FWU Schule und Unterricht. FWU-Klassiker Kreislauf des Kalks in der Natur. FWU das Medieninstitut der Länder

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1 FWU Schule und Unterricht DVD min, Farbe FWU-Klassiker Kreislauf des Kalks in der Natur FWU das Medieninstitut der Länder 00

2 Lernziele Wissen, dass das Auflösen von Kalk bei der Kalkverwitterung eine chemische Reaktion ist, an der Kohlensäure beteiligt ist und dass kalkhaltiges Wasser nicht Kalk (Calciumcarbonat), sondern die Ionen des Calciumhydrogencarbonats enthält; Fähigkeit, die sich abspielenden Reaktionen durch chemische Gleichungen zu beschreiben; Erkennen, dass es sich bei Kalkverwitterung und Kalkbildung um entgegengesetzt verlaufende (also umkehrbare) Reaktionen handelt; Überblick über die geographischen (morphologischen) Erscheinungen, die sich aus Kalkverwitterung (Trockentäler, Dolinen, Höhlen) und Kalkbildung (Tropfsteine, Kalktuff) ergeben. Zum Inhalt Der Film zeigt zunächst die Entstehung mariner Kalke: Kalk kann aus Lösungen in Form von Kalkschlämmen ausfallen, die sich zu Kalkbänken verfestigen (so auf den Bahamas). Häufiger ist jedoch der biogene Ursprung, der auf den Einbau von Kalk in Panzer, Schalen und Stützskelette mariner Lebewesen beruht. Dafür werden einige Beispiele Riffkorallen, Algen, Seepocken (Krebse); Röhrenwürmer, Schwämme, Hornkorallen vorgestellt. Deren Kalkreste häufen sich am Meeresboden an und verdichten im Laufe langer Zeiträume zu Kalkgestein. Tektonische Vorgänge können diese marinen Sedimente bis in die Gipfelregionen von Gebirgen heben. Der Gebirgsbildung folgt die Abtragung. Der in reinem Wasser wenig lösliche Kalk (Calciumcarbonat, CaCO 3 ) wird von Regenwasser, in dem aus der Luft aufgenommenes Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) und folglich Kohlensäure (H 2 CO 3 ) gelöst sind, angegriffen. Dabei entsteht Calciumhydrogencarbonat (Ca(HCO 3 ) 2 ), dessen Ionen Ca 2+ und HCO 3- sich im Wasser lösen. Diese chemische Kalkverwitterung wird in stark vereinfachter Form zunächst anhand der Formeln der beteiligten Stoffe und anschließend mithilfe von Modellen (Kalottenmodelle) der Moleküle und Ionen erläutert: Kohlensäure greift am Gitterverband des Kalks an und löst aus diesem Calcium- und Hydrogencarbonat-Ionen, die vom Wasser fort getragen werden. Die Folge ist, dass das Wasser der aus Kalkgebieten kommenden Bäche und Flüsse reich an diesen Ionen ist. Bereits geringfügige Änderungen der Außenbedingungen lassen die bei der Kalkverwitterung beobachteten Vorgänge umkehren: Es kommt zur Kalkbildung. Bei Temperaturerhöhung zerfällt Kohlensäure, und das gebildete Kohlenstoffdioxid entweicht in die Luft. Mit dem Ziel, die zerfallende Kohlensäure zu ersetzen, kommt es zur Reaktion zwischen zwei Hydrogencarbonat-Ionen. Es entsteht ein Molekül der Kohlensäure und ein Carbonat- Ion, das sich mit einem Calcium-Ion dem Gitterverband des Kalks anlagert. Diese Kalkbildung wird zunächst wie zuvor die Kalkverwitterung mit den chemischen Formeln und anschließend mit Kalotten- Modellen demonstriert. Durch den fortgesetzten Ablauf der Reaktionen wachsen die Kalkkristalle. Damit ist der Kalkkreislauf geschlossen. Seine Teile lassen sich in Kalkgebieten, so in der Alb Süddeutschlands, gut beobachten. Die einst am (jurassischen) Meeresboden gebildeten und daher an Fossilien reichen Kalkschichten sind später gehoben und dabei zerbrochen worden. In Risse und Klüfte sickert Regenwasser, das dank seines Gehaltes an Kohlenstoffdioxid bzw. Kohlensäure zur Kalkverwitterung führt: Trockentäler, Dolinen und 2

3 Höhlen sind Merkmale dieser Landschaft. Das an Calcium- und Hydrogencarbonat-Ionen reiche Sickerwasser ermöglicht die Kalkausscheidung. Diese zeigt sich in den Höhlen bei der Bildung der Stalaktiten und Stalagmiten sowie an oberirdischen Fließgewässern, vor allem wenn Algen und Moose dem vorbei fließenden Wasser Kohlenstoffdioxid entziehen, in Form von Kalktuffausscheidungen. So wechseln ständig Kalkbildung und Kalkverwitterung. Letztlich bringen die Flüsse die Abbauprodukte von jährlich einer Milliarde Tonnen Kalk ins Meer, wo sie die Grundstoffe für eine erneute Kalkbildung sind.. Ergänzende Informationen Kalkstein besteht vorwiegend aus Calciumcarbonat, das in unterschiedlichen Kristallformen auftritt. Die Löslichkeit in reinem Wasser beträgt bei 25 C nur 0,014 g pro Liter Wasser. Für die Kalkverwitterung sind daher saure Lösungen verantwortlich, die von Pflanzen ausgeschieden werden, aber auch aus dem Sauren Regen oder aus dem gelösten Kohlenstoffdioxid stammen. Die Löslichkeit dieses Gases in Wasser ist gering (bei 20 C und 1013 hpa nur 88 cm 3 Gas pro 100 cm 3 Wasser), nimmt aber mit steigendem Druck erheblich zu, wie von Selterswasser und Sekt bekannt ist. In haarfeinen Gesteinsspalten ist der Druck höher als in der freien Atmosphäre ( bottling effect ), wodurch sich mehr Kohlenstoffdioxid im Wasser löst und damit auch mehr Kohlensäure entsteht. Kohlensäure ist eigentlich eine mittelstarke Säure. Da die Lösung aber zu 99,9 % nur gelöstes Kohlenstoffdioxid enthält, erscheint deren Säurestärke weit geringer. Druckerhöhung verschiebt nach dem Prinzip von Le Chatelier und Braun das Gleichgewicht zwischen dem gasförmigen (g) und dem in Wasser (lat. Aqua) gelösten Kohlenstoffdioxid (aq) CO 2 (g) CO 2 (aq) ebenso aber auch die beiden sich anschließenden Gleichgewichte CO 2 (aq) + H 2 O H 2 CO 3 (aq) und H 2 CO3 (aq) + H 2 O H 3 O + - (aq) + HCO 3 (aq) nach rechts. So steigt mit dem Druck der durch den bottling effect in schmalen Spalten ansteigt die Konzentration an Oxonium-Ionen und die chemische Kalkverwitterung nimmt zu: CaCO 3 (s) + H 3 O + (aq) Ca 2+ (aq) + HCO 3 - (aq)+ H 2 O Bei Druckminderung (wenn das Wasser aus den Spalten an der Höhlendecke wieder in Atmosphärendruck gelangt), bei Temperaturerhöhung (als Folge: geringere Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid) und bei Entzug von Kohlenstoffdioxid (durch die Fotosynthese von Moosen und Algen) verschieben sich alle angeführten Gleichgewichte nach links, sodass es zur Kalkausscheidung kommt. Zum Einsatz im Unterricht Der Kalkkreislauf bildet ein zentrales Thema im Chemieunterricht der Sekundarstufe I. An diesem Beispiel lassen sich zahlreiche Grundprinzipien chemischer Reaktionen demonstrieren: So die Bildung einer Säure (Kohlensäure) aus einem Nichtmetalloxid (Kohlenstoffdioxid) und Wasser, die Säure-Base-Reaktion (Protolyse) zwischen Kohlensäure und Wasser entsprechend der Brönstedtschen Säure- Base-Theorie, die Zweiwertigkeit der 3

4 Kohlensäure, die zu zwei Salzreihen (Carbonate und Hydrogencarbonate) führt und die Umsetzung von Säuren mit Salzen alles Themen, die keineswegs auf die Kohlensäure und ihre Salze beschränkt sind, sondern dem Schüler immer wieder begegnen. Doch lässt sich gerade am Kalkkreislauf und mithilfe des Films veranschaulichen, welch enorme Bedeutung diesen chemischen Reaktionstypen in der Natur zukommt. In der gymnasialen Oberstufe (Sekundarstufe II) werden Gleichgewichtsreaktionen und deren Verschiebung nach dem Prinzip von Le Chatelier und Braun ( Flucht vor dem Zwang ) erarbeitet. Der Kalkkreislauf lässt erkennen, dass mehrere Gleichgewichte aneinander gereiht sein können, dass sich Gleichgewichtsreaktionen umkehren lassen (Kalkverwitterung und Kalkbildung) und wie sich Gleichgewichte durch Entnahme oder Zufuhr eines Reaktionspartners (Kohlenstoffdioxid) sowie durch Druck- und Temperaturänderungen beeinflussen lassen. bei weiterem Einleiten des Gases auflöst (Bildung von löslichem Calciumhydrogencarbonat). Ergänzend kann während dieses Versuches die elektrische Leitfähigkeit verfolgt werden, wobei zunächst der Abfall und anschließend der Anstieg der Leitfähigkeit die sich ändernden Konzentrationen der Ladungsträger (Ionen) in der Lösung anzeigen. (4) Man kann zermahlenen Kalkstein sowohl in destilliertem Wasser als auch in einer Kohlensäure-Lösung aufschwemmen, nach einiger Zeit filtrieren und gleiche Volumina der beiden Filtrate in Uhrgläsern (evtl. bei erhöhter Temperatur) eintrocknen lassen: Die unterschiedlichen Mengen der dabei entstehenden Rückstände beweisen die bessere Löslichkeit des Kalk in kohlenstoffdioxidhaltigem Wasser. Hinweis auf Versuche zum Thema: (1) Experimentell lassen sich die Abhängigkeiten der Löslichkeit des Kohlenstoffdioxids vom Druck (Entgasen von Mineralwasser bei Druckentlastung durch Öffnen der Flasche) und Temperatur (zunehmende Blasenbildung beim Erhitzen) demonstrieren. (2) Der saure Charakter einer wässerigen Lösung von Kohlenstoffdioxid kann mithilfe eines Indikators nachgewiesen werden. (3) Beim Einleiten von Kohlenstoffdioxid in Kalklauge (gesättigte wässerige Lösung von Calciumhydroxid: C; Schutzbrille) bildet sich zunächst eine weiße Suspension (Ausfällung von unlöslichem Kalk), die sich 4

5 Produktion Dr. Walter Sigl, München, im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 1994 Buch Ulrich Berner, Walter Sigl Kamera und Regie Walter Sigl Trickgrafik Bavaria Kopierwerk, Geiselgasteig Animation CA Scanline Production, Geiselgasteig Bildnachweis Dr. Walter Sigl, München CA Scanline Production, Geiselgasteig Begleitkarte Dr. Herbert Kiechle Fachberatung Prof. Dr. Hans-Peter Boehm Pädagogischer Referent im FWU Ulrich Berner Verleih durch Landes-, Kreis- und Stadtbildstellen/ Medienzentren Verkauf durch FWU Institut für Film und Bild, Grünwald Nur Bildstellen/Medienzentren: öv zulässig 2008 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D Grünwald Telefon (0 89) Telefax (0 89) info@fwu.de vertrieb@fwu.de Internet 5

6 FWU Schule und Unterricht DVD mit Kapitalanwahlpunkten 14 min, Farbe FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D Grünwald Telefon (0 89) Telefax (0 89) info@fwu.de Internet zentrale Sammelnummern für unseren Vertrieb: Telefon (0 89) Telefax (0 89) vertrieb@fwu.de Laufzeit: 14 min Kapitelanwahl auf DVD-Video Sprache: Deutsch Systemvoraussetzungen bei Nutzung am PC DVD-Laufwerk und DVD-Player-Software, empfohlen ab Windows 98 GEMA Alle Urheber- und Leistungsschutzrechte vorbehalten. Nicht erlaubte/genehmigte Nutzungen werden zivilund/oder strafrechtlich verfolgt. LEHR- Programm gemäß 14 JuSchG FWU-Klassiker Kreislauf des Kalks in der Natur Die in der Natur vorkommenden Kalksteine sind großteils Ablagerungen, die sich vorwiegend am Meeresboden aus kalkhaltigen Organismenresten gebildet haben und die im Laufe der Zeit durch Hebungen in den Bereich der Festländer kamen. Die Kalkverwitterung ist ein chemischer Vorgang, an dem Kohlenstoffdioxid und Kohlensäure maßgeblich beteiligt sind: Die Reaktion führt von dem in Wasser unlöslichen Calciumcarbonat zum löslichen Calciumhydrogencarbonat. Unter veränderten Außenbedingungen kommt es zu den entgegengesetzt verlaufenden Reaktionen der Kalkbildung. Kalkverwitterung und Kalkbildung führen in der Landschaft zu typischen Erscheinungen und sind Bestandteile eines sich stets wiederholenden Kalkreislaufes. Der Film erklärt sowohl die chemischen Grundlagen dieser Vorgänge als auch die Entstehung von Tropfsteinhöhlen und Karstlandschaften. Dieser Film ist eine FWU-Produktion aus dem Jahr Schlagwörter Kalk, Kalkbildung, Kalkverwitterung, Verkarstung, Karst, Tropfsteinhöhle Chemie Physikalische Chemie Bindung, Struktur, Eigenschaften Angewandte Chemie Chemie in Alltag und Umwelt Geographie Geologie Erdgeschichte Geomorphologie Oberflächenformen Allgemeinbildende Schule (8-13)