Węglan wapnia

Węglan wapnia

Nazwy
nazwa IUPAC Węglan wapnia
Inne nazwy aragonit ; kalcyt ; kreda ; wapno ; wapień ; marmur ; ostryga ; Perła
Identyfikatory
Numer CAS	471-34-1   Y
Model 3D ( JSmol )	Interaktywny obraz Interaktywny obraz
CHEBI	CHEBI:3311   Y
CHEMBL	ChEMBL1200539   N
ChemSpider	9708   Y
Bank Leków	DB06724
Karta informacyjna ECHA	100.006.765
Numer WE	207-439-9
Numer E	E170 (kolory)
KEGG	D00932   Y
Identyfikator klienta PubChem	10112
Numer RTECS	FF9335000
UNII	H0G9379FGK   Y
Pulpit nawigacyjny CompTox ( EPA )	DTXSID3036238
InChI InChI=1S/CH2O3.Ca/c2-1(3)4;/h(H2,2,3,4);/q;+2/p-2   Y Klucz: VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L   Y InChI=1/CH2O3.Ca/c2-1(3)4;/h(H2,2,3,4);/q;+2/p-2 Klucz: VTYYLEPIZMXCLO-NUQVWONBAS
UŚMIECH [Ca+2].[O-]C([O-])=O C(=O)([O-])[O-].[Ca+2]
Nieruchomości
Wzór chemiczny	CaCO 3
Masa cząsteczkowa	100,0869 g/mol
Wygląd	Drobny biały proszek; kredowy smak
Zapach	bezwonny
Gęstość	2,711 g/cm 3 ( kalcyt ) 2,83 g/cm 3 ( aragonit )
Temperatura topnienia	1339 ° C (2442 ° F; 1612 K) (kalcyt) 825 ° C (1517 ° F; 1098 K) (aragonit)
Temperatura wrzenia	rozkłada się
Rozpuszczalność w wodzie	0,013 g/L (25°C)
Produkt rozpuszczalności ( K sp )	3,3 × 10-9 _
Rozpuszczalność w rozcieńczonych kwasach	rozpuszczalny
Kwasowość ( p Ka )	9.0
Podatność magnetyczna (χ)	−3,82 × 10 −5 cm3 / mol
Współczynnik załamania światła ( n D )	1,59
Struktura
Struktura krystaliczna	Trójkątny
Grupa kosmiczna	3 2/m
Termochemia
Standardowa entropia molowa ( S ⦵ 298 )	93 J · mol -1 · K -1
Standardowa entalpia formowania (Δ f H ⦵ 298 )	−1207 kJ·mol −1
Farmakologia
Kod ATC	A02AC01 ( KTO ) A12AA04 ( KTO )
Zagrożenia
NFPA 704 (ognisty diament)	0 0 0
Śmiertelna dawka lub stężenie (LD, LC):
LD 50 ( mediana dawki )	6450 mg/kg (doustnie, szczur)
NIOSH (limity narażenia na zdrowie w USA):
PEL (dopuszczalny)	TWA 15 mg/m 3 (całkowita) TWA 5 mg/m 3 (odp.)
Karta charakterystyki (SDS)	ICSC 1193
Związki pokrewne
Inne aniony	Wodorowęglan wapnia
Inne kationy	Węglan berylu Węglan magnezu Węglan strontu Węglan baru Węglan radu
Związki pokrewne	Siarczan wapnia
O ile nie zaznaczono inaczej, dane podano dla materiałów w stanie normalnym (przy 25°C [77°F], 100 kPa).   N ( co to jest Y N ?) Referencje w infoboksie

Struktura krystaliczna kalcytu

Węglan wapnia jest związkiem chemicznym o wzorze chemicznym Ca CO ₃ . Jest to powszechna substancja występująca w skałach jako minerały kalcyt i aragonit (przede wszystkim jako wapień , który jest rodzajem skały osadowej składającej się głównie z kalcytu) i jest głównym składnikiem skorup jaj , skorup ślimaków , szkieletów skorupiaków i pereł . Rzeczy zawierające dużo węglanu wapnia lub go przypominające są określane jako wapienne . Węglan wapnia jest aktywnym składnikiem wapna rolniczego i powstaje, gdy jony wapnia w twardej wodzie reagują z jonami węglanowymi , tworząc kamień . Ma zastosowanie medyczne jako wapnia lub jako środek zobojętniający kwas , ale nadmierne spożycie może być niebezpieczne i powodować hiperkalcemię i problemy trawienne.

Chemia

Węglan wapnia ma typowe właściwości innych węglanów . Warto zauważyć

• reaguje z kwasami uwalniając dwutlenek węgla (technicznie mówiąc kwas węglowy , ale szybko rozpadający się na CO ₂ i H ₂ O ):

${\ Displaystyle {\ ce {CaCO_3 (s) {+} 2H ^ {+} (aq) -> Ca ^ {2+} (aq) + CO2 (g) + H_2O ( l)}}}$

• podczas ogrzewania uwalnia dwutlenek węgla, zwany reakcją rozkładu termicznego lub kalcynacją (do powyżej 840 °C w przypadku CaCO ₃ ), tworząc tlenek wapnia , CaO, zwany potocznie wapnem palonym , o entalpii reakcji 178 kJ/ mol:

${\ Displaystyle {\ ce {CaCO3 (s) -> [\ Delta] CaO (s) {+} CO2 \ uparrow}}}$

Węglan wapnia reaguje z wodą nasyconą dwutlenkiem węgla, tworząc rozpuszczalny wodorowęglan wapnia .

${\ Displaystyle {\ ce {CaCO3 (s) {+} CO2 (g) {+} H2O (l)-> Ca(HCO3)2(aq)}}}$

Ta reakcja jest ważna w erozji skał węglanowych , tworząc jaskinie i prowadzi do twardej wody w wielu regionach.

Niezwykłą formą węglanu wapnia jest heksahydrat ikaitu , CaCO ₃ ·6H ₂ O. Ikait jest stabilny tylko poniżej 8 ° C.

Przygotowanie

Zdecydowana większość węglanu wapnia wykorzystywanego w przemyśle pochodzi z górnictwa lub wydobywania. Czysty węglan wapnia (taki jak do celów spożywczych lub farmaceutycznych) można wytwarzać z czystego źródła wydobywanego (zwykle marmuru ).

Alternatywnie, węglan wapnia wytwarza się z tlenku wapnia . Dodaje się wodę w celu uzyskania wodorotlenku wapnia , a następnie przepuszcza się przez ten roztwór dwutlenek węgla w celu wytrącenia pożądanego węglanu wapnia, określanego w branży jako wytrącony węglan wapnia (PCC). Ten proces nazywa się karbonatacją :

${\ Displaystyle {\ ce {CaO {+} H2O-> Ca (OH) 2}}}$

${\ styl wyświetlania {\ce {Ca(OH)2{+}CO2->CaCO3{+}H_2O}}}$

W laboratorium węglan wapnia można łatwo wykrystalizować z chlorku wapnia (CaCl ₂ ), umieszczając wodny roztwór CaCl ₂ w eksykatorze obok węglanu amonu (NH4) ₂ CO ₃ . W eksykatorze węglan amonu jest wystawiony na działanie powietrza i rozkłada się na amoniak, dwutlenek węgla i wodę. Dwutlenek węgla następnie dyfunduje do wodnego roztworu chlorku wapnia, reaguje z jonami wapnia i wodą i tworzy węglan wapnia.

Struktura

Termodynamicznie stabilną postacią CaCO ₃ w normalnych warunkach jest heksagonalny β- CaCO ₃ (minerał kalcyt ). Można wytworzyć inne formy, gęstszą (2,83 g/cm ³ ) rombową λ- CaCO ₃ (minerał aragonit ) i heksagonalną μ- CaCO ₃ , występującą jako mineralny wateryt . Postać aragonitu można wytworzyć przez wytrącanie w temperaturze powyżej 85 ° C; formę waterytu można wytworzyć przez wytrącanie w temperaturze 60 ° C. Kalcyt zawiera atomy wapnia koordynowane przez sześć atomów tlenu; w aragonicie są koordynowane przez dziewięć atomów tlenu. Struktura waterytu nie jest w pełni poznana. Węglan magnezu ( MgCO ₃ ) ma budowę kalcytu, natomiast węglan strontu ( SrCO ₃ ) i węglan baru ( BaCO ₃ ) przyjmują strukturę aragonitu, odzwierciedlającą ich większe promienie jonowe .

Polimorfy

Węglan wapnia krystalizuje w trzech bezwodnych postaciach polimorficznych , z których kalcyt jest najbardziej stabilny termodynamicznie w temperaturze pokojowej, aragonit jest tylko nieznacznie mniej stabilny, a wateryt jest najmniej stabilny.

Struktura krystaliczna

$nr$ krystaliczna kalcytu jest trygonalna , grupą przestrzenną ( $)$ Tablicach Krystalograficznych symbolem . Aragonit jest rombowy , z grupą przestrzenną $($ 62) i symbolem Pearsona $oP20}$ . Vateryt składa się z co najmniej dwóch różnych współistniejących struktur krystalograficznych. Główna struktura wykazuje $symetrię$ heksagonalną w grupie mniejsza

Krystalizacja

Struktura krystaliczna kalcytu i aragonitu

Wszystkie trzy polimorfy krystalizują jednocześnie z roztworów wodnych w warunkach otoczenia. W roztworach wodnych bez dodatków kalcyt łatwo tworzy się jako główny produkt, podczas gdy aragonit pojawia się tylko jako produkt drugorzędny.

Przy wysokim nasyceniu wateryt jest zazwyczaj wytrącaną pierwszą fazą, po której następuje przemiana waterytu w kalcyt. To zachowanie wydaje się być zgodne z regułą Ostwalda , zgodnie z którą najmniej stabilny polimorf krystalizuje jako pierwszy, po czym następuje krystalizacja różnych polimorfów poprzez sekwencję coraz bardziej stabilnych faz. Jednak aragonit, którego stabilność mieści się pomiędzy waterytem a kalcytem, ​​wydaje się być wyjątkiem od tej reguły, ponieważ aragonit nie tworzy się jako prekursor kalcytu w warunkach otoczenia.

Mikroskopijny kalcyt i wateryt

Aragonit występuje w większości, gdy warunki reakcji hamują tworzenie się kalcytu i/lub sprzyjają zarodkowaniu aragonitu. Na przykład powstawaniu aragonitu sprzyja obecność jonów magnezu lub stosowanie białek i peptydów pochodzących z biologicznego węglanu wapnia. Wykazano, że niektóre poliaminy, takie jak kadaweryna i poli (etylenoimina), ułatwiają tworzenie aragonitu na kalcycie.

Selekcja przez organizmy

Organizmy, takie jak mięczaki i stawonogi , wykazały zdolność do wzrostu wszystkich trzech krystalicznych polimorfów węglanu wapnia, głównie jako osłony (muszle) i przyczepy mięśni. Ponadto wykazują niezwykłą zdolność selekcji fazowej w stosunku do kalcytu i aragonitu, a niektóre organizmy mogą przełączać się między tymi dwoma polimorfami. Zdolność selekcji faz jest zwykle przypisywana wykorzystaniu przez takie organizmy określonych makrocząsteczek lub kombinacji makrocząsteczek.

Występowanie

Kalcyt jest najbardziej stabilną odmianą węglanu wapnia. Jest przezroczysty do nieprzezroczystego. Przezroczysta odmiana o nazwie islandzki szpat (pokazany tutaj) była używana do tworzenia spolaryzowanego światła w XIX wieku.

Źródła geologiczne

Kalcyt , aragonit i wateryt to czyste minerały węglanu wapnia. Skały źródłowe o znaczeniu przemysłowym, które składają się głównie z węglanu wapnia, obejmują wapień , kredę , marmur i trawertyn .

Źródła biologiczne

Kawałki węglanu wapnia z muszli

Skorupki jaj , muszle ślimaków i większość muszli morskich składa się głównie z węglanu wapnia i może być wykorzystywane jako przemysłowe źródło tej substancji chemicznej. Muszle ostryg cieszą się ostatnio uznaniem jako źródło wapnia w diecie, ale są również praktycznym źródłem przemysłowym. Ciemnozielone warzywa, takie jak brokuły i jarmuż , zawierają dietetycznie znaczne ilości węglanu wapnia, ale nie są praktyczne jako źródło przemysłowe.

Pozaziemskie

Poza Ziemią mocne dowody wskazują na obecność węglanu wapnia na Marsie . Oznaki węglanu wapnia wykryto w więcej niż jednym miejscu (zwłaszcza w Gusev i Huygens ). Daje to pewne dowody na obecność wody w stanie ciekłym w przeszłości.

Geologia

Wytrącanie powierzchniowe CaCO ₃ w postaci tufu w Rubaksa , Etiopia

Węglany często występują w środowiskach geologicznych i stanowią ogromny rezerwuar węgla . Węglan wapnia występuje jako aragonit , kalcyt i dolomit jako istotne składniki cyklu wapniowego . Minerały węglanowe tworzą typy skał: wapień , kreda , marmur , trawertyn , tuf i inne.

Tufa w Huanglong , Syczuan

W ciepłych, czystych wodach tropikalnych korale są liczniejsze niż w pobliżu biegunów, gdzie wody są zimne. Dostarczyciele węglanu wapnia, w tym plankton (taki jak kokolity i otwornice planktyczne ), glony wapienne , gąbki , ramienionogi , szkarłupnie , mszywioły i mięczaki , zwykle występują w środowiskach płytkich wód, gdzie występuje więcej światła słonecznego i pokarmu nadającego się do filtrowania. Węglany zimnej wody istnieją na wyższych szerokościach geograficznych, ale mają bardzo powolne tempo wzrostu. wapnienia są zmieniane przez zakwaszenie oceanów .

Tam, gdzie skorupa oceaniczna zostanie wciągnięta pod płytę kontynentalną, osady zostaną przeniesione do cieplejszych stref w astenosferze i litosferze . W tych warunkach węglan wapnia rozkłada się, tworząc dwutlenek węgla , który wraz z innymi gazami powoduje wybuchowe erupcje wulkanów .

Głębokość kompensacji węglanowej

Głębokość kompensacji węglanowej (CCD) to punkt w oceanie, w którym tempo wytrącania węglanu wapnia jest równoważone przez szybkość rozpuszczania ze względu na panujące warunki. Głęboko w oceanie temperatura spada, a ciśnienie wzrasta. Węglan wapnia jest niezwykły, ponieważ jego rozpuszczalność wzrasta wraz ze spadkiem temperatury. Zwiększenie ciśnienia zwiększa również rozpuszczalność węglanu wapnia. Głębokość kompensacji węglanów może wynosić od 4000 do 6000 metrów poniżej poziomu morza.

Rola w tafonomii

Węglan wapnia może zachować skamieliny poprzez permineralizację . Większość skamielin kręgowców z CaCO3 _formacji Two Medicine — formacji geologicznej znanej z jaj dinozaurów kaczodziobych — jest zachowana dzięki permineralizacji . Ten rodzaj konserwacji zachowuje wysoki poziom szczegółowości, nawet do poziomu mikroskopowego. Jednak pozostawia również okazy podatne na warunki atmosferyczne , gdy są wystawione na powierzchnię.

trylobitów stanowiły większość życia wodnego w kambrze , ze względu na fakt, że ich muszle bogate w węglan wapnia były łatwiejsze do zachowania niż muszle innych gatunków, które miały czysto chitynowe muszle.

Używa

Budowa

Głównym zastosowaniem węglanu wapnia jest budownictwo, jako materiał budowlany lub kruszywo wapienne do budowy dróg, jako składnik cementu lub jako materiał wyjściowy do przygotowania wapna budowlanego poprzez wypalanie w piecu . Jednak ze względu na wietrzenie powodowane głównie przez kwaśne deszcze , węglan wapnia (w postaci wapienia) nie jest już używany do celów budowlanych samodzielnie, ale jedynie jako surowiec podstawowy do materiałów budowlanych.

Węglan wapnia jest również używany do oczyszczania żelaza z rudy żelaza w wielkim piecu . Węglan jest kalcynowany in situ z wytworzeniem tlenku wapnia , który tworzy żużel z różnymi obecnymi zanieczyszczeniami i oddziela się od oczyszczonego żelaza.

W przemyśle naftowym węglan wapnia jest dodawany do płuczek wiertniczych jako środek mostkujący złoża i uszczelniający placek filtracyjny; jest również materiałem obciążającym, który zwiększa gęstość płynów wiertniczych w celu kontrolowania ciśnienia w odwiercie. Węglan wapnia jest dodawany do basenów jako korektor pH w celu utrzymania zasadowości i zrównoważenia kwaśnych właściwości środka dezynfekującego .

Wykorzystywany jest również jako surowiec do rafinacji cukru z buraków cukrowych ; jest kalcynowany w piecu z antracytem w celu wytworzenia tlenku wapnia i dwutlenku węgla. To wapno palone jest następnie gaszone w świeżej wodzie w celu wytworzenia zawiesiny wodorotlenku wapnia do wytrącania zanieczyszczeń w surowym soku podczas karbonatacji .

Węglan wapnia w postaci kredy tradycyjnie był głównym składnikiem kredy tablicowej . Jednak współcześnie wytwarzana kreda to głównie gips , uwodniony siarczan wapnia CaSO ₄ ·2H ₂ O . Węglan wapnia jest głównym źródłem do uprawy biorocka . Wytrącony węglan wapnia (PCC), wstępnie zdyspergowany w zawiesiny , jest powszechnym materiałem wypełniającym w rękawicach lateksowych w celu osiągnięcia maksymalnych oszczędności w kosztach materiałowych i produkcyjnych.

Drobno zmielony węglan wapnia (GCC) jest niezbędnym składnikiem mikroporowatej folii stosowanej w pieluchach i niektórych foliach budowlanych, ponieważ pory są zarodkowane wokół cząstek węglanu wapnia podczas wytwarzania folii przez rozciąganie dwuosiowe. GCC i PCC są używane jako wypełniacze w papierze , ponieważ są tańsze niż włókno drzewne . Pod względem wielkości rynku GCC są obecnie najważniejszymi rodzajami wypełniaczy. Papier do drukowania i pisania może zawierać 10–20% węglanu wapnia. W Ameryce Północnej węglan wapnia zaczął zastępować kaolin w produkcji papieru błyszczącego . Europa praktykuje to jako papier alkaliczny lub papier bezkwasowy od kilku dziesięcioleci. PCC stosowany do wypełniania papieru i powlekania papieru jest strącany i przygotowywany w różnych kształtach i rozmiarach, mających charakterystyczny wąski rozkład wielkości cząstek i równoważne średnice sferyczne od 0,4 do 3 mikrometrów.

Węglan wapnia jest szeroko stosowany jako wypełniacz w farbach , w szczególności w matowych farbach emulsyjnych , gdzie zazwyczaj 30% wagowych farby stanowi kreda lub marmur. Jest również popularnym wypełniaczem w tworzywach sztucznych. Niektóre typowe przykłady obejmują około 15 do 20% obciążenia kredą w rurach odpływowych z nieplastyfikowanego polichlorku winylu (uPVC) , 5% do 15% obciążenia kredą pokrytą stearynianem lub marmurem w profilu okiennym z PCV. Kable PVC mogą wykorzystywać węglan wapnia przy obciążeniach do 70 phr (części na sto części żywicy), aby poprawić właściwości mechaniczne (wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie) oraz właściwości elektryczne (rezystywność objętościowa). polipropylenu są często wypełnione węglanem wapnia w celu zwiększenia sztywności, co staje się ważne w wysokich temperaturach użytkowania. Tutaj odsetek ten wynosi często 20–40%. Jest również rutynowo stosowany jako wypełniacz w żywicach termoutwardzalnych (masach do formowania arkuszy i masowych), a także jest mieszany z ABS i innymi składnikami w celu utworzenia niektórych rodzajów formowanych tłocznie „glinianych” żetonów do pokera . Wytrącony węglan wapnia, wytwarzany przez wpuszczenie tlenku wapnia do wody, jest stosowany samodzielnie lub z dodatkami jako biała farba, znana jako wybielanie .

Węglan wapnia jest dodawany do szerokiej gamy handlu i majsterkowania przy klejach, uszczelniaczach i wypełniaczach dekoracyjnych. Kleje do płytek ceramicznych zazwyczaj zawierają od 70% do 80% wapienia. Dekoracyjne wypełniacze pęknięć zawierają podobne ilości marmuru lub dolomitu. Jest również mieszany z kitem przy ustawianiu witraży oraz jako maska ​​zapobiegająca przywieraniu szkła do półek pieca podczas wypalania glazury i farb w wysokiej temperaturze.

W zastosowaniach glazury ceramicznej węglan wapnia jest znany jako witlinka i jest powszechnym składnikiem wielu glazury w postaci białego proszku. Kiedy glazura zawierająca ten materiał jest wypalana w piecu, witlinek działa jak topnik w szkliwie. Zmielony węglan wapnia jest materiałem ściernym (zarówno jako proszek do szorowania, jak i jako składnik past do szorowania w gospodarstwie domowym), zwłaszcza w postaci kalcytu, który ma stosunkowo niską twardość 3 w skali Mohsa , dzięki czemu nie rysuje szkła i większości innych materiałów ceramicznych , emalii , brązu , żelaza i stali oraz mają umiarkowany wpływ na bardziej miękkie metale, takie jak aluminium i miedź . Pasta sporządzona z węglanu wapnia i wody dejonizowanej może być używana do czyszczenia nalotu na srebrze .

Zdrowie i dieta

500-miligramowe suplementy wapnia wykonane z węglanu wapnia

Węglan wapnia jest szeroko stosowany w medycynie jako niedrogi suplement diety zawierający wapń jako środek zobojętniający sok żołądkowy (taki jak Tums i Eno ). Może być stosowany jako środek wiążący fosforany w leczeniu hiperfosfatemii (głównie u pacjentów z przewlekłą niewydolnością nerek ). Stosowany jest w przemyśle farmaceutycznym jako obojętny wypełniacz do tabletek i innych środków farmaceutycznych .

Węglan wapnia jest używany do produkcji tlenku wapnia oraz pasty do zębów i odradza się jako środek konserwujący żywność i utrwalacz koloru, gdy jest stosowany w produktach takich jak ekologiczne jabłka lub z nimi.

Węglan wapnia jest stosowany terapeutycznie jako środek wiążący fosforany u pacjentów poddawanych hemodializie podtrzymującej . Jest to najczęściej przepisywana postać środka wiążącego fosforany, szczególnie w przypadku przewlekłej choroby nerek niewymagającej dializy. Węglan wapnia jest najczęściej stosowanym środkiem wiążącym fosforany, ale klinicyści coraz częściej przepisują droższe środki wiążące fosforany niezawierające wapnia, zwłaszcza sewelamer .

Nadmiar wapnia z suplementów, wzbogaconej żywności i diet bogatych w wapń może powodować zespół mleczno-alkaliczny , który ma poważną toksyczność i może być śmiertelny. W 1915 roku Bertram Sippy wprowadził „reżim Sippy” polegający na cogodzinnym spożywaniu mleka i śmietany oraz stopniowym dodawaniu jajek i gotowanych płatków zbożowych przez 10 dni w połączeniu z alkalicznymi proszkami, co zapewniało złagodzenie objawów choroby wrzodowej. W ciągu następnych kilkudziesięciu lat reżim Sippy spowodował niewydolność nerek , zasadowicę i hiperkalcemię , głównie u mężczyzn z chorobą wrzodową. Te działania niepożądane ustąpiły po zaprzestaniu stosowania schematu, ale u niektórych pacjentów z przedłużającymi się wymiotami były one śmiertelne. Zespół mleczno-alkaliczny zmniejszył się u mężczyzn po pojawieniu się skutecznych metod leczenia wrzodowej . Od lat 90. najczęściej zgłaszano ją u kobiet przyjmujących suplementy wapnia powyżej zalecanego zakresu od 1,2 do 1,5 grama dziennie w celu zapobiegania i leczenia osteoporozy, a nasila się ona w przypadku odwodnienia . Wapń został dodany do produktów dostępnych bez recepty, co przyczynia się do niezamierzonego nadmiernego spożycia. Nadmierne spożycie wapnia może prowadzić do hiperkalcemii, której powikłania obejmują wymioty, ból brzucha i zmianę stanu psychicznego.

Jako dodatek do żywności jest oznaczony jako E170 i posiada numer INS 170. Stosowany jako regulator kwasowości , środek przeciwzbrylający , stabilizator lub barwnik jest dopuszczony do stosowania w UE, USA oraz Australii i Nowej Zelandii . Jest „dodawany zgodnie z prawem do wszystkich mielonych mąk chlebowych w Wielkiej Brytanii, z wyjątkiem mąki pełnoziarnistej”. Jest stosowany w niektórych z mleka sojowego i mleka migdałowego jako źródło wapnia w diecie; co najmniej jedno badanie sugeruje, że węglan wapnia może być tak samo biodostępny jak wapń w mleku krowim . Węglan wapnia jest również stosowany jako środek ujędrniający w wielu produktach warzywnych w puszkach i butelkach.

Udokumentowano, że kilka preparatów uzupełniających wapń zawiera pierwiastek chemiczny ołowiu , co stanowi zagrożenie dla zdrowia publicznego . Ołów powszechnie występuje w naturalnych źródłach wapnia.

Rolnictwo i akwakultura

Wapno nawozowe , sproszkowana kreda lub wapień jest tanią metodą neutralizacji kwaśnej gleby , dzięki czemu nadaje się do sadzenia, jest również stosowany w przemyśle akwakultury do regulacji pH gleby stawowej przed rozpoczęciem hodowli.

Sprzątanie gospodarstw domowych

Węglan wapnia jest kluczowym składnikiem wielu domowych proszków czyszczących, takich jak Comet , i jest stosowany jako środek szorujący.

Ograniczanie zanieczyszczeń

W 1989 roku naukowiec Ken Simmons wprowadził CaCO ₃ do Whetstone Brook w Massachusetts . Miał nadzieję, że węglan wapnia przeciwdziała kwasowi w strumieniu z kwaśnych deszczy i uratuje pstrąga, który przestał się rozmnażać. Chociaż jego eksperyment zakończył się sukcesem, zwiększył ilość jonów glinu w obszarze potoku, który nie został potraktowany wapieniem. Pokazuje to, że CaCO ₃ można dodawać w celu zneutralizowania skutków kwaśnych deszczy w ekosystemach rzecznych . Obecnie węglan wapnia służy do neutralizowania kwaśnych warunków zarówno w glebie, jak iw wodzie. Od lat 70. takie wapnowanie jest praktykowane na dużą skalę w Szwecji w celu złagodzenia zakwaszenia, a kilka tysięcy jezior i strumieni jest wielokrotnie wapnowanych.

Węglan wapnia jest również stosowany w aplikacjach odsiarczania spalin, eliminując szkodliwe emisje SO ₂ i NO ₂ z węgla i innych paliw kopalnych spalanych w dużych elektrowniach na paliwa kopalne.

Równowaga kalcynacji

Wypalanie wapienia przy użyciu węgla drzewnego do produkcji wapna niegaszonego było praktykowane od starożytności przez kultury na całym świecie . Temperatura, w której wapień wytwarza tlenek wapnia, jest zwykle podawana jako 825 ° C, ale podanie bezwzględnego progu jest mylące. Węglan wapnia występuje w równowadze z tlenkiem wapnia i dwutlenkiem węgla w dowolnej temperaturze. W każdej temperaturze występuje ciśnienie cząstkowe dwutlenku węgla, które jest w równowadze z węglanem wapnia. W temperaturze pokojowej równowaga przeważa nad węglanem wapnia, ponieważ równowagowe CO ₂ stanowi tylko niewielki ułamek cząstkowego ciśnienia CO ₂ w powietrzu, które wynosi około 0,035 kPa.

W temperaturach powyżej 550 °C równowagowe ciśnienie CO ₂ zaczyna przekraczać ciśnienie CO ₂ w powietrzu. Tak więc powyżej 550°C węglan wapnia zaczyna wydzielać CO ₂ do powietrza. Jednak w piecu opalanym węglem drzewnym stężenie CO ₂ będzie znacznie wyższe niż w powietrzu. Rzeczywiście CO2 _, jeśli cały tlen w piecu zostanie zużyty w ogniu, wówczas ciśnienie cząstkowe w piecu może osiągnąć nawet 20 kPa.

Tabela pokazuje, że to ciśnienie cząstkowe nie jest osiągane, dopóki temperatura nie osiągnie prawie 800°C. Aby odgazowywanie CO2 z _otoczenia CO2 _węglanu wapnia odbywało się z ekonomicznie użyteczną szybkością, ciśnienie równowagi musi znacznie przekraczać ciśnienie . Aby stało się to szybko, ciśnienie równowagi musi przekroczyć całkowite ciśnienie atmosferyczne 101 kPa, co ma miejsce w temperaturze 898 °C.

Ciśnienie równowagi CO ₂ nad CaCO ₃ ( P ) w funkcji temperatury ( 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

Rozpuszczalność

Ze CO2 _zmiennym ciśnieniem

Osady węglanu wapnia trawertynu z gorącego źródła

Węglan wapnia jest słabo rozpuszczalny w czystej wodzie (47 mg/L przy normalnym ciśnieniu cząstkowym CO _{2 atmosferycznym, jak pokazano poniżej).}

Równowagę jego roztworu podaje równanie (z rozpuszczonym węglanem wapnia po prawej):

CaCO 3 ⇌ Ca 2+ + CO 2− 3

K sp = 3,7 × 10-9 temperaturze do 8,7 × 10-9 w 25 ° C

gdzie iloczyn rozpuszczalności dla [Ca ²⁺ ][CO do K sp w temperaturze 25 ^{2− 3 ] wynosi od K sp = 3,7 × 10-9} = 8,7 _× 10-9 ° C _, w zależności od źródła ^. danych Z równania wynika, że ​​iloczyn stężenia molowego jonów wapnia ( moli rozpuszczonego Ca ²⁺ na litr roztworu) i stężenia molowego rozpuszczonego CO 2− 3 nie może przekroczyć wartości K _sp . To pozornie proste równanie rozpuszczalności należy jednak wziąć pod uwagę wraz z bardziej skomplikowaną równowagą dwutlenku węgla z wodą (patrz kwas węglowy ). Część CO 2− 3 łączy się z H ⁺ w roztworze wg

H CO - 3 ⇌ H + + CO 2 - 3

Ka2 = 5,61 C 10-11 w temperaturze × 25 °

HCO - 3 jest znany jako jon wodorowęglanowy . Wodorowęglan wapnia jest wielokrotnie lepiej rozpuszczalny w wodzie niż węglan wapnia – w rzeczywistości występuje tylko w roztworze.

Część HCO - 3 łączy się z H ⁺ w roztworze wg

H 2 CO 3 ⇌ H + + HCO - 3

Ka1 = 2,5 10-4 w temperaturze × 25 °C

Część H ₂ CO ₃ rozpada się na wodę i rozpuszczony dwutlenek węgla wg

H 2 O + CO 2 ( woda ) ⇌ H 2 CO 3

Kh = 1,70 10-3 w temperaturze × 25 °C

A rozpuszczony dwutlenek węgla jest w równowadze z atmosferycznym dwutlenkiem węgla zgodnie z

P CO 2 / [CO 2 ] = k H

gdzie k H = 29,76 atm/(mol/l) w C CO2 temperaturze 25° ( stała Henry'ego ), przy czym PCO2 jest ciśnieniem cząstkowym .

Dla otaczającego powietrza P _{CO 2} wynosi około 3,5 × 10-4 ^. atmosfer (lub równoważnie 35 Pa ) Ostatnie równanie powyżej ustala stężenie rozpuszczonego CO ₂ jako funkcję P _{CO 2} , niezależnie od stężenia rozpuszczonego CaCO ₃ . CO2 _Przy 1,2 × 10-5 ^ciśnieniu cząstkowym CO2 _wynosi stężenie rozpuszczonego moli na litr. Powyższe równanie ustala stężenie H ₂ CO ₃ jako funkcję stężenia CO ₂ . Dla [ CO 2 _] 2,0 × 10-8 ⁼ 1,2 × 10-5 daje ⁼ to [H ₂ CO ₃ ] moli na litr. Kiedy [H ₂ CO ₃ ] , pozostałe trzy równania wraz z

_{Rozpuszczalność} jonów wapnia jako funkcja 4,47 × 10-9 ^ciśnienia cząstkowego CO ₂ w temperaturze 25 °C ( Ksp = )

PCO 2 ( atm.)	pH	[Ca 2+ ] (mol/L)
10-12 _	12.0	5,19 × 10-3 _
10-10 _	11.3	1,12 × 10-3 _
10-8 _	10.7	2,55 × 10-4 _
10-6 _	9.83	1,20 × 10-4 _
10-4 _	8.62	3,16 × 10-4 _
3,5 × 10-4 _	8.27	4,70 × 10-4 _
10-3 _	7,96	6,62 × 10-4 _
10-2 _	7.30	1,42 × 10-3 _
10-1 _	6.63	3,05 × 10-3 _
1	5,96	6,58 × 10-3 _
10	5.30	1,42 × 10-2 _

H 2 O ⇌ H + + OH -

K = 10-14 w temperaturze 25 ° C

(co dotyczy wszystkich roztworów wodnych) oraz fakt, że roztwór musi być elektrycznie obojętny, tzn. całkowity ładunek rozpuszczonych jonów dodatnich [Ca ²⁺ ] + 2 [H ⁺ ] musi być zniesiony przez całkowity ładunek rozpuszczone jony ujemne [HCO − 3 ] + [CO 2− 3 ] + [OH ⁻ ] , umożliwiają równoczesne rozwiązanie dla pozostałych pięciu nieznanych stężeń (należy zauważyć, że wspomniana wcześniej postać zobojętnienia obowiązuje tylko wtedy, gdy węglan wapnia ma miał kontakt z czystą wodą lub roztworem o neutralnym pH; w przypadku, gdy początkowe pH rozpuszczalnika wodnego nie jest neutralne, równowaga nie jest neutralna).

W tabeli obok przedstawiono wynik dla [Ca ²⁺ ] i [H ⁺ ] (w postaci pH) w funkcji ciśnienia cząstkowego CO _{2 otoczenia} ( do obliczeń przyjęto K _sp = 4,47 × 10 ^{−9 )} .

• Przy poziomach atmosferycznego CO ₂ z tabeli wynika, że ​​roztwór będzie lekko zasadowy z maksymalną rozpuszczalnością CaCO ₃ równą 47 mg/l.
• Gdy ciśnienie cząstkowe CO _{2 otoczenia} spada poniżej poziomu atmosferycznego, roztwór staje się coraz bardziej zasadowy. Przy ekstremalnie niskim PCO2 CaCO3 _, rozpuszczony CO2 , jony wodorowęglanowe i jony węglanowe w dużej _{mierze odparowują z roztworu} , pozostawiając silnie zasadowy roztwór wodorotlenku wapnia , który jest lepiej rozpuszczalny niż . Zauważ, że dla P _{CO 2} = 10 ⁻¹² atm, iloczyn [Ca ²⁺ ][OH ⁻ ] ₂ jest wciąż poniżej iloczynu rozpuszczalności Ca(OH) ₂ ( 8 × 10 ^-6 ). Przy jeszcze niższym ciśnieniu CO _{2 wytrącanie} Ca(OH) ₂ nastąpi przed wytrąceniem CaCO ₃ .
• Kiedy ciśnienie cząstkowe CO2 otoczenia wzrasta do poziomu powyżej atmosferycznego, pH spada, a _większość jonów węglanowych jest przekształcana w jony wodorowęglanowe, co skutkuje wyższą rozpuszczalnością Ca2 ⁺ .

Efekt tego ostatniego jest szczególnie widoczny w codziennym życiu osób, które mają twardą wodę. Woda w podziemnych warstwach wodonośnych może być narażona na stężenie CO ₂ znacznie wyższe niż atmosferyczne. Ponieważ taka woda przenika przez skałę z węglanu wapnia, CaCO ₃ rozpuszcza się zgodnie z drugą tendencją. Kiedy ta sama woda wypływa następnie z kranu, z czasem dochodzi do równowagi z CO ₂ w powietrzu poprzez odgazowanie nadmiaru CO ₂ . W wyniku tego węglan wapnia staje się mniej rozpuszczalny, a jego nadmiar wytrąca się w postaci osadu wapiennego. Ten sam proces jest odpowiedzialny za powstawanie stalaktytów i stalagmitów w jaskiniach wapiennych.

Dwie uwodnione fazy węglanu wapnia, monohydrokalcyt CaCO ₃ ·H ₂ O i ikait CaCO ₃ ·6H ₂ O , mogą wytrącać się z wody w warunkach otoczenia i utrzymywać się jako fazy metastabilne.

Przy zmiennym pH, temperaturze i zasoleniu: osadzanie się CaCO ₃ w basenach

NaHSO4 _{powyższego scenariusza otwartej równowagi,} NaHCO3 ) do około 2 mM _wiele basenów jest zarządzanych przez dodanie wodorowęglanu sodu ( Na2CO3 _{jako buforu , a} następnie kontrolę pH za pomocą HCl, , , NaOH lub preparaty chloru, które są kwaśne lub zasadowe. W tej sytuacji rozpuszczony węgiel nieorganiczny ( całkowity węgiel nieorganiczny ) jest daleki od równowagi z atmosferycznym CO ₂ . Postęp w kierunku równowagi poprzez odgazowanie CO ₂ jest spowolniony przez

1. powolna reakcja

   H ₂ CO ₃ ⇌ CO ₂ ( aq ) + H ₂ O ;

2. ograniczone napowietrzanie w słupie głębokiej wody; I
3. okresowe uzupełnianie wodorowęglanów w celu utrzymania pojemności buforowej (często szacowanej na podstawie pomiaru całkowitej zasadowości ).

W tej sytuacji stałe dysocjacji dla znacznie szybszych reakcji

H ₂ CO ₃ ⇌ H ⁺ + HCO - 3 ⇌ 2 H ⁺ + CO 2- 3

pozwalają na przewidywanie stężeń każdej rozpuszczonej nieorganicznej formy węgla w roztworze na podstawie dodanego stężenia HCO - 3 (co stanowi ponad 90% gatunków Bjerrum na działce od pH 7 do pH 8 w temperaturze 25 °C w wodzie słodkiej). Dodatek HCO - 3 zwiększy stężenie CO 2-3 przy dowolnym pH. Przekształcając powyższe równania, możemy zobaczyć, że [Ca ²⁺ ] = K _sp / [ CO 2− 3 ] i [ CO 2− 3 ] = K _a2 [ HCO − 3 ] / [ H ⁺ ] . Dlatego, gdy HCO − 3 , maksymalne stężenie jonów Ca ²⁺ przed przeskalowaniem przez wytrącanie CaCO ₃ można przewidzieć ze wzoru:

[ Ca ²⁺ ] _max = K _sp / K _a2 × [ H ⁺ ] / [ HCO - 3 ]

Na iloczyn rozpuszczalności CaCO ₃ ( K _sp ) i stałe dysocjacji rozpuszczonych nieorganicznych form węgla (w tym Ka2 ) zasadniczo wpływają temperatura i zasolenie , a ogólny efekt polega na tym, że [ Ca ²⁺ ] _max wzrasta od wody słodkiej do _słonej i zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury, pH lub poziomu dodanego wodorowęglanu, jak pokazano na załączonych wykresach.

Trendy są przykładowe dla zarządzania pulą, ale to, czy występuje skalowanie, zależy również od innych czynników, w tym interakcji z Mg ²⁺ , [B(OH) ₄ ] ⁻ i innymi jonami w puli, jak również efektów przesycenia. Skalowanie jest powszechnie obserwowane w elektrolitycznych generatorach chloru, gdzie w pobliżu powierzchni katody występuje wysokie pH, a osadzanie się kamienia dodatkowo zwiększa temperaturę. Jest to jeden z powodów, dla których niektórzy operatorzy basenów preferują boran zamiast wodorowęglanu jako podstawowy bufor pH i unikają stosowania chemii basenowej zawierającej wapń.

Rozpuszczalność w roztworze mocnego lub słabego kwasu

W handlu dostępne są roztwory kwasów mocnych ( HCl ), średnio mocnych ( sulfamowy ) lub słabych ( octowy , cytrynowy , sorbinowy , mlekowy , fosforowy ). Są powszechnie stosowane jako środki odkamieniające do usuwania osadów wapiennych . Maksymalną ilość CaCO3 _. , którą można „rozpuścić” w jednym litrze kwaśnego roztworu, można obliczyć za pomocą powyższych równań równowagi

• W przypadku silnego monokwasu o malejącym stężeniu kwasu [A] = [ A ⁻ ] otrzymujemy (przy masie molowej 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 _
Początkowe pH	0.00	1.00	2.00	3.00	4.00	5.00	6.00	6,79	7.00
Końcowe pH	6,75	7.25	7,75	8.14	8.25	8.26	8.26	8.26	8.27
Rozpuszczony CaCO 3 (g/L kwasu)	50,0	5.00	0,514	0,0849	0,0504	0,0474	0,0471	0,0470	0,0470

gdzie stan początkowy to roztwór kwaśny bez Ca ²⁺ (nie uwzględniając możliwości rozpuszczania się CO ₂ ), a stan końcowy to roztwór z nasyconym Ca ²⁺ . W przypadku silnych stężeń kwasów wszystkie gatunki mają pomijalne stężenie w stanie końcowym w odniesieniu do Ca ²⁺ i A ⁻ tak, że równanie neutralności zmniejsza się w przybliżeniu do 2 [ Ca ²⁺ ] = [ A ⁻ ] dając [ Ca ²⁺ ] ≈ 0,5 [ A- ^] . Kiedy stężenie spada, [ HCO - 3 ] staje się nie do pominięcia, więc poprzednie wyrażenie nie jest już ważne. W przypadku zanikających stężeń kwasu można odzyskać końcowe pH i rozpuszczalność CaCO ₃ w czystej wodzie.

• W przypadku słabego monokwasu (tutaj bierzemy kwas octowy o p Ka _: = 4,76) przy malejącym całkowitym stężeniu kwasu [A] = [ A ⁻ ] + [AH] otrzymujemy

[A] (mol/l)	[ Ca 2+ ] ≈ 0,5 [ ZA − ]	10-1 _	10-2 _	10-3 _	10-4 _	10-5 _	10-6 _	10-7 _	10-10 _
Początkowe pH	2.38	2,88	3.39	3.91	4.47	5.15	6.02	6,79	7.00
Końcowe pH	6,75	7.25	7,75	8.14	8.25	8.26	8.26	8.26	8.27
Rozpuszczony CaCO 3 (g/L kwasu)	49,5	4,99	0,513	0,0848	0,0504	0,0474	0,0471	0,0470	0,0470

Przy tym samym całkowitym stężeniu kwasu początkowe pH słabego kwasu jest mniej kwaśne niż silnego kwasu; jednakże maksymalna ilość CaCO3 _. , którą można rozpuścić, jest w przybliżeniu taka sama Dzieje się tak dlatego, że w stanie końcowym pH jest większe niż p Ka , tak _że słaby kwas jest prawie całkowicie zdysocjowany, dając w końcu tyle samo jonów H ⁺ , co mocny kwas, aby „rozpuścić” węglan wapnia.

• Obliczenia w przypadku kwasu fosforowego (najczęściej stosowanego w gospodarstwach domowych) są bardziej skomplikowane, ponieważ stężenia czterech stanów dysocjacji odpowiadających temu kwasowi muszą być obliczane razem z [ HCO − 3 ] , [ CO 2 − 3 ], [ Ca ²⁺ ], [ H ⁺ ] i [ OH ^- ]. Układ można sprowadzić do równania siódmego stopnia dla [ H ⁺ ], którego rozwiązanie numeryczne daje

[A] (mol/l)	1	10-1 _	10-2 _	10-3 _	10-4 _	10-5 _	10-6 _	10-7 _	10-10 _
Początkowe pH	1.08	1,62	2.25	3.05	4.01	5.00	5,97	6.74	7.00
Końcowe pH	6.71	7.17	7.63	8.06	8.24	8.26	8.26	8.26	8.27
Rozpuszczony CaCO 3 (g/L kwasu)	62,0	7.39	0,874	0,123	0,0536	0,0477	0,0471	0,0471	0,0470

gdzie [A] = [H ₃ PO ₄ ] + [H ₂ PO − 4 ] + [HPO 2− 4 ] + [PO 3− 4 ] to całkowite stężenie kwasu. Tak więc kwas fosforowy jest bardziej wydajny niż monokwas, ponieważ przy końcowym prawie obojętnym pH stężenie drugiego stanu zdysocjowanego [ HPO 2− 4 ] nie jest pomijalne (patrz kwas fosforowy ).

Zobacz też

Mikrografia elektronowa igiełkowatych kryształów węglanu wapnia utworzonych jako kamień w czajniku

Około 2 g węglanu wapnia-48

• Cuttlebone
• Mątwa
• Gesso
• Kamień wapienny
• Marmur
• zakwaszenie oceanu
• Wydarzenie Whitinga
• Lista tematów inżynierii klimatu
• Lizoklina

Linki zewnętrzne

• Międzynarodowa Karta Bezpieczeństwa Chemicznego 1193
• CID 516889 z PubChem
• Kody ATC : A02AC01 ( WHO ) i A12AA04 ( WHO )
• Brytyjskie Stowarzyszenie Węglanu Wapnia - Co to jest węglan wapnia Zarchiwizowane 24 maja 2008 r. W Wayback Machine
• CDC – kieszonkowy przewodnik NIOSH po zagrożeniach chemicznych – węglan wapnia