Calciumcarbonat (fachsprachlich), Kalziumkarbonat oder in deutscher Trivialbezeichnung kohlensaurer Kalk, ist eine chemische Verbindung der Elemente Calcium, Kohlenstoff und Sauerstoff mit der chemischen Formel CaCO3. Als ein Calcium-Salz der Kohlensäure gehört es zur Stoffgruppe der Carbonate. Es ist ein farbloser, kristalliner Feststoff, dessen Kristallstruktur aus den Ionen Ca2+ und CO32− im Verhältnis 1:1 besteht.
In der Natur kommt Calciumcarbonat hauptsächlich als Kalkstein, Kreide und Marmor vor. Auch in Organismen wie den Schalenweichtieren findet sich Calciumcarbonat.
Vorkommen links|mini|Calcit links|mini|Aragonit links|mini|Die Travertinterrassen von Mammoth Hot Springs im Yellowstone-Nationalpark sind aus porösem Kalkstein Calciumcarbonat ist eine der am weitesten verbreiteten Verbindungen auf der Erde, vor allem in Form von Sedimentgesteinen. Es tritt vor allem in der Form des Minerals Calcit (Kalkspat, Doppelspat) auf, das mit einem Anteil von rund fünf Prozent zu den häufigsten Mineralen der Erdkruste gehört. Es ist nicht nur in den massiven Kalkgesteinen das vorherrschende Mineral, in Verbindung mit Quarz, Baryt und Fluorit bildet es auch das Muttergestein sehr vieler Erzgänge. Es kann sogar der einzige Bestandteil von Gängen sein, deren Mächtigkeit von einigen Zentimetern bis zu einigen Dekameter reicht. Weitere Modifikationen von Calciumcarbonat sind die Minerale Aragonit und Vaterit. Der Name Aragonit leitet sich vom bedeutendsten Vorkommen des Minerals in Aragonien ab. Es kommt vermehrt im Umfeld von marinen Gewässern vor. Die Ursache hierfür ist das im Meerwasser enthaltene Magnesium, das die Bildung von Aragonit gegenüber Calcit begünstigt. Aragonit ist neben Calcit das häufigste Biomineral. Es ist der anorganische Bestandteil in Perlmutt in Muscheln, ist auch häufig in Perlen enthalten und kommt außerdem in Schalen von marinen Einzellern und Korallen vor. Im Vergleich zu Calcit und Aragonit kommt Vaterit in der Natur nur selten vor. Es ist nach dem deutschen Chemiker und Mineralogen Heinrich Vater benannt. In den Gehäusen mancher Schnecken kommen alle drei Anhydratmodifikationen der Verbindung nebeneinander vor.
Daneben existieren mit Monohydrocalcit und Ikait zwei weitere pseudopolymorphe Minerale, die Hydrate von Calciumcarbonat darstellen. Das instabile Monohydrocalcit ist das Monohydrat des Calciumcarbonats. Das erste natürliche Vorkommen von Monohydrocalcit wurde 1959 und 1964 als ein unreines Sediment im Issyk-Kul-See in Kirgisien beschrieben. In Lebewesen kommt es in Blasensteinen von Meerschweinchen und in den Gehörsteinchen einiger Wirbeltiere vor. Ikait ist das Hexahydrat von Calciumcarbonat und wurde in der Natur erstmals 1963 in Form von bis zu 20 Meter hohen Säulen am Ikkafjord auf Grönland entdeckt. Der Fundort verlieh dem Mineral auch seinen Namen. Das Mineral ist bei Atmosphärendruck über 0 °C instabil und geht darüber in Calcit über. Seine Bildung wird von Magnesium (das in Meerwasser reichlich enthalten ist) und von anderen Additiven begünstigt.Markus Neumann: Synthese und Charakterisierung von Calciumcarbonat-Phasen und Calciumphosphat-basierter Knochenersatzmaterialien, Dissertation, Uni Duisburg-Essen, abgerufen am 1. Januar 2016
Calciumcarbonat ist der Hauptbestandteil des sedimentär gebildeten Kalksteins, des metamorphen Marmors und weiterer Sedimentgesteine wie zum Beispiel Oolith oder Stromatolith. In der belebten Natur kommt es im Außenskelett von Krebstieren, Korallen, Muscheln, Schnecken sowie Einzellern vor. In diesen liegt es zum Teil auch in einer der mehreren bekannten amorphen Calciumcarbonatphasen (ACC) vor.Julyan H. E. Cartwright, Antonio G. Checa, Julian D. Gale, Denis Gebauer, C. Ignacio Sainz-Díaz: Die Polyamorphie von Calciumcarbonat und ihre Bedeutung für die Biomineralisation: Wie viele amorphe Calciumcarbonat-Phasen gibt es?. In: Angewandte Chemie. 124, 2012, S. 12126, doi:10.1002/ange.201203125.
Die ersten Kalkgesteine nennenswerten Ausmaßes entstanden durch Stromatolithe vor über zwei Milliarden Jahren.
Calciumcarbonat ist im Boden weiträumig vorhanden. Die wichtigsten Calcium-Minerale in unseren Boden sind Calcit und Dolomit [CaMg(CO3)2]. Sie werden im Boden freigesetzt, wenn Karbonatgesteine oder Mergel verwittern.
Entgegen landläufiger Meinung enthalten die Knochen und Zähne der Wirbeltiere kein Calciumcarbonat, sondern die ebenfalls calciumhaltigen Stoffe Hydroxylapatit (in Knochen)Wissenschaft-Online-Lexika: Eintrag zu Knochen im Kompaktlexikon der Biologie. Abgerufen am 3. August 2011. und zusätzlich Fluorapatit in den Zähnen. Allerdings kommt Calciumcarbonat beispielsweise bei Pflanzen vor. Die Blatthaare des Roten Hartriegels sind mit Calciumcarbonat überzogen, das bei Berührung mit empfindlichen Stellen der menschlichen Haut zu Reizerscheinungen führen kann.
Calciumcarbonat wurde auch auf dem Planeten Mars nachgewiesen.W. V. Boynton, D. W. Ming, S. P. Kounaves, S. M. Young, R. E. Arvidson, M. H. Hecht, J. Hoffman, P. B. Niles, D. K. Hamara, R. C. Quinn, P. H. Smith, B. Sutter, D. C. Catling, R. V. Morris: Evidence for calcium carbonate at the Mars Phoenix landing site. In: Science. 325, 2009, S. 61–64, PMID 19574384.
Modifikationen in der Natur In der Natur bildet Calciumcarbonat verschiedene Gesteine, die zwar chemisch identisch sind, sich jedoch in mancherlei Hinsicht unterscheiden. Calcit ist eines der wenigen Minerale, das in reiner Form als Gesteinsbildner in allen drei Hauptgruppen vertreten ist. Denn neben den Sedimenten Kreide und Kalkstein sowie dem Metamorphit Marmor gibt es auch magmatische Calciumcarbonat-Gesteine – die Carbonatite.
Kreide mini|Kreidefelsen auf der Insel Rügen an der Ostsee Kreide ist ein feines, mikrokristallines Sedimentgestein, das durch Ablagerung von durch photosynthetischen Kohlensäureentzug gefälltem Calcit sowie der aragonitischen Schalen von fossilen Kleinlebewesen, wie Coccolithen der Coccolithophoriden und Schalen der Foraminiferen, entstanden ist. Kreide tritt an zahlreichen Standorten entlang des europäischen Kreidegürtels zutage, von Großbritannien über Frankreich bis hin zur Insel Rügen in Norddeutschland, und wird stellenweise abgebaut. Seekreide am Grund von Seen oder in verlandeten Seebecken besteht fast vollständig aus gefälltem Calcit. Die in der Schule verwendete Tafelkreide wird inzwischen allerdings meist nicht mehr aus echter Kreide, sondern vor allem aus Gips (Calciumsulfat) hergestellt.
Kalkstein Kalkstein wird ebenfalls überwiegend von Lebewesen gebildet und ist stärker verfestigt als Kreide. Die Kalkablagerung geschieht entweder direkt oder indirekt aus den Überresten der Lebewesen, wie zum Beispiel von Schnecken, Muscheln, gesteinsbildenden Steinkorallen und Schwämmen, die Calciumcarbonat zum Aufbau von Außen- oder Innenskeletten abscheiden. Indirekt wird er dadurch gebildet, dass Lebewesen, vor allem phototrophe, CO2 assimilieren und so das Milieu alkalisieren, was zur Ausfällung von Calciumcarbonat führt. Die Größe der Carbonatkristalle liegt zwischen derjenigen von Kreide und Marmor. Große Kalkstein-Vorkommen befinden sich zum Beispiel auf der Schwäbischen und Fränkischen Alb, im Jura, in den Kalkalpen und den Westalpen, im Himalaya und in vielen anderen Gebieten.
Marmor mini|hochkant|Der David von Michelangelo, eine der bekanntesten Marmorstatuen
Marmor ist ein grobkristallines, metamorphes Gestein, das entsteht, wenn Kreide, Kalkstein oder Dolomit unter dem Einfluss hoher Temperaturen und/oder hoher Drücke (über 1000 bar) umkristallisiert werden. Große Marmor-Vorkommen finden sich in Europa beispielsweise in Südtirol (Laas), Österreich (Gummern), Norwegen (Molde) oder im italienischen Carrara, der Heimat des reinweißen Statuario, aus dem Michelangelo seine Skulpturen schuf, sowie auch in Nordamerika.
Darstellung Synthetisches Calciumcarbonat wird als PCC ( „gefälltes Calciumcarbonat“) bezeichnet – im Unterschied zu GCC (engl. „gemahlenes Calciumcarbonat“). PCC kann auf verschiedene Arten hergestellt werden. Bekannte Prozesse sind die Fällung mit Kohlendioxid, das Kalk-Soda-Verfahren und der Solvay-Prozess, bei dem PCC als Nebenprodukt der Ammoniak-Herstellung anfällt.
Die Fällung mit Kohlendioxid ist der am häufigsten eingesetzte Prozess, insbesondere in den On-site-Anlagen der Papierindustrie. Sauberer Kalkstein beziehungsweise Branntkalk wird zunächst zum Calciumhydroxid (Kalkmilch) gelöscht und anschließend als dünne Suspension dem Reaktionsbehälter zugeführt. Dort leitet man so lange Kohlendioxid ein, bis das Calciumhydroxid vollständig zu Calciumcarbonat umgesetzt ist. Die Reaktionsdauer kann durch den Verlauf des pH-Wertes beurteilt und gesteuert werden.
Die Fällung erfolgt bei einem Feststoffgehalt von etwa 20 %. Über die Prozessführung (Temperatur, Druck, Zeit, Konzentration) können unterschiedliche Kristallformen (Kristallmorphologien) und Kornverteilungen erzeugt („gezüchtet“) werden. Bevorzugt wird die rhomboedrische oder skalenoedrische Kristallform. Weil mit hochreinen Ausgangsprodukten gearbeitet werden kann, sind die PCCs besonders weiß und haben auch Vorteile bezüglich der Opazität. Inzwischen erzeugen große Papierfabriken PCC in einem „Verbund“, indem sie Kohlenstoffdioxid, das bei der Verbrennung in Kraftwerken in Form von Rauchgasen entsteht, durch Bindung an Calciumhydroxid wieder rückgewinnen. Dies stellt jedoch keinen Beitrag zur Reduzierung der Kohlenstoffdioxid-Konzentration in der Atmosphäre (Klimawandel) dar, weil bei der zuvor notwendigen Herstellung von Kalkhydrat natürlicher Kalkstein gebrannt werden muss, wobei wieder CO2 freigesetzt wird.
Eine außergewöhnliche Calciumcarbonat-Lagerstätte gibt es im französischen Villeau, wo ein fossiler Calciumcarbonat-Niederschlag seit über 30 Millionen Jahren nie verfestigt wurde, sondern locker geblieben ist und so in seiner Zusammensetzung und Struktur dem künstlich gefällten PCC gleicht.
Beim Kalk-Soda-Verfahren entsteht Calciumcarbonat als Nebenprodukt bei der Herstellung der Ätzalkalien Natriumhydroxid und Kaliumhydroxid.
Vaterit fällt besonders aus übersättigten Lösungen in Form mikroskopisch kleiner Kristalle aus. Monohydrocalcit kann durch Entwässerung unter ständigem Absaugen des Wassers des Hexahydrates oder durch Additive, wie z. B. Magnesium, direkt in einem Temperaturbereich von 0 bis 40 °C synthetisiert werden. Ikait konnte erstmals 1865 von Pelouze durch Einleiten von Kohlendioxid in eine wässrige Calciumoxid/Zucker-Lösung hergestellt werden. Es kann auch durch Zugabe einer Natriumcarbonatlösung in eine eisgekühlte Calciumchloridlösung hergestellt werden. Das Zermahlen von Ikait führt zu einer Abgabe des Kristallwassers, wodurch neben Calcit auch eine beträchtliche Menge an Vaterit entsteht.
Amorphes Calciumcarbonat ist nach der Stufenregel von Ostwald bei der Kristallisation von Calciumcarbonat die erste Phase, die ausfällt. Es enthält eingeschlossenes und interstitielles Wasser, jedoch kann der Gehalt an Wasser variieren und wandelt sich im Weiteren in wässrigen Lösungen zu einer der wasserfreien polymorphen Phasen des Calciumcarbonats um. Verschiedene Arten von Additiven können ACC stabilisieren, jedoch kann stabilisiertes ACC auch ohne die Hilfe von Zusätzen erhalten werden, wenn es bei hoher Übersättigung gefällt wird. ACC, das frei von Zusätzen ist und aus äquilibrierten, leicht übersättigten (metastabilen) wässrigen Calciumcarbonatlösungen mithilfe eines plötzlichen Wechsels in ein schlechtes Lösungsmittel für Calciumcarbonat ausgefällt wurde (z. B. durch „Abschrecken“ in Ethanol). ACC wurde erstmals von Johnston et al. durch Mischen konzentrierter Lösungen von Calciumchlorid und Natriumcarbonat hergestellt. Später wurde eine Methode gefunden, wodurch beim Einleiten von Kohlendioxid in eine gesättigte Calciumhydroxidlösung zunächst amorphes Calciumcarbonat entsteht, das dann weiter zu Calcit kristallisiert.
Eigenschaften Physikalische Eigenschaften mini|links|Kalkpulver