Calciumoxid

Kristallstruktur
Struktur von Calciumoxid
Vorlage:Farbe Ca2+ 0 Vorlage:Farbe O2−
Kristallsystem	kubisch
Raumgruppe	Fm3m (Nr. 225)Vorlage:Raumgruppe/225
Koordinationszahlen	Ca[6], O[6]
Allgemeines
Name	Calciumoxid
Andere Namen	gebrannter Kalk Branntkalk ungelöschter Kalk Ätzkalk Freikalk Kalkerde Calciumoxyd Kalk Vorlage:E-Nummer Vorlage:INCI
Verhältnisformel	CaO
Kurzbeschreibung	weißes, geruchloses Pulver<ref name="GESTIS" />
Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer Vorlage:CASRN EG-Nummer 215-138-9 ECHA-InfoCard 100.013.763 PubChem 14778 DrugBank DB15648 Wikidata [[:d:|]]
Eigenschaften
Molare Masse	56,08 g·mol−1
Aggregatzustand	fest
Dichte	3,37 g·cm−3 (20 °C)<ref name="GESTIS">Eintrag zu Vorlage:Linktext-Check in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFAVorlage:Abrufdatum (JavaScript erforderlich)</ref>
Schmelzpunkt	2580 °C<ref name="GESTIS" />
Siedepunkt	2850 °C (100 hPa)<ref name="GESTIS" />
Löslichkeit	schwer in Wasser (1,65 g·l−1 bei 20 °C, heftige Reaktion)<ref name="Merck">Datenblatt Vorlage:Linktext-Check bei MerckVorlage:Abrufdatum</ref>
Brechungsindex	1,8396<ref name="CRC90_10_245">David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. Auflage. (Internet-Version: 2010), CRC Press / Taylor and Francis, Boca Raton FL, Index of Refraction of Inorganic Crystals, S. 10-245.</ref>
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung<ref name="GESTIS" /> Gefahrensymbol Gefahr H- und P-Sätze H: 315​‐​318​‐​335 P: 261​‐​264​‐​271​‐​280​‐​302+352​‐​305+351+338<ref name="GESTIS" />
MAK	Schweiz: 2 mg·m−3 (gemessen als einatembarer Staub)<ref>Schweizerische Unfallversicherungsanstalt (Suva): Grenzwerte – Aktuelle MAK- und BAT-Werte (Suche nach 1305-78-8 bzw. Calciumoxid)Vorlage:Abrufdatum</ref>
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen (0 °C, 1000 hPa). Brechungsindex: Na-D-Linie, 20 °C

Calciumoxid, auch gebrannter Kalk, Branntkalk, ungelöschter Kalk, Kalkerde, Ätzkalk oder Freikalk ist eine chemische Verbindung aus Calcium und Sauerstoff mit der Formel CaO. Die weiße kristalline Substanz reagiert mit Wasser unter starker Wärmeentwicklung. Bei dieser Reaktion wird Calciumhydroxid (Löschkalk) nach der Reaktionsgleichung

<chem>CaO + H2O -> Ca(OH)2</chem>

gebildet. Gebrannter Kalk wird in Weichbrannt-, Mittelbrannt- und Hartbranntkalk unterschieden.

Herstellung

→ Hauptartikel: Technischer Kalkkreislauf

In größerer Menge wird Calciumoxid durch Kalkbrennen (Kalzinierung) im Kalkofen hergestellt. Ab einer Temperatur von etwa 800 °C wird Calciumcarbonat (in aller Regel Calcit in Form von Kalkstein) entsäuert, das heißt Kohlendioxid wird ausgetrieben und es entsteht Calciumoxid. Dabei werden 1,8 Teile Kalkstein benötigt, um 1 Teil Branntkalk zu gewinnen.<ref name="a" />

Datei:Caco3.PNG

CaCO₃-Entsäuerung in der DTA

<chem>CaCO3 -> CaO + CO2</chem>

Man unterscheidet die Branntkalke u. a. nach ihrer Reaktionsgeschwindigkeit (Reaktivität) des Kalkes mit Wasser während des Löschvorgangs:

< 2 min Reaktionsdauer: Weichbranntkalk

2–6 min Reaktionsdauer: Mittelbranntkalk

> 6 min Reaktionsdauer: Hartbranntkalk

Es gibt keine präziseren Definitionen.

Weichgebrannter Kalk entsteht bei Temperaturen von 900 bis 1000 °C, hartgebrannter Kalk bei bis zu 1400 °C, wobei auch die petrographische Beschaffenheit des Kalksteins und die Zeitdauer der Temperatureinwirkung eine Rolle spielen. Die Reaktivität nimmt also mit höherer Brenntemperatur ab. Die Unterschiede sind eine Folge von Kristallitgröße des CaO, Porenvolumen und spezifischer Oberfläche, die durch Brenntemperatur und -dauer beeinflusst werden (diese Parameter des Brennvorgangs nennt man zusammenfassend auch Brenngrad).<ref name="Marbun">Bonar Marbun: Kinetik der Hydratation von CaO und MgO, S. 2 und 4ff, Dissertation, Februar 2006, Fakultät für Natur- und Materialwissenschaften, Technische Universität Clausthal</ref>

Calciumoxid erhält man auch durch thermisches Zersetzen von Calciumhydroxid; dieses zerfällt bei 550 °C unter Atmosphärendruck in Calciumoxid und Wasser. Das unter diesen Bedingungen entstandene Calciumoxid ist wenig kristallin, also gut reaktionsfähig.

Calciumoxid (und Calciumnitrid) entstehen auch bei der Verbrennung von Calcium an der Luft. Weil elementares Calcium selten ist, wird diese Reaktion nur im Rahmen von Laborversuchen durchgeführt.

Im Jahr 2007 wurden weltweit rund 280 Millionen Tonnen Branntkalk produziert, mit 170 Millionen Tonnen mehr als die Hälfte davon in China und nur 20 Millionen Tonnen in den USA als dem zweitgrößten Produzenten.<ref>Vorlage:Cite book/URLVorlage:Cite book/Meldung2Vorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/Meldung</ref>

Natürliches Vorkommen

Unter den Bedingungen der Sanidinit-Fazies kann reiner Kalkstein, wenn er etwa unter geringem Druck (d. h. in der Nähe der Erdoberfläche) in basaltische Lava hoher Temperatur gerät, zu Calciumoxid zersetzt werden. Solche Vorkommen sind sehr selten, und aufgrund der hohen Reaktivität von Calciumoxid werden in natürlichen Gesteinen nur Pseudomorphosen beobachtet.<ref>Walter Ehrenreich Tröger: Optische Bestimmung der gesteinsbildenden Minerale. 2. Auflage. Band 2. Schweizerbart, Stuttgart 1969, S. 69. </ref>

Eigenschaften

Gebrannter (ungelöschter) Kalk (früher auch als lebendiger Kalk<ref>Jürgen Martin: Die ‚Ulmer Wundarznei‘. Einleitung – Text – Glossar zu einem Denkmal deutscher Fachprosa des 15. Jahrhunderts. Königshausen & Neumann, Würzburg 1991 (= Würzburger medizinhistorische Forschungen. Band 52), ISBN 3-88479-801-4 (zugleich Medizinische Dissertation Würzburg 1990), S. 141.</ref><ref>Vgl. auch Bernhard Schnell: Der deutsche „Macer“: Vulgatfassung. Mit einem Abdruck des lateinischen Macer floridus ‘De viribus herbarum’ kritisch herausgegeben (= Texte und Textgeschichte. Würzburger Forschungen. Band 50). Niemeyer, Tübingen 2003, ISBN 3-484-36050-X, S. 390 (vitel kalc ‚ungelöschter Kalk‘).</ref> bzw. mittellateinisch calx viva<ref>Gundolf Keil: Die „Cirurgia“ Peters von Ulm. Untersuchungen zu einem Denkmal altdeutscher Fachprosa mit kritischer Ausgabe des Textes (= Forschungen zur Geschichte der Stadt Ulm. Band 2). Stadtarchiv, Ulm 1961 (zugleich Philosophische Dissertation Heidelberg 1960: Peter von Ulm. Untersuchungen zu einem Denkmal altdeutscher Fachprosa mit kritischer Ausgabe des Textes), S. 406–407 (Anmerkungen zu kalg, kalig, kalck und kalch bzw. calx: Kalk).</ref> bezeichnet<ref>Wilhelm Hassenstein, Hermann Virl: Das Feuerwerkbuch von 1420. 600 Jahre deutsche Pulverwaffen und Büchsenmeisterei. Neudruck des Erstdruckes aus dem Jahr 1529 mit Übertragung ins Hochdeutsche und Erläuterungen von Wilhelm Hassenstein. Verlag der Deutschen Technik, München 1941, S. 109.</ref>) ist stark ätzend, daher kann der Kontakt mit den Augen zur Erblindung führen.

Branntkalk ist chemisch nicht stabil und reagiert spontan mit dem CO₂ aus der Luft, bis er vollständig in Calciumcarbonat übergegangen ist, sofern er nicht zuvor mit Wasser zu Calciumhydroxid abgelöscht wurde.

Bei der Reaktion mit Wasser vergrößert sich das Volumen um wenigstens das Zweieinhalbfache.<ref name="a">Ullmanns Enzyklopädie der Technischen Chemie –- Vorlage:Cite book/URLVorlage:Cite book/Meldung2Vorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/Meldung</ref>
Der Verlauf des Löschvorgangs und die Eigenschaften des dabei gebildeten Löschkalks hängen von der Zusammensetzung und Beschaffenheit des Branntkalks ab. Die Löschreaktion kann bereits nach einigen Sekunden abgeschlossen sein, kann aber auch mehr als eine Viertelstunde andauern, abhängig etwa von der inneren Oberfläche (Porosität), der Primärkristallitgröße, dem Versinterungsgrad und der Zusammensetzung des Branntkalks. Der Verlauf der Kalzination beim Brennen von Kalkstein zu Branntkalk ist weitgehend beherrschbar und vorhersagbar. Dagegen ist es (Stand 2005) noch nicht möglich, eine befriedigende Prognose über die Reaktivität des entstehenden Branntkalks alleine durch Kenntnis der Zusammensetzung des Ausgangsmaterials zu treffen. Sie hängt von den genauen Bedingungen ab, unter denen der Brennvorgang stattfindet.<ref name="Marbun2">Bonar Marbun: Kinetik der Hydratation von CaO und MgO, S. 1 und 7f, Dissertation, Februar 2006, Fakultät für Natur- und Materialwissenschaften, Technische Universität Clausthal</ref>

Branntkalk ist hydrophil und ein effizienteres Trocknungsmittel als Silikagel.

Verwendung

Gebrannter und anschließend (mit Wasser) gelöschter Kalk wird in der Bauindustrie als Beimischung zu Mörtel und Putzen verwendet sowie zur industriellen Fertigung von Kalksandsteinen.<ref>Universität Regensburg: Chemie des (Haus-)Baus (Memento vom 27. April 2015 im Internet Archive; PDF; 122 KB)</ref> Er ist ein untergeordneter Bestandteil von Zementklinker. In der Chemie nutzt man die Substanz außerdem als Trocknungsmittel, zur Absorption von Kohlenstoffdioxid und als Neutralisationsmittel. Weitere Einsatzbereiche von Branntkalk sind z. B. Düngekalk, die Produktion von Calciumcarbid sowie seine Nutzung zur Herstellung von Kalkmörtel, Kalkputz und Kalkfarbe.

Einer der wesentlichen Einsatzbereiche ist die Entschwefelung von Roheisen, bei dem der Schwefel [S] als Begleiter [ FeS ] vorkommt und bei der Stahlerzeugung im Konverter herausgelöst werden muss. Dabei wird Kalk (CaO) entweder in das Roheisen eingeblasen oder mit einem Rührer eingemischt. Der Kalk verbindet sich mit dem Schwefel zu Calciumsulfid [CaS], steigt zur Oberfläche auf, setzt sich dort als Schlacke ab und kann dann entfernt werden.

Der gelöschte Kalk wird unter anderem als Alternative zum Kalkstein in der Rauchgasentschwefelung eingesetzt. Die Einsatzmenge ist hierbei ca. 1,8-fach geringer als die von Kalkstein. Der dabei aus Branntkalk gewonnene Gips (Calciumsulfat) hat einen Weißgrad von 80 % und kann kommerziell weiterverwendet werden. Durch seine hohe Reaktivität werden geringere Verbrauchsmengen benötigt. Der Nachteil ist sein deutlich höherer Preis gegenüber Kalkstein.

Durch Reaktion mit Chlor kann aus Calciumhydroxid Chlorkalk hergestellt werden.

Calciumoxid wird Lebensmitteln als Säureregulator zugesetzt. Es dient dabei in erster Linie als sogenannter technischer Hilfsstoff, der im fertigen Lebensmittel nicht mehr vorhanden ist. Es ist in der EU als Lebensmittelzusatzstoff unter der Bezeichnung E 529 ohne Höchstmengenbeschränkung, aber mit der Maßgabe, nur die technisch wirklich benötigte Menge zu verwenden (quantum satis), für Lebensmittel allgemein zugelassen.

Um die von ungelöschtem Kalk ausgehenden Gefahren zu mindern, wurden Anfang des 19. Jahrhunderts baupolizeiliche Verordnungen hinsichtlich der Brandverhütung in Textform erlassen. Beispielsweise erließ die herzoglich-nassauische Regierung im November 1826 eine solche Verordnung für ihr Herrschaftsgebiet. Der Ort und die Art der Aufbewahrung mussten dem Ortsschultheißen angezeigt werden, welcher eine polizeiliche Aufsicht veranlassen konnte.<ref>Franz-Josef Sehr: Das Entstehen der Pflichtfeuerwehren im Heimatgebiet – Ein staatlicher Versuch zur Brandbekämpfung. In: Kreisausschuss des Landkreises Limburg-Weilburg (Hrsg.): Jahrbuch für den Landkreis Limburg-Weilburg 2024. Limburg 2023, ISBN 3-927006-61-0, S. 230–237. </ref>

Früher wurde Calciumoxid zur Kaustifizierung von Soda und Pottasche eingesetzt, was für die Seifenherstellung von großer Bedeutung war. Man verwendete Calciumoxid auch als Ätzkalkladung von Geschützen und Blendtöpfen, die mit Katapulten geworfen wurden.

Ätzkalk hat eine geruchsbindende Wirkung, wenn er in den Sammelbehälter von offenen Feldtoiletten (Plumpsklo) eingestreut wird.

Ungelöschter Kalk wurde zur Desinfektion von Marktplätzen und Begräbnisstätten verwendet.<ref>Hermann von Tappeiner: Lehrbuch der Arzneimittellehre und Arzneiverordnungslehre: Unter Besonderer Berücksichtigung der Deutschen und Österreichischen Pharmakopoe, Springer-Verlag, 15. Auflage, 1922, S. 126. (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche)</ref><ref>Desinfektionsmittel, Antiseptica. In: Theodor Husemann: Handbuch der gesamten Arzneimittellehre. 2 Bände, Berlin 1873–1875; 2. Auflage. Springer, Berlin 1883, Band 1, S. 251. (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche)</ref> Er wird gelegentlich anstelle des Löschkalks zur Desinfektion von Ställen (dem „Kalken“ der Ställe) eingesetzt. Es sollte jedoch nicht mit Stroh oder ähnlichem leichtentzündlichem Material in Kontakt kommen, da die Temperatur von rund 180 °C, die sich bei der Reaktion mit Feuchtigkeit entwickelt, in seltenen Fällen zur Entzündung ausreichen kann.<ref>Ungelöschter Kalk als Brandrisiko. Stallbrand. In: ktnv1.orf.at. Kärnten ORF, 31. März 2006, abgerufen am 29. Juli 2024 (). </ref>

Als Desinfektionsmittel fand Ätzkalk in Pulverform oder Kalkmilch (Mischung von Ätzkalk mit Wasser) breite Anwendung im Eisenbahnbetrieb, einmal zur Desinfektion der Toiletten in Personenwagen, hauptsächlich aber zur Desinfektion der Viehwaggons durch Tünchen der Wände und des Bodens mit Kalk.<ref>Victor von Röll: Enzyklopädie des Eisenbahnwesens. Band 3. Urban & Schwarzenberg, Berlin, Wien 1912, Desinfektion, S. 272–281 (zeno.org). </ref>

Nach einem Augenzeugenbericht wurde Ätzkalk in der Zeit des Nationalsozialismus zumindest im Bereich des Durchgangsghettos Izbica auf dem Boden von Zugwaggons verteilt, die Opfer des Holocausts zu den Vernichtungslagern transportierten. Beim Kontakt mit der feuchten menschlichen Haut verursachte es gefährliche Verätzungen.<ref>Madeleine Janssen: Polnischer Geheimagent Karski: „Als würde ich mich durch eine Masse aus Tod und Verwesung kämpfen“. In: Spiegel Online. 16. Mai 2018, abgerufen am 17. Mai 2018. </ref> Es gibt auch Berichte über die Ermordung von KZ-Häftlingen im KZ Auschwitz, indem die Opfer lebend in eine Grube mit Ätzkalk geworfen oder mit der Substanz überschüttet wurden und auf diese Weise qualvoll umkamen.<ref>Wiesław Block, Leonhard Lehmann OFMCap: Der selige Anicet Koplin. Ein deutscher Patriot und Priester im Lager von Auschwitz. Christiana-Verlag im Fe-Medienverlag, Kisslegg-Immenried 2019, ISBN 978-3-7171-1311-9, S. 66.</ref>

Sicherheitshinweise

• Ungelöschter Kalk kann unter Wasserzufuhr (Kalklöschen) aufgrund von Hitzeentwicklung Brände verursachen.<ref name="Dirk Hagebölling">Dirk Hagebölling: Taschenbuch betrieblicher Brandschutz. Vulkan, 1999, ISBN 978-3-8027-3148-8, S. 42 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). </ref>

Weblinks

• www.nassloeschkurve.de Informationsportal zur Reaktivität von Calciumoxid mit detaillierten wissenschaftlichen Erläuterungen

Einzelnachweise

<references responsive />

Vorlage:Klappleiste/Anfang Berylliumoxid | Magnesiumoxid | Calciumoxid | Strontiumoxid | Bariumoxid | Radiumoxid Vorlage:Klappleiste/Ende Vorlage:Hinweisbaustein