Aqua minerale

Minerale - Mineralstoffe - Mineralwasser (eine Einleitung)

Im Mineralwasser sind keine Mineralien enthalten (man hätte sonst ernsthafte Schluckbeschwerden!). Der Name Mineralwasser besagt, dass dieses Wasser beim Fließen durch die Gesteine (insb. Karbonat- und Salzgesteine) einige Mineralien angelöst und einen Teil ihrer Bestandteile in löslicher Form (als Kationen/Anionen) aufgenommen hat. Es enthält demzufolge mehr anorganische Bestandteile als See- oder Leitungswasser.

Als Mineralstoffe bezeichnet man generell Metall-Ionen (Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Zn²⁺, Se²⁺, Mo²⁺ etc.) und bestimmte Anionen (HSiO₃^-, HCO₃^-, SO₄^2-, F^-, Cl^-), die in Lebensmitteln oder Arzneien enthalten sind, und die für den Menschen lebensnotwendig sind. Es sind also Elemente und Verbindungen, die auch in Mineralien vorkommen bzw. sich beim Auflösen von Mineralien bilden. Fälschlicherweise werden diese, meist gelösten Komponenten (so z.B. im Mineralwasser) oft auch als "Mineralien" bezeichnet ("Nutella ist reich an Mineralien", siehe auch die Etiketten einiger Wasserflaschen).

Da die meisten Alkali- und Erdalkalihalogenide und -sulfate leicht löslich sind, führen Mineralwässer dementsprechend erhöhte Gehalte an diesen Bestandteilen (Säuerling, Calcium-Hydrogenkarbonat-Sulfat-Wasser etc.). Auch Eisen (als Fe²⁺) ist in natürlichen Mineralwässern vorhanden. Da das zweiwertige Eisen an der Luft allmählich zum dreiwertigen Eisen oxidiert werden würde (was zu unerwünschten braunen Ausflockungen führen kann), ist den meisten Wässern das Eisen künstlich entzogen worden - sie sind enteisent worden (das Wasser ist nicht enteisend!).

Speziell bei sportlicher Betätigung verliert der menschliche Körper infolge des Schwitzens bis zu 1 Liter Wasser pro Stunde. Schweiss schmeckt salzig aufgrund des NaCl-Gehalts und etwas bitter wegen der anderen Mineralstoffe (s. Tab.). Schweissverlust bedeutet also immer auch Verarmung an wichtigen Mineralstoffen, die ersetzt werden müssen. Statt teurer "Sportlerdrinks" liefern einfache Mineralwässer (z.B. als Apfelschorle!) mit relativ hohen Gehalten an Kalium, Magnesium und Calcium einen guten Ausgleich zum Flüssigkeitsverlust.

Kohlensäure im Wasser

Da die meisten Mineralwässer relativ wenig Kohlensäure (H₂CO₃) führen ("stille" Wässer), werden sie nachträglich mit Kohlendioxid (CO₂) versetzt. Während man früher als Kohlendioxidzusatz Soda (NaHCO₃) verwendete (Sodawasser!), wird heutzutage reines CO₂ zugesetzt, welches z.B. als natürlicher Rohstoff in Bad Niedernau aus einigen km Tiefe gefördert wird.

Die Löslichkeit von Kohlendioxid in Wasser steigt bei niedrigeren Temperaturen und höheren Drucken. Nach starkem Schütteln und Erwärmen (Temperaturerhöhung!) einer kohlensäurehaltigen Mineralwasserflasche erlebt man beim Öffnen der Flasche (Druckerniedrigung!) das schlagartige Entweichen des gasförmigen Kohlendioxids (H₂CO₃ --> CO₂ + H₂O).

Ein entsprechender Vorgang in der Natur ist die Entgasung von flüssigem Magma (durch Aufstieg und Druckentlastung) in Vulkanen, wobei neben den Gasen (Wasser, Kohlendioxid etc.) auch ungeheuere Mengen an Asche in die Atmosphäre geschleudert werden. Ein eindrucksvolles Beispiel lieferte vor wenigen Jahren der phillipinische Vulkan Pinatubo.

1 Löwen-Sprudel von Obernau (Calcium-Hydrogenkarbonat-Sulfat-Wasser)
2 Bad Liebenzeller Mineralwasser (Natrium-Hydrogencarbonat-Chlorid-Wasser)
3 Schweiss
4 Bodenseewasser
5 Tübinger Leitungswasser
6 Fluideinschluss in einem Quarz von Bingham, Utah/USA
k.A.: keine Angabe

Mineralwasser in Flaschen

Jährlich werden in Deutschland 10 Milliarden Liter Mineralwasser getrunken, was einen Pro-Kopf-Verbrauch von 130 Liter entspricht.

Der Verbraucher kann zwischen rund 350 Mineralwässern, etwa 65 Heilwässern sowie mehreren Quell- und Tafelwässern aus insgesamt 1000 deutschen Quellen und Tiefbrunnen wählen.

Natürliches Mineralwasser
ist das einzige genehmigungspflichtige Lebensmittel in Deutschland. Um wie vorgeschrieben "natürlich rein" zu sein, muss es aus unterirdischen, vor Verschmutzung geschützten Wasservorkommen stammen und an der Quelle abgefüllt werden.

Quellwasser
kommt aus unterirdischen Reservoirs, muss aber im Gegensatz zu natürlichem Mineralwasser weder Mineralstoffe noch Spurenelemente in höheren Konzentrationen enthalten.

Tafelwasser
ist eine industriell hergestellte (überteuerte) Mischung aus normalem Leitungswasser und natürlichem Mineralwasser. Es darf überall produziert und auch über Zapfgeräte ausgeschenkt werden.

Heilwasser
ist ein frei verkäufliches Arzneimittel zur Vorbeugung oder Heilung von Erkrankungen. Die Zulassung vom Bundesamt für Verbraucherschutz erhält das Produkt erst bei einem Mindestgehalt an Mineralstoffen.

1. Flüssigkeitseinschlüsse (Fluid inclusions)

In der Erde entstehen viele Mineralien durch Ausfällung (Kristallisation) aus wässrigen Lösungen (hydrothermale Lösungen), durch Temperaturerniedrigung aus magmatischen Schmelzen sowie bei der Umbildung von Gesteinen infolge von Temperatur- und Druckveränderungen. Bei allen Bildungsprozessen spielen fluide Phasen (Wasser, Gase, überkritische Lösungen = allgemein Fluide) ein große Rolle.

Sehr oft schließen die Mineralien während ihres Wachstums kleinste Proben dieser Fluide in Form von rundlichen Fluideinschlüssen ein. Am häufigsten treten Fluideinschlüsse im Quarz auf. Der durch Tausende winzige Einschlüsse getrübte Milchquarz kann bis zu 0.1 Gew.-% Wasser führen.

Die meist nur wenige µm-großen Fluideinschlüsse liefern den Geowissenschaftlern wertvolle Hinweise auf die Bildungsbedingungen dieser Minerale und Gesteine. Anhand von Fluideinschluss-Untersuchungen (mit Hilfe von Heiz-/Kühltischen) lassen sich Aussagen machen über jene Temperaturen und Drucke, die bei der Gesteinsbildung herrschten, und über die Zusammensetzung (s. Tabelle) und die Herkunft der fluiden Phase.

2. Gebundenes Wasser, das zum Kristallgitter der Minerale gehört

A. Echte wasserhaltige Mineralien
Zu den wasserhaltigen Mineralien darf man streng genommen nur jene rechnen, die elektrisch neutrale Wassermoleküle enthalten. Dieses sog. Kristallwasser besetzt in Form von H₂O-Molekülen ganz bestimmte Gitterplätze. Da es über van-der-Waalssche-Kräfte nur schwach gebunden ist, wird es beim Erhitzen relativ leicht und oft stufenweise ausgetrieben; dabei bricht das Kristallgitter zusammen.

Carnallit KMgCl₃* 6H₂O mit 39% Wasser.
Beim Erwärmen lösen sich die Kristalle im eigenen Kristallwasser und zersetzen sich. Daher ein sehr unerwünschtes Mineral in Salzstöcken, die für die Endlagerung radioaktiver Abfälle (Wärme!) vorgesehen sind.

Gips CaSO₄* 2H₂O mit 21% H2O.
Beim Erwärmen über 80°C beginnt Gips allmählich Wasser zu verlieren, und bei Temperaturen von 120-140°C geht er vollständig in das Halbhydrat (CaSO₄ * ½H₂O), den sog. Modell- oder Stuckgips über.

Erythrin Co₃[AsO₄]₂* 8H₂O mit 24% H₂O.

Sepiolith (Meerschaum) Mg₄[(OH)₂|Si₆O₁₅] * 2H₂O + 4 H₂O enthält neben fest gebundenen Hydroxylgruppen sowohl koordinatives Wasser (* 2H₂O) als auch zeolithartiges und demnach leicht austauschbares Wasser (+ 4 H₂O).

Phyllosilikate, deren Silikatschichten durch nicht ganz stöchiometrische Zusammensetzung eine kleine negative Ladung besitzen, lagern Wasserschichten ein, die sich wie schwache Kationen verhalten (kleine Na- oder Mg-Gehalte). Dieses in den Zwischenschichten eingebaute sog. Quellungswasser, kann durch vorsichtiges Erhitzen ohne Zusammenbruch der Struktur, aber unter Kontraktion der kristallographischen c-Achse reversibel abgegeben werden.
So z.B. in:
Montmorillonit (Al_1,67,Mg_0,33)[(OH)₂|Si₄O10]_0.33-* Na_0,33(H₂O)₄ , ca. 12-24% Wasser.
Vermiculit (Mg,Fe^₃+)₃[(OH)₂|Al_1,25Si_2,75O₁₀] * Mg_0,33(H₂O)₄ führt Wasser in unbestimmter Menge (maximal 18 %).

B. Hydroxylgruppen-haltige Mineralien
Mineralien, die Hydroxylgruppen ( [OH]^- ) in ihrem Kristallgitter einbauen (wie Goethit Fe[OOH], Antigorit Mg₄₈[(OH)_62,6|Si₃₄O₈₅] oder Tremolit Ca₂Mg₅[(OH)₂|Si₈O₂₂]), enthalten eigentlich kein echtes Wasser. Die Hydroxylgruppen besitzen aufgrund ihrer negativen Ladung andere Bindungseigenschaften als das neutrale Wassermolekül, weshalb sie einen fester gebundenen Platz im Kristallgitter einnehmen. Diese OH-Gruppen entweichen daher erst beim Erhitzen auf Temperaturen von einigen hundert Grad Celsius in Form des sog. Konstitutionswassers.

Kaolinit Al₄[(OH)₈|Si₄O₁₀] mit 14 Gew.-% Wasser. Der Wassergehalt entweicht erst beim Glühen auf 390-450°C.

Werden die Hydroxylgruppen in der Erde unter hohen Temperaturen/Drucken im Rahmen der Metamorphose aus den Mineralienn freigesetzt, so entsteht das so genannte metamorphe Wasser. Zwei Reaktionen von vielen:
1 Tremolit + 3 Calcit --> 1 Dolomit + 4 Diopsid + 1 CO₂ + 1 H₂O.
3 Antigorit + 20 Calcit --> 62 Forsterit + 20 Diopsid + 20 CO₂+ 94 H₂O.

3. Freies Wasser, das sich nicht direkt am Kristallaufbau beteiligt

A. Zeolithwasser
Zeolithe besitzen besonders weitmaschige Kristallgerüste, in deren Hohlräumen und Kanälen diverse Kationen und Wassermoleküle ohne Fixierung an einen bestimmten Platz gebunden sind. Es besteht die Möglichkeit der stufenlosen Abgabe und Wiederaufnahme von Wasser (sog. Zeolithwasser) ohne das es zu Veränderungen der Kristallstruktur kommt (in den Formeln mit (+) gekennzeichnet):

Stilbit (Desmin) NaCa₂[Al₅Si₁₃O₃₆] + 14 H₂O mit 20 Gew.-% Wasser
Natrolith Na₂[Al₂Si₃O₁₀] + 2 H₂O mit knapp 10 Gew.-% Wasser.

B. Kolloidwasser
Kolloidwasser ist in Hydrogelen verbreitet, wo es an der Oberfläche der Dipsersionsphasen durch sehr schwache Bindungkräfte festgehalten wird. Die Anwesenheit dieses sogenannten Adsorptionswassers hängt nicht vom Gitter des Adsorbenten ab.
Ein schönes Beispiel ist der Edelstein Opal. Diese Siliziumoxidverbindung wird geschrieben als SiO₂ + aq (aq sind die beiden ersten Buchstaben des lateinischen Wortes aqua, Wasser); es handelt sich um ein festes Hydrogel mit 1-21%, selten bis zu 34% Adsorptionswasser.

C. Kapillarwasser
Kapillarwasser ("Bergfeuchte") wird in feinen Spalten, Poren und pulverförmigen Massen durch die Kräfte der Oberflächenspannung festgehalten. Zu seinem größten Teil wird es leicht durch Erhitzen bei 100 bis 110°C entfernt. Es ist nicht möglich, Kapillar- und Kolloidwasser scharf voneinander abzugrenzen.

Grundwasser entsteht, wenn Regen in die Böden und andere lockere Oberflächensedimente sickert oder entlang von Rissen und Spalten des Gesteins in den Untergrund eindringt. Schichten, die Grundwasser führen und es auch weiterleiten, werden als Grundwasserleiter oder Grundwasserspeicher bezeichnet. Mit Ausnahme von Höhlen gibt es im Untergrund keine offenen Räume für Seen und Flüsse.

Als Speicherraum für Wasser stehen nur der Porenraum zwischen Sandkörnern und anderen Teilchen der Böden und Gesteine, sowie Klüfte und Spalten zur Verfügung. Ein Maß für den in Gesteinen, Böden oder Sedimenten insgesamt vorhandenen Porenraum ist die Porosität: Sie entspricht dem Anteil, den das von Poren eingenommene Volumen im Verhältnis zum Gesamtvolumen ausmacht. Die Porosität ist in lockeren Sand- und Kiesschichten mit Werten von 40% am höchsten (wasserführende Schichten). Bei vielen Sandsteinen - wie dem Tübinger Stubensandstein - beträgt sie etwa 15-30%. Die meisten Schiefertone besitzen eine geringe Porosität von unter 10%, weshalb sie als Stauhorizonte wirken.

Wie schnell das Wasser ein Gestein durchdringt, hängt von der Durchlässigkeit oder Permeabilität ab. Gleichwohl die Höhe der Permeabilität mit steigender Porosität zunimmt, ist sie hauptsächlich abhängig davon, wie groß die Poren des jeweiligen Gesteins sind, wie gut sie miteinander in Verbindung stehen und wie krümmungsreich der Weg des Wassers um die Gesteinspartikel ist.

Wechselwirkungen zwischen Wasser und Mineral/Gestein (Water-Rock Interactions)
Entstehung und Umbildungen von Mineralen und Gesteinen erfolgen meist unter Beteiligung einer fluiden Phase (Wasser, Kohlendioxid, Methan etc.). Die Wechselwirkungen zwischen den festen und fluiden Phasen sind Gegenstand aktueller Forschungstätigkeiten. So versucht man u.a. folgende Fragen zu klären:

• Welchen Einfluß hat die Zusammensetzung einer fluiden Phase auf die Kinetik und den Mechanismus metamorpher und sedimentärer Mineralreaktionen?
• Wie werden Metalle aus Mineralen gelöst, in welcher Form werden sie in der Erde transportiert, und wie erfolgt die Erzmineralausfällung aus hydrothermalen Lösungen?
• Welche Fluide waren bei der Magmenbildung im oberen Mantel beteiligt?
• Wie unterscheiden sich die Austauschprozesse zwischen fester und fluider Phase für Haupt- und Spurenelemente sowie den Isotopen?
• Wie reagiert Regenwasser/Grundwasser mit anthropogenen Abfallstoffen und Abdichtungen in Übertage-Deponien?
• Welche Folgen hat die Erwärmung des Nebengesteins inkl. Wasser bei der Deponierung hochradioaktiver Abfälle in Salzlagerstätten oder Graniten?