Ketelsteen

Elektronenmicroscopische opname van ketelsteen, beeldveld 64 x 90 μm.

Ketelsteen in de vorm van kalkaanslag in een warmwaterleiding

Ketelsteen is kalksteen (calciumcarbonaat, CaCO₃) die ontstaat tijdens het verwarmen of koken van water. Vooral in hard water, waarin zich veel calcium- en magnesiumionen bevinden, wordt veel ketelsteen gevormd bij het verwarmen. De aanslag van ketelsteen belemmert de goede werking van het verwarmingsapparaat en is ook schadelijk voor een aanwezig verwarmingselement. Ketelsteen dankt zijn naam aan de ketels van stoommachines en verwarmingsapparatuur, waarin het zich als "steen" op de wanden afzet.

In hard water zit veel kalk in de vorm van het redelijk oplosbare calciumwaterstofcarbonaat, Ca(HCO₃)₂, waardoor in het water calcium- (Ca² ) en waterstofcarbonaat (HCO₃)⁻-ionen aanwezig zijn. Bij het verwarmen komt kooldioxide vrij en ontstaat het vaste calciumcarbonaat. (Door de aanwezige magnesiumionen wordt ook magnesiumcarbonaat gevormd.):

$\mathrm {Ca^{2 }(aq) 2(HCO_{3}^{-})(aq)\rightleftarrows CaCO_{3}(s) CO_{2}(aq) H_{2}O(l)\rightarrow CaCO_{3}(s) CO_{2}(g) H_{2}O(l)}$

Het calciumcarbonaat (plus het magnesiumcarbonaat) is warmte-isolerend en is daarom slecht voor de warmteoverdracht in bijvoorbeeld een verwarmingselement.

De bovenstaande reactie is in feite een samenstelling van twee evenwichtsreacties.

Reactie 1: het carbonaat-waterstofcarbonaat-evenwicht

De HCO₃⁻ ionen reageren met zichzelf (HCO₃⁻ is amfoteer) volgens het volgende chemisch evenwicht:

HCO₃⁻ HCO₃⁻ $\rightleftarrows$ H₂CO₃ CO₃²⁻.

Het gevormde H₂CO₃ is onstabiel en valt uiteen in CO₂ (koolstofdioxide) en H₂O (water).

Door het water te verwarmen neemt de oplosbaarheid in water van koolzuurgas af, waardoor dat uit het water verdwijnt. Het bovenstaande chemisch evenwicht zorgt ervoor dat er nieuwe CO₂ gevormd wordt: het evenwicht verschuift naar rechts (volgens het principe van Le Chatelier). Omdat door het aanvullen van het CO₂ er ook CO₃²⁻ wordt gevormd, dat niet uit de reactie verdwijnt, neemt de concentratie van de CO₃²⁻ ionen toe.

Reactie 2: het oplosbaarheidsevenwicht van calciumcarbonaat

De aanwezige Ca² ionen zullen reageren met de nu in grote mate aanwezige, CO₃²⁻ ionen tot calciumcarbonaat (ketelsteen):

Ca² CO₃²⁻ $\rightleftarrows$ CaCO₃

Aangezien calciumcarbonaat slecht oplosbaar is in water, zal dit evenwicht sterk naar rechts liggen.

Zie ook

• Aanslag