder zu sehen sind. Bei der Verkalkung von Geräten ist besonders die Erwärmung des Wassers von Bedeutung. Bei steigender Temperatur sinkt die Löslichkeit von Calcit und Kalk kann dann stärker ausfallen. Besonders deutlich wird dies häufig in Wasserkochern auf Heizspiralen zur Wassererwärmung. Über Duschköpfe und Perlatoren an den Wasserhähnen kommt das erwärmte Wasser aus den Leitungen. Durch die Erwärmung hat die Kalklöslichkeit abgenommen und das Wasser ist kalkabscheidend geworden. Zusätzlich geht CO 2 (Kohlensäure) an die Luft verloren, was die Kalkabscheidung erhöht.
Verkalkter Duschkopf Heizspirale mit Kalkablagerungen Verkalkter Perlator
Abbildung: Verkalkte Heizspirale
Abbildung: Duschkopf und Perlator mit Kalkablagerungen
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Kohlensäure und Wasserhärte

Die Kohlensäure im Wasser beeinflusst die Wasserhärte.

Definition der Härte im Wasser

Unter Wasserhärte versteht man den Gehalt des Wassers an Calcium- (Ca 2+ ) und Magnesium-Ionen (Mg 2+ ). Definition : Härte = c(Ca 2+ ) + c(Mg 2+ ) [mol/m³] bzw. [mmol/L] [ c() = Stoffmengenkonzentration ] Die Angabe in Grad deutscher Härte (°dH) ist veraltet aber dennoch immer noch in Gebrauch. 1 mol/m³ = 5,6 °dH Das Verhältnis von Ca zu Mg im Wasser beträgt allgemein etwa 5:1, also ca. 83% Ca und 17% Mg. Der Anteil an Magnesium kann aber je nach Geologie auch höher oder niedriger liegen. Die Eigenschaft, dass Wasser mit hoher Härte beim Wäschewaschen zu harter und spröder Wäsche führt, ist heute größtenteils nicht mehr von Bedeutung. Früher wurden Seifen zur Wäsche verwendet, die dann mit den Härtebildnern zu sogenannten Kalkseifen reagierten und sich in der Wäsche ablagerten, was die Kleidung hart und spröde machte. Diese Eigenschaft der Härtebildung haben alle Erdalkali-Ionen: Elemente der 2. Hauptgruppe des Periodensystems (Erdalkalimetalle): Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium (Sr), Barium (Ba), Radium (Ra) Da die anderen Erdalkali-Ionen aber nur in geringen Konzentrationen oder überhaupt nicht im Wasser enthalten sind, hat man die Definition der Wasserhärte auf Calcium und Magnesium begrenzt. Heute verwendet man überwiegend synthetische Waschmittel, meist Sulfonate, die diese Eigenschaft nicht haben. Weiterhin bleibt aber von Bedeutung, dass Kalk beim Erhitzen des Wassers ausfällt und zu technischen Problemen führen kann. Deswegen werden Waschmitteln sogenannte Härtestabilisatoren beigemischt.
Da jedoch der Erdboden und das Gestein unterschiedliche Kalkgehalte aufweisen, ist die Härte im Wasser regional sehr unterschiedlich und abhängig von der Geologie im jeweiligen Gebiet. Die Löslichkeit von Gips ist relativ hoch (CaSO 4 : L = 6,1 10 -5 (mol/L) 2 25 °C), so dass Wasser in Kontakt mit Gipslagerstätten viel gelöstes Calcium, aber auch Sulfat in höheren Konzentrationen enthalten kann. Dies trifft für Calcium-reiche Mineralwässer zu. (L = Löslichkeitsprodukt) In Carbonat-haltigem Gestein kann sich durch das geringere Löslichkeitsprodukt für Calcit (CaCO 3 : L = 3,9 • 10 -9 (mol/L) 2 10 °C) nur weniger Calcium lösen. Die Löslichkeit wird aber durch Vorhandensein von CO 2 durch den dadurch erniedrigten pH-Wert erhöht. In chemischen Gleichungen wird die durch CO 2 verstärkte Löslichkeit für Calcit häufig vereinfacht in einer einzigen Reaktionsgleichung dargestellt: Summarisch ( vereinfacht !! ): CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Ca 2+ + 2 HCO 3 - Die größere Löslichkeit des Calcits wird aber allein durch die Senkung des pH-Wertes durch das CO 2 verursacht (ausführliche Reaktionsmechanismen werden im Fachbuch dargestellt). Durch die Lösung des Carbonats steigt der pH-Wert wieder an. Weitere chemische Umsetzungen des CO 2 im Boden mit silikatischen Mineralien (Ton) führen unter anderem auch zur Freisetzung von Calcium- und Magnesium-Ionen: - silikatische Mineralien (Tone) Ton + CO 2 K, Na, Mg, Ca, Al, Silikate Beispielhafte Härtegrade natürlicher Wässer: 21 °dH Grundwasser Gaienhofen (Bodensee) 16 °dH Grundw. Münsterländer Kiessandzug 9 °dH Bodensee 3 °dH Talsperrenwasser Harz
Härtegrade im Wasser in mmol/L und °dH
Abbildung: Härtegrade im Wasser
Abbildung: Kalksandstein mit Klüften (Leerbachquelle)
Abbildung: Dolomit (Rhumequelle)

Entstehung der Härte im Wasser

Calcium und Magnesium liegen als Mineralien im Boden und im Gestein vor, Calcium primär als Calcit (CaCO 3 ) und Gips (CaSO 4 ), Magnesium als Dolomit CaMg(CO 3 ) 2 , Magnesit oder als Silikat. Beim Kontakt von Wasser mit dem Boden/Gestein lösen sich die Mineralien im Wasser. Die Lösung von Carbonaten führt zu einer Erhöhung der Härte (Ca/Mg) !
Kalksandstein Dolomit

Kalk und Kohlensäure im Haushalt

Im Haushalt führt besonders Kalk wegen seiner geringen Löslichkeit zu Problemen. Der Magnesiumanteil der Härte ist dagegen im Haushalt nicht von Bedeutung, da Magnesium unter diesen Bedingungen nur leicht lösliche Verbindungen bildet. Wenn Wassertropfen auf Oberflächen trocknen, dann bleiben weiße Ränder zurück. Will man diese mit einem feuchten Lappen wegwischen, so entfernt man zwar alle leicht löslichen Verbindungen wieder, aber der ausgefallene Kalk bleibt hartnäckig zurück, so dass immer noch weiße Ränder zu sehen sind. Bei der Verkalkung von Geräten ist besonders die Erwärmung des Wassers von Bedeutung. Bei steigender Temperatur sinkt die Löslichkeit von Calcit und Kalk kann dann stärker ausfallen. Besonders deutlich wird dies häufig in Wasserkochern auf Heizspiralen zur Wassererwärmung. Über Duschköpfe und Perlatoren an den Wasserhähnen kommt das erwärmte Wasser aus den Leitungen. Durch die Erwärmung hat die Kalklöslichkeit abgenommen und das Wasser ist kalkabscheidend geworden. Zusätzlich geht CO 2 (Kohlensäure) an die Luft verloren, was die Kalkabscheidung erhöht.
Verkalkter Duschkopf Heizspirale mit Kalkablagerungen Verkalkter Perlator
Abbildung: Verkalkte Heizspirale
Abbildung: Duschkopf und Perlator mit Kalkablagerungen