1.2.2 Carbonatverwitterung a) Ausgangsmaterialien b) Prozess c ...

Kalkhaltige Bodenbildungsmaterialien 

1.2.2 Carbonatverwitterung 

a) Ausgangsmaterialien 

b) Prozess 

c) Auswirkungen von Umweltveränderungen 

d) Verwitterungsformen 

e) Bodenbildung 

• Kalkstein 

– überwiegend aus CaCO 3 bestehendes Sedimentgestein 

– Mineralien: Calcit, Aragonit, Dolomit, Siderit u.a. 

– Bildung: 

• biogen in warmen Flachmeeren 

(Korallen, Muscheln, Schnecken, Kalkschwämme, etc.) 

• als Kalkkrusten in ariden Gebieten 

• An Quellen, Flüssen und Seen 

– Ausbildung: 

• Plattenkalke, Riffkalke 

Ausbildung Plattenkalk 

Ausbildung Plattenkalk 

Ausbildung Riffkalk 


• Mergel 

– Klastisch-chemisches Mischmaterial aus Ton und Kalk 

– CaCO 3 -Anteile: 

• Mergeliger Ton 2 – 10% 

• Mergelton 10 - 25% 

• Mergel 25 - 50% 

• Kalkmergel 50 – 75% 

• Mergelkalk 75 – 90% 


• Geschiebemergel 

1

Ausbildung Mergel 


• Löß 

– Äolisches Staubsediment 

– CaCO 3 -Anteil: 10 – 20% 

– Mineralogie: 

vorwiegend Quarzkörner mit Beimengungen von Feldspat, 

Glimmer und Ton 


• relativ locker, gelbbraun, mehlfein 

• meist schichtungslos 

• Meist unter 10 m mächtig 

Ausbildung Löss 




Carbonat 

„delokalisiertes“ Carbonat-Ion 

2

Lösungsverwitterung 

Carbonatlöslichkeiten 

Löslichkeit* von Carbonaten in reinem Wasser ist gering ! 

* (Mol/L) 2 , bei 25°C 

aus Krauskopf: Introduction to Geochemistry, 1979 

Carbonatverwitterung 

Protolyse 

Primärer Verwitterungsprozess = Hydrolyse 

– Spezialfall der Protolyse 

– Reaktion mit H + (aus Wasser-Dissoziation, schwachen 

Säuren, starken Säuren) (Säure-Base-Reaktion) 

– schnell 

– reversibel 

Wichtigster weltweiter Verwitterungsprozess 

Agens 

– Wirksam für Salze schwacher Säuren 

(Carbonate, Silikate) 

– Wirksamkeit steigt mit biogener Aktivität 

– Wirksamkeit steigt mit abnehmenden pH der Bodenlösung 

– Kohlensäure 

– Organische Säuren 

– Starke anorganische Säuren 

Carbonatverwitterung 

Autoprotolyse des Wassers 

• Hydrolytische Auflösung mit starker Säure 

• Neutrales Wasser, 25°C 

CaCO 3 + 2H + → Ca 2+ + H 2 O + CO 2 

Calcit + H + 

H 2 O ⇔ H + + OH - 

– O + M + 

K w = [H + ] [OH - ] = 10 −14 

• Hydrolytische Auflösung mit schwacher Säure 

H + (und OH - ) sind stets in Wasser präsent 

CaCO 3 + H + ←→ Ca 2+ - 

+ HCO 3 

pH ist temperaturabhängig + 

+ H + Hydrogencarbonat 

– O + M + • Woher stammen die H + -Ionen? H + 

3

Karbonatverwitterung durch Kohlensäure 

Exkurs 2: Kohlensäure – Henry-Gesetz 

• Kalkauflösung durch Kohlensäure: Nettoreaktion 

CaCO 3 + H 2 CO 3 ←→ Ca 2+ − 

+ 2 HCO 3 

Calcit + Kohlensäure Ca gelöst + Hydrogencarbonat+ 

H + 

Das Henry-Gesetz (nach dem englischen Chemiker William Henry) beschreibt das 

Löslichkeitsverhalten (flüchtiger) Substanzen im Wasser. 

Die am häufigsten verwendete Schreibweise ist: 

(p : Partialdruck der Substanz, c W : Konzentration in der Wasserphase/Lösung, K H : 

Henrykoeffizient) 

Der Henry-Koeffizient berechnet sich aus der Henry-Konstanten 

über: 

wobei R die molare Gaskonstante ist und T die Temperatur (des Gases). 

Eine andere gebräuchliche Schreibweise des Henry Gesetzes ist: 

mit der Löslichkeit 

mit der Löslichkeit 

Strenggenommen ist das Henry Gesetz nur für kleine und mäßige Drücke bis 5 bar anwendbar. 



Henry-Gesetz 

• In sehr verdünnten Lösungen ist die Löslichkeit eines 

Gases proportional zum dessen Partialdruck 

c = k ⋅ p 

Wieviel Kohlensäure befindet sich im Bodenwasser? 

(William Henry, britischer Physiker und Chemiker, * 1774 ) 



Henry-Gesetz 

• In sehr verdünnten Lösungen ist die Löslichkeit eines 

Gases proportional zum dessen Partialdruck 

[CO 

] 2 gelöst 

= 

k H 

⋅ p 

CO 2 

• „physikalisch gelöstes“ CO 2 ist von undissoziierter 

Kohlensäure nicht unterscheidbar! 

[CO 

2] 

gelöst 

+ H2O 

←⎯→ 

H2CO3 

(William Henry, britischer Physiker und Chemiker, * 1774 ) 

4



• Die Konzentration von gelöster Kohlensäure ist 

proportional zum dessen Partialdruck in der Bodenluft 

• Die Konzentration von gelöster Kohlensäure ist 

proportional zum dessen Partialdruck in der Bodenluft 

[H = ⋅ p 

2 

CO3] 

≡ [CO2] 

gelöst 

k H 

CO 2 

[H = ⋅ p 

2 

CO3] 

≡ [CO2] 

gelöst 

k H 

CO 2 

• k H = ??? 



• Löslichkeit von CO 2 bei Standardbed. (25°C, 1 atm): 

• CO 2 –Konzentration in Umgebungsluft ? 

k H 

= 

0.76 liter CO 2 /liter Wasser 

(0.76/24.5) Mol/l = 0.031 M 

[ H CO3] 

[ CO ] 

2 

0.031 

= = 0.031 = 10 

1 

2 

−1.5 

≈ 300 ppm = 0.03% 

=0.0003 = 10 −3.5 

k H 

⎡ 

in 

⎢ 

⎣ 

mol 

liter ⋅atm 

⎤ 

⎥ 

⎦ 

Exkurs: Kohlensäure – Henry-Gesetz 

• H 2 CO 3 –Konzentration in natürlichem Wasser ? 

−1.5 

−3.5 

−5 

[ H CO ] ≈ 0.031⋅0.0003 

= 10 ⋅10 

= 

2 3 

10 

5

Exkurs 3: Dissoziationsgleichgewicht und pH-Wert 

• Zusammenhang zwischen CO 2 -Partialdruck, 

Kohlensäurekonzentration, und H + -Konzentration 




Exkurs 3: Dissoziationsgleichgewicht von Kohlensäure 

• Welchen pH hat Regen ? 

• Welchen pH hat eine (ungepufferte) Bodenlösung? 

pKs 1 =6.4 pKs 2 =10.5 

6

Exkurs 4: pH – Wert schwacher Säuren 

Exkurs 4 : pH – Wert schwacher Säuren 

Abschätzung 

Abschätzung 

mit 

+ 

[ H ] 

⎛ ⎞ 

= ⎜ A ⎟ 

∑ ⋅k1 

⎝ ⎠ 

1 

2 

1 ⎪ 

⎧ ⎡ ⎤ 

pH = − ⎨ pk1 

+ lg⎢ 

∑ A⎥ 

2 ⎪⎩ ⎣ ⎦ 

mit 

⎪ 

⎫ 

⎬ 

⎪⎭ 

ΣA = Gesamte gelöste Säure (mol l −1 ) 

k 1 

= Erste Dissoziationskonstante 

ΣA = Gesamte gelöste Säure (mol l −1 ) 

k 1 

= Erste Dissoziationskonstante 


CO 2 -Partialdruck 

mbar 

0 

0.31 

3.3 

1.6 

100 

CaCO 3 -Löslichkeit 

mg/l 

15 

52 

117 

201 

390 





Gedanken zu Calcitlöslichkeit 


Wie reagiert Kalklöslichkeit auf Umweltveränderungen ? 

• Erniedrigung des pH (Abbau org. Substanz) 

– Kalklösung 

• Erhöhung der Temperatur 

– CO 2 gast aus; Kalkausfällung 

• Erhöhung des CO 2 -Partialdrucks 


• Hinzufügen einer starken Base 

– H 2 CO 3 wird aufgelöst → CO 2 - Nachlösung 










7





































• Veränderung des CO 2 -Partialdrucks 




8

Verwitterungsformen 






• Trotz der leichten Verwitterbarkeit bildet Kalkstein massive 

Felsformationen (Cliffs) 

• Zugänglichkeit für Wasser in massivem Kalkstein nicht einfach 

gegeben 

• Verwitterung ist auf Oberflächen beschränkt: 

– Abflußfurchen 

– Verkarstung 

– Dolinen 

• In (gut drainierten) Löß- und Mergelböden 

– relativ schnelle Kalkauswaschung 

Karstlandschaften 

Verwitterungsformen: Rinnen 

Verwitterungsformen: Karren 

Verwitterungsformen: Karren 

Alpenbuch, 1980 

9


Alpenbuch, 1980 

Verwitterungsformen: Dolinen 


Doline auf der Schwäbischen Alb 

Doline Lozére, Frankreich 



Nafplion, Griechenland 

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Fazit: Karsterscheinungen 

• Abflußfurchen 

• Verkarstungen 

• Dolinen 

• (Tropfstein-)Höhlen 

• Quelltöpfe 

• Trockentäler 

• Säulen und Türme 

• http://www.showcaves.com/german/index.html 

Bodenbildung 

• Syrosem 







Rohboden mit nur 

lückigem und/oder 

geringmächtigem 

Oberboden über 

Festgestein 

Hintermeier/Zech, 1997 

Bodenbildung 

Bodenbildung 

→ Rendzina 

→ Terra fusca 

wenig verwitterter Boden 

mit meist steinreichem, 

humosem Wurzelraum 

kalkfreier, verwitterter 

und tonreicher Boden 

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Unter natürlichen Bedingungen liegen nur schwache Säuren vor: 

1.2.2 Carbonatverwitterung - Fazit 






CaCO 3 + H 2 CO 3 ←→ Ca 2+ − 

+ 2 HCO 3 

Calcit + Kohlensäure+ ←→ H + freies Ca + Hydrogencarbonat 

→ Konzentration von H + in Wasser mit Kohlensäure ist erhöht 

→ Hydrolytische Verwitterung ist erhöht 

→ Kalk neutralisiert Kohlensäure: pH-Puffer 

Zusammenfassung: Karbonatverwitterung 

Ökologische Bedeutung der Kalkverwitterung 

• Gesamtreaktion 

• pH-Pufferung 

→ pH-Werte bleiben über 7 

CaCO 3 + H 2 CO 3 → Ca 2+ − 

+ 2 HCO 2 → günstig für Nährstoffversorgung! 

Calcit + Kohlensäure Ca gelöst + Hydrogencarbonat+ H + 

→ Hydrolytische Auflösung von Calcit, Dolomit 

→ Hydrolytische Entkalkung von Mergel und Löß 

• real gelöste CaCO 3 -Konzentrationen 

– Ca 2+ -Konzentration unter normalen Umgebungsbedingungen: 

4.7 x 10 -4 → in natürlichen Wässern oft weit über dem 

M 

Löslichkeitsprodukt! 

– Ca 2+ -Konzentration im Boden erhöht 

Resumée: Carbonatverwitterung 

• Hydrolyse durch Kohlensäure 

Grundlage: Massenwirkungsgesetz 

Grundlage: Löslichkeitsprodukt 

Grundlage: Henry-Gesetz 

Grundlage: Kohlensäure und Dissoziationsgleichgewicht 

Exkurs: pH-Wert von schwachen Säuren 

• Das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht 

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1.2.2 Carbonatverwitterung a) Ausgangsmaterialien b) Prozess c ...

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