KALK

Wolfgang Werner, Münster

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Mit dem Überschreiten der Alpen kamen die Römer mit germanischen Stämmen im Norden in Kontakt und vermittelten die Kenntnis der festen Bauweise mit Stein. Damit fanden auch die lateinischen Bezeichnungen Eingang in die germanischen Sprachen, wie sich noch heute bei der etymologischen Untersuchung einiger Fachausdrücke zeigt: Mauer (lat. murus), Ziegel (lat. tegulum), Mörtel (lat. mortarium, ursprünglich das Gefäß in dem der Mörtel angerührt wird, auch der Mörser hat hier seinen Ursprung), Zement (lat cementum), Keller (lat. cellarium). Von lat. calcis und griech. chalix leitet sich Kalk und Kalkstein und auch der Name des zentralen Elements des weit verbreiteten Gesteins ab, das das fünfthäufgste Element der Erdkruste ist (s.Tab. 1)). Der überwiegende Teil der Kalksteine ist biogenen Ursprung. Darauf deuten auch die Bezeichnungen Muschelkalk und Korallenkalk hin.

 

Tab.1   

 

Zuammensetzung der Erdkruste [%gew.][1]

Sauerstoff

46,6 %

Silicium

27,7 %

Aluminium

8,1 %

Eisen

4,7 %

Calcium

3,6 %

Natrium

2,8 %

Kalium

2,6 %

Magnesium

2,1 %

Titan

0,4 %

Wasserstoff

0,1 %

alle anderen

< 0,1 %

 

Kreide (lat. terra creta, gesiebte Erde) ist eine Ablagerung von Foraminiferenschalen (Foraminiferen werden dem Meeresplankton zugerechnet und haben Kalkschalen). Diese Kalkablagerung ist nur wenig verdichtet und verfestigt, dass man sie häufig kaum als Gestein betrachtet. Die Tafelkreide für die Wandtafeln wir heute meist aus Gips (Ca SO4 .2H2O) hergestellt.

 

Calciumcarbonat

 

Kalk ist CaCO3  und kristallisiert entweder als Calcit im trigonalen Kristallsystem. Eine andere Modifikation ist der Aragonit im orthorhombischen Kristallsystem. Der Kalkspat aus besonders regelmäßigen und großen Calcitkristallen und ist bekannt durch seine Doppelbrechung. Der Name Spat kommt  von der auffälligen Spaltbarkeit her.

Calciumcarbonat ist farblos, außer es wird durch Verunreinigungen gefärbt.

Ein dem Kalk ähnliches Kalkgestein ist der Dolomit ein Calciummagnesiumcarbonat CaMg(CO3)2. Dolomit wurde nach dem französischen Forscher Déodat Gratet de Dolomieu (1750-1801) benannt, der sich u.a. mit diesem Gestein beschäftigt hat. Die Diskussion um die Bildung des Dolomits ist noch nicht abgeschlossen.

Bei Kalk muss auch das regenbogenfarbig schillernde Perlmutt, das von Mollusken gebildet wird, erwähnt werden. Es besteht zu 95% aus  Aragonit und zu 5% aus organischer Materie die in Schichten angeordnet sind. Auf dieser Schichtung beruht die regenbogenfarbig schillernde Farbe. Bei Perlen ist die Schichtung konzentrisch angeordnet.

Nicht jedes polierbare Carbonatgestein ist Marmor (lat. marmor aus altgriech. marmaros, wahrscheinlich verwandt mit marmarein funkeln, glänzen). Petrographisch ist Marmor ein metamorphes Gestein:  Kalkstein ist in tieferen Schichten durch Druck und Hitze umgewandelt worden. Marmor zeichnet sich durch die hohe Dichte (2,73 g/cm-3) und die lückenlose Kristallisation aus.

 

Kalkbrennen

 

Schon in der Antike war die Kunst des Kalkbrennens weit verbreitet. Kalk gibt bei 900 bis 1000° C Kohlendioxid ab, und es bleibt Calciumoxid zurück (1):

                                                                       900°-1000°C   

(1)                                                          CaCO3 + Hitze ® CO2 5 +CaO

 

Dieser Vorgang wird verallgemeinert in der Chemie als Calcinieren bezeichnet.

Calciumoxid wird nach der Herstellung gebrannter Kalk genannt. Mit Wasser reagiert er unter Erhitzen zu Calciumhydroxid, (2) das als gelöschter Kalk bezeichnet wird weil er sich mit Wasser nicht mehr erhitzt

 

(2)                                           CaO +H2O® Ca(OH)2 + Wärme

 

Calclciumhydroxid reagiert stark alkalisch und ist in der chemischen Technik die billigste Lauge. Der volkstümliche Name ist Ätzkalk, da der Kontakt damit zu Verätzungen führt. Eine breiige Suspension wird Kalkmilch genannt. Sie wird seit der Antike als Kalkfarbe (weiß) verwendet, die wegen der starken Alkalität sowohl fungizid als auch desinfizierend wirkt.

Eine breiige  Anrührung von Ätzkalk und Sand im Verhältnis von 1: 2 bis 1: 5 ist der zum Bauen verwendete Mörtel.

Mit dem Kohlendioxid der Luft (ca. 0,03 %) bildet sich Calciumcarbonat (zurück) (2), in Form kleiner Nadeln, die mit der Sandkomponente verfilzen und einen harten zusammenhängenden Feststoff bilden:

 

(3)                                           Ca (OH)2 + CO2  ®  CaCO3 + H2O

 

Bis zum vollständigen Abschluss dieses Vorgangs (Mörtelprozess) kann es Jahre dauern. Aus der Gleichung geht hervor, dass dabei Wasser freigesetzt wird, die Mauer also feucht wird. Um den Vorgang zu beschleunigen, kann man einen Kohleofen in den Rohbau stellen. Eine billige Variante ist in Berliner Neubaugebieten um die Wende zum 20. Jahrhundert bekannt geworden: Man ließ arme Leute zu günstiger Miete für einige Zeit in solchen Neubauwohnungen wohnen. Dafür hat sich die Bezeichnung Trockenwohner gebildet; durch Atemluft (CO2) und Heizung wurde die Verfügbarkeit der Neubauwohnungen beschleunigt.

 

Kalk im Boden

 

Kalk im Gemenge mit Ton ist Mergel und als fruchtbarer Boden geschätzt. Meist ist auch Sand beteiligt, der für gute Durchlässigkeit sorgt. Wenn es regnet wird ein Teil des Kohlendioxids in der Luft (ca. 0,03%) als Kohlensäure ausgewaschen (3) (nicht zu verwechseln mit saurem Regen) und versickert, auf dem Weg in das Grundwasser löst sie  Calciumcarbonat (4) (5)(6) So gelangen Kohlensäure und Calcium in das Grundwasser, aus dem Trinkwasser gewonnen wird.

 

(4)                                           CO2 + H2O D H2CO3    _

(5)                                                        H2CO3+ H2O D HCO3_ + H3O+

(6)                                                        CaCO3 + CO2 +H2OD Ca2+ +2HCO3_

 

Im Trinkwasser ist die Menge der Kationen der Erdalkalimetalle für die Härte des Wassers verantwortlich. Hartes Wasser beeinträchtigt z.B. den Geschmack und das Aussehen von Tee und erhöht den Verbrauch von Spül- und Waschmitteln. Ein Teil der Gesamthärte ist die vorübergehende (temporäre)  Härte, bei der das Wasser gerade soviel Kohlensäure enthält, dass sich kein Kalk abscheidet, sich  aber auch kein Kalk lösen kann. Wird einem solchen Wasser CO2 entzogen, z. B. durch Kochen, scheidet sich in Umkehrung von Gleichung (6)  Calciumcarbonat als Kesselstein ab. Kesselstein erschwert den Durchgang der Wärme der Heizung und muss teilweise mechanisch entfernt werden. In der bekannten römischen Wasserleitung bei Nîmes dem Pont du Gard hat sich durch Verdunstung von Wasser und Kohlendioxid im Laufe der Zeit eine bis zu 45 cm dicke Schicht von Calciumcarbonat abgelagert. Ist  bei der Wasserhärte das  beteiligte Anion ein anderes als Hydrogencarbonat, z. B. Sulfat oder Chlorid spricht man von bleibender oder permanenter Härte.

Um die unerwünschte Eigenschaft der temporären Härte, d.h. die Bildung von Kesselstein zu vermeiden kann man das Rohwasser durch Ionenaustausch enthärten, oder durch Zusatz von Komplexbildnern binden. Für Dampflokomotiven hat man das Rohwasser durch Zusatz von Phosphat und Abtrennung des Schlammes von Calcium- und Magnesiumphosphat zu Kesselwasser aufbereitet.

 

Karst

 

Dieser Begriff für steinigen unfruchtbaren Boden wurde nach der slovenischen Landschaft Kras von deutschen Geographen geprägt und hängt auch mit dem Lösen von Kalk nach der Gleichung (5) zusammen. Es werden unterirdische Gänge in das Kalkgestein gelöst, durch die das Wasser versickernder Wasserläufe abläuft. Ein markantes Beispiel dafür findet sich in Deutschland: In der schwäbischen Alb  versickert die Donau zwischen Immendingen und Möhringen und tritt 12 km entfernt im Aachtopf bei Radolfzell mit einem Abfluss von 10 m3/sec als Quelle der Radolfzeller Aach wieder zu Tage. Die Radolfzeller Aach fließt in den Bodensee  und damit über den Rhein in die Nordsee statt in das Schwarze Meer  wie die Donau. Der Nachweis dieses Zusammenhangs  konnte 1877 mit 10 kg Natriumfluorescein erbracht werden. Für die Strecke brauchte das Wasser 60 Stunden.

Wenn in einer Grotte Sickerwasser eindringt und die abfallenden Tropfen (griech. stalagmos, Tropfen) im Kontakt mit der Luft durch Verdunsten von Wasser auch  CO2  verlieren, scheidet sich wie beim Kesselstein CaCO3 ab, die Gleichungen (3) bis(5) gelten dann von rechts nach  links. Von der Decke hängende Kalkgebilde bezeichnet man als Stalaktite (Unterscheidungshilfe: französisch: tomber, fallen), die von unten der Decke  entgegenwachsenden Kalkgebilde als Stalagmite (Unterscheidungshilfe: französisch: monter, steigen).

 

weite Verbreitung von Calcium

 

Pflanzenasche enthält bis zu 40 Gew.% Calciumoxid. Düngekalk ist Calciumcarbonat oder auch Calciumoxid. Er enthält meist auch Magnesium, das ebenfalls ein Pflanzennährstoff ist. Phosphorit (ein in Deutschland an der Lahn vorkommendes Calciumphosphat) ist ein Ausgangsmaterial für die Phosphorgewinnung. Die Lagerstätten sind meist biogenen Ursprungs in Flachwasserzonen der Meere.

Hydroxylapatit (Ca5(PO4)3(OH) ist der Hauptbestandteil der Knochen, die 12% des Körpergewichts des Menschen ausmachen. Calcium muss der Mensch mit der Nahrung aufnehmen. Milch und Michprodukte sind dazu besonders geeignet:( Tab. 2)

Die Sepiaschalen der Tintenfische bestehen aus Calciumcarbonat.

Gefäßverkalkung (Artriosklerose) hat nichts mit Kalk zu tun; es handelt sich um Ablagerungen von Fett in den Gefäßwänden, was den Blutdurchfluss beeinträchtigt.

           

Tab 2

 

In 100g sind

mg Calcium enthalten

 

 

Vollmilch oder H-Milch

120

Joghurt

120

Buttermilch

110

Magerquark

92

Camembert

400

Roquefort

600

Gouda 

800

Emmentaler

1100

Parmesan

1180

Vers la traduction en français