Карбонат кальция -Calcium carbonate

Карбонат кальция

Имена
название ИЮПАК Карбонат кальция
Другие имена арагонит ; кальцит ; мел ; известь ; известняк ; мрамор ; устрица ; жемчуг
Идентификаторы
Количество CAS
3D модель ( JSmol )
ЧЭБИ
ЧЭМБЛ
ХимПаук
НаркоБанк
Информационная карта ECHA	100.006.765
Номер ЕС
номер Е	E170 (цвета)
КЕГГ
PubChem CID
номер РТЭКС
УНИИ
Панель управления CompTox ( EPA )
ИнЧИ InChI=1S/CH2O3.Ca/c2-1(3)4;/h(H2,2,3,4);/q;+2/p-2 Д Ключ: VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L Д InChI=1/CH2O3.Ca/c2-1(3)4;/h(H2,2,3,4);/q;+2/p-2 Ключ: VTYYLEPIZMXCLO-NUQVWONBAS
УЛЫБКИ [Ca+2].[O-]C([O-])=O С(=О)([О-])[О-].[Са+2]
Характеристики
Химическая формула	СаСО 3
Молярная масса	100,0869 г/моль
Появление	Мелкий белый порошок; меловой вкус
Запах	без запаха
Плотность	2,711 г/см 3 ( кальцит ) 2,83 г/см 3 ( арагонит )
Температура плавления	1339 ° C (2442 ° F, 1612 K) (кальцит) 825 ° C (1517 ° F, 1098 K) (арагонит)
Точка кипения	разлагается
Растворимость в воде	0,013 г/л (25 °С)
Произведение растворимости ( K sp )	3,3 × 10–9 _
Растворимость в разбавленных кислотах	растворимый
Кислотность (p K a )	9,0
Магнитная восприимчивость (χ)	−3,82 × 10–5 см  3 / моль
Показатель преломления ( nD )	1,59
Структура
Кристальная структура	Треугольный
Космическая группа	3 2/м
Термохимия
Стандартная молярная энтропия ( S o 298 )	93 Дж·моль -1 ·К -1
Стандартная энтальпия образования (Δ f H ⦵ 298 )	−1207 кДж·моль −1
Фармакология
Код УВД	A02AC01 ( ВОЗ ) A12AA04 ( ВОЗ )
Опасности
NFPA 704 (огненный алмаз)	0 0 0
Смертельная доза или концентрация (LD, LC):
ЛД 50 ( средняя доза )	6450 мг/кг (перорально, крыса)
NIOSH (пределы воздействия на здоровье в США):
PEL (допустимый)	TWA 15 мг/м 3 (всего) TWA 5 мг/м 3 (соотв.)
Паспорт безопасности (SDS)	КМГС 1193
Родственные соединения
Другие анионы	бикарбонат кальция
Другие катионы	Карбонат бериллия Карбонат магния Карбонат стронция Карбонат бария Карбонат радия
Родственные соединения	Сульфат кальция
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). Н проверить  ( что   ?) ДН Ссылки на информационные ящики

Кристаллическая структура кальцита

Карбонат кальция представляет собой химическое соединение с формулой CaCO 3 _. Это обычное вещество, встречающееся в горных породах в виде минералов кальцита и арагонита (особенно в виде известняка , который представляет собой тип осадочной породы , состоящей в основном из кальцита), и является основным компонентом яичной скорлупы , панцирей брюхоногих моллюсков , скелетов моллюсков и жемчуга . Карбонат кальция является активным ингредиентом сельскохозяйственной извести и образуется, когда ионы кальция в жесткой воде реагируют с ионами карбоната с образованием известкового налета . Он используется в медицине в качестве добавки кальция или антацида , но чрезмерное потребление может быть опасным и вызывать гиперкальциемию и проблемы с пищеварением.

Химия

Карбонат кальция разделяет типичные свойства других карбонатов . Примечательно это

• реагирует с кислотами , выделяя углекислый газ (технически говоря, угольную кислоту , но быстро распадающуюся на CO ₂ и H ₂ O ):

CaCO ₃ ( т) + 2 H ⁺ ( водн. ) → Ca ²⁺ ( водн. ) + CO ₂ ( г ) + H ₂ O ( ж )

• выделяет углекислый газ при нагревании, называемом реакцией термического разложения или прокаливанием (до температуры выше 840 °C в случае CaCO ₃ ), с образованием оксида кальция , обычно называемого негашеной известью , с энтальпией реакции 178 кДж/моль:

CaCO ₃ ( т ) → CaO( _{т )} + CO 2 ( г )

Карбонат кальция реагирует с водой, насыщенной углекислым газом, с образованием растворимого бикарбоната кальция .

CaCO ₃ ( т) + CO ₂ ( г ) + H ₂ O ( ж ) → Ca(HCO ₃ ) ₂ ( водн. )

Эта реакция играет важную роль в эрозии карбонатных пород с образованием каверн и приводит к жесткости воды во многих регионах.

Необычной формой карбоната кальция является гексагидрат икаита , CaCO ₃ ·6H ₂ O. Икаит стабилен только при температуре ниже 8 °C.

Подготовка

Подавляющее большинство карбоната кальция, используемого в промышленности, добывается путем добычи полезных ископаемых. Чистый карбонат кальция (например, для пищевых или фармацевтических целей) может быть получен из чистого источника (обычно мрамора ).

В качестве альтернативы карбонат кальция получают из оксида кальция . Добавляют воду для получения гидроксида кальция, затем через этот раствор пропускают диоксид углерода для осаждения желаемого карбоната кальция, называемого в промышленности осажденным карбонатом кальция (ОКК):

СаО + Н ₂ О → Са(ОН) ₂

Ca(OH) ₂ + CO ₂ → CaCO ₃ ↓ + H ₂ O

Структура

Термодинамически стабильной формой CaCO ₃ при нормальных условиях является гексагональная β-CaCO ₃ (минерал кальцит ). Могут быть получены другие формы, более плотный (2,83 г/см ³ ) орторомбический λ-CaCO ₃ (минерал арагонит ) и гексагональный μ-CaCO ₃ , встречающийся в виде минерала ватерита . Арагонитовая форма может быть получена путем осаждения при температуре выше 85 °C; форма ватерита может быть получена путем осаждения при 60 ° C. Кальцит содержит атомы кальция, координированные шестью атомами кислорода; в арагоните они координируются девятью атомами кислорода. Структура ватерита до конца не изучена. Карбонат магния (MgCO ₃ ) имеет структуру кальцита, тогда как карбонат стронция и карбонат бария (SrCO ₃ и BaCO ₃ ) принимают структуру арагонита, что отражает их большие ионные радиусы .

Вхождение

Кальцит является наиболее стабильной полиморфной модификацией карбоната кальция. Он прозрачный до непрозрачного. Прозрачная разновидность исландского шпата (показана здесь) использовалась для создания поляризованного света в 19 веке.

Геологические источники

Кальцит , арагонит и ватерит представляют собой чистые минералы карбоната кальция. Промышленно важные материнские породы, состоящие преимущественно из карбоната кальция, включают известняк , мел , мрамор и травертин .

Биологические источники

Кусочки карбоната кальция из ракушки

Яичная скорлупа , скорлупа улиток и большинство морских раковин преимущественно состоят из карбоната кальция и могут использоваться в качестве промышленных источников этого химического вещества. Раковины устриц недавно были признаны источником диетического кальция, но также являются практическим промышленным источником. Темно - зеленые овощи , такие как брокколи и капуста , содержат значительное количество карбоната кальция с диетической точки зрения, но их нельзя использовать в качестве промышленного источника.

внеземной

За пределами Земли убедительные доказательства свидетельствуют о наличии карбоната кальция на Марсе . Признаки карбоната кальция были обнаружены более чем в одном месте (особенно в кратерах Гусева и Гюйгенса ). Это дает некоторые доказательства существования жидкой воды в прошлом.

Геология

Осаждение CaCO ₃ на поверхности в виде туфа в Рубаксе , Эфиопия

Карбонат часто встречается в геологических условиях и представляет собой огромный резервуар углерода . Карбонат кальция встречается в виде арагонита , кальцита и доломита как важные составляющие кальциевого цикла . Карбонатные минералы образуют горные породы: известняк , мел , мрамор , травертин , туф и другие.

Туф в Хуанлун , Сычуань

В теплых и чистых тропических водах кораллов больше, чем ближе к полюсам, где вода холоднее. Источники карбоната кальция, в том числе планктон (например, кокколиты и планктонные фораминиферы ), коралловые водоросли , губки , брахиоподы , иглокожие , мшанки и моллюски , обычно встречаются на мелководье, где больше солнечного света и фильтруемой пищи. Холодноводные карбонаты существуют в более высоких широтах, но имеют очень медленный темп роста. Процессы кальцификации сменяются закислением океана .

Там, где океаническая кора погружается под континентальную плиту , осадки будут сноситься в более теплые зоны астеносферы и литосферы . В этих условиях карбонат кальция разлагается с образованием углекислого газа , который вместе с другими газами вызывает взрывные извержения вулканов .

Глубина карбонатной компенсации

Глубина карбонатной компенсации (CCD) — это точка в океане, где скорость осаждения карбоната кальция уравновешивается скоростью растворения из-за существующих условий. Глубоко в океане температура падает, а давление увеличивается. Карбонат кальция необычен тем, что его растворимость увеличивается с понижением температуры. Повышение давления также увеличивает растворимость карбоната кальция. Глубина карбонатной компенсации может составлять от 4000 до 6000 метров ниже уровня моря.

Роль в тафономии

Карбонат кальция может сохранять окаменелости за счет перминерализации . Большинство окаменелостей позвоночных формации Two Medicine — геологической формации , известной своими яйцами утконосых динозавров — сохранились за счет перминерализации CaCO _{3 .} Этот тип сохранения сохраняет высокий уровень детализации, вплоть до микроскопического уровня. Тем не менее, он также делает образцы уязвимыми к атмосферным воздействиям при воздействии на поверхность.

Когда-то считалось, что популяции трилобитов составляли большую часть водной жизни в кембрии из-за того, что их раковины, богатые карбонатом кальция, сохранялись легче, чем у других видов, у которых были чисто хитиновые раковины.

Использование

Строительство

Карбонат кальция в основном используется в строительной отрасли в качестве строительного материала или известнякового заполнителя для строительства дорог, в качестве ингредиента цемента или в качестве исходного материала для приготовления строительной извести путем обжига в печи . Однако из-за выветривания, в основном вызванного кислотными дождями , карбонат кальция (в форме известняка) больше не используется в строительных целях сам по себе, а только в качестве исходного сырья для строительных материалов.

Карбонат кальция применяют также при очистке железа от железной руды в доменной печи . Карбонат прокаливают на месте с получением оксида кальция , который образует шлак с различными присутствующими примесями и отделяется от очищенного железа.

В нефтяной промышленности карбонат кальция добавляют в буровые растворы в качестве агента, кольматирующего пласт и герметизирующего корку; это также утяжелитель, который увеличивает плотность буровых растворов для контроля забойного давления. Карбонат кальция добавляют в плавательные бассейны в качестве корректора pH для поддержания щелочности и компенсации кислотных свойств дезинфицирующего средства.

Он также используется в качестве сырья для рафинирования сахара из сахарной свеклы ; его прокаливают в печи с антрацитом для получения оксида кальция и диоксида углерода. Эта негашеная известь затем гасится в пресной воде для получения суспензии гидроксида кальция для осаждения примесей в диффузионном соке во время сатурации .

Карбонат кальция в виде мела традиционно был основным компонентом мела для школьной доски . Однако мел, производимый в настоящее время, в основном представляет собой гипс , гидратированный сульфат кальция CaSO ₄ ·2H ₂ O. Карбонат кальция является основным источником для выращивания биорока . Осажденный карбонат кальция (PCC), предварительно диспергированный в виде суспензии , является распространенным наполнителем для латексных перчаток с целью достижения максимальной экономии материалов и производственных затрат.

Мелкоизмельченный карбонат кальция (GCC) является важным ингредиентом микропористой пленки, используемой в подгузниках и некоторых строительных пленках, поскольку поры зарождаются вокруг частиц карбоната кальция во время изготовления пленки путем двухосного растяжения. GCC и PCC используются в качестве наполнителя в бумаге , потому что они дешевле, чем древесное волокно . С точки зрения объема рынка GCC являются наиболее важными типами наполнителей, используемых в настоящее время. Бумага для печати и письма может содержать 10–20% карбоната кальция. В Северной Америке карбонат кальция начал заменять каолин при производстве глянцевой бумаги . В Европе это практикуется как щелочное производство бумаги или бескислотное производство бумаги в течение нескольких десятилетий. PCC, используемый для наполнения и покрытия бумаги, осаждается и изготавливается в различных формах и размерах, имеющих характерное узкое распределение частиц по размерам и эквивалентные сферические диаметры от 0,4 до 3 микрометров.

Карбонат кальция широко используется в качестве наполнителя в красках , в частности, в матовых эмульсионных красках , где обычно 30% массы краски составляет либо мел, либо мрамор. Это также популярный наполнитель для пластмасс. Некоторые типичные примеры включают от 15 до 20% загрузки мела в водосточных трубах из непластифицированного поливинилхлорида (НПВХ) , от 5% до 15% загрузки мела или мрамора, покрытых стеаратом , в оконном профиле из НПВХ. Кабели из ПВХ могут использовать карбонат кальция при нагрузках до 70 phr (частей на сто частей смолы) для улучшения механических свойств (прочность на растяжение и относительное удлинение) и электрических свойств (объемное удельное сопротивление). Полипропиленовые компаунды часто наполняют карбонатом кальция для повышения жесткости, что становится важным при высоких температурах использования. Здесь процент часто составляет 20–40%. Он также обычно используется в качестве наполнителя в термореактивных смолах (листовых и объемных формовочных смесях), а также смешивается с АБС и другими ингредиентами для формирования некоторых типов прессованных «глиняных» фишек для покера . Осажденный карбонат кальция, полученный путем добавления оксида кальция в воду, используется сам по себе или с добавками в качестве белой краски, известной как побелка .

Карбонат кальция добавляют в широкий ассортимент клеев, герметиков и декоративных шпаклевок . Клеи для керамической плитки обычно содержат от 70% до 80% известняка. Декоративные заполнители трещин содержат аналогичные уровни мрамора или доломита. Его также смешивают с замазкой при установке витражей и в качестве резиста, чтобы предотвратить прилипание стекла к полкам печи при обжиге глазурей и красок при высокой температуре.

В керамической глазури карбонат кальция известен как белила и является обычным ингредиентом для многих глазурей в виде белого порошка. Когда глазурь, содержащую этот материал, обжигают в печи, белила действуют как флюс в глазури. Измельченный карбонат кальция является абразивом (и в качестве чистящего порошка, и в качестве ингредиента бытовых чистящих кремов), в частности, в форме кальцита, который имеет относительно низкий уровень твердости 3 по шкале Мооса и, следовательно, не царапает стекло и большинство другие виды керамики , эмали , бронзы , железа и стали и оказывают умеренное воздействие на более мягкие металлы, такие как алюминий и медь . Паста, приготовленная из карбоната кальция и деионизированной воды , может использоваться для очистки серебра от потускнения .

Здоровье и диета

500-миллиграммовые добавки кальция, изготовленные из карбоната кальция

Карбонат кальция широко используется в медицине в качестве недорогой диетической добавки кальция для желудочных антацидов (таких как Tums и Eno ). Может использоваться в качестве фосфатсвязывающего средства для лечения гиперфосфатемии (в первую очередь у больных с хронической почечной недостаточностью ). Он используется в фармацевтической промышленности в качестве инертного наполнителя для таблеток и других лекарственных средств .

Карбонат кальция используется в производстве оксида кальция, а также зубной пасты, и возродился в качестве пищевого консерванта и фиксатора цвета при использовании в таких продуктах, как органические яблоки или вместе с ними.

Карбонат кальция используется терапевтически в качестве фосфатсвязывающего средства у пациентов, находящихся на поддерживающем гемодиализе . Это наиболее распространенная форма фосфатсвязывающего препарата, особенно при недиализной хронической болезни почек. Карбонат кальция является наиболее часто используемым фосфатсвязывающим средством, но клиницисты все чаще назначают более дорогие фосфатсвязывающие средства, не содержащие кальция, особенно севеламер .

Избыток кальция из добавок, обогащенной пищи и диет с высоким содержанием кальция может вызвать молочно-щелочной синдром , который имеет серьезную токсичность и может привести к летальному исходу. В 1915 году Бертрам Сиппи ввел «режим сиппи», заключающийся в ежечасном приеме молока и сливок и постепенном добавлении яиц и вареных хлопьев в течение 10 дней в сочетании со щелочными порошками, что обеспечивало симптоматическое облегчение при язвенной болезни. В течение следующих нескольких десятилетий режим Sippy приводил к почечной недостаточности , алкалозу и гиперкальциемии , в основном у мужчин с язвенной болезнью. Эти побочные эффекты были устранены при прекращении режима, но у некоторых пациентов с затяжной рвотой это было фатальным. Молочно-щелочной синдром уменьшился у мужчин после появления эффективных методов лечения язвенной болезни. С 1990-х годов чаще всего о нем сообщалось у женщин, принимающих добавки кальция выше рекомендуемого диапазона от 1,2 до 1,5 г в день для профилактики и лечения остеопороза, и усугубляется обезвоживанием . В безрецептурные продукты добавляют кальций, что способствует непреднамеренному чрезмерному потреблению. Чрезмерное потребление кальция может привести к гиперкальциемии, осложнения которой включают рвоту, боль в животе и изменение психического состояния.

В качестве пищевой добавки он имеет обозначение E170 и номер INS 170. Используется в качестве регулятора кислотности , антислеживателя , стабилизатора или красителя и одобрен для использования в ЕС, США, Австралии и Новой Зеландии . Он «по закону добавляется ко всей муке из муки грубого помола в Великобритании, кроме цельнозерновой». Он используется в некоторых продуктах из соевого молока и миндального молока в качестве источника диетического кальция; по крайней мере, одно исследование предполагает, что карбонат кальция может быть таким же биодоступным , как кальций в коровьем молоке . Карбонат кальция также используется в качестве укрепляющего агента во многих консервированных и бутилированных овощных продуктах.

Было задокументировано, что несколько составов добавок с кальцием содержат свинец , химический элемент, который представляет опасность для общественного здравоохранения . Свинец обычно содержится в природных источниках кальция.

Сельское хозяйство и аквакультура

Сельскохозяйственная известь , порошкообразный мел или известняк используются в качестве дешевого метода нейтрализации кислой почвы , что делает ее пригодной для посадки, а также используется в аквакультуре для регулирования pH почвы пруда перед началом выращивания.

Уборка дома

Карбонат кальция является ключевым ингредиентом многих бытовых чистящих порошков, таких как Comet , и используется в качестве чистящего средства.

Снижение загрязнения

В 1989 году исследователь Кен Симмонс ввел CaCO ₃ в реку Уетстоун-Брук в штате Массачусетс . Он надеялся, что карбонат кальция противостоит кислоте в ручье от кислотных дождей и спасет форель, которая перестала нереститься. Хотя его эксперимент удался, он увеличил количество ионов алюминия в той части ручья, которая не была обработана известняком. Это показывает, что CaCO ₃ можно добавлять для нейтрализации воздействия кислотных дождей на речные экосистемы. В настоящее время карбонат кальция используется для нейтрализации кислых условий как в почве, так и в воде. С 1970-х годов такое известкование широко практикуется в Швеции для смягчения закисления, и несколько тысяч озер и ручьев неоднократно известковались.

Карбонат кальция также используется для десульфурации дымовых газов , устраняя вредные выбросы SO ₂ и NO ₂ из угля и других ископаемых видов топлива, сжигаемых на крупных электростанциях, работающих на ископаемом топливе.

Равновесие прокаливания

Прокаливание известняка с использованием древесного угля для производства негашеной извести практиковалось с древних времен культурами всего мира. Температура, при которой известняк дает оксид кальция, обычно составляет 825 ° C, но указание абсолютного порога вводит в заблуждение. Карбонат кальция существует в равновесии с оксидом кальция и углекислым газом при любой температуре. При каждой температуре существует парциальное давление углекислого газа, которое находится в равновесии с карбонатом кальция. При комнатной температуре равновесие преимущественно благоприятствует карбонату кальция, потому что равновесное давление СО ₂ составляет лишь малую часть парциального давления СО ₂ в воздухе, которое составляет около 0,035 кПа.

При температуре выше 550 °С равновесное давление СО ₂ начинает превышать давление СО ₂ в воздухе. Таким образом, при температуре выше 550 °C карбонат кальция начинает выделять CO ₂ в воздух. Однако в печи, работающей на древесном угле, концентрация CO ₂ будет намного выше, чем в воздухе. Действительно, если весь кислород в печи расходуется в огне, то парциальное давление СО ₂ в печи может достигать 20 кПа.

Таблица показывает, что это парциальное давление не достигается до тех пор, пока температура не достигнет почти 800 °C. Чтобы дегазация CO ₂ из карбоната кальция происходила с экономически целесообразной скоростью, равновесное давление должно значительно превышать атмосферное давление CO ₂ . А чтобы это произошло быстро, равновесное давление должно превышать общее атмосферное давление в 101 кПа, что и происходит при 898 °С.

Равновесное давление CO ₂ над CaCO ₃ ( P ) в зависимости от температуры ( T ).

Р (кПа)	0,055	0,13	0,31	1,80	5,9	9.3	14	24	34	51	72	80	91	101	179	901	3961
Т (°С)	550	587	605	680	727	748	777	800	830	852	871	881	891	898	937	1082	1241

Растворимость

С переменным давлением CO ₂

Травертиновые отложения карбоната кальция из горячего источника

Карбонат кальция плохо растворим в чистой воде (47 мг/л при нормальном атмосферном парциальном давлении CO ₂ , как показано ниже).

Равновесие его раствора задается уравнением (с растворенным карбонатом кальция справа):

CaCO 3 ⇌ Ca 2+ + CO2− 3

К сп =3,7 × 10 -9 до8,7 × 10–9 при 25 °С

где произведение растворимости для [Ca ²⁺ ][ CO²⁻
₃] задается как где угодно из K _sp =от 3,7 × 10–9 до К ^уд ₌8,7 × ^10–9 при 25 °C, в зависимости от источника данных. Это уравнение означает, что произведение молярной концентрации ионов кальция ( молей растворенного Ca ²⁺ на литр раствора) на молярную концентрацию растворенного CO²⁻
₃не может превышать значения K _sp . Однако это, казалось бы, простое уравнение растворимости следует рассматривать вместе с более сложным уравнением равновесия углекислого газа с водой (см. Угольная кислота ). Некоторые из СО²⁻
₃соединяется с Н ⁺ в растворе по

ХСО− 3⇌ Н + + СО2− 3

К а2 =5,61 × 10–11 при 25 °С

ХСО⁻
₃известен как бикарбонат - ион. Гидрокарбонат кальция во много раз лучше растворим в воде, чем карбонат кальция, и существует только в растворе.

Некоторые из ОХО⁻
₃соединяется с Н ⁺ в растворе по

Н 2 СО 3 ⇌ Н + + НСО− 3

К а1 =2,5 × 10–4 при 25 °С

Часть H ₂ CO ₃ распадается на воду и растворенный углекислый газ в соответствии с

H 2 O + CO 2 ( водн .) ⇌ H 2 CO 3

К ч =1,70 × 10–3 при 25 °С

А растворенный углекислый газ находится в равновесии с атмосферным углекислым газом согласно

${\ displaystyle {\ frac {P_ {{\ ce {CO2}}}} {[{\ ce {CO2}}]}} \ = \ k_ {{\ ce {H}}}}$

где k H = 29,76 атм/(моль/л) при 25 °C ( постоянная Генри ), PCO 2 – парциальное давление CO 2 .

Для атмосферного воздуха PCO _{2 составляет} около3,5 × 10 ^-4 атмосферы (или эквивалентно 35  Па ). Последнее вышеприведенное уравнение фиксирует концентрацию растворенного CO ₂ как функцию P _{CO 2} , независимо от концентрации растворенного CaCO ₃ . При атмосферном парциальном давлении СО ₂ концентрация растворенного СО _{2 равна}1,2 × 10 ^-5 молей на литр. Уравнение перед этим фиксирует концентрацию H ₂ CO ₃ как функцию концентрации CO ₂ . Для [СО ₂ ] =1,2 × 10 ^-5 , это дает [H ₂ CO ₃ ] =2,0 × 10–8 ^молей на литр. Когда [H ₂ CO ₃ ] известен, оставшиеся три уравнения вместе с

Н 2 О ⇌ Н + + ОН -

К = 10-14 при 25 °С

(что верно для всех водных растворов), и тот факт, что раствор должен быть электрически нейтральным,

[Ca ²⁺ ] + 2  [H ⁺ ] = [ HCO⁻
₃] + [ СО²⁻
₃] + [ОН ^- ]

позволяют решить одновременно для оставшихся пяти неизвестных концентраций (обратите внимание, что приведенная выше форма уравнения нейтральности справедлива только в том случае, если карбонат кальция контактировал с чистой водой или с раствором с нейтральным рН; в случае, когда исходная вода рН растворителя не является нейтральным, уравнение модифицируется).

В соседней таблице показан результат для [Ca ²⁺ ] и [H ⁺ ] (в виде pH) в зависимости от парциального давления CO ₂ в окружающей среде ( K _sp =^{для расчета} было принято 4,47 × 10–9 ).

• При атмосферном уровне окружающего CO ₂ таблица показывает, что раствор будет слабощелочным с максимальной растворимостью CaCO ₃ 47 мг/л.
• Когда парциальное давление окружающего CO ₂ снижается ниже атмосферного уровня, раствор становится все более и более щелочным. При чрезвычайно низком РСО ₂ растворенный СО _{2 ,} бикарбонат-ион и карбонат-ион в значительной степени испаряются из раствора, оставляя сильнощелочной раствор гидроксида кальция , который более растворим, чем СаСО ₃ . Обратите внимание, что для PCO ₂ = 10 _-12  атм ^{продукт} [Ca ²⁺ ][OH ^- ] ² все еще ниже произведения растворимости Ca(OH) ₂ (8 × 10–6 ⁾ . При еще более низком давлении CO ₂ осаждение Ca(OH) ₂ будет происходить раньше, чем осаждение CaCO ₃ .
• Когда парциальное давление окружающего CO ₂ увеличивается до уровня выше атмосферного, pH падает, и большая часть карбонат-иона превращается в бикарбонат-ион, что приводит к более высокой растворимости Ca ²⁺ .

Влияние последнего особенно проявляется в повседневной жизни людей с жесткой водой. Вода в подземных водоносных горизонтах может подвергаться воздействию CO ₂ в гораздо более высоких концентрациях, чем в атмосфере. Когда такая вода просачивается через карбонатно-кальциевую породу, СаСО ₃ растворяется в соответствии со второй тенденцией. Когда та же вода течет из-под крана, со временем она приходит в равновесие с уровнем СО ₂ в воздухе, выделяя избыток СО ₂ . В результате карбонат кальция становится менее растворимым, а его избыток осаждается в виде известкового налета. Этот же процесс отвечает за образование сталактитов и сталагмитов в известняковых пещерах.

Две гидратированные фазы карбоната кальция, моногидрокальцит CaCO ₃ ·H ₂ O и икаит CaCO ₃ ·6H ₂ O, могут осаждаться из воды в условиях окружающей среды и сохраняться в виде метастабильных фаз.

С переменным pH, температурой и соленостью: образование отложений CaCO ₃ в плавательных бассейнах

В отличие от описанного выше сценария открытого равновесия, во многих плавательных бассейнах в качестве буфера добавляют бикарбонат натрия (NaHCO ₃ ) примерно до 2 мМ, а затем регулируют pH с помощью HCl, NaHSO ₄ , Na ₂ CO ₃ , NaOH или составы хлора, которые являются кислотными или основными. В этой ситуации растворенный неорганический углерод ( общий неорганический углерод ) далек от равновесия с атмосферным СО ₂ . Продвижение к равновесию за счет выделения CO ₂ замедляется

В этой ситуации константы диссоциации для гораздо более быстрых реакций

Н ₂ СО ₃ ⇌ Н ⁺ + НСО⁻
₃⇌ 2 Н ⁺ + СО²⁻
₃

позволяют прогнозировать концентрации каждого растворенного неорганического углерода в растворе на основе добавленной концентрации HCO⁻
₃(что составляет более 90% видов на участке Бьеррум с pH от 7 до pH 8 при 25 ° C в пресной воде). Добавление HCO⁻
₃увеличит CO²⁻
₃концентрация при любом рН. Преобразовывая приведенные выше уравнения, мы видим, что [Ca ²⁺ ] =К _сп/[ СО²⁻
₃], и [ СО²⁻
₃знак равноK _a2 [ HCO⁻
₃]/[Ч ⁺ ]. Поэтому, когда ХСО⁻
₃концентрация известна, максимальная концентрация ионов Ca ²⁺ перед масштабированием посредством осаждения CaCO ₃ может быть предсказана по формуле:

${\ displaystyle [{\ ce {Ca ^ 2+}}] _ {\ max} = {\ frac {K _ {\ mathrm {sp}}} {K _ {\ mathrm {a} 2}}} \ times {\ frac {[{\ce {H+}}]}{[{\ce {HCO3-}}]}}}$

Произведение растворимости для CaCO ₃ ( K _sp ) и константы диссоциации для растворенных неорганических форм углерода (включая K _a 2 ) существенно зависят от температуры и солености , в результате чего [Ca ²⁺ ] _max увеличивается от пресной воды к соленой. , и снижается с повышением температуры, pH или добавленного уровня бикарбоната, как показано на прилагаемых графиках.

Тенденции иллюстративны для управления пулом, но образование накипи также зависит от других факторов, включая взаимодействие с Mg ²⁺ , B(OH)⁻
₄и другие ионы в бассейне, а также эффекты перенасыщения. Образование накипи обычно наблюдается в электролитических генераторах хлора, где у поверхности катода высокий уровень pH, а отложение накипи еще больше повышает температуру. Это одна из причин, по которой некоторые операторы бассейнов предпочитают борат бикарбонату в качестве основного буфера pH и избегают использования химикатов для бассейнов, содержащих кальций.

Растворимость в сильном или слабом растворе кислоты

В продаже имеются растворы сильных ( HCl ), умеренно сильных ( сульфаминовая ) или слабых ( уксусная , лимонная , сорбиновая , молочная , фосфорная ) кислот. Они обычно используются в качестве средств для удаления накипи для удаления известковых отложений. Максимальное количество CaCO ₃ , которое может «раствориться» в одном литре кислого раствора, можно рассчитать, используя приведенные выше уравнения равновесия.

• В случае сильной монокислоты с уменьшением концентрации кислоты [A] = [A ⁻ ] получаем (при молярной массе CaCO _{3 = 100 г/моль):}

[А] (моль/л)	1	10 −1	10 −2	10 −3	10 −4	10 −5	10 −6	10 −7	10−10 _
Начальный рН	0,00	1,00	2.00	3.00	4.00	5.00	6.00	6,79	7.00
Конечный рН	6,75	7,25	7,75	8.14	8,25	8,26	8,26	8,26	8,27
Растворенный CaCO 3 (г/л кислоты)	50,0	5.00	0,514	0,0849	0,0504	0,0474	0,0471	0,0470	0,0470

где начальным состоянием является кислый раствор без Са ²⁺ (без учета возможного растворения СО ₂ ), а конечным состоянием является раствор с насыщенным Са ²⁺ . Для концентраций сильных кислот все частицы имеют незначительную концентрацию в конечном состоянии по отношению к Ca ²⁺ и A ^- , так что уравнение нейтральности сводится примерно к 2[Ca ²⁺ ] = [A ^- ], что дает [Ca ²⁺ ] ≈1/2[ А- ^] . Когда концентрация уменьшается, [ HCO⁻
₃] становится непренебрежимо малым, так что предыдущее выражение больше недействительно. Для исчезающих концентраций кислоты можно восстановить конечный pH и растворимость CaCO ₃ в чистой воде.

• В случае слабой монокислоты (здесь мы берем уксусную кислоту с p K _a = 4,76) при уменьшении общей концентрации кислоты [A] = [A ⁻ ] + [AH] получаем:

[А] (моль/л)	1	10 −1	10 −2	10 −3	10 −4	10 −5	10 −6	10 −7	10−10 _
Начальный рН	2,38	2,88	3,39	3,91	4,47	5.15	6.02	6,79	7.00
Конечный рН	6,75	7,25	7,75	8.14	8,25	8,26	8,26	8,26	8,27
Растворенный CaCO 3 (г/л кислоты)	49,5	4,99	0,513	0,0848	0,0504	0,0474	0,0471	0,0470	0,0470

При одинаковой общей концентрации кислоты начальный рН слабой кислоты менее кислый, чем рН сильной кислоты; однако максимальное количество CaCO ₃ , которое может быть растворено, примерно такое же. Это связано с тем, что в конечном состоянии pH больше, чем p K _a , так что слабая кислота почти полностью диссоциирует, давая в конце столько же ионов H ⁺ , сколько и сильная кислота, чтобы «растворить» карбонат кальция.

• Расчет в случае фосфорной кислоты (наиболее широко используемой в бытовых целях) более сложен, так как вместе с [ HCO⁻
  ₃], [ СО²⁻
  ₃], [Ca ²⁺ ], [H ⁺ ] и [OH ^- ]. Систему можно свести к уравнению седьмой степени относительно [H ⁺ ], численное решение которого дает

[А] (моль/л)	1	10 −1	10 −2	10 −3	10 −4	10 −5	10 −6	10 −7	10−10 _
Начальный рН	1,08	1,62	2,25	3,05	4.01	5.00	5,97	6,74	7.00
Конечный рН	6,71	7.17	7,63	8.06	8.24	8,26	8,26	8,26	8,27
Растворенный CaCO 3 (г/л кислоты)	62,0	7,39	0,874	0,123	0,0536	0,0477	0,0471	0,0471	0,0470

где [A] = [H ₃ PO ₄ ] + [ H
₂ПО⁻
₄] + [ ГПО²⁻
₄] + [ ПО³⁻
₄] – общая концентрация кислоты. Таким образом, фосфорная кислота более эффективна, чем монокислота, поскольку при конечном почти нейтральном pH вторая концентрация диссоциированного состояния [ HPO²⁻
₄] не является незначительным (см. фосфорная кислота ).

Смотрите также

Электронная микрофотография игольчатых кристаллов карбоната кальция, образовавшихся в виде известкового налета в чайнике.

Рекомендации

Внешние ссылки

• Международная карта химической безопасности 1193
• CID 516889 от PubChem
• Коды ATC : A02AC01 ( ВОЗ ) и A12AA04 ( ВОЗ )
• Британская ассоциация карбоната кальция - что такое карбонат кальция
• CDC - Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям - карбонат кальция