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3
Die kurz dargelegten Vorgänge finden auch
im Grundwasser statt. Das Kohlenstoffdioxid
stammt aus der Atmosphäre und wird mit Nie-
derschlägen eingetragen, stammt aus organi-
schen Abbauprodukten der belebten Bodenzone,
oder es steigt aus der Tiefe auf. Dann ist es entwe-
der vulkanischen Ursprungs (postvulkanische
Exhalationen), Abbauprodukt biogener Sedi-
mente (C
OLOMBO
et al., 1968; H
OEFS
, 1973) oder
thermisches Zersetzungsprodukt von Karbonat-
gesteinen, die im Verlauf tektonischer Vorgänge
in größere Tiefen abgesunken sind.
Die im Grundwasser gelöste Kohlensäure
wirkt auf die in den Gesteinen der Grundwasser-
leiter enthaltenen Karbonate ein. In welchem Ma-
ße diese Reaktion erfolgt, hängt vom Karbonat-
(Kalk-)Gehalt der Gesteine, vom Kohlensäurege-
halt des Grundwassers und dessen Strömungen
ab. Zur Vertiefung der Kenntnis um diese Vorgän-
ge wird auf den Abschnitt „Carbonate Systems“
in M
ATTHEß
et al. (1992) verwiesen.
Kalkstein (CaCO
3
) ist nur gering wasserlös-
lich (nach S
ONTHEIMER
et al. (1980) für Calcit:
L
(CaCO
3
) = 14 mg/l bei 20 °C). Mit steigender
CO
2
-Konzentration nimmt die Löslichkeit je-
doch zu. Zwischen den an der Reaktion beteilig-
ten Konzentrationen an CO
2
, HCO
3
-
- und Ca
2+
-
Ionen stellt sich ein Gleichgewicht ein, das
Kalk-
Kohlensäure-Gleichgewicht
:
c
(HCO
3
-
) =
Stoffmengenkonzentration der im
Wasser gelösten, im HCO
3
-
-gebun-
denen Kohlensäure (sog. halbge-
bundene Kohlensäure) (mmol/l).
Diese Beziehung gilt streng genommen nur für
Wässer mit gleicher Calcium- und Karbonat-
Härte, also mit äquivalenten Mengen an Ca
2+
-
und HCO
3
-
-Ionen. Da diese Bedingung aber in
der Praxis recht selten erfüllt ist, beschrieben
T
ILLMANS
& H
EUBLEIN
(1912) dieses Gleichge-
wicht durch die nach T
ILLMANNS
(J
OSEPH
T
ILL
-
MANNS
, deutscher Wasserchemiker, 1876-1935)
benannte Gleichung:
( (
1
(
1
2
2
c
(CO )
K
c
1
HCO ))
c
2
Ca
)
(Gl. 103)
2
Ti
3
1
1
HCO
c
(
)
= Äquivalentkonzentration der im
Wasser gelösten, im HCO
3
-
ge-
bundenen Kohlensäure (sog.
halbgebundene Kohlensäure)
(mmol/l); die Äquivalent-
konzentration von 1 mmol/l,
(früher: mval/l), dies entspricht
einer Massenkonzentration von
β
3
(sog. halbgebundene Kohlen-
säure) = 22 mg/l oder
β
(HCO
3
-
) = 61 mg/l oder
2,8 °dH (Karbonat-Härte),
CaCO
3
+ CO
2
+ H
2
O
i
Ca
2+
+ 2 HCO
3
-
.
1
2
Ca
2
=
Äquivalentkonzentration der
Calcium-Ionen (mmol/l) (frü-
her:
c
(eq) in mval/l).
c
(
)
Bei ihren Überlegungen zur Bestimmung dieses
Gleichgewichts stellten T
ILLMANS
& H
EUBLEIN
(1912) nach der von B
ODLÄNDER
(1900) aufge-
stellten Beziehung folgende Gleichung auf:
Das System freie Kohlensäure - in Hydrogenkar-
bonat-Ionen gebundene Kohlensäure im Kalk-
Kohlensäure-Gleichgewicht, entsprechend der
T
ILLMANS
-Gleichung für reine Wässer, zeigt die
Kurve in Abb. 62. Unter der Kurve befindet sich
der Bereich der im HCO
3
-
gebundenen, oberhalb
der der freien, aggressiven Kohlensäure (CO
2
). Im
Gleichgewicht stehen solche Wässer, deren CO
2
-
und HCO
3
-
-Ionen-Konzentration auf der Kurve
liegen.
Da das Grundwasser auch gelöste Ionen ande-
rer Stoffe enthält und sich deren Ionenstärke
I
auf
das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht auswirkt,
muss ein von der Ionenstärke abhängiger Korrek-
turfaktor
f
Ti
3
c
K
c
(
CO
)
( (
HCO
))
Gl. 103
2
Ti
3
c
(CO
2
)
=
Stoffmengenkonzentration des im
Wasser zu freier Kohlensäure ge-
lösten Kohlenstoffdioxids (sog.
zugehörige freie Kohlensäure), be-
rechnet als CO
2
(Molmasse
M
=
44 g/mol) (mmol/l),
K
Ti
=
temperaturabhängige TILL-
MANS-Konstante (l
2
/mmol
2
)
(Tab. 34),
für die T
ILLMANS
-Konstante
K
Ti
ein-
