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1. Einleitung
In meiner Facharbeit werde ich mich mit der energetischen und kinetischen Betrachtung
von chemischen Reaktionen am Beispiel der Wasserhärte beschäftigen.
Jeder Mensch verbraucht laut einer Studie der Universität Bonn pro Tag 127 Liter Wasser
für verschiedenste Dinge, wie Hygiene, das Waschen von Geschirr und Wäsche und
natürlich Trinken und Kochen. Hierbei ist es jedoch nicht egal was für ein Wasser man
benutzt,
denn
„hartes
Wasser“
sorgt
beim
Waschen
für
einen
erhöhten
Waschmittelverbrauch, „weiches Wasser“ hingegen schmeckt nicht und ist zum Trinken
ungeeignet. Wie „hart“ oder wie „weich“ das Wasser in ihrer Umgebung ist können sie bei
ihrem Wasserwerk erfahren.
Wie sie sehen ist dieses einfache Thema Wasser doch nicht so einfach, weshalb dieses
Thema sehr interessant ist.
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2. Die Wasserhärte
Am Anfang meiner Facharbeit möchte ich erst einmal klären, was Wasserhärte denn
überhaupt ist und was es für verschiedene Typen gibt.
2.1 Was ist Wasserhärte?
Überall auf der Welt sind im Erdreich verschiedene Gesteine vorhanden. In demselben
Erdreich wird durch mikrobiologische Prozesse, bei denen Bodenmaterial abgebaut wird,
Kohlendioxid gebildet. Wenn es regnet fließt das Regenwasser, welches nahezu reines
Wasser ist, durch dieses Erdreich in Richtung Grundwasser. Das Wasser reagiert auf
diesem Weg mit dem Kohlendioxid und bildet Kohlensäure, welche die Gesteine angreift
und auflöst. Hierbei entstehen die Ionen der vorhandenen Erdalkali-Metalle.
Durch diese Auflösung der Gesteine entstehen sehr langsam auch die so genannten
Tropfsteinhöhlen. Diese sind das Resultat eines Jahrzehnte bis Jahrhunderte dauernden
Vorgangs der Verwitterung.
Als „Wasserhärte“ bezeichnet man die Konzentration der im Wasser gelösten ErdalkaliIonen. Dies sind Magnesium, Calcium, Strontium und Barium. Da der Anteil von
Strontium und Barium jedoch sehr gering ist, können diese vernachlässigt werden.
Aufgrund dieser Tatsache werden Erdalkalimetalle auch als „Härtebildner“ bezeichnet.
Diese im Wasser gelösten Ionen können allerdings auch, z.B. beim erhitzen, Feststoffe
bilden, wie z.B. Kalk (Calciumcarbonat bzw. CaCO3 ).
Gemessen wird die Wasserhärte in Härtegraden, wobei in Deutschland die Einheit °dH
(Grad deutscher Härte) benutzt wird. Diese Methode ist zwar veraltet, jedoch am
gebräuchlichsten. 1°dH entspricht dabei 10mg Calciumoxid (CaO) in einem Liter Wasser.
In anderen Ländern werden andere Maßeinheiten gebraucht, wie z.B. °f, Grad
französischer Härte oder °e, Grad englischer Härte. Da die Härte anders berechnet wird,
sind die Werte jedoch nicht vergleichbar. Eine Umrechnungstabelle hilft dabei, in etwa die
entsprechenden Werte zu berechnen.
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(Quelle: http://www.uni-bielefeld.de/ (Stand:05.12.05))
Das Wasser wird je nach Härtegrad in vier Bereiche eingeteilt:
„0-7 ° weiches Wasser (Härtebereich I)
> 7-14 ° mittelhartes Wasser (Härtebereich II)
> 14-21 ° hartes Wasser (Härtebereich III)
> 21 ° sehr hartes Wasser (Härtebereich IV)“1
Calciumoxid in seiner normalen Form ist jedoch nicht in Wasser enthalten, wird aber
dennoch als Maß genommen, da es als gravimetrisch2 bestimmbares Produkt beim Glühen
vom Kalkrückstand des Wassers entsteht.
Normgerecht wird die Härte in mmol(Ca2+)/L(H2O) angegeben.
Auf diese Darstellung wird im weiteren Verlauf dieser Facharbeit jedoch verzichtet, da sie
unüblich ist.
Warum das Wasser bei hoher Ionen-Konzentration „hart“ genannt wird, weiß man nicht
genau. Es gibt jedoch verschiedene Hypothesen:
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
Das Gemüse wird beim Kochen hart

Wäsche fühlt sich nach dem Waschen hart an

Es bildet sich harter Kesselstein

Beim Händewaschen hat man ein hartes Gefühl

Das Wasser ist „hard to use“
Quelle: http://dc2.uni-bielefeld.de/dc2/haerte/hartt_02.htm (Stand:05.12.05)
gravimetrisch = „(gravimetric) Auf das Gewicht bezogene Verfahren. Bei z.B. dem gravimetrischen Dosieren wird z.B. im
Gegensatz zum volumetrischen Dosieren aufgrund der Masse und nicht des Volumens einer zu dosierenden Substanz die
Dosierung gesteuert. Unter Gravimetrie versteht man auch allgemein die gewichtsanalytische Bestimmung eines Stoffes bzw.
einer Substanz. Als Analysemethode wird es bei der thermogravimetrische Analyse (TGA) verwendet.“
Quelle:http://www.wasser-wissen.de/abwasserlexikon/g/gravimetrisch.htm (Stand:10.12.05)
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Genaueres wird man nur durch historische Nachforschungen erfahren können, da dieser
Begriff schon sehr alt ist.3
Aufgrund der verschiedenen Ionen und Verbindungen innerhalb des Wassers, kann man
bei der Härte zwischen „Carbonathärte“ bzw. temporärer Härte (kurz: KH) und
„Sulfathärte“ bzw. permanenter Härte (Nichtkarbonathärte, kurz: NKH) differenzieren.
Die Carbonathärte und Sulfathärte addiert ergibt die Gesamthärte des Wassers
(GH=KH+NKH).
2.1.1 Carbonathärte
Da bei der Entstehung von Calcium-Ionen eine äquivalente Menge an HydrogencarbonatIonen (HCO3-) gebildet wird, ist die Bezeichnung der Konzentration an Calcium-Ionen im
Wasser „Carbonathärte“. Diese Form der Wasserhärte ist reversibel. Wenn man Wasser
erhitzt entsteht dabei eine Kalkablagerung, die das Produkt der Reaktion zwischen den
Calcium- und Hydrogencarbonat-Ionen ist. Durch diese Reaktion werden die Ionen wieder
aus dem Wasser gelöst und die Carbonathärte sinkt.
Aus diesem Grund spricht man auch von einer temporären oder vorübergehenden Härte.
2.1.2 Sulfathärte/Chloridhärte
Außer Calciumcarbonat gibt es noch eine Vielzahl anderer Stoffe aus denen Wasserhärte
entsteht.
Dies
sind
unter
anderem
Gips(Calciumsulfat
bzw.
CaSO4)
und
Calciumchlorid(CaCl2). Hierbei entstehen Sulfat- bzw. Chlorid-Ionen neben den CalciumIonen.
Die Härte dieser Härtebildner wird demnach als „Sulfathärte“ bzw. „Chloridhärte“, je
nachdem welches Anion entsteht, genannt.
Beim Erhitzen von Wasser bleibt diese Härte vorhanden. Aus diesem Grund wird auch von
permanenter oder bleibender Härte gesprochen.
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vgl.: http://de.wikipedia.org/wiki/Wasserh%C3%A4rte (Stand:13.12.05)
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3. Chemische Reaktionen
Ob bei der Entstehung der Wasserhärte, beim Erhitzen oder beim Waschen, es laufen
immer chemische Reaktionen im Wasser ab. Im folgenden Kapitel werde ich diese
vorstellen und erläutern.
3.1 Bei der Carbonathärte
Wie schon in Kapitel 2 erklärt, entsteht die Wasserhärte durch das Zusammentreffen von
Wasser (H2O), Kohlendioxid (CO2) und Kalk bzw. Calciumcarbonat (CaCO3). Das Wasser
reagiert entweder schon in der Luft, oder im Boden mit CO2 unter der Bildung von
Kohlensäure. Wenn dieses Wasser nun mit CaCO3 in Kontakt tritt, indem es über
Kalkgestein fließt, löst die Kohlensäure Ionen aus dem Gestein und es läuft vereinfacht
folgende Reaktion ab:
CaCO3(s) + CO2 (aq) + H2O (l)
Ca2+ (aq) + 2 HCO3- (aq)
Wie man sehen kann entstehen bei dieser Reaktion Calcium-Ionen (Ca2+) und
Hydrogencarbonat-Ionen (HCO3-). Anhand dieser Reaktionsgleichung kann man auch
sehen, warum man von „Carbonathärte“ spricht. Diese gelösten Calcium-Ionen sind nun
der Carbonatanteil der Wasserhärte.
Außerdem handelt es sich hierbei um eine Gleichgewichtsreaktion, dem so genannten
Kalkgleichgewicht. Was das zu bedeuten hat und was das genau ist, werde ich in Kapitel
4.2 erklären, wenn es um die Kinetik geht.
Diese Reaktionsgleichung kann man auseinander nehmen und genauer betrachten. Es
findet eine Reaktionskette mit drei Gleichgewichtsreaktionen statt:
Zunächst ist dort die Bildung von Kohlensäure (H2CO3) durch die Reaktion zwischen
Kohlendioxid und Wasser:
CO2 (aq) + H2O (l)
H2CO3 (aq)
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Die im Wasser gelöste Kohlensäure hat die Eigenschaft z.B. Kalkgestein chemisch zu
verwittern, was zur Bildung von Ionen führt:
CaCO3 (s)
Ca2+ (aq) + CO32 ¯ (aq)
Die vorliegenden Calcium-Ionen werden mit Hydrathüllen umschlossen und liegen nun im
Wasser gelöst vor. Die Reaktionskette der Carbonat-Ionen setzt sich jedoch fort, sie
reagieren mit der Kohlensäure unter Bildung von Hydrogencarbonat:
H2CO3(aq) + CO32 ¯(aq)
2 HCO3¯( aq)
Ein vergleichbarer Vorgang findet auch bei MgCO3 statt, kurz gefasst:
MgCO3(s) + CO2 (aq) + H2O (l)
Mg2+ (aq) + 2 HCO3- (aq)
Der Anteil an MgCO3 ist jedoch sehr gering, sodass die Mg2+-Ionen nur einen kleinen
Anteil der Wasserhärte ausmachen.
Da diese Reaktion außerdem sehr ähnlich verläuft, werde ich sie hier nicht näher erläutern.
3.2 Bei der Sulfathärte
Die permanente Härte, oder Sulfathärte entsteht ähnlich wie die Carbonathärte dadurch,
dass mit Kohlensäure angereichertes Wasser über Gestein fließt und eine Verwitterung
stattfindet. Als Mineralien sind jedoch hierbei Gips (CaSO4*2H2O) oder Bittersalz
(MgSO4*7H2O) die Reaktionspartner:
CaSO4 (s)
Ca2+ (aq) + SO42- (aq)
MgSO4 (s)
Mg2+ (aq) + SO42- (aq)
Wie man sehen kann werden auch bei diesen Reaktionen die Sulfate ionisiert und in
Wasser gelöst. Da diese Sulfate jedoch nur eine sehr geringe Löslichkeit haben, (bei Gips
202mg / 100g H2O) ist der Anteil dieser im Wasser sehr gering.
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4.Analyse
In dem nun folgenden Kapitel meiner Facharbeit, das zugleich auch der Kern ist, werde ich
die Reaktionen der Carbonathärte energetisch und kinetisch betrachten. Ich werde mich bei
dieser Analyse auf die Carbonathärte beschränken, da das Kalk-Gleichgewicht ein
anschauliches Beispiel darstellt und dieses genügen soll. Die Reaktionen der permanenten
Härte kinetisch zu betrachten ist außerdem sehr kompliziert, da diese Reaktion nicht, wie
bei der temporären Härte, leicht umkehrbar ist.
4.1 Energetische Betrachtungen
An dieser Stelle möchte ich eine Analyse der Energetik bei den Reaktionen der
Carbonathärte durchführen.
Die Energetik beschäftigt sich mit dem Wärmehaushalt von Reaktionen und demzufolge
auch dem Energieumsatz. Kommt es bei einer Reaktion z.B. zu stärkerer Wärmebildung
und somit mehr Energieabgabe, als Wärme bzw. Energie hineingesteckt wurde um die
Reaktion zu aktivieren (Aktivierungsenergie), so nennt man diese Reaktion exergonisch
oder exotherm. Der Begriff exotherm ist hierbei auf die Wärme bezogen wohingegen
exergonisch der Begriff für eine spontane Reaktion zwischen zwei Stoffen ist, zu der man
keine Energie hinzufügen muss.
Die jeweiligen Gegenstücke sind endergonisch und endotherm.
Die molare Reaktionsenthalpie (Energieumsatz) einer Reaktion lässt sich mithilfe des Satz
von Hess berechnen. Hierzu benötigt man die Reaktionsgleichung und die molare
Bildungsenthalpie(∆fHm0) der Stoffe.
Der Satz lautet:
∆RHm0 = ∑ ∆fHm0 (Produkte) - ∑ ∆fHm0 (Edukte)
Dieser Satz, angewendet auf die Reaktion der Carbonathärte ergibt folgende Formel:
∆RHm0 = [∆fHm0 (Ca2+) + ∆fHm0 (2 HCO3-)] - [∆fHm0 (CaCO3) + ∆fHm0 (CO2)]
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Wenn man hier nun die Bildungsenthalpie einsetzt ergibt sich daraus folgendes Ergebnis:
∆RHm0 = -543 + ∆fHm0 (2 HCO3-) - (-1207) + (-394) + (-242)
∆RHm0 =
An dem __ Vorzeichen sieht man, dass es sich hierbei um eine __ Reaktion handelt, da Energie __ wird.