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Lexikon der Geowissenschaften: Carbonat-Kohlendioxid-System

Carbonat-Kohlendioxid-System, in Wasser gelöstes Kohlendioxid (CO2-Löslichkeit in Wasser) bildet mit diesem Kohlensäure, schematisch:

CO2(g)→CO2(aq)+H2O→H2CO3 (1)

oder vereinfachend:

CO2(g)+H2O→H2CO3* (2)

mit H2CO3* = CO2(aq)+H2CO3 (3).

Gleichung (2) setzt die Konzentrationen der schwachen Säure Kohlensäure in Beziehung zum Kohlendioxid-Partialdruck der Gasphase. In Luft beträgt dieser ca. 35 Pa, kann aber im Untergrund bedingt durch Atmung von Organismen und Zersetzung organischen Materials bis zum Hundertfachen ansteigen. Die Kohlensäure dissoziiert in Hydrogencarbonat und Carbonat:

H2CO3*→H++HCO3-→2H++CO32- (4).

Die so gebildete Kohlensäure ist wichtiges Agenz für die Lösung von Carbonaten, deren Löslichkeit dann deutlich höher liegt als in reinem Wasser, schematisch:

CaCO3+H2CO3*→Ca2++2HCO3- (5).

Stärkster Ausdruck dieser Beziehung sind die Karstformen, insbesondere die großen Karsthöhlensysteme. Im Untergrund versickernde Wässer erreichen allerdings bereits nach kurzem Fließweg (Sättigungslänge) das thermodynamische Gleichgewicht für Reaktion (4), so daß keine weitere Carbonatlösung erfolgt. Die Entwicklung großer Höhlensysteme beruht daher überwiegend auf dem Vorgang der Mischungskorrosion, d.h. das Mischwasser zweier im Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht befindlicher Wässer ist selbst carbonatuntersättigt und wirkt kalkaggressiv ( Abb. ). Dieser Zusammenhang wird auch durch die Tillmans-Gleichung beschrieben.

Ein Herabsetzen der CO2-Löslichkeit in Wasser durch Druckerniedrigung oder Temperaturerhöhung verringert auch die Carbonatlöslichkeit (Calcit-Löslichkeit in Wasser) und führt zur Abscheidung von Carbonat, z.B. in Form der Stalaktiten und Stalakmiten in Karsthöhlen oder der Quell- und Bachsinterkalke (Kalktuffe). An deren Bildung sind auch Photosynthese treibende Algen und Pflanzen beteiligt, die dem Wasser CO2 entziehen. Spektakulär ist diese Verschiebung des Kalk-Kohlensäure-Systems bei konstruktiven Wässerfällen, z.B. von Bad Urach, deren Fallinie durch Carbonatabscheidung vorverlegt wird. [TR]


Carbonat-Kohlendioxid-System: Löslichkeit von Calcit (ausgedrückt als Ca2+) in Abhängigkeit vom CO2-Partialdruck. Die Mischungslinie der Wässer A und B liegt im Bereich der Calcituntersättigung (Mischungskorrosion). Carbonat-Kohlendioxid-System:
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