Kohlensäure
Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht
Das
Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht
ist
von rein technischer Bedeutung.
Die Aufnahme von Kohlendioxid aus der
Atmosphäre erfolgt durch Niederschlagswasser und bei der Passage
durch den Boden und den Austausch mit der Bodenluft.
Nur etwa 0,7 % des gelösten CO2
reagiert mit Wasser unter Bildung von Kohlensäure, H2CO3,
die in der ersten Stufe in H+ und HCO3--Ionen
und in der zweiten Stufe in H+ und CO32-
-Ionen dissoziiert.
Definition:
- Das chemische
Gleichgewicht zwischen
den Ionen der Kohlensäure – dem Kohlendioxid und dem
Calciumcarbonat wird als "Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht"
bezeichnet.
- Es bestimmt
wesentlich den
kalkabscheidenden Charakter des Wassers oder den kalkauflösenden
Dissoziation der Kohlensäure
- Löst sich CO2
in
Wasser, reagiert es mit Wassermolekülen (H2O)
- Es entsteht
Kohlensäure H2CO3-
- Die
Kohlensäure dissoziiert,
d.h. sie zerfällt
- in
Hydroniumionen
H3O+
(=H+)
- in
Hydrogencarbonationen HCO3
- (Bicarbonat)
- in Carbonationen
CO32-
CO2 + H2O <-->
H2CO3
H2CO3
<--> H
+ + HCO3-
Die Bildung und Dissoziation der
Kohlensäure läuft in 2 Stufen ab und ist stark vom pH-Wert
abhängig:
CO2 + H2O
<--> H+ + HCO3-
HCO3-
<-->H + + CO32-
pH – Erniedrigung (H
+ - Erhöhung) -> mehr CO2
- pH –
Erhöhung (H
+ - weniger) -> mehr H2
CO3-
und
CO32-
Das Reaktionsgleichgewicht ist vom pH-Wert
abhängig:
Arten der Kohlensäure
Kohlensäure liegt fast
ausschließlich als CO2 vor, nur etwa 0,7% als
hydratisierte Kohlensäure
H 2CO3
Kohlensäure kann Kalziumkarbonat
CaCO3 auflösen und in Hydrogencarbonat umwandeln [Ca(HCO3)2],
das in Karbonaten gebundene CO2 ist
gebundene Kohlensäure, sie zerfällt beim Kochen in Karbonate
und CO2
- fest
gebundene Kohlensäure
ist in Karbonaten CaCO3 gebunden
- halb
gebundene Kohlensäure
ist in Hydrogencarbonat [Ca(HCO3)2] gebunden
- Hydrogencarbonate
würden
zerfallen, wenn nicht die sog. freie zugehörige
Kohlensäure vorhanden
wäre
- Ist keine weitere
Kohlensäure
vorhanden, befindet sich das Wasser im:
- Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht
- Ist weitere
Kohlensäure
vorhanden, ist dies freie überschüssige
Kohlensäure
- --> kein
Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht mehr vorhanden!
Aggressives Wasser: bei
Vorhandensein
freier überschüssiger Kohlensäure, Auflösung
von Kalk (Rostschutzschicht)
- Metallaggressiv
ist gesamte
freie Kohlensäure, also auch freie zugehörige
Kohlensäure,
- Herstellung von
Wasser im
Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht ist in der Aufbereitung
erforderlich!
- Kalkaggressiv
ist nur der Teil
der freien überschüssigen Kohlensäure, da nach Angriff
dieser Kohlensäure
auf Kalk wieder Ca(HCO3)2 entsteht, das zu seiner
Stabilisierung
eine weitere Menge an freier zugehöriger Kohlensäure
benötigt.
- Beim Fahren der
Aufbereitung im
Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht in metallischen Rohrleitungen
entstehende Schutzschicht besteht aus Kalziumkarbonatkristallen mit
Einlagerungen von Magnesium- und Eisenverbindungen
- Die Menge der
Kohlensäure ist in
technischer Hinsicht sehr wichtig, da Fragen des Materials und der
Wasseraufbereitung berührt werden.
Arten der Kohlensäure und ihre
Eigenschaften
Freie
Kohlensäure
|
Gebundene
Kohlensäure
|
Zugehörige
Kohlensäure
|
Überschüssige
Kohlensäure
|
ganz
gebundene
Kohlensäure
|
Halb
gebundene
Kohlensäure
|
(unschädlich
für
Rohrnetze und Beton)
|
(aggressiv)
|
z.B.
CaCO3
in Carbonaten
|
in
Hydrogencarbonaten
z.B. Ca(HCO3)2 |
auch metallaggressiv!
|
-
Gesamtüberschuss Rostschutzschicht-
verhindernd; Rohrangriff;
Metallkorrosion (Cu, Blei, Zink, Fe,..)
- Teilüberschuss kalkaggressiv;
Betonangriff
|
nicht aggressiv
|
Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht
ist
erreicht, wenn:
Menge
der freien Kohlensäure
= Menge der zugehörigen (gebundenen) Kohlensäure
- Bei zu geringem
Gehalt an freier
zugehöriger Kohlensäure kann es zu Kalkausfällung kommen
- Ist mehr freie als
zugehörige Kohlensäure vorhanden, dann ist Wasser
kalkaggressiv und strebt durch Lösung von Kalk wieder den
Gleichgewichtszustand an.
Bei Wässern unterschiedlicher
Beschaffenheit ist zu beachten, daß aus zwei
Gleichgewichtswässern ein Wasser entstehen kann, dass sich
nicht im Gleichgewicht befindet.
Zusammenfassung
Wasser
ist aggressiv
|
Wasser
mit Defizit
|
Gleichgewichtswasser
|
mit
Überschußkohlensäure =
kalklösend und metallangreifend
|
an
zugehöriger Kohlensäure =
kalkabscheiden
|
Wasser
steht
im
Kalk-Kolensäure-Gleichgewicht =
Schutzschichtbildung
|
pH-niedriger
als der
Gleichgewichts-pH
|
pH
ist
höher als der
Gleichgewichts-pH
|
pH-Wert
=
Gleichgewichts-pH
|
Berechnung der Kohlensäure
näherungsweise:
für den Bereich pH 4,3
...
8,2 gilt:
"freie" Kohlensäure
c(CO2) in mmol/l = p = KB8,2
in mg/l = KB8,2
* 44
halbgebunden Kohlensäure
c(HCO3-) in mmol/l = m= KS4,3 –
0,05
ganz gebunden Kohlensäure
c(CO32-) in mmol/l = 0
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