Herstellung von Löschkalk

Löschkalk und Branntkalk

Unsere Erdkruste besteht aus sehr vielen verschiedenen mineralischen Strukturen, wovon Kalkstein eines der wichtigsten Mineralien darstellt. Hinter Kalkstein versteckt sich die chemische Verbindung Calciumcarbonat ($\ce{CaCO3}$). Calciumcarbonat befindet sich auch noch in weiteren wichtigen mineralischen Formen, z. B. Kreide, Marmor oder Muschelkalk. Aus Kalkstein werden zwei wichtige Verbindungen gewonnen: Branntkalk und Löschkalk.

Branntkalk und Löschkalk werden weltweit in vielen Bereichen eingesetzt, wobei die Produktion um 250 Millionen Tonnen pro Jahr betrifft.

Einsatzgebiete:

• Bauindustrie: Herstellung von Mörtel und Zement
• Landwirtschaft: Produktion des Düngemittels Calciumnitrat ($\ce{Ca(NO3)2}$)
• Farbindustrie: Farbpartikel in weißer Zimmerfarbe

Herstellung von Brannt- und Löschkalk aus Kalkstein

Branntkalk wird, wie der Name sagt, in einem Ofen durch das Brennen von Kalkstein bei 900 bis 1 200 °C gewonnen. Dabei wird das Gas Kohlenstoffdioxid ($\ce{CO2}$) als Nebenprodukt frei. Die Reaktionsgleichung für diesen Vorgang lautet:

$ \ce{CaCO3 -> CaO + CO2} $

Wenn Branntkalk in Wasser gegeben wird, reagiert dieses unter starker Wärmeentwicklung mit dem Wasser. Hierbei entsteht der Löschkalk. Bei diesem Vorgang entsteht so viel Wärme, dass das Wasser anfängt, Wasserdampf zu bilden. Es wirkt wie das Löschen eines Brands. Die Reaktionsgleichung lautet:

$ \ce{CaO + H2O -> Ca(OH)2} $

Herstellung von Löschkalk aus elementarem Calcium

Eine alternative Darstellungsform für Löschkalk, die nicht industriell durchgeführt wird, beschreibt das Auflösen von metallischem Calcium in Wasser. Calcium ist ein Erdalkalimetall (zweite Hauptgruppe). Alle Erdalkalimetalle besitzen die Eigenschaft, mit Wasser unter Bildung von molekularem Wasserstoff ($\ce{H2}$) das entsprechende Erdalkalihydroxid ($\ce{M(OH)2}$) zu bilden. Für Calcium erfolgt diese Reaktion nach folgender Gleichung:

$ \ce{Ca + 2 H2O -> Ca(OH)2 + H2} $

Rechenbeispiel – die Masse vom Löschkalk bestimmen

Es soll die Masse Löschkalk bestimmt werden, die gebildet wird, wenn 5 g Calcium vollständig in Wasser aufgelöst werden. Zunächst muss die Reaktionsgleichung aus dem vorangegangenen Kapitel verwendet werden:

$ \ce{Ca + 2 H2O -> Ca(OH)2 + H2} $

Nach dem Massenerhaltungssatz befindet sich auf beiden Seiten des Reaktionspfeils die gleiche Anzahl an Atomen. Auf der rechten Seite des Reaktionspfeils befinden sich vier Wasserstoffatome und zwei Sauerstoffatome. Um auf der linken Seite die Anzahl der Wasserstoff- und Sauerstoffatome auszugleichen, muss vor dem Wassermolekül eine Zwei geschrieben werden. Damit existiert links und rechts vom Reaktionspfeil die gleiche Anzahl an Atomen. Die Masse einer chemischen Verbindung kann über das Produkt der molaren Masse $M$ und der Stoffmenge $n$ bestimmt werden:

$ m = M \cdot n $

Da es sich bei der Aufgabe um das Verhältnis von Calcium zu Löschkalk handelt, benötigt man die molare Masse für diese beiden Verbindungen. Die molare Masse von Calcium entspricht der Atommasse. Diese Zahl kann in jedem Nachschlagewerk bzw. in einem ausführlichen Periodensystem der Elemente gefunden werden.

$M\left(\ce{Ca}\right) = 40~\pu{g/mol}$

Die molare Masse von Löschkalk setzt sich aus den Atommassen der Elemente zusammen, die in Löschkalk enthalten sind.

$\begin{array}{lll} M\left(\ce{Ca(OH)2}\right) &=& M\left(\ce{Ca}\right) + 2\cdot M\left(\ce{O}\right) + 2\cdot M\left(\ce{H}\right)\\ &&\\ M\left(\ce{Ca(OH)2}\right) &=& 40~\pu{g/mol} + 2\cdot 16~\pu{g/mol} + 2\cdot 1~\pu{g/mol}\\ &&\\ M\left(\ce{Ca(OH)2}\right) &=& 74~\pu{g/mol} \end{array} $

Zur Lösung der Fragestellung berechnet man zunächst die Masse Calcium und Löschkalk für einen Umsatz von 1 mol Calcium.

$ \begin{array}{lll} m &=& M\cdot n\\ m(\ce{Ca}) &=& 40~\pu{g/mol}\cdot 1~\pu{mol} \\ m(\ce{Ca}) &=& 40~\pu{g}\\ m(\ce{Ca(OH)2}) &=& 74~\pu{g/mol}\cdot 1~\pu{mol}\\ m(\ce{Ca(OH)2}) &=& 74~\pu{g} \end{array} $

Mit Anwendung des Dreisatzes kann daraufhin die unbekannte Masse ermittelt werden.

$ \begin{array}{clllcll} 5~\pu{g} & & & & x~\pu{g} & & \\ \ce{Ca} & + & \ce{2 H2O} & \ce{->} & \ce{Ca(OH)2} & + & \ce{H2} \\ 40~\pu{g} & & & & 74~\pu{g} & & \end{array} $

Anwendung des Dreisatzes:

$\begin{array}{lll} x &=& \dfrac{5~\pu{g}\cdot 74~\pu{g}}{40~\pu{g}}\\ &&\\ x &=& 9,3~\pu{g} \end{array} $

Häufig gestellte Fragen zum Thema Herstellung von Löschkalk