Wasserhärte

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Wasserhahn mit Strahlregler: Hier ist die Härte des Leitungswassers sichtbar an der Kalkablagerung, die am tropfenden Hahn zurückbleibt - in Jahrtausenden könnten so Tropfsteine wie in einer Höhle entstehen...

Als Wasserhärte wird die Konzentration der im Wasser gelösten Ionen der Erdalkalimetalle bezeichnet. Zu diesen „Härtebildnern“ zählen hauptsächlich Calcium und Magnesium, während Strontium und Barium eine untergeordnete Rolle spielen. Die gelösten Härtebildner können unlösliche Verbindungen bilden, vor allem Kalk und sogenannte Kalkseifen. Die Tendenz zur Bildung von unlöslichen Verbindungen ist der Grund für die hohe Aufmerksamkeit, die der Wasserhärte entgegengebracht wird.

• Weiches Wasser ist günstiger für alle Anwendungen, bei denen das Wasser erhitzt wird, zum Waschen, zum Gießen von Zimmerpflanzen etc. Weiches Wasser steht in Regionen mit Granit, Gneis, Basalt und Schiefer-Gesteinen zur Verfügung. Auch Regenwasser ist weiches Wasser.
• Hartes Wasser führt zur Verkalkung von Haushaltsgeräten, erhöht den Verbrauch von Spül- und Waschmitteln, beeinträchtigt den Geschmack und das Aussehen empfindlicher Speisen und Getränke (z.B. Tee). Hartes Wasser kommt aus Regionen, in denen Sand- und Kalkgesteine vorherrschen.

[Bearbeiten] Unterteilung in Härte-Anteile

Die Gesamtwasserhärte spiegelt die gesamte Konzentration der Kationen der Erdalkalimetalle in Wasser wider. Diese Kationen haben eine große, positive physiologische Bedeutung, stören jedoch bei einigen Verwendungen des Wassers. So bilden in Wasser eingebrachte Seifen mit diesen Kationen unlösliche Kalkseifen, die über keine Reinigungswirkung mehr verfügen. Beim Waschen von Textilien in Wasser mit hoher Gesamtwasserhärte führen die Kalkseifen zu einer Verunreinigung der Textilen. Seifen zählen zu den anionischen Tensiden und sind besonders empfindlich gegenüber hartem Wasser. Die Waschleistung von modernen Tensiden in Waschmitteln ist weniger empfindlich gegen die Wasserhärte. Trotzdem enthalten die Waschmittel zu etwa 30% Substanzen, die hartes Wasser enthärten. (siehe auch Baukastenwaschmittel und Wasserhärte und Waschen)

Liegen in einer Lösung Kationen vor, so müssen auch Anionen in entsprechender Menge vorhanden sein. In Bezug auf die Wasserhärte ist die Konzentration des Anions Hydrogencarbonat (HCO₃^-) bedeutsam. Man bezeichnet diese Konzentration als Carbonathärte oder temporäre Wasserhärte oder vorübergehende Wasserhärte. Mit Hydrogencarbonat können sich schwer lösliche Verbindungen wie Calciumcarbonat oder Magnesiumcarbonat bilden. Diese Ablagerungen werden auch Kesselstein genannt. Ob sich Kalkablagerungen bilden, hängt von einem recht komplizierten, temperaturabhängigen Kalk-Kohlensäure-Kohlenstoffdioxid-Gleichgewicht ab. Carbonathärte führt zu Ablagerungen besonders bei der Bereitung von Heißwasser. Im Haushalt sind die Warmwasseranlagen und Geräte wie Kaffeemaschinen betroffen. Die Ablagerungen entstehen besonders an den Wärmequellen, führen langfristig zu Überhitzungen und können diese schädigen. Durch eine Anwesenheit von Hydrogencarbonat kann ein Teil der Gesamtwasserhärte durch Kochen oder z. B. durch Entkarbonisierung recht einfach entfernt werden. Aus diesem Grund sind die Bezeichnungen vorübergehende bzw. temporäre Härte entstanden. Neben der Temperatur tragen auch andere Prozesse zur Bildung von Kalk bei, da sie den Kohlenstoffdioxid-Gehalt des Wassers beeinflussen. Wasserpflanzen und Algen entziehen CO₂ und können zu einer Fällung von Carbonaten führen.

Als Nichtcarbonathärte bezeichnet man den Teil der Gesamtwasserhärte, der sich nicht durch Kochen des Wassers entfernen lässt. Die verbleibenden Anionen wie z. B. Chloride und Sulfate bilden mit den Kationen der Erdalkalimetalle keine schwerlöslichen Verbindungen. Welche Anionen genau vorhanden sind, spielt in Bezug auf die Wasserhärte keine Rolle. Dieser Anteil der Härte wird auch permanente Wasserhärte oder bleibende Wasserhärte genannt. (Sie bleibt nach dem Kochen)

Zusammenfassend gilt, dass die Gesamtwasserhärte die Summe der Carbonathärte und der Nichtcarbonathärte ist. Die Verwendung der Begriffe hart und weich in Bezug auf Wasser hat eine ganz spezielle Bedeutung. Sie ist nicht vergleichbar mit der Bedeutung des Wortes Härte, das im Zusammenhang mit harten oder weichen Materialien steht. Die Gesamtwasserhärte beschreibt die gesamte Konzentration der Kationen der Erdalkalimetalle. Gelegentlich werden Konzentrationen von Magnesium- und Calciumionen getrennt bestimmt. Man bezeichnet diese dann als „Magnesiumhärte“ bzw. „Calciumhärte“, deren Summe in guter Näherung der Gesamtwasserhärte entspricht. In Anwesenheit von Hydrogencarbonat können sich schwerer lösliche (kompaktere) Mischcarbonate bilden. „Magnesiumhärte“ bzw. „Magnesiumkalk“ wird besonders und überzogen in der Werbung für Entkalker und Wasserenthärter erwähnt.

[Bearbeiten] Einheiten und Umrechnungsfaktoren

Nach dem SI-Maßsystem wird der Gehalt an Erdalkali-Ionen, also die Gesamtwasserhärte in Mol pro Liter, oder praktischerweise in Millimol pro Liter (mmol/l) angegeben. Die Wasserhärte wurde früher in Grad deutscher Härte, °dH angegeben und gemessen. Dabei ist 1° dH definiert als 1 mg CaO/100 ml Wasser. In anderen Ländern waren andere Maßeinheiten in Gebrauch, die jedoch nur eingeschränkt vergleichbar sind, da andere Messmethoden angewandt wurden. Vergleichbar werden sie, wenn man ein Standard-Ionenverhältnis annimmt. Das ist möglich, weil die meisten natürlichen Wässer eine erstaunlich gleichartige Kationenverteilung aufweisen, unabhängig vom Gesamtsalzgehalt. Unter dieser Voraussetzung ist die unten stehende Tabelle zur Umrechnung anwendbar. Allen diesen Einheiten gemeinsam ist, dass sie wie das °dH veraltet sind.

Tabelle nach: (Lit.: Krause, Seite 35)

[Bearbeiten] Entstehung der Wasserhärte

Die Wasserhärte entsteht beim Durchtritt von versickerndem Regen- oder Schmelzwasser durch die Bodenschichten. Deshalb hängt es stark vom geologischen Untergrund ab, welche und wie viel Härtebildner in Lösung gehen können. Dem entspricht die geografische Verteilung der Wasserhärte. Magnesium- und Calciumionen können durch einfache Löseprozesse in das Wasser gelangen: durch Auflösungen von Gips (CaSO₄ x 2 H₂O) oder Calciumchlorid (CaCl₂), einem Abfallprodukt der chemischen Industrie, das gelegentlich im winterlichen Streudienst eingesetzt wird.

Carbonathärte entsteht durch Auflösung von Kalk (CaCO₃) durch Kohlensäure unter Bildung löslicher Hydrogencarbonate (HCO₃^-):

CaCO₃ + CO₂ + H₂O Ca²⁺ + 2 HCO₃^-

Das CO₂ stammt überwiegend aus dem Boden, in dem der mikrobielle Abbau organischer Substanz zu erhöhten CO₂-Konzentrationen führt. Diejenige Menge an Härtebildnern, die dem Hydrogencarbonat zuzuordnen ist, wird traditionell als Carbonathärte bezeichnet. Wenn das Wasser erwärmt wird, kann das Gleichgewicht zwischen Hydrogencarbonat und Kohlensäure so gestört werden, dass die Reaktion in umgekehrter Richtung abläuft mit der Folge, dass sich festes Kalk (Kesselstein) abscheidet. Dieses Verhalten führte zu der Bezeichnung „temporäre“ bzw. „vorübergehende“ Härte. Eine Kalkabscheidung tritt auch ein, wenn ein CO₂-Verlust eintritt, also wenn dem Wasser Lauge oder andere alkalisch wirkende Substanzen zugegeben werden oder wenn durch pflanzliche Photosynthese dem Wasser Kohlenstoffdioxid entzogen wird („biogene Enthärtung“).

Auflösung von Kalk durch saure Komponenten des Niederschlags: Die in den Niederschlägen enthaltenen Säuren, die durch den Begriff saurer Regen bekannt geworden sind, können ebenfalls zu einem Härteanstieg führen. Beteiligt sind Schwefelsäure aus der Verbrennung schwefelhaltiger fossiler Brennstoffe und Salpetersäure, die über die Zwischenstufe „Stickoxide“ durch Blitzentladungen bei Gewittern, aber auch bei Verbrennungsprozessen gebildet wird. Durch Maßnahmen zur Luftreinhaltung (z. B. Rauchgasentschwefelung) sind diese Belastungen in den vergangenen Jahrzehnten drastisch reduziert worden.

Auflösung von Kalk durch Salpetersäure: Bei der landwirtschaftlichen Düngung oder schlicht beim Zerfall von Pflanzenmasse im Boden wird der enthaltene Stickstoff zunächst als Ammonium freigesetzt. Daran schließt sich ein bakterieller Oxidationsprozess an (die sog. Nitrifikation). Das Ammonium wird zuerst zu salpetriger Säure und schließlich zu Salpetersäure (HNO₃) oxidiert. Diese Salpetersäure löst aus Kalk – und beim Fehlen von Kalk aus Tonmineralen – Härtebildner auf. Deshalb drohen landwirtschaftlich genutzte Böden ohne Kalk zu versauern. In diesen Fällen ist eine Kalkdüngung erforderlich. Diese ist für den Härteanstieg in vielen Grundwässern mitverantwortlich. In Grundwässern, die durch landwirtschaftliche Aktivitäten beeinflusst sind, kann die Härte auf über 30 °dH, in Einzelfällen sogar auf über 40 °dH, ansteigen.

Regenwasser kann nur dann Härtebildner aufnehmen, wenn die Atmosphäre kalkhaltige Staubpartikel enthält. Üblicherweise liegt die Härte von Regenwasser nahe bei Null. Auch die meisten Trinkwasser-Talsperren enthalten Wasser mit geringer Härte. In Gegenden, die durch magmatische Gesteine (Granit, Gneis, Basalt) geprägt sind, sind die Wässer ebenfalls sehr weich. Höhere Härten beobachtet man in Regionen, in denen Sandstein, Kalkgesteine oder Gips vorherrschen. Grundwässer aus gipshaltigen Schichten können im Extremfall die Sättigungskonzentration für Gips erreichen, die einer Härte von 78,5 °dH entspricht.

[Bearbeiten] Wasserhärte des Trinkwassers

Die Wasserhärte kann sich aufgrund folgender Einflüsse ändern:

• Umwelteinflüsse, z. B. aus der Landwirtschaft,
• Technische Maßnahmen, z. B. Änderung der Trinkwasseraufbereitung,
• Unternehmerische Entscheidungen, z. B. Anschluss an eine überregionale Versorgung.

Um aktuelle Information über die Wasserhärte zu erhalten, ist grundsätzlich das zuständige Versorgungsunternehmen zu kontaktieren.

[Bearbeiten] Physiologische Bedeutung

Magnesium und Calcium sind für den Organismus essentiell. Der menschliche Körper enthält 470 mg/kg Magnesium und 15 g/kg Calcium. Für die Versorgung des Körpers mit diesen Elementen spielt das Trinkwasser eine untergeordnete Rolle. Strontium ist ebenso wie Calcium in den Knochen enthalten, hat aber keine spezielle physiologische Bedeutung. Strontium mit der Massenzahl 90 ist ein radioaktives Spaltprodukt mit hohem Gefährdungspotential. Barium ist in gelöster Form giftig. In sulfathaltigen Wässern werden toxikologisch bedenkliche Konzentrationen nicht erreicht, weil das extrem schwerlösliche Bariumsulfat gebildet wird.

[Bearbeiten] Bestimmung der Wasserhärte

• Chemisch gesehen ist Wasserhärte ein Maß für den Calcium- und Magnesiumgehalt des Wassers. Kalk (Calciumcarbonat) ist die häufigste Ursache für Wasserhärte - nachgewiesen wird Calcium als Kalk in der Analytischen Chemie über den Kationentrenngang in der Ammoniumcarbonatgruppe. Dieses Verfahren ist aber für die Konzentrationsbereiche in natürlichen Wässern zu unempfindlich.

• Die bekannteste praktikable Bestimmungsmethode für die Gesamthärte ist die komplexometrische Titration mit einer wässrigen Lösung des Dinatriumsalz der Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA, Handelsname: Titriplex III) mit bekannter Konzentration. EDTA bildet mit den Härtebildnern Ca²⁺ und Mg²⁺ lösliche, stabile Chelatkomplexe. 100 ml der zu untersuchenden Wasserprobe werden mit 2 ml 25%-iger Ammoniaklösung, einem pH 11 Puffer (Ammoniak-Ammoniumacetat) und dem Indikator Eriochromschwarz-T versetzt. Üblicherweise ist der Indikator mit dem Puffer zusammen als so genannte "Indikator-Puffer-Tabletten" erhältlich. Der Indikator bildet mit den Ca²⁺ und Mg²⁺ einen rot gefärbten Komplex. Sind diese Ionen am Ende der Titration vom EDTA gebunden, liegt das Eriochromschwarz-T frei vor und ist grün gefärbt. Die Gesamthärte berechnet sich aus den verbrauchten ml EDTA Lösung. Zoogeschäfte mit guter Aquarienabteilung bieten auch einfach anwendbare Testsets für den privaten Nutzer an. Auch Teststreifen zum Eintauchen sind erhältlich.

• Die Carbonathärte (= temporäre Härte) wird auch als Alkalität bezeichnet und durch das Salzsäure-Bindungs-Vermögen (SBV) bestimmt. Hierzu werden 100 ml des Wassers mit 0,1 molarer Salzsäure bis zum pH-Wert 4,3 titriert (pH-Meter oder Umschlag von Methylorange-Indikator). Wird auch m-Wert (mmol/l) genannt. Hierbei wird (nahezu) alles Carbonat und Hydrogencarbonat zu „freier Kohlensäure“ umgewandelt. Der Säureverbrauch in ml entspricht deshalb der Hydrogencarbonatkonzentration in mval/l. Die Multiplikation mit 2,8 ergibt deutsche Härtegrade.

• In Analytischen Labors können die Erdalkaliionen wie auch die Anionen der Säurereste mit Hilfe der Ionenchromatografie oder der Kapillarelektrophorese bestimmt werden. Calcium kann auch spektroskopisch mit Hilfe der Flammen-Atomemissionsspektrometrie bestimmt werden.

[Bearbeiten] Eignung zum Waschen

Auf Verpackungen von Wasch- und Reinigungsmitteln, die Phosphate oder andere härtebindende Stoffe enthalten, müssen nach §7 Abs. 1 Satz 1 Nr. 5 WaschMG (Gesetz über die Umweltverträglichkeit von Wasch- und Reinigungsmitteln) abgestufte Dosierungsempfehlungen in Millilitern für die Härtebereiche 1 bis 4 angegeben werden. Dabei entsprechen:

• Härtebereich 0 (sehr weich): bis 3,0° dH Gesamthärte
• Härtebereich 1 (weich): bis 1,3 Millimol je Liter, (0° bzw.) 3,1° bis 7,0° dH Gesamthärte
• Härtebereich 2 (mittel): 1,3 bis 2,5 Millimol je Liter, 7,1° bis 14,0° dH Gesamthärte
• Härtebereich 3 (hart): 2,5 bis 3,8 Millimol je Liter, 14,1° bis 21,0° dH Gesamthärte
• Härtebereich 4 (sehr hart): über 3,8 Millimol je Liter, über 21° dH Gesamthärte

Um Waschmittel einzusparen muss man die örtlich vorhandene Wasserhärte kennen und liest dann auf der Packung die dazu gehörende Waschmittelmenge ab. Generell benötigt man nur die für den Härtebereich 1 empfohlene Waschmittelmenge. Bei härterem Trinkwasser (ab Härtebereich 3) sollte man bei Temperaturen ab 60 °C einen separaten, phosphatfreien Enthärter dazugeben. Die Wasserversorgungsunternehmen teilen dem Kunden die örtliche Wasserhärte mit oder verschicken Aufkleber, welche man zweckmäßigerweise auf die Waschmaschine klebt.

Für Trinkwasser bestehen Vorschriften bezüglich der Wasserhärte, siehe dort.

[Bearbeiten] Entfernung der Wasserhärte

Hauptartikel: Wasserenthärtung

Entkarbonisierung: Mit dieser Maßnahme wird nur die Karbonathärte verringert. Dem Wasser wird Calciumhydroxid als „Kalkwasser“ zugegeben, das die folgende Reaktion auslöst:

[Ca²⁺ + 2 HCO₃^-] („Karbonathärte“) + Ca(OH)₂ 2 CaCO₃ + 2 H₂O

Eine Entkarbonisierung wird in einigen deutschen Wasserwerken durchgeführt, um einem Anstieg der Härte durch anthropogene Einflüsse entgegenzuwirken.

Enthärtung durch Ionenaustausch: Ionenaustauscher, die mit Kochsalz regeneriert werden, sind in der Lage, Calcium- und Magnesiumionen gegen Natriumionen auszutauschen. Dieses Prinzip wird in der Technik angewandt, um Störungen durch Kalkabscheidungen zu verhindern, in Spülmaschinen, um die Heizelemente zu schonen, „Kalkflecken“ auf dem Geschirr zu vermeiden und um geschmackliche Verbesserungen z. B. bei der Zubereitung von Teewasser zu erreichen.

Vollentsalzung: Eine Vollentsalzung wird durch eine Kombination von Kationen- und Anionenaustauscher erreicht. Vollentsalztes Wasser wird überall da eingesetzt, wo Wasser in reiner Form benötigt wird. Die größten Mengen kommen als Kesselspeisewasser zum Einsatz.

Andere Methoden: Die Umkehrosmose und die Destillation haben in den Anwendungsnischen, in denen sie eingesetzt werden, eine gewisse Bedeutung. Die Komplexbildung mit Polyphosphaten vermindern die Härte, führen jedoch zur Überdüngung von Oberflächengewässer. Waschmittel enthalten oft noch in kleinen Mengen Komplexbildner, die Enthärtung erfolgt jedoch heute im wesentlichen durch Kationenaustauscher wie Zeolith A. Damit werden die Bildung von Kalkseifen verhindert, die Stabilität der für den Waschgang notwendigen Emulsion erhöht und die Heizelemente der Waschmaschine geschont.

Geräte mit elektrischen oder magnetischen Feldern führen zu keiner Beseitigung der Härte. Bestenfalls ist denkbar, dass bei der Kristallisation des überschüssigen Calciumcarbonates unter dem Einfluss dieser Felder die instabile Aragonit-Form gebildet wird, die aus feinen nadelförmigen Kristallen besteht und suspendiert bleibt. Die normale Kristallisation zu dem stabileren Calcit dagegen bildet die bekannten Verkrustungen (Kesselstein). Die Wirkung dieser Art von Wasserbehandlung ist zeitlich begrenzt und geht deshalb nach einer gewissen Fließstrecke nach dem Gerät wieder verloren. Eine Voraussetzung für die beschriebene Wirkung scheint zu sein, dass Wechselfelder benutzt werden oder das Wasser in einem statischen Feld verwirbelt wird. Deshalb bleiben z. B. auf die Wasserleitung aufgesetzte Magnetschuhe ohne jede Wirkung.

[Bearbeiten] Literatur

• Hanns-J. Krause: Handbuch Aquarienwasser. bede-Verlag, Kollnburg 1993, ISBN 3-927997-00-5
• Walter Kölle: Wasseranalysen - richtig beurteilt. 2. Auflage, WILEY-VCH, 2003, ISBN 3-527-30661-7

[Bearbeiten] Weblinks

• Übersichtskarte der Wasserhärte deutschlandweit
• Wasserbehandlung: Kalkkiller sind meist überflüssig auf den Seiten der Verbraucherzentrale Niedersachsen
• Antikalk-Kugeln. Alles Hokus-Pokus oder was? Misstrauen Sie märchenhaften Versprechungen! auf den Seiten der Verbraucherzentrale Sachsen-Anhalt
• Schweizerische Seite um die Wasserhärte nach Postleitzahl ausfindig zu machen

[Bearbeiten] siehe auch

• Seife
• Wasserenthärtung