Wichtigste chemische Verbindung: Calciumcarbonat

Geschichte

Calciumcarbonat, eine natürlich vorkommende Verbindung, ist in Organismen und der Erdkruste allgegenwärtig. Nach Quarz ist Calcit, die primäre Form von Calciumcarbonat, das am häufigsten vorkommende Mineral in der Kruste. Geologisch tritt Calciumcarbonat in verschiedenen Mineralformen auf, darunter Calcit, Aragonit und Vaterit. Calcit, das vorherrschende Mineral, unterscheidet sich vom seltenen Vaterit. Die unterschiedlichen Mineralformationen hängen von den Kristallstrukturen ab, die durch die Bedingungen während ihrer Entstehung wie Temperatur und Druck geformt werden.

Die kristalline Struktur von Calciumcarbonat in Mineralien ähnelt einem Dreieck, wobei Calcium im Zentrum und eine Carbonatgruppe an jeder Ecke sitzt. Im Calcit sind die Carbonate in einer Ebene ausgerichtet, während sie im Aragonit zwei Ebenen einnehmen, was zu einer höheren Dichte aufgrund engerer Packung führt. Calcit hat eine Dichte von etwa 2,7 g/cm³, während die Dichte von Aragonit etwa 2,9 g/cm³ beträgt. Calciumcarbonat ist in verschiedenen Gesteinen verbreitet, wobei prominente Vorkommen in Kreide, Kalkstein und Marmor zu finden sind, letzterer ist metamorpher Kalkstein.

Zahlreiche marine Organismen entziehen dem Meerwasser Calciumcarbonat und synthetisieren es, um Skelettstrukturen zu bilden. Mollusken, Schwämme, Foraminiferen, Coccolithophoren, koralline Algen und Korallen nutzen gelöstes Calcium und Kohlendioxid zur Herstellung von Calciumcarbonat. Korallen zum Beispiel sezernieren Aragonit-Skelette durch Reaktionen, die Calcium und Bikarbonat beinhalten. Austern hingegen sekretieren Calciumcarbonat zur Umhüllung von Fremdkörpern in ihren Schalen. Über Millionen von Jahren sammeln sich sedimentäre Ablagerungen von Kreide und Kalkstein aus den Überresten von Meerestieren an.

Die menschliche Nutzung von Calciumcarbonat konzentriert sich hauptsächlich auf seine Rolle als wichtige Calciumquelle, die für die Bekämpfung von Osteoporose entscheidend ist.

Vorbereitung & Anwendung

Die weltweite Verfügbarkeit von Kalksteinvorkommen hat Calciumcarbonat seit der Antike als grundlegendes Baumaterial etabliert. Vor etwa 5.000 Jahren war Kalkstein das vorherrschende Material beim Bau der ägyptischen Pyramiden und der Sphinx. Heute bleibt Kalkstein eine wichtige Baustoffressource, wobei die Vereinigten Staaten im Jahr 2005 schätzungsweise eine Milliarde Tonnen zerkleinerten Kalksteins für verschiedene Bauzwecke wie Straßen, Dämme, Füllmaterial und Gebäude verwendet haben.

Über seine Rolle im Bauwesen hinaus spielt Calciumcarbonat eine bedeutende Rolle in verschiedenen industriellen Prozessen. Mahlen von Calciumcarbonat (GCC) und ausgefälltes Calciumcarbonat (PCC) sind zwei häufig verwendete Formen. GCC ist Kalkstein, der pulverisiert wird, um Partikelgrößen von einem Bruchteil eines Mikrons bis mehrere Mikron zu erreichen. PCC wird durch spezifische Prozesse zur Erreichung gewünschter Eigenschaften in Bezug auf Form (Calcit oder Aragonit), Größe und Eigenschaften hergestellt.

Die Herstellung von PCC umfasst das Brennen von Kalkstein zur Produktion von Calciumoxid (Kalk, CaO) bei Temperaturen zwischen 600°C und 900°C: CaCO3(s)→CaO(s)+CO2(g). Anschließend wird Calciumoxid hydriert, um Calciumhydroxid zu bilden: CaO(s)+H2O(l)→Ca(OH)2(aq). Dieses Calciumhydroxid wird mit Kohlendioxid kombiniert, das während der Kalksteinbrennen entsteht, was zu einer Suspension von Calciumcarbonat und Wasser führt: Ca(OH)2(aq)+CO2(g)→CaCO3(s)+H2O(l). Der letzte Schritt umfasst die Trennung des Calciumcarbonats durch Filtration und andere Methoden, um ausgefälltes Calciumcarbonat zu erhalten. Durch Anpassung des Produktionsprozesses mit unterschiedlichen Temperaturen und Kalksteinquellen sind verschiedene Formen von Calciumcarbonat mit unterschiedlichen Strukturen, Größen und Eigenschaften für verschiedene Anwendungen erreichbar.

Calciumcarbonat findet umfassende Anwendung in der Papierindustrie als Füllstoff und Beschichtungspigment zur Verbesserung der Papierweißheit. Papierherstellungsanlagen verfügen oft über spezielle Einrichtungen zur PCC-Produktion. Neben der Papierherstellung ist die zweitwichtigste industrielle Anwendung von Calciumcarbonat die Kunststoffherstellung, insbesondere bei der Produktion von Polyvinylchlorid (PVC), Duroplasten und Polyolefinen. Seine Vielseitigkeit erstreckt sich auf Anwendungen in Farben, Beschichtungen sowie als Zusatzstoff zur Partikelgrößenverteilung, Deckkraftkontrolle, Wetterbeständigkeit, pH-Regulierung und Korrosionsschutz.

In der Landwirtschaft wird Calciumcarbonat verwendet, um saure Böden zu puffern. Seine Reaktion mit Schwefelsäure im Boden produziert Calciumsulfat (CaSO4), Kohlendioxid und Wasser: H2SO4(aq)+CaCO3(s)→CaSO4(s)+CO2(g)+H2O(l). Die Neutralisierungskapazität verschiedener Kalksorten im Boden wird in Bezug auf Calciumcarbonat-Äquivalente quantifiziert.

Weiterhin hat Calciumcarbonat Umweltanwendungen, einschließlich der Minderung der Auswirkungen von saurem Regen auf Gewässer und der Gasentschwefelung in Abgaswäschern zur Reduzierung von Schwefelemissionen aus Luftverschmutzungsquellen. Beim weit verbreiteten Nasswäscherverfahren reagiert Calciumcarbonat mit Schwefeldioxid zu Calciumsulfit (CaSO3), das weiter zu Gips oxidiert werden kann (siehe Calciumsulfat).

Referenz

Richard L. Myers (2009). The 100 Most Important Chemical Compounds: A Reference Guide. Greenwood Publishing Group. 1. Oktober 2009. https://doi.org/10.1021/ed086p1182