Tropfsteinhöhlen, hartes Wasser und Sodaclub-Sprudel

Kalkablagerungen sind lästig, vor allem im Badezimmer, in Waschmaschinen oder im Dampfbügeleisen. Andererseits bildet Kalk wunderschöne Stalagmiten und Stalaktiten in Tropfsteinhöhlen. Wie kommt der Kalk an all diese Orte?

Verkalktes Heizelement
Woher kommt der Kalk auf dem Heizelement der Waschmaschine? Bild: Dariusz Majgier/Shutterstock.com

Schauen wir uns erst einmal an, woraus Kalk besteht: Er enthält Kalzium, Kohlenstoff und Sauerstoff und wird in der Fachsprache "Kalziumkarbonat" genannt. Seine chemische Formel lautet CaCO3. Kalk kommt auf der Erde sehr häufig und in verschiedensten Formen vor, sei es im Gestein oder in den Skeletten und Panzern von Lebewesen. Ein wenig Chemie zeigt, was es mit dem Zusammenhang von Kalk, Kohlensäure und Kohlenstoffdioxid auf sich hat.

Lösen von Kalk

Kalk ist ein sehr schwerlösliches Salz, das auch in unserem Leitungswasser vorhanden ist. Wasser mit viel gelöstem Kalk wird umgangssprachlich auch als "hartes Wasser" bezeichnet. Kalk setzt sich oft in der Toilette oder am Wasserhahn ab. Wenn man das Badezimmer reinigt, verwendet man deshalb entsprechende Reinigungsmittel oder aber normalen Tafelessig. Beide haben nämlich eine entscheidende Eigenschaft, die dem Kalk den Garaus macht: Sie sind sauer, haben also einen tiefen pH-Wert.

Jede Säure geht mit Wasser (H2O) eine sogenannte Säure-Base-Reaktion ein und bildet dabei Oxonium-Ionen (H3O+). Diese Oxonium-Ionen reagieren mit dem Kalk zu Kohlensäure (H2CO3), welche dann zu Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser zerfällt. Die Kalziumionen (Ca2+) bleiben im Wasser gelöst. Das Gas CO2 bildet kleine Bläschen: Aus diesem Grund schäumt es so schön beim Lösen des Kalks.

2 H3O+ + CaCO3  ↔ Ca2+ + H2CO3 + 2 H2O ↔ Ca2+ + CO2 + 3 H2O

Mit dieser Gleichung beschreiben die Chemiker, wie sich Kalk in einer sauren Lösung zu Kalzium und Kohlensäure zersetzt. Aus dieser wird in einem nächsten Schritt CO2 frei. Die Doppelpfeile zeigen, dass jede dieser Reaktionen auch rückwärts ablaufen kann.

Saurer Regen

Der "saure Regen" wird nebst anderen Stoffen vom CO2 in der Luft verursacht. Dieses CO2 stammt aus Verbrennungsprozessen und aus der Atmung von Menschen und Tieren. Damit der Regen sauer wird, muss das CO2 mit dem Wasser reagieren. Dabei entsteht wiederum Kohlensäure:

H2O + CO2 ↔ H2CO3

Die Kohlensäure selbst kann auf zwei Arten reagieren: entweder sie zerfällt wieder, da sie sehr instabil ist, oder sie reagiert mit dem Wasser. Dabei läuft ein umgekehrter Vorgang ab wie beim Lösen von Kalk: Es bildet sich das sogenannte Oxonium-Ion (H3O+) und das Hydrogencarbonat-Ion (HCO3-).

H2CO3 + H2O ↔ H3O+ + HCO3-

Dieselbe Reaktion findet statt, wenn man Sprudelwasser herstellt: Im Sodaclub befindet sich eine CO2-Patrone, die CO2 in das Wasser bläst und dort Kohlensäure bildet.

Tropfsteinhöhle

Tropfsteinhöhle. Bild: Jason L. Price/Shutterstock.com

Bildung von Tropfsteinen

Was haben nun diese Reaktionen mit der Entstehung von Tropfsteinhöhlen zu tun? Damit sich Tropfsteine bilden können, müssen die richtigen Bedingungen herrschen. Sie entstehen nämlich nur in kalkhaltigem Boden unter der Einwirkung von saurem Regen. Der saure Regen löst wie oben angegeben den Kalk auf, wodurch sich Höhlen im Gestein bilden. Kalkwasser fliesst durch diese Höhlen und tropft von Decken und Wänden, wobei eine chemische Reaktion stattfindet, die Kalk bildet: Gelöste Calcium-Ionen (Ca2+) reagieren mit gelöstem Hydrogencarbonat zu Kalk, Wasser und CO2.

Ca2+ + 2 HCO3- ↔ CaCO3 + H2O + CO2

Dieser Kalk lagert sich dort, wo Wasser von der Höhlendecke tropft und am Boden auftrifft über Jahrhunderte hinweg in Form von Stalagmiten und Stalaktiten ab.

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