Wasserhärte

Was bedeutet Wasserhärte? – Chemie

Der Begriff Wasserhärte kann anfangs etwas verwirren. Es handelt sich dabei nicht um Eis, das man ja als hartes Wasser betrachten könnte. Der Fachbegriff Wasserhärte kommt aus der angewandten Chemie und bezieht sich auf die Konzentration von Calcium- und Magnesiumionen im Wasser. Eine große Wasserhärte kann leicht Verkalkungen verursachen, die beispielsweise zum Rohrbruch führen oder Waschmaschinen und Geschirrspüler zerstören können. Deshalb gibt es auch Wasserenthärter für Waschmaschinen und Geschirrspüler. Wir schauen uns die Wasserhärte im Folgenden genauer an.

Was ist Wasserhärte? – Definition

Die Wasserhärte ist ein Maß für den Gehalt an Ionen der Erdalkalimetalle (2. Hauptgruppe) im Wasser. Dabei sind besonders die sehr häufig vorkommenden Calciumionen $Ca^{2+}$ und die Magnesiumionen $Mg^{2+}$ gemeint. Diese können als Carbonate und Kalkseife – das sind Salze der Fettsäuren – schwerlösliche, harte Ausfällungen bilden.

Entstehung der Wasserhärte

Es gibt in der Natur verschiedene Minerale, die die Ionen des Calciums und des Magnesiums enthalten. Wichtige Vertreter sind Calcit und Aragonit, das sind Formen des Calciumcarbonats ($CaCO_3$). Das Mineral Dolomit ist ein Gemisch von Calciumcarbonat und Magnesiumcarbonat ($MgCO_3$). Aus natürlichen Wasservorkommen können eiförmige Ooide auskristallisieren, das sind Mischminerale mit Calcium und Magnesium. Außerdem finden wir die Ionen des Calciums und des Magnesiums in den Tropfsteinen von Höhlen. Die Calcium- und Magnesiumionen werden durch Wasser aus den Mineralen ausgespült und können an anderer Stelle wieder als Carbonate und Kalkseifen ausfallen.

Bestimmung der Wasserhärte

Die Einheit der Wasserhärte wird im Maß Grad deutscher Härte, abgekürzt mit $^\circ dH$, angegeben.

• Weiches bzw. sehr weiches Wasser hat eine Härte $^\circ dH = 0-10$.
• Für mittelhartes Wasser gilt der Bereich $^\circ dH = 10-20$.
• Von hartem Wasser spricht man ab $^\circ dH > 20$.
• Um sehr hartes Wasser handelt es sich ab $^\circ dH > 25$.

Die Einheit Grad deutscher Härte bezieht sich auf konkrete Stoffmengen. So entspricht $1~^\circ dH$ umgerechnet einer Menge von $1~mg$ Calciumoxid ($CaO$) auf einen Liter wässriger Lösung. Wenn du dich schon mit der Stoffmenge Mol auskennst, dann entspricht das $0,1783~mMol$ Calciumoxid pro Liter wässriger Lösung.

Gesamthärte, temporäre und permanente Härte
Wenn man die Salze aller Erdalkalimetalle, das heißt ihre Carbonate, Hydrogencarbonate, Sulfate, Nitrate, Chloride etc., zusammenfasst, spricht man von der Gesamthärte des Wassers. Die Bestimmung der Gesamthärte erfolgt mit bestimmten Stoffen, die die Calcium- und Magnesiumionen in löslichen Komplexen binden können. Zu solchen Stoffen gehören die Chelate wie EDTA.

Die Gesamthärte setzt sich zusammen aus der temporären Härte, das ist die Carbonathärte, und der permanenten Härte, die auch Sulfathärte genannt wird. Die Carbonathärte ist eine temporäre Härte, weil sie durch Erhitzen oder Säurezugabe verschwindet. Bei der Zugabe einer Säure läuft folgende Reaktion ab:
Das Hydroniumion der Säure ($H_3O^{+}$) reagiert mit dem Hydrogencarbonation ($HCO_3^-$), dabei wird Kohlenstoffdioxid ($CO_2$) freigesetzt.

$HCO_{3}^{-} + H_3O^{+} \longrightarrow 2 ~H_2O + CO_2 \uparrow$

Nutzen und Schaden der Wasserhärte

Die Eigenschaften der Wasserhärte zeigen Vorteile und Nachteile:

Vorteile hoher Wasserhärte

• Die Calcium- und Magnesiumionen sind lebensnotwendig und werden bei zahlreichen Stoffwechselvorgängen benötigt.
• Hartes Wasser mit hohen Konzentrationen an Calcium- und Magnesiumionen neutralisiert Überschüsse an Kohlensäure und wirkt in sauren Böden als Puffer.
• Metallische Werkstoffe bilden in hartem Wasser an der Oberfläche eine vor Korrosion schützende Schicht aus. Dieser Effekt ist auch als Passivierung bekannt.

Nachteile hoher Wasserhärte

• Der bedeutendste Nachteil hoher Wasserhärte ist die Ausbildung von unlöslichem Kesselstein beim Erwärmen von hartem Wasser. Kesselstein ist dabei im Wesentlichen nichts anderes als Calciumcarbonat, das nach folgender Reaktion beim Erwärmen aus Calciumhydrogencarbonat ($Ca(HCO_3)_2$) entsteht:

$Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{Erhitzen} CaCO_3 + H_2O + CO_2 \uparrow$

Die Bildung von Kesselstein ist problematisch, weil Kesselstein ein schlechter Wärmeleiter ist. Es kann dann zu lokalen Überhitzungen kommen, wobei Maschinen – wie Waschmaschinen, Geschirrspüler oder Kesselanlagen in der Industrie – zerstört werden können.

• Die Ablagerung von Kesselstein führt in wasserführenden Rohren zu einer Querschnittsverengung, die zum Rohrbruch führen kann.
• Die Ablagerung von Kesselstein führt auf Glas zu Kalkflecken.
• Hartes Wasser kann den Geschmack von Tee und Kaffee vermindern.
• Die Reaktion mit Seife ist auch nicht wünschenswert. Hartes Wasser bildet mit Seife sogenannte Kalkseife, eine Verbindung von Fettsäuren aus der Seife mit Calcium- oder Magnesiumionen. Kalkseife ist wasserunlöslich und nicht waschaktiv, dazu verursacht sie graue Beläge und schädigt die Faserstruktur in Stoffen. Heute wird Seife nicht mehr für das Wäschewaschen verwendet.

In der Technik überwiegen also mehr die Nachteile großer Wasserhärte. Da in unterschiedlichen Regionen unterschiedliche Wasserhärten vorkommen, bestimmt man die Wasserhärte und entscheidet dann über eine notwendige Wasserenthärtung.

Methoden der Wasserenthärtung

Die Carbonathärte reduziert man durch Ausfällen oder Auflösen:

• Ausfällen: Lösliches Calciumhydrogencarbonat reagiert mit Calciumhydroxid ($Ca(OH)_{2}$). Calciumcarbonat wird ausgefällt und Wasser entsteht:

$Ca(HCO_3)_{2} + Ca(OH)_{2} \longrightarrow 2 ~CaCO_3 \downarrow + 2 ~H_2O$

• Auflösen: Das lösliche Calciumhydrogencarbonat reagiert mit Salzsäure. Es bildet sich lösliches Calciumchlorid. Dabei entsteht Wasser und Kohlenstoffdioxid wird frei:

$Ca(HCO_3)_{2} + 2 ~HCl \longrightarrow Ca^{2+} + 2~Cl^{-} + 2 ~H_2O + 2 ~CO_2 \uparrow$

Man kann zur Enthärtung auch die Calcium- und Magnesiumionen ganz aus dem Wasser entfernen. Dafür kann man wie oben beschrieben mit Chelaten wie EDTA die Ionen in Komplexen binden.
Eine andere Möglichkeit ist der Einsatz von Ionenaustauschern. In Ionenaustauschern werden die Calcium- und Magnesiumionen beispielsweise gegen Hydroniumionen ($H_3O^{+}$), Ammoniumionen ($NH_4^+$) oder Alkalimetallionen wie Natriumionen ($Na^+$) ausgetauscht.

Waschmittel enthalten als Enthärter oft Zeolithe, das sind Gerüstsilikate mit Hohlräumen, die die Calcium- und Magnesiumionen aus dem Wasser ziehen.

Hinweise zum Video

In diesem Video geht es um die Wasserhärte. Du lernst, was Wasserhärte ist, wie sie gemessen wird und wie man Wasser wieder enthärtet. Als Vorkenntnisse solltest du die Bildung von Salzen sowie die Säuren und Basen bereits kennen.

Übungen und Arbeitsblätter
Du findest hier auch Übungen und Arbeitsblätter. Beginne mit den Übungen, um gleich dein neues Wissen über die Wasserhärte zu testen.