Mischungskorrosion
# Mischungskorrosion

Unter Mischungskorrosion versteht man in der Geomorphologie und verwandten Wissenschaften die Korrosion von Kalkstein oder Dolomit, die durch das Mischen zweier kalkgesättigter Lösungen kohlensäurehaltigen Wassers bewirkt wird.

## Beschreibung

Aus Niederschlägen stammendes (meteorisches) Wasser, das durch Spalten tief in den Gesteinsuntergrund vorgedrungen ist, wurde auf dem Weg dorthin bereits mit Kalziumkarbonat (Kalk, $CaCO_3;$ bei Dolomit analog Kalzium-Magnesium-Karbonat $CaMg(CO_3)_2)$ gesättigt, das heißt, es kann keinen Kalk mehr lösen. Trotzdem bilden sich in der Tiefe, an Stellen, wo sich Rinnsale in Haarrissen oder Spalten treffen, über lange Zeiträume, große Hohlräume ohne nennenswerte Zu- und Abflüsse. Auch entstehen Kolke in wassergefüllten Hohlräumen an solchen Stellen, wo durch einen Riss Wasser eingedrückt wird.

In aller Regel ist die Konzentration von Kohlendioxid $(CO_2,$ in Form von Kohlensäure $H_2CO_3)$ – abhängig von der jeweiligen Temperatur – in den kalkgesättigten Wässern der verschiedenen Gerinne eines Höhlensystems unterschiedlich. Daher bildet sich an deren Zusammenfluss eine Lösung mit neuer Konzentration. Weil die Menge an gelöstem $CaCO_3$ nicht linear mit der $CO_2-Konzentration$ im Wasser zunimmt, kann durch diese Mischlösung weiterer Kalk gelöst werden.

Ausgangspunkt für die obige Abbildung ist die Reaktionsgleichung für die Lösung von Kalziumkarbonat durch Kohlensäure (vgl. Kohlensäureverwitterung):

    $\mathrm {CaCO_{3}+H_{2}O+CO_{2}\rightarrow Ca^{2+}(aq)+2\ HCO_{3}^{-}(aq)}$.

Durch empirische Untersuchungen wurde ermittelt, bei welcher Stoffmasse an gelöstem $CO_2$ welche Stoffmasse $CaCO_3$ im Gleichgewichtszustand (Sättigung) in einer wässrigen Lösung vorliegt. Man erhielt so die schwarze Gleichgewichtskurve (Sättigungskurve) in der obigen Abbildung. Der Zusammenhang zwischen $CO_2-Konzentration$ und $CaCO_3-Sättigung$ ist augenscheinlich nicht linear.

Mischt man zwei gleiche Volumina von Karst­wässern der Zusammensetzung P1 (in obigem Beispiel 1 mg/l $CO_2$ und 74 mg/l $CaCO_3)$ und P2 (in obigem Beispiel 47 mg/l $CO_2$ und 273 mg/l $CaCO_3),$ so erhält man eine Mischlösung, deren Zusammensetzung T den Mittelwerten der Konzentrationen P1 und P2 entspricht (in obigem Beispiel 24 mg/L $CO_2$ und 173,5 mg/l $CaCO_3).$ T ist der Mittelpunkt der Strecke P1–P2. Demnach liegt T nicht auf der Gleichgewichtskurve, da diese keine Gerade ist. Daraus ergibt sich, dass die Mischung mit der Zusammensetzung T, obwohl sie aus zwei kalkgesättigten Wässern entstanden ist, nun an Kalk untersättigt ist und deshalb weiteren Kalk lösen kann. In phreatischen (wassergefüllten) Karsthohlräumen kann durch das Wasser kein zusätzliches $CO_2$ aufgenommen werden. Das heißt, es kann nur so viel Kalk zusätzlich gelöst werden, wie durch den Mischungsvorgang an $CO_2$ „frei“ geworden ist. Die Stoffmasse des durch den Mischungsvorgang neu für die Kalklösung zur Verfügung stehenden $CO_2$ entspricht der Länge der Strecke CT.

Will man herausfinden, wie viel Kalk durch den Mischungsvorgang zusätzlich gelöst werden kann, so muss man berücksichtigen, dass zur Lösung einer Stoffmenge von 1 mmol $CaCO_3$ 1 mmol $CO_2$ gebraucht wird (siehe Reaktionsgleichung oben), wobei 1 mmol $CaCO_3$ einer Stoffmasse von 100 mg und 1 mmol $CO_2$ einer Stoffmasse von 44 mg entsprechen. Zwischen beiden Größen besteht eine Proportionalität, und die dazugehörige Proportionalitätskonstante entspricht der Steigung der Geraden, die in obiger Grafik durch die Punkte (0;100) und (44;0) verliefe. Verschiebt man diese Gerade parallel zur y-Achse, sodass sie durch den Punkt T geht, schneidet sie die Gleichgewichtskurve im Punkt A. Der Abstand AB des Punktes A von der Strecke CT entspricht der Kalkmenge, die durch die Mischungskorrosion zusätzlich gelöst würde.

