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Kalk-Das Gespenst in der
Wasserleitung
Franziska Behrmann
2
Gliederung
1. Kalk2. Was ist Wasserhärte?3. Wie kommt die "Härte" ins Wasser?4. Vor- und Nachteile von hartem Wasser5. Entfernungsmöglichkeiten6. Schulrelevanz
3
Eindampfen verschiedener
Wasserarten
Demonstration 1
4
Was ist Kalk?
• Kalk = Calciumcarbonat (CaCO3)
• Modifikationen: Calcit Aragonit Vaterit
5
• Naturprodukte:
• Veredelte Produkte:
6
Was ist Wasserhärte? • Härte:
Eigenschaft von Wasser bei Anwesenheit von Calciumionen die Waschwirkung von Seife herabzusetzen.
• Härtebildner Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2, CaCl2, CaSO4
• Temporäre und permanente Härte = Gesamthärte
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Wasserhärte• Härteangabe in mmol/L oder °dH: 1 mmol CaO/L = 56 mg CaO/L = 5,6
°dHHärtegrad Härtebereic
h0-4°dH sehr weich4-8°dH weich
8-12°dH mittelhart12-19°dH ziemlich hart19-30°dH hart>30°dH sehr hart
8
Bestimmung der Wasserhärte
Versuch 1
9
Versuch 1 1. Bestimmung der Carbonathärte:
• 1 mol H3O+ = 1 mol HCO3- = 0,5 mol Ca2+ =
0,5 mol CaO • 1 mmol CaO/L = 5,6 °dH
100 mL Wasserprobe: 1 mL 0,01 M HCl = 0,05 mmol CaO/L = 0,28 °dH
- +3(aq) 3 (aq) 2(g) 2HCO +H O CO +H O
10
EDTA (Ethylendiamintetraacetat) • Komplexbildner:
6-zähniger Ligand• Chelatkomplexe
H2CO
O
NCH2
CH2O
OH2C
N
H2C
CH2
O
O
O
O
11
2.Bestimmung der Gesamthärte:
Ca2+OH2
OH2
H2O
H2O
OH2
OH2
N N
CO2 CO2 CO2 CO2
Ca2+O
O
N
N
O
O
O
O
O
O
6 H2O
2+ 2- 2- +2 6 (aq) 2 (aq) (aq) (aq) 2[Ca(H O) ] +H EDTA [Ca(EDTA)] +2H +6H O
12
• Gesamthärte wird als Ca2+ bzw. CaO/L berechnet:
• 1 mol EDTA = 1 mol Ca2+ = 1 mol CaO • 1 mmol CaO/L = 5,6 °dH
100 mL Wasserprobe: 1 mL 0,01 M EDTA = 0,1 mmol CaO/L = 0,56 °dH
13
Kalkgleichgewicht
Versuch 2
14
Kalkgleichgewicht
2
2+ 2- -93 3 2L(CaCO ) = c(Ca ) c(CO ) = 4,7 10 mol
L
2+ 2-3(s) (aq) 3(aq)
2- -3(aq) 2 2(aq) 3(aq)
2+ -3(s) 2 2(aq) (aq) 3(aq)
CaCO Ca + CO
CO + H O+ CO 2HCO
CaCO +H O+CO Ca +2HCO
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Bildung von
Tropfsteinen
Demonstration 2
16
Kalkkreislauf
17
18
Schaumbildung
Versuch 3
19
Bildung von Kalkseife • Regenwasser und destilliertes Wasser frei
von Calciumionen• Mineral- und Leitungswasser enthalten
Calciumionen
C
O
O CH3n
22Na++ +
C18-20
Ca2+
C
O
O CH32
Ca2+
n
Kalkseife
+(aq)
Seifenlösung
(aq)
(s)
(aq)
2Na+(aq)
20
Kalkseife
• wasserunlöslich
• nicht waschaktiv
• hinterlässt grauen Belag
• Angriff auf Faserstruktur
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Wirkung von
Weichspüler
Demonstration 3
22
Nachteile von hartem Wasser • Kesselsteinbildung in Warmwasser- und
Heizungsanlagenschlechter Wärmeleiter hoher EnergieverbrauchÜberhitzung von Elektrogeräten
• Querschnittsverengung von Wasserrohren
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Nachteile von hartem Wasser
• gelöste Mineralien kristallisieren beim Trocknen
• Bitterer Geschmack in Trinkwasser & Beeinflussung der Aromen von Tee und Kaffee
• Kalkflecken
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Vorteile von hartem Wasser
• Calcium eines der häufigsten Elemente im menschlichen Körper
• Calciummangel beim Menschen → Rachitis
• Korrosionsschutzschicht • Neutralisiert aggressive Kohlensäure• Pufferwirkung im Boden
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Wasserenthärtungsmöglichkeiten
• Ausfällen • Auflösen• Komplexierung• Ionenaustauscher • Physikalische Wasserbehandlung
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Lösen von Kalk
Versuch 4
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Kalkentfernung durch Säure
(aq) 3(s) 2 3(aq) 2(aq)
2 3(aq) 2(g) 2
2(aq) 2(g) 3(s) 2
2HCl +CaCO H CO +CaCl
H CO CO +H O
Ca(OH) +CO CaCO +H O
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Ionenaustauscher• Ionenaustauscher = makromolekulares,
wasserunlösliches Gerüst mit festen Ankergruppen und austauschbaren Gegenionen
Kunstharz mit sauren (-SO3H) oder basischen (-N(CH3)3OH) Ankergruppen
Kationen- oder Anionenaustauscher
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Zeolithe
• "zeo" (ich siede) und "lithos" (der Stein)• Natriumaluminiumsilikate:
dreidimensionale Netzwerke aus SiO4- und AlO4- Tetraedern
• Substitution von Silicium (Si4+) durch Aluminium (Al3+) → negative Ladung
• Anlagerung von Alkalimetall-Ionen
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Zeolithe• natürliche Zeolithe: Faujasit,
Sodalith, Ultramarin künstliche Zeolithe: Zeolith X,
Zeolith Y, Zeolith A• Verwendung: Molekularsiebe,
Katalysatoren, Ionenaustauscher, Schmuck
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Zeolith A (Na12[Al12Si12O48]·27H2O)
• Sodalith-Käfige als Baueinheit
• α-Käfig in der Mitte
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Wirkung von
Zeolithen
Versuch 5
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Ionenaustauschende Wirkung
d.h. Zeolithe reagieren alkalisch in Wasser
Verschiebung des Gleichgewichts durchÜberschuss an Natriumionen
Regeneration des Ionenaustauschers
- +2Zeolith-Na+H O Zeolith-H+OH +Na
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Versuch 6
Entkalkung durch
Vollwaschmittel
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Wasserenthärtung durch Ionenaustauscher
Si O Al-
O O
O
O
O
O
Al-
SiO O
OO
O
2Na+
Si O Al-
O O
O
O
O
O
Al-
SiO O
OO
O
Ca2+
+Ca2+ +2Na+
2+2 2 2 12 2 (aq)
+2 2 12 2 (aq)
Na [Al Si O ]×nH O+Ca Ca[Al Si O ]×nH O+2Na
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Schulrelevanz• 8.Klasse: Salze• 9.Klasse:
WasserSäuren / LaugenKalk
• 12.Klasse: Bedeutung und Verwendung von
Komplexverbindungen Waschmittel
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Fazit:
Kalk ist ein harmloses Gespenst, welches mit
einfachen Mitteln vertrieben werden kann!