E26 Chemische evenwichten en de natuur: de vorming van grotten

De afgeleide evenwichtswetten vereisen dat een systeem als gesloten moet worden beschouwd, zodat er geen materie-uitwisseling met de omgeving optreedt. We beschouwen eenvoudigheidshalve ook waterige oplossingen en hun reageerbuizen of bekerglazen als gesloten systemen.
Daarbij hebben we verondersteld dat het ontsnappen van opgeloste gassen of het verdampen van vloeistoffen te verwaarlozen is.

Op illustratie E26 wordt het resultaat getoond van een evenwichtsmengsel dat van een gesloten systeem evolueerde naar een open systeem. Het voorbeeld toont de vorming van druipstenen of stalagmieten in grotten.
Regenwater bevat, naast eventuele andere zuren, ook een hoeveelheid H₂CO₃. Bovengronds of ondergronds wordt dit doorsijpelende water nog verder aangerijkt met CO₂, vooral wanneer het water door humusrijke bodems moet. De partiële druk van CO₂ wordt daardoor voortdurend groter. Men kan dergelijk water voorstellen als spuitwater in een gesloten fles. Wanneer deze H₂CO₃- oplossing in contact komt met kalkgesteente, kan de volgende reactie plaatsvinden :




Een sterker zuur (H₂CO₃) kan een zwakker zuur (), al dan niet gedeeltelijk, uit zijn zout verdrijven. In dit concrete geval gaat dit, zoals de eerste reactie-vergelijking het uitdrukt, gepaard met de omzetting van een weinig oplosbare verbinding in een meer oplosbare. Deze ionen spoelen vervolgens weg, eerst in ondergrondse, daarna in bovengrondse rivieren. Dit leidt dan tot de vorming van holten of grotten en tot hard water.

We blijven nog even in een grot. Het weggespoelde CaCO₃ heeft plaats gemaakt voor water en lucht.
Hierdoor kunnen er lucht- en vloeistofstromen ontstaan die het gesloten systeem omvormen tot een open systeem. Deze “openstelling” heeft hier wel spectaculaire gevolgen. Het speciale aspect heeft te maken met de vrij geringe oplosbaarheid van CO₂ in water en met de invloed van de temperatuur op die oplosbaarheid. Om het fenomeen te verklaren keren we terug naar de reeds gebruikte vergelijking van de evenwichtsreactie die we nu als volgt herschrijven :

Deze schrijfwijze komt essentieel op de voorgaande neer, maar legt meer de nadruk op de instabiliteit van koolzuur en op de geringe oplosbaarheid van koolstofdioxidegas. Een deel van het weinig oplosbare CO₂-gas kan, in de open grotruimte, ontsnappen aan het evenwichtssysteem. Het volstaat dat de temperatuur er iets hoger is, waardoor de oplosbaarheid van CO₂ afneemt.

De uitdrukking van de evenwichtsconstante ziet er als volgt uit :

Hierbij houdt men geen rekening met het oplosmiddel en met de vaste stof.

Wanneer het CO₂ mee verdwijnt met de luchtstroom, daalt de grootte van de noemer, bijgevolg moet de teller ook dalen om aan de evenwichtsvoorwaarde te voldoen.
De evenwichtsreactie zal dus naar links verschuiven.
Er moet CaCO₃-neerslag gevormd worden! Dit kalkneerslag wordt dus gevormd zodra het doorsijpelende water aan de open lucht komt. Dit doet zich voor in grotten en daar vind je dan ook de typische hangende druipstenen (stalagtieten).

Op analoge wijze ontstaan, op de bodem van een grot, de staande druipstenen (stalagmieten). In beide gevallen ontstaan indrukwekkende kalkgestalten die soms gekleurd zijn door de aanwezigheid van andere neergeslagen zouten. Ze zijn dus het mooie resultaat van een eeuwenlange verstoring van een chemisch evenwicht.

Dit wonderbare natuurverschijnsel doet zich echter ook dagelijks voor in onze keuken, nl. de vorming van kalkneerslag in kookpotten en kooktoestellen. Er is eveneens een afzetting van kalk op de binnenwand van koffiezetapparaten, elektrische boilers, vaatwasmachines, ... Zo’n neerslagvorming treedt uiteraard vooral op bij gebruik van hard water.
Dit water bevat veel calcium- en magnesiumionen, samen met waterstofcarbonaat-ionen.
Het moet je toch al opgevallen zijn dat dit ketelsteeneuvel zich vooral manifesteert bij de verwarming van dit harde water! Daarom is het ook begrijpelijk dat was- en vaatwasmachines bij voorkeur werken met regenwater of met “verzacht” water. Voor het ontkalken van een apparaat past men een reactie toe die we van de natuur geleerd hebben. We gebruiken een sterker zuur, zoals mierezuur of azijnzuur, om het onoplosbare carbonaat om te zetten in het oplosbare waterstofcarbonaat.

In de keuken vinden we nog andere gelijkaardige toepassingen.
Denk maar aan het gebruik van bakpoeder of natriumwaterstofcarbonaat.
In het water, dat in het deeg aanwezig is, lost dit goed oplosbare zout op.
In het licht zure deeg, ontstaat eerst koolzuur :

Bij verwarming van het deeg verschuift het evenwicht van de volgende reactie naar rechts zodat het koolstofdioxide ontsnapt uit het waterige milieu :

Deze gasontsnapping zorgt ervoor dat het deeg begint te rijzen.