Carbonat de calciu -Calcium carbonate

Carbonat de calciu

Nume
nume IUPAC Carbonat de calciu
Alte nume Aragonit ; calcit ; creta ; var ; calcar ; marmură ; stridie ; perla
Identificatori
Numar CAS
Model 3D ( JSmol )
ChEBI
ChEMBL
ChemSpider
DrugBank
ECHA InfoCard	100.006.765
Număr CE
numărul E	E170 (culori)
KEGG
PubChem CID
Numărul RTECS
UNII
Tabloul de bord CompTox ( EPA )
InChI InChI=1S/CH2O3.Ca/c2-1(3)4;/h(H2,2,3,4);/q;+2/p-2 Y Cheie: VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L Y InChI=1/CH2O3.Ca/c2-1(3)4;/h(H2,2,3,4);/q;+2/p-2 Cheie: VTYYLEPIZMXCLO-NUQVWONBAS
ZÂMBETE [Ca+2].[O-]C([O-])=O C(=O)([O-])[O-].[Ca+2]
Proprietăți
Formula chimica	CaCO 3
Masă molară	100,0869 g/mol
Aspect	Pulbere fină albă; gust de creta
Miros	inodor
Densitate	2,711 g/cm 3 ( calcit ) 2,83 g/cm 3 ( aragonit )
Punct de topire	1.339 °C (2.442 °F; 1.612 K) (calcit) 825 °C (1.517 °F; 1.098 K) (aragonit)
Punct de fierbere	se descompune
Solubilitate in apa	0,013 g/L (25 °C)
Produs de solubilitate ( K sp )	3,3 × 10 −9
Solubilitate în acizi diluați	solubil
Aciditate ( p Ka )	9,0
Susceptibilitate magnetică (χ)	−3,82 × 10 −5  cm 3 /mol
Indicele de refracție ( n D )	1,59
Structura
Structură cristalină	Trigonală
Grup spațial	3 2/m
Termochimie
Entropia molară standard ( S o 298 )	93 J·mol −1 ·K −1
Entalpia de formare standard (Δ f H ⦵ 298 )	−1207 kJ·mol −1
Farmacologie
codul ATC	A02AC01 ( OMS ) A12AA04 ( OMS )
Pericole
NFPA 704 (diamant de foc)	0 0 0
Doza sau concentrația letală (LD, LC):
DL 50 ( doza medie )	6450 mg/kg (oral, șobolan)
NIOSH (limitele de expunere pentru sănătate din SUA):
PEL (permis)	TWA 15 mg/m 3 (total) TWA 5 mg/m 3 (resp)
Fișă cu date de securitate (SDS)	ICSC 1193
Compuși înrudiți
Alți anioni	Bicarbonat de calciu
Alți cationi	Carbonat de beriliu Carbonat de magneziu Carbonat de stronțiu Carbonat de bariu Carbonat de radiu
Compuși înrudiți	Sulfat de calciu
Cu excepția cazului în care se menționează altfel, datele sunt date pentru materialele în starea lor standard (la 25 °C [77 °F], 100 kPa). N verifica  ( ce este   ?) YN Referințe infobox

Structura cristalină a calcitului

Carbonatul de calciu este un compus chimic cu formula Ca CO ₃ . Este o substanță comună găsită în roci ca mineralele calcit și aragonit (mai ales ca calcar , care este un tip de rocă sedimentară constând în principal din calcit) și este componenta principală a cojilor de ouă , a cochiliilor de gasteropode , a scheletelor de crustacee și a perlelor . Carbonatul de calciu este ingredientul activ din varul agricol și este creat atunci când ionii de calciu din apa dură reacţionează cu ionii de carbonat pentru a crea calcar . Are uz medical ca supliment de calciu sau ca antiacid , dar consumul excesiv poate fi periculos și poate provoca hipercalcemie și probleme digestive.

Chimie

Carbonatul de calciu are proprietățile tipice ale altor carbonați . În special acesta

• reacționează cu acizii , eliberând dioxid de carbon (tehnic vorbind, acid carbonic , dar care se dezintegrează rapid în CO2 și _{H2O )} :

CaCO ₃ ( s ) + 2 H ⁺ ( aq ) → Ca ²⁺ ( aq ) + CO ₂ ( g ) + H ₂ O ( l )

• eliberează dioxid de carbon la încălzire, numită reacție de descompunere termică , sau calcinare (până la peste 840 °C în cazul CaCO ₃ ), pentru a forma oxid de calciu , numit în mod obișnuit var neted , cu entalpia de reacție 178 kJ/mol:

CaCO ₃ ( s ) → CaO ( s ) + CO ₂ ( g )

Carbonatul de calciu reacţionează cu apa care este saturată cu dioxid de carbon pentru a forma bicarbonatul de calciu solubil .

CaCO ₃ ( s ) + CO ₂ ( g ) + H ₂ O ( l ) → Ca(HCO ₃ ) ₂ ( ap )

Această reacție este importantă în eroziunea rocii carbonatice , formând caverne și duce la apă dură în multe regiuni.

O formă neobișnuită de carbonat de calciu este ikaitul hexahidrat , CaCO ₃ ·6H ₂ O. Ikaitul este stabil doar sub 8 °C.

Pregătirea

Marea majoritate a carbonatului de calciu folosit în industrie este extras prin exploatare sau exploatare în carieră. Carbonatul de calciu pur (cum ar fi pentru uz alimentar sau farmaceutic), poate fi produs dintr-o sursă pură de carieră (de obicei, marmură ).

Alternativ, carbonatul de calciu este preparat din oxid de calciu . Se adaugă apă pentru a da hidroxid de calciu, apoi dioxidul de carbon este trecut prin această soluție pentru a precipita carbonatul de calciu dorit, denumit în industrie carbonat de calciu precipitat (PCC):

CaO + _H2O → Ca(OH) ₂

Ca(OH) ₂ + CO ₂ → CaCO ₃ ↓ + H ₂ O

Structura

Forma stabilă termodinamic a CaCO ₃ în condiții normale este β-CaCO ₃ hexagonală (mineral calcitul ). Se pot prepara și alte forme, mai dens (2,83 g/cm ³ ) λ-CaCO ₃ ortorombic ( aragonitul mineral ) și μ-CaCO ₃ hexagonal , care apar ca vaterit mineral . Forma de aragonit poate fi preparată prin precipitare la temperaturi peste 85 °C; forma vaterită poate fi preparată prin precipitare la 60 °C. Calcitul conține atomi de calciu coordonați de șase atomi de oxigen; în aragonit ele sunt coordonate de nouă atomi de oxigen. Structura vateritei nu este pe deplin înțeleasă. Carbonatul de magneziu (MgCO ₃ ) are structura de calcit, în timp ce carbonatul de stronțiu și carbonatul de bariu (SrCO ₃ și BaCO ₃ ) adoptă structura de aragonit, reflectând razele lor ionice mai mari .

Apariția

Calcitul este cel mai stabil polimorf al carbonatului de calciu. Este transparent până la opac. O varietate transparentă numită Iceland Spa (arată aici) a fost folosită pentru a crea lumină polarizată în secolul al XIX-lea.

Surse geologice

Calcitul , aragonitul și vateritul sunt minerale pure de carbonat de calciu. Roci sursă importante din punct de vedere industrial, care sunt predominant carbonat de calciu, includ calcarul , creta , marmura și travertinul .

Surse biologice

Bucăți de carbonat de calciu din clapetă

Coji de ouă , coji de melc și majoritatea scoicilor sunt predominant carbonat de calciu și pot fi folosite ca surse industriale ale acelei substanțe chimice. Cojile de stridii s-au bucurat recent de recunoașterea ca sursă de calciu alimentar, dar sunt și o sursă industrială practică. Legumele de culoare verde închis, cum ar fi broccoli și kale , conțin cantități semnificative de carbonat de calciu din punct de vedere dietetic, dar nu sunt practice ca sursă industrială.

Extraterestru

Dincolo de Pământ, dovezi puternice sugerează prezența carbonatului de calciu pe Marte . Au fost detectate semne de carbonat de calciu în mai mult de o locație (în special la craterele Gusev și Huygens ). Acest lucru oferă unele dovezi pentru prezența trecută a apei lichide.

Geologie

Precipitații de suprafață de CaCO ₃ sub formă de tuf în Rubaksa , Etiopia

Carbonatul se găsește frecvent în medii geologice și constituie un rezervor enorm de carbon . Carbonatul de calciu apare sub formă de aragonit , calcit și dolomit ca constituenți semnificativi ai ciclului calciului . Mineralele carbonatice formează tipurile de roci: calcar , cretă , marmură , travertin , tuf și altele.

Tufa la Huanglong , Sichuan

În apele tropicale calde, limpezi, coralii sunt mai abundenți decât spre poli, unde apele sunt reci. Contributorii de carbonat de calciu, inclusiv planctonul (cum ar fi cocoliții și foraminiferele planctice ), algele coraline , bureții , brahiopodele , echinodermele , briozoarele și moluștele , se găsesc în mod obișnuit în mediile de apă puțin adâncă, unde lumina soarelui și alimentele filtrabile sunt mai abundente. Carbonații de apă rece există într-adevăr la latitudini mai mari, dar au o rată de creștere foarte lentă. Procesele de calcificare sunt modificate de acidificarea oceanelor .

Acolo unde crusta oceanică este subdusă sub o placă continentală, sedimentele vor fi transportate în zone mai calde din astenosferă și litosferă . În aceste condiții, carbonatul de calciu se descompune pentru a produce dioxid de carbon care, împreună cu alte gaze, dau naștere la erupții vulcanice explozive .

Adâncimea de compensare a carbonatului

Adâncimea de compensare a carbonatului (CCD) este punctul din ocean în care rata de precipitare a carbonatului de calciu este echilibrată de rata de dizolvare din cauza condițiilor prezente. În adâncul oceanului, temperatura scade și presiunea crește. Carbonatul de calciu este neobișnuit prin faptul că solubilitatea sa crește odată cu scăderea temperaturii. Creșterea presiunii crește, de asemenea, solubilitatea carbonatului de calciu. Adâncimea de compensare a carbonatului poate varia de la 4.000 la 6.000 de metri sub nivelul mării.

Rol în tafonomie

Carbonatul de calciu poate conserva fosilele prin permineralizare . Cele mai multe dintre fosilele de vertebrate din Formația Two Medicine - o formațiune geologică cunoscută pentru ouăle sale de dinozaur cu cioc de rață - sunt conservate prin permineralizarea CaCO ₃ . Acest tip de conservare păstrează niveluri ridicate de detaliu, chiar și la nivel microscopic. Cu toate acestea, lasă și exemplarele vulnerabile la intemperii atunci când sunt expuse la suprafață.

Se credea odată că populațiile de trilobiți au compus cea mai mare parte a vieții acvatice în timpul Cambrianului , datorită faptului că cochiliile lor bogate în carbonat de calciu erau mai ușor de conservat decât cele ale altor specii, care aveau cochilii pur chitinoase .

Utilizări

Constructie

Principala utilizare a carbonatului de calciu este în industria construcțiilor, fie ca material de construcție, fie ca agregat de calcar pentru construcția drumurilor, ca ingredient al cimentului , fie ca materie primă pentru prepararea varului de constructii prin ardere în cuptor . Cu toate acestea, din cauza intemperiilor cauzate în principal de ploaia acide , carbonatul de calciu (sub formă de calcar) nu mai este utilizat în scopuri de construcție singur, ci doar ca substanță primară pentru materialele de construcție.

Carbonatul de calciu este, de asemenea, utilizat în purificarea fierului din minereul de fier într-un furnal . Carbonatul este calcinat in situ pentru a da oxid de calciu , care formează o zgură cu diverse impurități prezente și se separă de fierul purificat.

În industria petrolului , carbonatul de calciu este adăugat fluidelor de foraj ca agent de etanșare a formațiunilor și a turtei de filtrare; este, de asemenea, un material de cântărire care mărește densitatea fluidelor de foraj pentru a controla presiunea în fund. Carbonatul de calciu este adăugat în piscine , ca corector de pH pentru menținerea alcalinității și compensarea proprietăților acide ale agentului dezinfectant .

De asemenea, este folosit ca materie primă în rafinarea zahărului din sfecla de zahăr ; se calcinează într-un cuptor cu antracit pentru a produce oxid de calciu și dioxid de carbon. Acest var ars este apoi stins în apă dulce pentru a produce o suspensie de hidroxid de calciu pentru precipitarea impurităților din sucul brut în timpul carbonatării .

Carbonatul de calciu sub formă de cretă a fost în mod tradițional o componentă majoră a cretei pentru tablă . Cu toate acestea, creta fabricată modern este în cea mai mare parte gips , sulfat de calciu hidratat CaSO ₄ · 2H ₂ O. Carbonatul de calciu este o sursă principală de creștere a biorocii . Carbonatul de calciu precipitat (PCC), pre-dispersat sub formă de suspensie , este un material de umplutură obișnuit pentru mănușile din latex , cu scopul de a obține economii maxime de material și costuri de producție.

Carbonatul de calciu măcinat fin (GCC) este un ingredient esențial în filmul microporos utilizat în scutece și în unele filme de construcție, deoarece porii sunt nucleați în jurul particulelor de carbonat de calciu în timpul fabricării filmului prin întindere biaxială. GCC și PCC sunt folosite ca umplutură în hârtie deoarece sunt mai ieftine decât fibra de lemn . În ceea ce privește volumul pieței, GCC sunt cele mai importante tipuri de umpluturi utilizate în prezent. Hârtia de imprimat și de scris poate conține 10–20% carbonat de calciu. În America de Nord, carbonatul de calciu a început să înlocuiască caolinul în producția de hârtie lucioasă . Europa practică acest lucru ca fabricare alcalină a hârtiei sau fabricarea hârtiei fără acid de câteva decenii. PCC utilizat pentru umplerea hârtiei și acoperirea hârtiei este precipitat și preparat într-o varietate de forme și dimensiuni având distribuții caracteristice înguste ale dimensiunilor particulelor și diametre sferice echivalente de 0,4 până la 3 micrometri.

Carbonatul de calciu este utilizat pe scară largă ca extintor în vopsele , în special vopseaua în emulsie mată , unde de obicei 30% din greutatea vopselei este fie cretă, fie marmură. Este, de asemenea, un material de umplutură popular în materiale plastice. Unele exemple tipice includ aproximativ 15 până la 20% încărcare de cretă în conductele de scurgere neplastifiate de clorură de polivinil (uPVC) , încărcare de 5% până la 15% de cretă acoperită cu stearat sau marmură în profilul ferestrei din PVC. Cablurile din PVC pot folosi carbonat de calciu la încărcări de până la 70 phr (părți la suta de părți de rășină) pentru a îmbunătăți proprietățile mecanice (rezistență la tracțiune și alungire) și proprietățile electrice (rezistivitate în volum). Compușii de polipropilenă sunt adesea umpluți cu carbonat de calciu pentru a crește rigiditatea, o cerință care devine importantă la temperaturi ridicate de utilizare. Aici procentul este adesea de 20–40%. De asemenea, este folosit în mod obișnuit ca umplutură în rășinile termorigide (compuși de turnare în foaie și în vrac) și a fost, de asemenea, amestecat cu ABS și alte ingrediente, pentru a forma unele tipuri de jetoane de poker "de argilă" turnate prin compresie . Carbonatul de calciu precipitat, obținut prin picurarea oxidului de calciu în apă, este folosit singur sau cu aditivi ca vopsea albă, cunoscută sub numele de văruire .

Carbonatul de calciu este adăugat într-o gamă largă de produse comerciale și adezivi, etanșanți și materiale de umplutură pentru decorare . Adezivii pentru plăci ceramice conțin de obicei 70% până la 80% calcar. Umpluturi pentru fisuri pentru decorare conțin niveluri similare de marmură sau dolomit. Este, de asemenea, amestecat cu chit în vitraliile de fixare și ca rezistență pentru a preveni lipirea sticlei de rafturile cuptorului la arderea glazurilor și a vopselelor la temperatură ridicată.

În aplicațiile de glazură ceramică , carbonatul de calciu este cunoscut sub denumirea de merlan și este un ingredient comun pentru multe glazuri în forma sa de pudră albă. Când o glazură care conține acest material este ars într-un cuptor, merlanul acționează ca un material de flux în glazură. Carbonatul de calciu măcinat este un abraziv (atât ca praf de curățat, cât și ca ingredient al cremelor de curățat de uz casnic), în special în forma sa de calcit, care are un nivel de duritate relativ scăzut de 3 pe scara Mohs și, prin urmare, nu va zgâria sticla și majoritatea alte ceramice , smalț , bronz , fier și oțel și au un efect moderat asupra metalelor mai moi precum aluminiul și cuprul . O pastă făcută din carbonat de calciu și apă deionizată poate fi folosită pentru a curăța pătarea argintului .

Sănătate și dietă

Suplimente de calciu de 500 de miligrame din carbonat de calciu

Carbonatul de calciu este utilizat pe scară largă medicinal ca supliment alimentar de calciu ieftin pentru antiacid gastric (cum ar fi Tums și Eno ). Poate fi utilizat ca liant de fosfat pentru tratamentul hiperfosfatemiei (în primul rând la pacienții cu insuficiență renală cronică ). Este folosit în industria farmaceutică ca umplutură inert pentru tablete și alte produse farmaceutice .

Carbonatul de calciu este utilizat în producția de oxid de calciu, precum și a pastei de dinți și a cunoscut o reapariție ca conservant alimentar și menținător de culoare, atunci când este utilizat în sau cu produse precum merele organice.

Carbonatul de calciu este utilizat terapeutic ca liant de fosfați la pacienții aflați în hemodializă de întreținere . Este cea mai comună formă de liant de fosfat prescris, în special în boala renală cronică fără dializă. Carbonatul de calciu este cel mai frecvent utilizat lianți de fosfat, dar clinicienii prescriu din ce în ce mai mult lianți de fosfat mai scumpi, fără calciu, în special sevelamer .

Excesul de calciu din suplimente, alimente fortificate și diete bogate în calciu poate provoca sindromul laptelui-alcalin , care are toxicitate gravă și poate fi fatal. În 1915, Bertram Sippy a introdus „regimul Sippy” de ingerare orară de lapte și smântână și adăugarea treptată de ouă și cereale fierte, timp de 10 zile, combinate cu pulberi alcaline, care asigurau ameliorarea simptomatică a bolii ulcerului peptic. În următoarele decenii, regimul Sippy a dus la insuficiență renală , alcaloză și hipercalcemie , mai ales la bărbații cu ulcer peptic. Aceste efecte adverse au fost inversate la oprirea regimului, dar au fost fatale la unii pacienți cu vărsături prelungite. Sindromul laptelui-alcali a scăzut la bărbați după ce au apărut tratamente eficiente pentru boala ulcerului peptic . Începând cu anii 1990, a fost raportat cel mai frecvent la femeile care iau suplimente de calciu peste intervalul recomandat de 1,2 până la 1,5 grame pe zi, pentru prevenirea și tratamentul osteoporozei și este exacerbată de deshidratare . Calciul a fost adăugat la produsele fără prescripție medicală, ceea ce contribuie la aportul excesiv involuntar. Aportul excesiv de calciu poate duce la hipercalcemie, a cărei complicații includ vărsături, dureri abdominale și stare mentală alterată.

Ca aditiv alimentar este desemnat E170 și are un număr INS de 170. Folosit ca regulator de aciditate , agent antiaglomerant , stabilizator sau colorant , este aprobat pentru utilizare în UE, SUA și Australia și Noua Zeelandă . Este „adăugat prin lege la toată făina măcinată din Regatul Unit, cu excepția făinii integrale”. Este folosit în unele lapte de soia și produse din lapte de migdale ca sursă de calciu alimentar; cel puțin un studiu sugerează că carbonatul de calciu ar putea fi la fel de biodisponibil ca și calciul din laptele de vacă . Carbonatul de calciu este, de asemenea, folosit ca agent de fermitate în multe produse vegetale conservate și îmbuteliate.

S-a documentat că mai multe formulări de suplimente de calciu conțin elementul chimic plumb , ceea ce reprezintă o problemă de sănătate publică . Plumbul se găsește în mod obișnuit în sursele naturale de calciu.

Agricultura si acvacultura

Varul agricol , creta sau calcarul sub formă de pulbere, este folosit ca metodă ieftină de neutralizare a solului acid , făcându-l potrivit pentru plantare, folosit și în industria de acvacultură pentru reglarea pH-ului solului din iaz înainte de inițierea culturii.

Curatenie menajera

Carbonatul de calciu este un ingredient cheie în multe pulberi de curățare de uz casnic, cum ar fi Comet și este folosit ca agent de curățare.

Reducerea poluării

În 1989, un cercetător, Ken Simmons, a introdus CaCO ₃ în Whetstone Brook din Massachusetts . Speranța lui era ca carbonatul de calciu să contracareze acidul din flux de la ploaia acide și să salveze păstrăvul care încetase să depună icre. Deși experimentul său a fost un succes, a crescut cantitatea de ioni de aluminiu din zona pârâului care nu a fost tratată cu calcar. Acest lucru arată că CaCO ₃ poate fi adăugat pentru a neutraliza efectele ploii acide în ecosistemele fluviale . În prezent, carbonatul de calciu este folosit pentru a neutraliza condițiile acide atât în ​​sol, cât și în apă. Începând cu anii 1970, astfel de varare a fost practicată pe scară largă în Suedia pentru a atenua acidificarea și câteva mii de lacuri și pâraie sunt varizate în mod repetat.

Carbonatul de calciu este, de asemenea, utilizat în aplicațiile de desulfurare a gazelor de ardere , eliminând emisiile dăunătoare de SO ₂ și NO ₂ din cărbune și alți combustibili fosili arse în centralele mari cu combustibili fosili.

Echilibrul de calcinare

Calcinarea calcarului cu ajutorul focurilor de cărbune pentru a produce var nestins a fost practicată încă din antichitate de culturile din întreaga lume. Temperatura la care calcarul dă oxid de calciu este de obicei dată ca 825 °C, dar stabilirea unui prag absolut este înșelătoare. Carbonatul de calciu există în echilibru cu oxidul de calciu și dioxidul de carbon la orice temperatură. La fiecare temperatură există o presiune parțială a dioxidului de carbon care este în echilibru cu carbonatul de calciu. La temperatura camerei, echilibrul favorizează în mod covârșitor carbonatul de calciu, deoarece presiunea de echilibru a CO2 _este doar o mică parte din presiunea parțială a CO2 în aer, care este _de aproximativ 0,035 kPa.

_{La temperaturi peste 550 ° C , presiunea de} echilibru a CO2 începe să depășească presiunea CO2 în aer. Deci peste 550 °C, carbonatul de calciu începe să elibereze CO ₂ în aer. Cu toate acestea, într-un cuptor cu cărbune, concentrația de CO ₂ va fi mult mai mare decât este în aer. Într-adevăr, dacă tot oxigenul din cuptor este consumat în foc, atunci presiunea parțială a CO ₂ în cuptor poate fi de până la 20 kPa.

Tabelul arată că această presiune parțială nu este atinsă până când temperatura este de aproape 800 °C. Pentru ca degajarea CO2 din carbonatul _de calciu să aibă loc la o rată utilă din punct de vedere economic, presiunea de echilibru trebuie să depășească semnificativ presiunea ambientală a CO2 _. Și pentru ca aceasta să se întâmple rapid, presiunea de echilibru trebuie să depășească presiunea atmosferică totală de 101 kPa, ceea ce se întâmplă la 898 °C.

Presiunea de echilibru a CO2 peste CaC03 ₍ P ) în funcţie de temperatură ( _T ) .

P (kPa)	0,055	0,13	0,31	1,80	5.9	9.3	14	24	34	51	72	80	91	101	179	901	3961
T (°C)	550	587	605	680	727	748	777	800	830	852	871	881	891	898	937	1082	1241

Solubilitate

Cu presiune variabilă de CO ₂

Depuneri de carbonat de calciu travertin dintr-un izvor termal

Carbonatul de calciu este slab solubil în apă pură (47 mg/L la presiunea parțială a CO2 atmosferică normală, _așa cum se arată mai jos).

Echilibrul soluției sale este dat de ecuația (cu carbonat de calciu dizolvat în dreapta):

CaCO 3 ⇌ Ca 2+ + CO2− 3

K sp =3,7 × 10 −9 la8,7 × 10 −9 la 25 °C

unde produsul de solubilitate pentru [Ca ²⁺ ][ CO²⁻
₃] este dat ca oriunde din K _sp =3,7 × 10 ⁻⁹ la K _sp =8,7 × 10 ^-9 la 25 °C, în funcție de sursa de date. Ceea ce înseamnă ecuația este că produsul dintre concentrația molară a ionilor de calciu ( moli de Ca ²⁺ dizolvat per litru de soluție) cu concentrația molară de CO dizolvat²⁻
₃nu poate depăși valoarea lui K _sp . Această ecuație de solubilitate aparent simplă, totuși, trebuie luată împreună cu echilibrul mai complicat al dioxidului de carbon cu apa (vezi acidul carbonic ). Unii dintre CO²⁻
₃se combină cu H ⁺ în soluţie conform

HCO− 3⇌ H ++ CO2− 3

K a2 =5,61 × 10 −11 la 25 °C

HCO⁻
₃este cunoscut sub numele de ion bicarbonat . Bicarbonatul de calciu este de multe ori mai solubil în apă decât carbonatul de calciu - într-adevăr, există doar în soluție.

Unele dintre HCO⁻
₃se combină cu H ⁺ în soluţie conform

H 2 CO 3 ⇌ H ++ HCO− 3

K a1 =2,5 × 10 −4 la 25 °C

O parte din _H2CO3 se descompune în apă și dioxid _de carbon dizolvat conform

H 2 O + CO 2 ( ap ) ⇌ H 2 CO 3

K h =1,70 × 10 −3 la 25 °C

Și dioxidul de carbon dizolvat este în echilibru cu dioxidul de carbon atmosferic conform

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

unde k H = 29,76 atm/(mol/L) la 25 °C ( constanta Henry ), PCO2 fiind presiunea parțială a CO2 .

Pentru aerul ambiant, P _{CO 2} este în jur3,5 × 10 ⁻⁴ atmosfere (sau echivalent 35  Pa ). Ultima ecuație de mai sus fixează concentrația de CO ₂ dizolvat în funcție de P _{CO 2} , independent de concentrația de CaCO ₃ dizolvat . La presiunea parțială atmosferică a CO2 , concentrația _{de CO2} dizolvat este1,2 × 10 ⁻⁵ moli pe litru. Ecuația anterioară fixează concentrația de H ₂ CO ₃ în funcție de concentrația de CO ₂ . Pentru [CO2 ] ₌1,2 × 10 ⁻⁵ , rezultă [H ₂ CO ₃ ] =2,0 × 10 ⁻⁸ moli pe litru. Când [H ₂ CO ₃ ] este cunoscut, celelalte trei ecuații împreună cu

H 2 O ⇌ H + + OH −

K = 10 −14 la 25 °C

(ceea ce este valabil pentru toate soluțiile apoase) și faptul că soluția trebuie să fie neutră din punct de vedere electric,

[Ca2 ⁺ ] + 2  [H ⁺ ] = [ HCO⁻
₃] + [ CO²⁻
₃] + [OH ⁻ ]

fac posibilă rezolvarea simultană a celor cinci concentrații necunoscute rămase (rețineți că forma de mai sus a ecuației de neutralitate este valabilă numai dacă carbonatul de calciu a fost pus în contact cu apă pură sau cu o soluție cu pH neutru; în cazul în care apa inițială pH-ul solventului nu este neutru, ecuația este modificată).

Tabelul alăturat arată rezultatul pentru [Ca ²⁺ ] și [H ⁺ ] (sub formă de pH) în funcție de presiunea parțială a CO ₂ ambientală ( K _sp =4,47 × 10 ⁻⁹ a fost luat pentru calcul).

• La nivelurile atmosferice de CO ₂ ambiental , tabelul indică faptul că soluția va fi ușor alcalină, cu o solubilitate maximă de CaCO ₃ de 47 mg/L.
• Pe măsură ce presiunea parțială a CO2 ambientală este redusă sub nivelul atmosferic, soluția devine din ce în ce mai alcalină _. La PCO2 extrem de scăzut _{, CO2} dizolvat , _ionul bicarbonat și ionul carbonat se evaporă în mare măsură din soluție, lăsând o soluție foarte alcalină de hidroxid de calciu , care este mai solubilă decât CaCO3 _. Rețineți că pentru P _{CO 2} = 10 ⁻¹²  atm, produsul [Ca ²⁺ ][OH ⁻ ] ² este încă sub produsul de solubilitate al Ca(OH) ₂ (8 × 10 ⁻⁶ ). Pentru o presiune încă mai mică a CO2 , precipitarea Ca(OH) _{2 va avea loc înainte de} precipitarea CaCO3 _.
• Pe măsură ce presiunea parțială a CO2 ambientală crește la niveluri peste nivelul atmosferic, pH _- ul scade și o mare parte din ionul de carbonat este transformat în ion de bicarbonat, ceea ce are ca rezultat o solubilitate mai mare a Ca2 ⁺ .

Efectul acestuia din urmă este evident mai ales în viața de zi cu zi a persoanelor care au apă dură. Apa din acviferele subterane poate fi expusă la niveluri de CO ₂ mult mai mari decât cele atmosferice. Pe măsură ce o astfel de apă se perculează prin roca carbonatată de calciu, CaCO ₃ se dizolvă conform celei de-a doua tendințe. Atunci când aceeași apă iese din robinet, în timp ea ajunge în echilibru cu nivelurile de CO ₂ din aer prin degazarea excesului de CO ₂ . Ca rezultat, carbonatul de calciu devine mai puțin solubil, iar excesul precipită sub formă de calcar. Același proces este responsabil pentru formarea stalactitelor și stalagmitelor în peșterile de calcar.

Două faze hidratate de carbonat de calciu, monohidrocalcit CaCO ₃ · H ₂ O și ikaite CaCO ₃ · 6H ₂ O, pot precipita din apă în condiții ambientale și persistă ca faze metastabile.

Cu pH, temperatură și salinitate variate: detartraj de CaCO ₃ în piscine

Spre deosebire de scenariul de echilibru deschis de mai sus, multe piscine sunt gestionate prin adăugarea de bicarbonat de sodiu (NaHCO ₃ ) la aproximativ 2 mM ca tampon, apoi controlul pH-ului prin utilizarea HCl, NaHSO ₄ , Na ₂ CO ₃ , NaOH sau formulări de clor care sunt acide sau bazice. În această situație, carbonul anorganic dizolvat (carbon anorganic total ) este departe de echilibrul cu CO ₂ atmosferic . Progresul către echilibru prin degajarea CO2 este încetinit _de

În această situație, constantele de disociere pentru reacțiile mult mai rapide

H ₂ CO ₃ ⇌ H ⁺⁺ HCO⁻
₃⇌ 2 H ⁺⁺ CO²⁻
₃

permit predicția concentrațiilor fiecărei specii de carbon anorganic dizolvat în soluție, din concentrația adăugată de HCO⁻
₃(care constituie mai mult de 90% din speciile parcelare Bjerrum de la pH 7 până la pH 8 la 25 °C în apă dulce). Adăugarea de HCO⁻
₃va crește CO²⁻
₃concentrație la orice pH. Reordonând ecuațiile date mai sus, putem vedea că [Ca ²⁺ ] =K _sp/[ CO²⁻
₃], și [ CO²⁻
₃] =K _a2 [ HCO⁻
₃]/[H ⁺ ]. Prin urmare, atunci când HCO⁻
₃concentrația este cunoscută, concentrația maximă de ioni de Ca ²⁺ înainte de scalare prin precipitarea CaCO ₃ poate fi prezisă din formula:

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

Produsul de solubilitate pentru CaCO ₃ ( K _sp ) și constantele de disociere pentru speciile de carbon anorganic dizolvat (inclusiv _Ka2 ) sunt toate substanțial afectate de temperatură și salinitate , cu efectul general că [Ca ²⁺ ] _max crește de la apă dulce la apă sărată. , și scade odată cu creșterea temperaturii, pH-ului sau a nivelului de bicarbonat adăugat, așa cum este ilustrat în graficele însoțitoare.

Tendințele sunt ilustrative pentru managementul piscinei, dar dacă se produce scalarea depinde și de alți factori, inclusiv de interacțiunile cu Mg2 ⁺ , B(OH)⁻
₄și alți ioni din piscină, precum și efecte de suprasaturare. Scalare este observată în mod obișnuit la generatoarele electrolitice de clor, unde există un pH ridicat lângă suprafața catodului și depunerea de calcar crește și mai mult temperatura. Acesta este unul dintre motivele pentru care unii operatori de piscine preferă boratul în locul bicarbonatului ca tampon principal de pH și evită utilizarea substanțelor chimice pentru piscine care conțin calciu.

Solubilitate într-o soluție acidă puternică sau slabă

Soluțiile de acizi tari ( HCl ), moderat puternic ( sulfamic ) sau slabi ( acetic , citric , sorbic , lactic , fosforic ) sunt disponibile în comerț. Sunt utilizate în mod obișnuit ca agenți de detartrare pentru îndepărtarea depunerilor de calcar . Cantitatea maximă de CaCO3 _care poate fi „dizolvată” cu un litru de soluție acidă poate fi calculată folosind ecuațiile de echilibru de mai sus.

• În cazul unui monoacid puternic cu concentrație de acid în scădere [A] = [A ⁻ ], se obține (cu masa molară CaCO ₃ = 100 g/mol):

[A] (mol/L)	1	10 −1	10 −2	10 −3	10 −4	10 −5	10 −6	10 −7	10 −10
pH inițial	0,00	1.00	2.00	3.00	4.00	5.00	6.00	6,79	7.00
pH final	6,75	7.25	7,75	8.14	8.25	8.26	8.26	8.26	8.27
CaCO3 dizolvat (g / L de acid)	50,0	5.00	0,514	0,0849	0,0504	0,0474	0,0471	0,0470	0,0470

unde starea inițială este soluția acidă fără Ca ²⁺ (neținând cont de posibila dizolvare a CO ₂ ) iar starea finală este soluția cu Ca ²⁺ saturat . Pentru concentrații de acid puternic, toate speciile au o concentrație neglijabilă în starea finală în raport cu Ca ²⁺ și A ⁻ astfel încât ecuația de neutralitate se reduce aproximativ la 2[Ca ²⁺ ] = [A ⁻ ] rezultând [Ca ²⁺ ] ≈1/2[A ^- ] . Când concentrația scade, [ HCO⁻
₃] devine neneglijabilă, astfel încât expresia precedentă nu mai este valabilă. Pentru concentrațiile de acid care dispar, se pot recupera pH-ul final și solubilitatea CaCO ₃ în apă pură.

• În cazul unui monoacid slab (aici luăm acid acetic cu _p Ka = 4,76) cu concentrația totală de acid descrescătoare [A] = [A ⁻ ] + [AH] , obținem:

[A] (mol/L)	1	10 −1	10 −2	10 −3	10 −4	10 −5	10 −6	10 −7	10 −10
pH inițial	2.38	2,88	3.39	3,91	4,47	5.15	6.02	6,79	7.00
pH final	6,75	7.25	7,75	8.14	8.25	8.26	8.26	8.26	8.27
CaCO3 dizolvat (g / L de acid)	49,5	4,99	0,513	0,0848	0,0504	0,0474	0,0471	0,0470	0,0470

Pentru aceeași concentrație totală de acid, pH-ul inițial al acidului slab este mai puțin acid decât cel al acidului tare; totuși, cantitatea maximă de CaC03 _care poate fi dizolvată este aproximativ aceeași. Acest lucru se datorează faptului că în starea finală, pH-ul este mai mare decât p Ka , astfel _încât acidul slab este aproape complet disociat, producând în final tot atâtea ioni H ⁺ cât acidul tare pentru a „dizolva” carbonatul de calciu.

• Calculul în cazul acidului fosforic (care este cel mai utilizat pentru aplicații domestice) este mai complicat deoarece concentrațiile celor patru stări de disociere corespunzătoare acestui acid trebuie calculate împreună cu [ HCO⁻
  ₃], [ CO²⁻
  ₃], [Ca ²⁺ ], [H ⁺ ] și [OH ⁻ ]. Sistemul poate fi redus la o ecuație de gradul șapte pentru [H ⁺ ] a cărei soluție numerică dă

[A] (mol/L)	1	10 −1	10 −2	10 −3	10 −4	10 −5	10 −6	10 −7	10 −10
pH inițial	1.08	1,62	2.25	3.05	4.01	5.00	5,97	6,74	7.00
pH final	6,71	7.17	7,63	8.06	8.24	8.26	8.26	8.26	8.27
CaCO3 dizolvat (g / L de acid)	62,0	7.39	0,874	0,123	0,0536	0,0477	0,0471	0,0471	0,0470

unde [A] = [ _H3PO4 ] ₊ [ H
₂PO⁻
₄] + [ HPO²⁻
₄] + [ PO³⁻
₄] este concentrația totală de acid. Astfel, acidul fosforic este mai eficient decât un monoacid, deoarece la pH-ul final aproape neutru, concentrația de a doua stare disociată [ HPO²⁻
₄] nu este de neglijat (vezi acid fosforic ).

Vezi si

Micrografie electronică a cristalelor de carbonat de calciu asemănătoare unui ac formate ca calcar într-un ibric

Referințe

linkuri externe

• Card internațional de securitate chimică 1193
• CID 516889 de la PubChem
• Coduri ATC : A02AC01 ( OMS ) și A12AA04 ( OMS )
• Asociația Britanică a Carbonatului de Calciu – Ce este carbonatul de calciu
• CDC – NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards – Carbonat de calciu