Der geologische Kohlenstoffkreislauf einfach erklärt

Der geologische Kohlenstoffkreislauf ist ein faszinierender Prozess der Erdgeschichte. Wusstest du, dass Steine und Vulkane atmen können? Nicht wie wir Menschen, aber sie nehmen über Millionen von Jahren Kohlenstoffdioxid auf und geben es wieder ab.

In dieser Lektion schauen wir uns an, wie einfaches Regenwasser harte Gesteine auflöst, wie Muscheln daraus ihre Schalen bauen und wie Vulkane das Gas am Ende wieder in die Luft pusten. Das ist der geologische Kohlenstoffkreislauf einfach erklärt!

Vorwissen

• Ionen: Geladene Teilchen, die entstehen, wenn Salze sich in Wasser lösen.

  Beispiel: Kochsalz löst sich in Wasser zu $\text{Na}^+$ und $\text{Cl}^-$ Ionen.

• Lösliche und unlösliche Salze: Manche Stoffe lösen sich gut in Wasser, andere gar nicht.

  Beispiel: Calciumcarbonat (Kalkstein) ist unlöslich und bleibt fest, während Calciumhydrogencarbonat wasserlöslich ist.

Aufgabentyp 1: Chemische Verwitterung von Gesteinen

Regenwasser ist nicht einfach nur Wasser. Auf dem Weg nach unten nimmt es Kohlenstoffdioxid aus der Luft auf. Wenn dieser Regen auf unlösliche Gesteine wie Kalkstein (Calciumcarbonat) oder Silikatgestein (Calciumsilicat) trifft, passiert etwas Spannendes: Das Gestein wird langsam aufgelöst! Das nennt man chemische Verwitterung.

Das Kohlenstoffdioxid verwandelt das harte, unlösliche Gestein in wasserlösliches Calciumhydrogencarbonat. Bei Silikatgestein bleibt zusätzlich noch fester Quarzsand (Siliciumdioxid) übrig, der weggespült wird.

Hier ist die chemische Gleichung für Calciumcarbonat:

$\text{CaCO}_3 + \textcolor{#08BFFF}{\text{CO}_2} + \text{H}_2\text{O} \to \text{Ca}^{2+} + 2 \text{HCO}_3^-$

Und für Calciumsilicat:

$\text{CaSiO}_3 + 2 \textcolor{#08BFFF}{\text{CO}_2} + \text{H}_2\text{O} \to \text{Ca}^{2+} + 2 \text{HCO}_3^- + \text{SiO}_2$

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Schritt 1: Ausgangsstoffe (Edukte) identifizieren – Finde heraus, welches Gestein reagiert. Bei der Verwitterung kommen immer Kohlenstoffdioxid ($\textcolor{#08BFFF}{\text{CO}_2}$) und Wasser ($\text{H}_2\text{O}$) dazu.
2. Schritt 2: Produkte bestimmen – Überlege, was entsteht. Bei der Verwitterung entstehen immer lösliche Ionen ($\text{Ca}^{2+}$ und $\text{HCO}_3^-$). Bei Silikatgestein bleibt zusätzlich Sand ($\text{SiO}_2$) übrig.
3. Schritt 3: Teilchen ausgleichen – Achte darauf, dass auf beiden Seiten des Pfeils ($\to$) gleich viele Atome jeder Sorte stehen und die elektrischen Ladungen ausgeglichen sind. Setze Zahlen vor die Formeln, wenn nötig.

Durchgerechnete Beispiele

Beispiel 1

Aufgabe

Stelle die Reaktionsgleichung für die Verwitterung von Calciumsilicat ($\text{CaSiO}_3$) auf.

Lösung Schritt für Schritt

Fortschritt

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   Schritt 1
   Ausgangsstoffe identifizieren

   Die Ausgangsstoffe sind Calciumsilicat, Kohlenstoffdioxid und Wasser:

   $\text{CaSiO}_3 + \textcolor{#08BFFF}{\text{CO}_2} + \text{H}_2\text{O} \to \text{?}$

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   Schritt 2
   Produkte bestimmen

   Bei der Verwitterung von Silikatgestein entstehen lösliche Ionen ($\text{Ca}^{2+}$ und $\text{HCO}_3^-$) und fester Quarzsand ($\text{SiO}_2$):

   $\text{CaSiO}_3 + \textcolor{#08BFFF}{\text{CO}_2} + \text{H}_2\text{O} \to \text{Ca}^{2+} + \text{HCO}_3^- + \text{SiO}_2$

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   Schritt 3 · Ergebnis
   Teilchen ausgleichen

   Wir prüfen die Atome: Links haben wir 1x Ca, 1x Si, 1x C. Rechts haben wir 1x Ca, 1x Si, 1x C. Aber bei den Ladungen und Wasserstoffatomen stimmt es noch nicht! Wir brauchen 2 $\text{HCO}_3^-$, um die $2+$ Ladung des Calciums auszugleichen. Dafür brauchen wir links 2 $\textcolor{#08BFFF}{\text{CO}_2}$:

   $\text{CaSiO}_3 + 2 \textcolor{#08BFFF}{\text{CO}_2} + \text{H}_2\text{O} \to \text{Ca}^{2+} + 2 \text{HCO}_3^- + \text{SiO}_2$

Ergebnis:

Die ausgeglichene Reaktionsgleichung lautet $\text{CaSiO}_3 + 2 \textcolor{#08BFFF}{\text{CO}_2} + \text{H}_2\text{O} \to \text{Ca}^{2+} + 2 \text{HCO}_3^- + \text{SiO}_2$.

Aufgabentyp 2: Marine Kalzifizierung und vulkanische CO2-Freisetzung

Das gelöste Calciumhydrogencarbonat fließt über Flüsse ins Meer. Dort warten schon Korallen und Muscheln. Sie nutzen die gelösten Stoffe, um ihre harten Schalen aus Calciumcarbonat zu bauen. Das nennt man marine Kalzifizierung. Dabei wird wieder Kohlenstoffdioxid freigesetzt:

$\text{Ca}^{2+} + 2 \text{HCO}_3^- \to \text{CaCO}_3 + \textcolor{#08BFFF}{\text{CO}_2} + \text{H}_2\text{O}$

Wenn die Tiere sterben, sinken ihre Schalen auf den Meeresboden und bilden dicke Schichten (Sedimente). Die Erdkruste ist ständig in Bewegung. Manchmal schiebt sich der Meeresboden tief ins heiße Erdinnere (Subduktion). Bei der enormen Hitze schmelzen die Schalen zusammen mit Sand (Quarz). Das nennt man magmatische Zersetzung:

$\text{CaCO}_3 + \text{SiO}_2 \to \text{CaSiO}_3 + \textcolor{#08BFFF}{\text{CO}_2}$

Das freigesetzte Kohlenstoffdioxid steigt durch Risse nach oben und wird bei einem Vulkanausbruch wieder in die Atmosphäre gepustet. Der Kreislauf beginnt von vorn!

Wichtige Erkenntnisse

• Regenwasser mit Kohlenstoffdioxid löst Gesteine auf (chemische Verwitterung).
• Meerestiere bauen aus den gelösten Stoffen ihre Schalen und setzen dabei wieder Gas frei.
• Durch Subduktion schmelzen die Schalen im Erdinneren, und Vulkane bringen das Kohlenstoffdioxid zurück in die Luft.