Kalsiyum karbonat -Calcium carbonate

Kalsiyum karbonat
Kalsiyum karbonat.png
Kalsiyum-karbonat-xtal-3D-SF.png
Kalsiyum karbonat.jpg
İsimler
IUPAC adı
Kalsiyum karbonat
Diğer isimler
tanımlayıcılar
3D model ( JSmol )
chebi
CHEMBL
Kimyasal Örümcek
İlaç Bankası
ECHA Bilgi Kartı 100.006.765 Bunu Vikiveri'de düzenleyin
AT Numarası
E numarası E170 (renkler)
fıçı
RTECS numarası
ÜNİİ
  • InChI=1S/CH2O3.Ca/c2-1(3)4;/h(H2,2,3,4);/q;+2/p-2 KontrolY
    Anahtar: VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L KontrolY
  • InChI=1/CH2O3.Ca/c2-1(3)4;/h(H2,2,3,4);/q;+2/p-2
    Anahtar: VTYYLEPIZMXCLO-NUQVWONBAS
  • [Ca+2].[O-]C([O-])=O
  • C(=O)([O-])[O-].[Ca+2]
Özellikleri
CaCO3 _
Molar kütle 100.0869 g/mol
Görünüm İnce beyaz toz; kireçli tat
Koku kokusuz
Yoğunluk 2.711 g/cm 3 ( kalsit )
2.83 g/cm 3 ( aragonit )
Erime noktası 1.339 °C (2.442 °F; 1.612 K) (kalsit)
825 °C (1.517 °F; 1.098 K) (aragonit)
Kaynama noktası ayrışır
0,013 g/L (25 °C)
3,3 × 10 −9
Seyreltik asitlerde çözünürlük çözünür
Asitlik ( p Ka ) 9.0
−3.82 × 10 −5  cm3 / mol
1.59
Yapı
üçgen
3 2/m
Termokimya
Std molar
entropi
( S o 298 )
93 J·mol -1 ·K -1
Std
oluşum entalpisi
f H 298 )
-1207 kJ·mol -1
Farmakoloji
A02AC01 ( WHO ) A12AA04 ( WHO )
Tehlikeler
NFPA 704 (ateş elmas)
0
0
0
Ölümcül doz veya konsantrasyon (LD, LC):
LD 50 ( ortalama doz )
6450 mg/kg (oral, sıçan)
NIOSH (ABD sağlığa maruz kalma sınırları):
PEL (İzin Verilebilir)
TWA 15 mg/m 3 (toplam) TWA 5 mg/m 3 (solunum)
Güvenlik veri sayfası (SDS) ICSC 1193
Bağıntılı bileşikler
Diğer anyonlar
kalsiyum bikarbonat
diğer katyonlar
Berilyum karbonat
Magnezyum karbonat
Stronsiyum karbonat
Baryum karbonat
Radyum karbonat
Bağıntılı bileşikler
Kalsiyum sülfat
Aksi belirtilmediği sürece, veriler standart durumdaki malzemeler için verilmiştir (25 °C [77 °F], 100 kPa'da).
☒N doğrulamak  ( nedir   ?) KontrolY☒N
Kalsitin kristal yapısı

Kalsiyum karbonat , formülü CaCO 3 olan kimyasal bir bileşiktir . Kayalarda kalsit ve aragonit mineralleri olarak bulunan yaygın bir maddedir (özellikle kalsitten oluşan bir tortul kaya türü olan kireçtaşı ) ve yumurta kabuklarının , karındanbacaklıların kabuklarının , kabuklu deniz hayvanlarının iskeletlerinin ve incilerin ana bileşenidir . Kalsiyum karbonat, tarımsal kirecin aktif bileşenidir ve sert sudaki kalsiyum iyonları , kireç tortusu oluşturmak için karbonat iyonları ile reaksiyona girdiğinde oluşur . Kalsiyum takviyesi veya antasit olarak tıbbi kullanımı vardır , ancak aşırı tüketimi tehlikeli olabilir ve hiperkalsemi ve sindirim sorunlarına neden olabilir.

Kimya

Kalsiyum karbonat, diğer karbonatların tipik özelliklerini paylaşır . özellikle

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

Kalsiyum karbonat, çözünür kalsiyum bikarbonatı oluşturmak için karbon dioksit ile doymuş su ile reaksiyona girer .

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

Bu reaksiyon karbonatlı kayaçların erozyona uğramasında , mağaraların oluşmasında önemlidir ve birçok bölgede sert su oluşumuna yol açar .

Kalsiyum karbonatın alışılmadık bir formu hekzahidrat ikaittir , CaCO 3 ·6H 2 O. İkait sadece 8 °C'nin altında stabildir.

Hazırlık

Sanayide kullanılan kalsiyum karbonatın büyük çoğunluğu madencilik veya taşocakçılığı ile çıkarılır. Saf kalsiyum karbonat (gıda veya ilaç kullanımı gibi), saf bir ocak kaynağından (genellikle mermer ) üretilebilir .

Alternatif olarak, kalsiyum karbonat, kalsiyum oksitten hazırlanır . Kalsiyum hidroksit elde etmek için su eklenir, ardından endüstride çökeltilmiş kalsiyum karbonat (PCC) olarak adlandırılan istenen kalsiyum karbonatı çökeltmek için bu çözeltiden karbondioksit geçirilir:

CaO + H 2 O → Ca(OH) 2
Ca(OH) 2 + CO 2 → CaCO 3 ↓ + H 2 O

Yapı

Normal koşullar altında termodinamik olarak kararlı CaCO 3 formu altıgen β-CaCO 3'tür (mineral kalsit ). Daha yoğun (2.83 g/ cm3 ) ortorombik λ-CaCO3 ( mineral aragonit ) ve altıgen μ-CaCO3 mineral vaterit olarak oluşan diğer formlar hazırlanabilir . Aragonit formu, 85 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda çöktürme yoluyla hazırlanabilir; vaterit formu 60 °C'de çökeltilerek hazırlanabilir. Kalsit, altı oksijen atomu tarafından koordine edilen kalsiyum atomları içerir; aragonitte dokuz oksijen atomu tarafından koordine edilirler. Vaterit yapısı tam olarak anlaşılamamıştır. Magnezyum karbonat (MgCO 3 ) kalsit yapıya sahipken, stronsiyum karbonat ve baryum karbonat (SrCO 3 ve BaCO 3 ) daha büyük iyonik yarıçaplarını yansıtan aragonit yapısını benimser .

oluşum

Kalsit , kalsiyum karbonatın en kararlı polimorfudur . Opaklığa karşı şeffaftır. 19. yüzyılda polarize ışık oluşturmak için İzlanda spar (burada gösterilmektedir) adı verilen şeffaf bir çeşit kullanılmıştır.

jeolojik kaynaklar

Kalsit , aragonit ve vaterit saf kalsiyum karbonat mineralleridir. Ağırlıklı olarak kalsiyum karbonat olan endüstriyel açıdan önemli kaynak kayaçlar arasında kalker , tebeşir , mermer ve traverten bulunur .

biyolojik kaynaklar

istiridye kabuğundan kalsiyum karbonat parçaları

Yumurta kabukları , salyangoz kabukları ve çoğu deniz kabuğu , ağırlıklı olarak kalsiyum karbonattır ve bu kimyasalın endüstriyel kaynakları olarak kullanılabilir. İstiridye kabukları, son zamanlarda bir diyet kalsiyum kaynağı olarak tanınmaktadır, ancak aynı zamanda pratik bir endüstriyel kaynaktır. Brokoli ve lahana gibi koyu yeşil sebzeler , diyet açısından önemli miktarlarda kalsiyum karbonat içerir, ancak bunlar endüstriyel bir kaynak olarak pratik değildir.

dünya dışı

Dünya'nın ötesinde, güçlü kanıtlar Mars'ta kalsiyum karbonatın varlığına işaret ediyor . Kalsiyum karbonat belirtileri birden fazla yerde (özellikle Gusev ve Huygens kraterlerinde) tespit edilmiştir. Bu, sıvı suyun geçmişte varlığına dair bazı kanıtlar sağlar.

jeoloji

Rubaksa , Etiyopya'da CaCO 3'ün tüf olarak yüzey çökeltmesi

Karbonat, jeolojik ortamlarda sıklıkla bulunur ve muazzam bir karbon rezervuarı oluşturur . Kalsiyum karbonat , kalsiyum döngüsünün önemli bileşenleri olarak aragonit , kalsit ve dolomit olarak ortaya çıkar . Karbonat mineralleri kaya türlerini oluşturur: kireçtaşı , tebeşir , mermer , traverten , tüf ve diğerleri.

Ilık, berrak tropik sularda mercanlar , suların soğuk olduğu kutuplara göre daha fazladır. Plankton ( kokolitler ve planktik foraminiferler gibi ), koralin algleri , süngerler , brakiyopodlar , derisidikenliler , briyozoa ve yumuşakçalar dahil olmak üzere kalsiyum karbonat katkıları, tipik olarak güneş ışığının ve filtrelenebilir gıdaların daha bol olduğu sığ su ortamlarında bulunur. Soğuk su karbonatları daha yüksek enlemlerde bulunur, ancak çok yavaş bir büyüme hızına sahiptir. Kireçlenme süreçleri okyanus asitlenmesi ile değiştirilir .

Okyanus kabuğunun kıtasal bir levhanın altına dalması durumunda, tortular astenosfer ve litosferdeki daha sıcak bölgelere taşınacaktır . Bu koşullar altında kalsiyum karbonat , diğer gazlarla birlikte patlayıcı volkanik patlamalara yol açan karbondioksit üretmek üzere ayrışır .

Karbonat telafi derinliği

Karbonat telafi derinliği (CCD) , okyanusta mevcut koşullar nedeniyle kalsiyum karbonatın çökelme hızının çözünme hızıyla dengelendiği noktadır. Okyanusun derinliklerinde sıcaklık düşer ve basınç artar. Kalsiyum karbonat, çözünürlüğünün azalan sıcaklıkla artması nedeniyle olağandışıdır. Artan basınç ayrıca kalsiyum karbonatın çözünürlüğünü de arttırır. Karbonat dengeleme derinliği, deniz seviyesinin altında 4.000 ila 6.000 metre arasında değişebilir.

Tafonomideki rolü

Kalsiyum karbonat, permineralizasyon yoluyla fosilleri koruyabilir . Ördek gagalı dinozor yumurtalarıyla bilinen jeolojik bir oluşum olan Two Medicine Formation'ın omurgalı fosillerinin çoğu CaCO 3 permineralizasyonu ile korunur . Bu tür koruma, mikroskobik düzeye kadar yüksek düzeyde ayrıntıyı korur. Bununla birlikte, numuneleri yüzeye maruz kaldıklarında hava koşullarına karşı savunmasız bırakır .

Trilobit popülasyonlarının, bir zamanlar, kalsiyum karbonat bakımından zengin kabuklarının, tamamen kitinli kabukları olan diğer türlerinkinden daha kolay korunması gerçeğinden dolayı , Kambriyen sırasında sudaki yaşamın çoğunluğunu oluşturduğu düşünülüyordu .

kullanır

İnşaat

Kalsiyum karbonatın ana kullanımı inşaat endüstrisinde, ya bir yapı malzemesi olarak ya da yol yapımı için kireçtaşı agregası olarak, bir çimento bileşeni olarak ya da bir fırında yakılarak inşaatçı kirecinin hazırlanması için başlangıç ​​malzemesi olarak . Bununla birlikte, esas olarak asit yağmurunun neden olduğu ayrışma nedeniyle , kalsiyum karbonat (kireçtaşı formunda) artık tek başına inşaat amaçlı değil, yalnızca inşaat malzemeleri için ham birincil madde olarak kullanılmaktadır.

Kalsiyum karbonat ayrıca yüksek fırında demir cevherinden demirin saflaştırılmasında da kullanılır . Karbonat, çeşitli safsızlıklar içeren bir cüruf oluşturan ve saflaştırılmış demirden ayrılan kalsiyum oksit vermek üzere yerinde kalsine edilir.

Petrol endüstrisinde , sondaj sıvılarına formasyon köprüleme ve filtre keki sızdırmazlık maddesi olarak kalsiyum karbonat eklenir ; aynı zamanda kuyu içi basıncını kontrol etmek için sondaj sıvılarının yoğunluğunu artıran bir ağırlıklandırma malzemesidir. Kalsiyum karbonat, dezenfektan maddenin asidik özelliklerini dengelemek ve alkaliniteyi korumak için bir pH düzeltici olarak yüzme havuzlarına eklenir .

Şeker pancarından şekerin rafinasyonunda da hammadde olarak kullanılır ; Kalsiyum oksit ve karbon dioksit üretmek için antrasitli bir fırında kalsine edilir . Bu yanmış kireç daha sonra karbonatlaşma sırasında ham meyve suyundaki safsızlıkların çökeltilmesi için bir kalsiyum hidroksit süspansiyonu üretmek üzere tatlı suda söndürülür .

Tebeşir formundaki kalsiyum karbonat , geleneksel olarak karatahta tebeşirinin önemli bir bileşeni olmuştur . Bununla birlikte, modern üretilen tebeşir çoğunlukla alçıtaşı , hidratlı kalsiyum sülfat CaSO 4 ·2H 2 O'dur. Kalsiyum karbonat biorock yetiştirmek için ana kaynaktır . Bulamaç halinde önceden dağıtılmış çökeltilmiş kalsiyum karbonat (PCC), malzeme ve üretim maliyetlerinde maksimum tasarruf sağlamak amacıyla lateks eldivenler için yaygın bir dolgu malzemesidir .

İnce öğütülmüş kalsiyum karbonat (GCC), çocuk bezlerinde ve bazı yapı filmlerinde kullanılan mikro gözenekli filmde önemli bir bileşendir, çünkü gözenekler, filmin üretimi sırasında çift eksenli gerdirme yoluyla kalsiyum karbonat parçacıklarının etrafında çekirdeklenir. GCC ve PCC, ağaç lifinden daha ucuz oldukları için kağıtta dolgu maddesi olarak kullanılır . Pazar hacmi açısından GCC, şu anda kullanılan en önemli dolgu maddesi türüdür. Baskı ve yazı kağıdı %10-20 kalsiyum karbonat içerebilir. Kuzey Amerika'da kuşe kağıt üretiminde kaolinin yerini kalsiyum karbonat almaya başladı . Avrupa bunu on yıllardır alkali kağıt yapımı veya asitsiz kağıt yapımı olarak uyguluyor . Kağıt doldurma ve kağıt kaplamalar için kullanılan PCC, karakteristik dar parçacık boyutu dağılımlarına ve 0,4 ila 3 mikrometre eşdeğer küresel çaplara sahip çeşitli şekil ve boyutlarda çökeltilir ve hazırlanır.

Kalsiyum karbonat, boyalarda , özellikle de boyanın ağırlığının tipik olarak %30'unun tebeşir veya mermer olduğu mat emülsiyon boyalarda genişletici olarak yaygın şekilde kullanılır . Aynı zamanda plastiklerde popüler bir dolgu maddesidir. Bazı tipik örnekler, plastikleştirilmemiş polivinil klorür (uPVC) drenaj borularında yaklaşık %15 ila %20 oranında tebeşir yüklenmesini, uPVC pencere profilinde ise %5 ila %15 oranında stearat kaplı tebeşir veya mermer yüklenmesini içerir. PVC kablolar, mekanik özellikleri (çekme mukavemeti ve uzama) ve elektriksel özellikleri (hacim direnci) iyileştirmek için 70 phr'ye (yüz parça reçine başına parça) kadar olan yüklemelerde kalsiyum karbonat kullanabilir. Polipropilen bileşikleri, yüksek kullanım sıcaklıklarında önemli hale gelen bir gereklilik olan sertliği artırmak için genellikle kalsiyum karbonat ile doldurulur. Burada yüzde genellikle %20-40'tır. Aynı zamanda, ısıyla sertleşen reçinelerde (levha ve dökme kalıplama bileşikleri) bir dolgu maddesi olarak rutin olarak kullanılır ve ayrıca bazı sıkıştırma kalıplı "kil" poker çipleri oluşturmak için ABS ve diğer bileşenlerle karıştırılmıştır . Kalsiyum oksitin suya damlatılmasıyla elde edilen çökeltilmiş kalsiyum karbonat, beyaz boya olarak tek başına veya katkı maddeleri ile birlikte kullanılır, buna badana denir .

Kalsiyum karbonat geniş bir ticaret yelpazesine eklenir ve kendiniz yapın yapıştırıcılar, dolgu macunları ve dekorasyon dolgu maddeleri. Seramik karo yapıştırıcıları tipik olarak %70 ila %80 kireçtaşı içerir. Dekoratif çatlak dolgu maddeleri benzer seviyelerde mermer veya dolomit içerir. Ayrıca vitray pencerelerin ayarlanmasında ve yüksek sıcaklıkta sır ve boya pişirirken camın fırın raflarına yapışmasını önlemek için macunla karıştırılır.

Seramik sır uygulamalarında , kalsiyum karbonat beyazlatıcı olarak bilinir ve beyaz toz halindeki birçok sır için ortak bir bileşendir. Bu malzemeyi içeren bir sır bir fırında pişirildiğinde, mezgit sırda bir eritici malzeme görevi görür . Öğütülmüş kalsiyum karbonat bir aşındırıcıdır (hem ovma tozu olarak hem de ev tipi ovma kremlerinin bir bileşeni olarak), özellikle Mohs ölçeğinde nispeten düşük sertlik seviyesine sahip olan kalsit formundadır ve bu nedenle camı çizmez ve çoğu diğer seramikler , emaye , bronz , demir ve çelik ve alüminyum ve bakır gibi daha yumuşak metaller üzerinde orta düzeyde bir etkiye sahiptir . Gümüş üzerindeki kararmaları temizlemek için kalsiyum karbonat ve deiyonize sudan yapılmış bir macun kullanılabilir .

Sağlık ve diyet

Kalsiyum karbonattan yapılan 500 miligram kalsiyum takviyesi

Kalsiyum karbonat, tıbbi olarak, gastrik antasit ( Tums ve Eno gibi ) için ucuz bir diyet kalsiyum takviyesi olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. Hiperfosfateminin tedavisi için bir fosfat bağlayıcı olarak kullanılabilir (öncelikle kronik böbrek yetmezliği olan hastalarda ). İlaç endüstrisinde tabletler ve diğer ilaçlar için inert dolgu maddesi olarak kullanılır .

Kalsiyum karbonat, diş macununun yanı sıra kalsiyum oksit üretiminde de kullanılır ve organik elmalar gibi ürünlerle birlikte kullanıldığında gıda koruyucusu ve renk koruyucusu olarak yeniden canlanmıştır.

Kalsiyum karbonat, idame hemodiyaliz hastalarında fosfat bağlayıcı olarak terapötik olarak kullanılır . Özellikle diyaliz dışı kronik böbrek hastalığında reçete edilen en yaygın fosfat bağlayıcı şeklidir. Kalsiyum karbonat en yaygın olarak kullanılan fosfat bağlayıcıdır, ancak klinisyenler giderek daha pahalı, kalsiyum bazlı olmayan fosfat bağlayıcıları, özellikle sevelameri reçete etmektedirler .

Takviyeler, güçlendirilmiş yiyecekler ve yüksek kalsiyumlu diyetlerden kaynaklanan aşırı kalsiyum , ciddi toksisiteye sahip ve ölümcül olabilen süt-alkali sendromuna neden olabilir. 1915'te Bertram Sippy, peptik ülser hastalığında semptomatik rahatlama sağlayan alkali tozlarla birlikte 10 gün boyunca saat başı süt ve krema alımını ve kademeli olarak yumurta ve pişmiş tahıl eklenmesini içeren "Sippy rejimini" tanıttı. Sonraki birkaç on yıl boyunca, Sippy rejimi , çoğunlukla peptik ülser hastalığı olan erkeklerde böbrek yetmezliği , alkaloz ve hiperkalsemi ile sonuçlandı. Bu yan etkiler, rejim durdurulduğunda tersine döndü, ancak uzun süreli kusması olan bazı hastalarda ölümcül oldu. Peptik ülser hastalığı için etkili tedaviler ortaya çıktıktan sonra erkeklerde süt-alkali sendromu azaldı . 1990'lardan bu yana, osteoporozun önlenmesi ve tedavisi için önerilen günlük 1.2 ila 1.5 gramın üzerinde kalsiyum takviyesi alan kadınlarda en sık rapor edilmiştir ve dehidrasyon ile şiddetlenir . Reçetesiz satılan ürünlere, yanlışlıkla aşırı alıma katkıda bulunan kalsiyum eklenmiştir. Aşırı kalsiyum alımı, komplikasyonları arasında kusma, karın ağrısı ve mental durum değişikliği gibi hiperkalsemiye yol açabilir.

Gıda katkı maddesi olarak E170 olarak adlandırılmıştır ve INS numarası 170'dir. Asitlik düzenleyici , topaklanma önleyici , stabilizatör veya renklendirici olarak kullanılır, AB, ABD ve Avustralya ve Yeni Zelanda'da kullanımı onaylanmıştır . "Yasayla kepekli hariç tüm İngiltere'de öğütülmüş ekmek unlarına eklenir". Bazı soya sütü ve badem sütü ürünlerinde diyet kalsiyum kaynağı olarak kullanılır; en az bir çalışma, kalsiyum karbonatın inek sütündeki kalsiyum kadar biyolojik olarak kullanılabilir olabileceğini düşündürmektedir . Kalsiyum karbonat ayrıca birçok konserve ve şişelenmiş sebze ürününde sıkılaştırıcı madde olarak kullanılır.

Birkaç kalsiyum takviyesi formülasyonunun, kimyasal element kurşunu içerdiği belgelenmiştir ve bu , halk sağlığı sorunu teşkil etmektedir. Kurşun genellikle doğal kalsiyum kaynaklarında bulunur.

Tarım ve su ürünleri yetiştiriciliği

Tarımsal kireç , toz tebeşir veya kireçtaşı, asidik toprağı nötralize etmek için ucuz bir yöntem olarak kullanılır , bu da onu ekime uygun hale getirir, ayrıca kültür balıkçılığına başlamadan önce havuz toprağının pH düzenlemesi için su ürünleri endüstrisinde de kullanılır.

Ev temizliği

Kalsiyum karbonat, Comet gibi birçok ev temizlik tozunda önemli bir bileşendir ve ovma maddesi olarak kullanılır.

Kirlilik azaltma

1989'da bir araştırmacı olan Ken Simmons, CaCO 3'ü Massachusetts'teki Whetstone Çayı'na tanıttı . Umudu, kalsiyum karbonatın asit yağmurundan gelen akıntıdaki aside karşı koyacağı ve yumurtlamayı bırakan alabalığı kurtaracağıydı. Deneyi başarılı olmasına rağmen, kireçtaşı ile muamele edilmeyen dere bölgesindeki alüminyum iyonlarının miktarını arttırdı. Bu, asit yağmurunun nehir ekosistemlerindeki etkilerini nötralize etmek için CaCO 3'ün eklenebileceğini göstermektedir . Şu anda hem toprakta hem de suda asidik koşulları nötralize etmek için kalsiyum karbonat kullanılmaktadır. 1970'lerden bu yana, İsveç'te asitlenmeyi azaltmak için bu tür kireçleme büyük ölçekte uygulandı ve birkaç bin göl ve akarsu tekrar tekrar kireçlendi.

Kalsiyum karbonat ayrıca , büyük fosil yakıt santrallerinde yakılan kömür ve diğer fosil yakıtlardan kaynaklanan zararlı SO 2 ve NO 2 emisyonlarını ortadan kaldıran baca gazı kükürt giderme uygulamalarında da kullanılır.

kalsinasyon dengesi

Sönmemiş kireç üretmek için kömür ateşleri kullanılarak kireçtaşının kalsinasyonu , antik çağlardan beri dünyanın her yerindeki kültürler tarafından uygulanmaktadır. Kireçtaşının kalsiyum oksit verdiği sıcaklık genellikle 825 °C olarak verilir, ancak mutlak bir eşik belirtmek yanıltıcıdır. Kalsiyum karbonat , herhangi bir sıcaklıkta kalsiyum oksit ve karbon dioksit ile dengede bulunur . Her sıcaklıkta , kalsiyum karbonat ile dengede olan kısmi bir karbondioksit basıncı vardır. Oda sıcaklığında, denge ezici bir çoğunlukla kalsiyum karbonattan yanadır, çünkü denge CO2 basıncı , havadaki yaklaşık 0.035 kPa olan kısmi CO2 basıncının sadece küçük bir fraksiyonudur .

550 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda, denge CO2 basıncı havadaki CO2 basıncını aşmaya başlar . Böylece, 550 °C'nin üzerinde, kalsiyum karbonat CO2'yi havaya salmaya başlar . Ancak, kömürle çalışan bir fırında CO2 konsantrasyonu havadakinden çok daha yüksek olacaktır. Gerçekten de, yangında fırındaki tüm oksijen tüketilirse, o zaman fırındaki CO2'nin kısmi basıncı 20 kPa kadar yüksek olabilir.

Tablo, bu kısmi basıncın, sıcaklık yaklaşık 800 °C olana kadar elde edilmediğini göstermektedir. CO2'nin kalsiyum karbonattan ekonomik olarak faydalı bir oranda dışarı atılması için, denge basıncının CO2'nin ortam basıncını önemli ölçüde aşması gerekir . Ve bunun hızlı bir şekilde gerçekleşmesi için, denge basıncının 898 °C'de gerçekleşen 101 kPa'lık toplam atmosfer basıncını aşması gerekir.

C02'nin CaC03 (P) üzerindeki denge basıncı , sıcaklığa ( T ) karşı .
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
( ° C) 550 587 605 680 727 748 777 800 830 852 871 881 891 898 937 1082 1241

çözünürlük

Değişken CO 2 basıncı ile

Bir kaplıcadan traverten kalsiyum karbonat birikintileri

Kalsiyum karbonat saf suda az çözünür (aşağıda gösterildiği gibi normal atmosferik CO2 kısmi basıncında 47 mg/L ) .

Çözeltinin dengesi denklemle verilir (sağda çözünmüş kalsiyum karbonat ile):

CaCO 3 ⇌ Ca 2+ + CO2−
3
Ks = _3,7 × 10 −9 ila25 °C'de 8,7 × 10 −9

burada [Ca 2+ ][ CO için çözünürlük ürünü2−
3
] ,
K sp = 'dan herhangi bir yerde verilir.3,7 × 10 −9 ila K sp =Veri kaynağına bağlı olarak 25 °C'de
8,7 × 10 −9 . Denklemin anlamı, kalsiyum iyonlarının molar konsantrasyonunun ( çözelti litresi başına mol çözünmüş Ca2 + ) ve çözünmüş CO'nun molar konsantrasyonunun çarpımıdır.2−
3
K sp değerini aşamaz . Bununla birlikte, görünüşte basit olan bu çözünürlük denklemi, karbon dioksitin su ile daha karmaşık dengesi ile birlikte ele alınmalıdır (bkz . karbonik asit ).
CO'nun bir kısmı2−
3
göre çözeltide H + ile birleşir

HCO-
3
⇌ H + + CO2−
3
  
Ka2 = _25 °C'de 5,61 × 10 −11

HCO-
3
bikarbonat iyonu olarak bilinir . Kalsiyum bikarbonat suda kalsiyum karbonattan çok daha fazla çözünür - aslında sadece çözeltide bulunur.

Bazı HCO'lar-
3
göre çözeltide H + ile birleşir

H 2 CO 3 ⇌ H + + HCO-
3
  
Ka1 = _25 °C'de 2,5 × 10 −4

H2C03'ün bir kısmı suya ve çözünmüş karbon dioksite göre parçalanır .

H 2 O + CO 2 ( sulu ) ⇌ H 2 CO 3    k h =25 °C'de 1,70 × 10 −3

Ve çözünmüş karbon dioksit, aşağıdakilere göre atmosferik karbondioksit ile dengededir.

burada kH = 29.76 atm/(mol/L) 25 °C'de ( Henry sabiti ), P CO2 , CO2 kısmi basıncıdır.

Ortam havası için , P CO 23.5 × 10 −4 atmosfer (veya eşdeğeri 35  Pa ). Yukarıdaki son denklem , çözünmüş CaC03 konsantrasyonundan bağımsız olarak, P CO2'nin bir fonksiyonu olarak çözünmüş CO2 konsantrasyonunu sabitler . CO2'nin atmosferik kısmi basıncında , çözünmüş CO2 konsantrasyonuLitre başına 1,2 × 10 −5 mol. Bundan önceki denklem, H2C03 konsantrasyonunu CO2 konsantrasyonunun bir fonksiyonu olarak sabitler . [CO 2 ] için =1.2 × 10 -5 , [H 2 CO 3 ] = ile sonuçlanırLitre başına 2.0 × 10 -8 mol. [H 2 CO 3 ] bilindiğinde, kalan üç denklem ile birlikte

25 °C'de CO2 kısmi basıncının bir fonksiyonu olarak kalsiyum iyonu çözünürlüğü ( K sp  = 4,47 × 10 −9 )
PCO2 ( 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 25 °C'de K = 10 −14

(bu tüm sulu çözeltiler için geçerlidir) ve çözeltinin elektriksel olarak nötr olması gerektiği gerçeği,

[Ca 2+ ] + [H + ] = [ HCO-
3
] + [ CO2−
3
] + [OH - ]

kalan beş bilinmeyen konsantrasyonu aynı anda çözmeyi mümkün kılın (nötürlük denkleminin yukarıdaki formunun yalnızca kalsiyum karbonatın saf su veya nötr pH çözeltisi ile temas ettirilmesi durumunda geçerli olduğunu unutmayın; başlangıçtaki su çözücü pH'ı nötr değildir, denklem değiştirilir).

Bitişik tablo, [Ca 2+ ] ve [H + ] (pH şeklinde) için sonucu, ortam kısmi CO2 basıncının bir fonksiyonu olarak gösterir ( K sp =4.47 × 10 −9 hesaplama için alınmıştır).

  • Atmosferik ortam CO2 seviyelerinde tablo, çözeltinin maksimum 47 mg/L CaC03 çözünürlüğü ile hafif alkali olacağını gösterir .
  • Ortam CO2 kısmi basıncı atmosferik seviyelerin altına düşürüldüğünde, çözelti giderek daha alkali hale gelir. Aşırı düşük PCO2'de , çözünmüş CO2 , bikarbonat iyonu ve karbonat iyonu, çözeltiden büyük ölçüde buharlaşarak, CaC03'ten daha çözünür olan yüksek düzeyde alkali bir kalsiyum hidroksit çözeltisi bırakır . P CO 2 = 10 −12  atm için, [Ca 2+ ][OH ] 2 ürününün hala Ca(OH) 2'nin çözünürlük ürününün altında olduğuna dikkat edin (8 × 10 -6 ). Daha da düşük CO2 basıncı için, Ca(OH) 2 çökeltmesi , CaCO3 çökelmesinden önce meydana gelecektir .
  • Ortam CO2 kısmi basıncı atmosferik üzerindeki seviyelere yükseldikçe, pH düşer ve karbonat iyonunun çoğu bikarbonat iyonuna dönüştürülür, bu da Ca2 + ' nın daha yüksek çözünürlüğü ile sonuçlanır .

İkincisinin etkisi, özellikle sert suyu olan insanların günlük yaşamlarında belirgindir. Yeraltındaki akiferlerdeki su, atmosferdekinden çok daha yüksek CO2 seviyelerine maruz kalabilir . Bu tür su, kalsiyum karbonat kayasından süzülürken, CaC03 ikinci eğilime göre çözülür. Aynı su daha sonra musluktan çıktığında, zamanla fazla CO2'yi dışarı atarak havadaki CO2 seviyeleri ile dengeye gelir . Sonuç olarak, kalsiyum karbonat daha az çözünür hale gelir ve fazlalık kireç tortusu olarak çöker. Aynı süreç, kireçtaşı mağaralarında sarkıt ve dikit oluşumundan sorumludur .

Kalsiyum karbonatın iki hidratlı fazı, monohidrokalsit CaCO 3 ·H 2 O ve ikaite CaCO 3 ·6H 2 O, ortam koşullarında sudan çökebilir ve yarı kararlı fazlar olarak kalabilir .

Değişken pH, sıcaklık ve tuzluluk ile: Yüzme havuzlarında CaCO 3 kireçlenmesi

25 C ve 1 mM bikarbonatta (örneğin yüzme havuzlarında) kireçlenmeden önce tuzluluk ve pH'ın maksimum kalsiyum iyonu seviyesi üzerindeki etkileri beklenir.
Ölçeklendirmeden önce sıcaklık ve bikarbonat konsantrasyonunun maksimum kalsiyum iyonu seviyesi üzerindeki etkileri pH 7 ve 5.000 ppm tuzlulukta (yüzme havuzlarında olduğu gibi) beklenir.

Yukarıdaki açık denge senaryosunun aksine, birçok yüzme havuzu, tampon olarak yaklaşık 2 mM'ye sodyum bikarbonat (NaHC03) ilave edilerek , ardından HCl , NaHS04 , Na2C03 , NaOH veya asidik veya bazik olan klor formülasyonları. Bu durumda, çözünmüş inorganik karbon ( toplam inorganik karbon ), atmosferik CO2 ile dengeden uzaktır . CO2'nin gaz çıkışı yoluyla dengeye doğru ilerleme şu şekilde yavaşlar :

  1. yavaş reaksiyon
    H2C03 CO2 ( sulu ) + H20 ; _ _
  2. derin su sütununda sınırlı havalandırma; ve
  3. tampon kapasitesini korumak için periyodik bikarbonat ikmali (genellikle 'toplam alkalinite' ölçümü yoluyla tahmin edilir ).

Bu durumda, çok daha hızlı reaksiyonlar için ayrışma sabitleri

H 2 CO 3 ⇌ H + + HCO-
3
⇌ 2H + + CO2−
3

Eklenen HCO konsantrasyonundan, çözeltideki her çözünmüş inorganik karbon türünün konsantrasyonlarının tahmin edilmesini sağlar-
3
( tatlı suda 25 °C'de pH 7'den pH 8'e kadar Bjerrum arsa türlerinin %90'ından fazlasını oluşturur ).
HCO'nun eklenmesi-
3
CO'yu artıracak2−
3
Herhangi bir pH'ta konsantrasyon. Yukarıda verilen denklemleri yeniden düzenlediğimizde [Ca 2+ ] = olduğunu görebiliriz.K sp/[ CO2−
3
]
, ve [ CO2−
3
] =Ka2 [
HCO
_-
3
]/[H + ]. Bu nedenle, ne zaman HCO-
3
konsantrasyonu biliniyorsa, CaCO
3 çökeltme yoluyla ölçeklenmeden önce maksimum Ca2 + iyon konsantrasyonu aşağıdaki formülden tahmin edilebilir:

CaCO 3 ( K sp ) için çözünürlük ürünü ve çözünmüş inorganik karbon türleri ( Ka2 dahil ) için ayrışma sabitlerinin tümü sıcaklık ve tuzluluktan büyük ölçüde etkilenir ve [Ca 2+ ] max'ın tatlı sudan tuzlu suya arttığı genel etki ile birlikte ve ekteki grafiklerde gösterildiği gibi artan sıcaklık, pH veya eklenen bikarbonat seviyesi ile azalır.

Eğilimler havuz yönetimi için açıklayıcıdır, ancak ölçeklemenin gerçekleşip gerçekleşmeyeceği, Mg 2+ , B(OH) ile etkileşimler dahil olmak üzere diğer faktörlere de bağlıdır.-
4
ve havuzdaki diğer iyonların yanı sıra aşırı doygunluk etkileri. Ölçekleme, katot yüzeyinin yakınında yüksek bir pH'ın olduğu ve tortu birikiminin sıcaklığı daha da arttırdığı elektrolitik klor jeneratörlerinde yaygın olarak gözlenir. Bu, bazı havuz operatörlerinin birincil pH tamponu olarak bikarbonat yerine boratı tercih etmesinin ve kalsiyum içeren havuz kimyasallarının kullanımından kaçınmasının bir nedenidir.

Güçlü veya zayıf bir asit çözeltisinde çözünürlük

Güçlü ( HCl ), orta derecede güçlü ( sülfamik ) veya zayıf ( asetik , sitrik , sorbik , laktik , fosforik ) asitlerin çözeltileri ticari olarak mevcuttur. Kireç tortularını gidermek için yaygın olarak kireç çözücü olarak kullanılırlar. Bir litre asit çözeltisi tarafından "çözünebilecek" maksimum CaC03 miktarı , yukarıdaki denge denklemleri kullanılarak hesaplanabilir.

  • Azalan asit konsantrasyonuna sahip güçlü bir monoasit durumunda [A] = [A ], elde ederiz (CaCO 3 molar kütle = 100 g/mol ile):
[A] (mol/L) 1 10 -1 10 -2 10 −3 10 -4 10 -5 10 −6 10 -7 10 -10
İlk pH 0,00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 6.79 7.00
Nihai pH 6.75 7.25 7.75 8.14 8.25 8.26 8.26 8.26 8.27
Çözünmüş CaCO3 (
g/L asit)
50.0 5.00 0,514 0.0849 0.0504 0.0474 0.0471 0.0470 0.0470
burada ilk durum Ca2 + içermeyen asit çözeltisidir ( olası CO2 çözünmesini hesaba katmadan) ve son durum doymuş Ca2 + içeren çözeltidir . Güçlü asit konsantrasyonları için, tüm türler son durumda Ca 2+ ve A ile ilgili olarak ihmal edilebilir bir konsantrasyona sahiptir, böylece nötrlük denklemi yaklaşık olarak 2[Ca 2+ ] = [A ]' ye düşerek [Ca 2+ ] ≈ verir.1/2[A - ] . Konsantrasyon azaldığında, [ HCO-
3
] ihmal edilemez hale gelir, böylece önceki ifade artık geçerli olmaz. Kaybolan asit konsantrasyonları için, saf sudaki nihai pH ve CaC03'ün çözünürlüğü geri kazanılabilir .
[A] (mol/L) 1 10 -1 10 -2 10 −3 10 -4 10 -5 10 −6 10 -7 10 -10
İlk pH 2.38 2.88 3.39 3.91 4.47 5.15 6.02 6.79 7.00
Nihai pH 6.75 7.25 7.75 8.14 8.25 8.26 8.26 8.26 8.27
Çözünmüş CaCO3 (
g/L asit)
49.5 4.99 0.513 0.0848 0.0504 0.0474 0.0471 0.0470 0.0470
Aynı toplam asit konsantrasyonu için, zayıf asidin başlangıç ​​pH'ı, güçlü asidinkinden daha az asittir; ancak çözünebilen maksimum CaCO3 miktarı yaklaşık olarak aynıdır. Bunun nedeni, son durumda pH'ın p Ka'dan daha büyük olmasıdır, böylece zayıf asit neredeyse tamamen ayrışır ve sonunda kalsiyum karbonatı "çözmek" için güçlü asit kadar H + iyonu verir.
  • Fosforik asit (evsel uygulamalar için en yaygın olarak kullanılan) durumunda hesaplama, bu aside karşılık gelen dört ayrışma durumunun konsantrasyonlarının [ HCO3 ile birlikte hesaplanması gerektiğinden daha karmaşıktır .-
    3
    ], [ CO2−
    3
    ], [Ca 2+ ], [H + ] ve [OH - ]. Sistem , sayısal çözümü veren [H + ] için yedinci dereceden bir denkleme indirgenebilir.
[A] (mol/L) 1 10 -1 10 -2 10 −3 10 -4 10 -5 10 −6 10 -7 10 -10
İlk pH 1.08 1,62 2.25 3.05 4.01 5.00 5.97 6.74 7.00
Nihai pH 6.71 7.17 7.63 8.06 8.24 8.26 8.26 8.26 8.27
Çözünmüş CaCO3 (
g/L asit)
62.0 7,39 0.874 0.123 0.0536 0.0477 0.0471 0.0471 0.0470
burada [A] = [H 3 PO 4 ] + [ H
2
PO-
4
] + [ HPO2−
4
] + [ PO3−
4
] toplam asit konsantrasyonudur. Bu nedenle, fosforik asit bir monoasitten daha etkilidir, çünkü nihai neredeyse nötr pH'da, ikinci ayrışmış durum konsantrasyonu [ HPO2−
4
] ihmal edilebilir değildir (bkz . fosforik asit ).

Ayrıca bakınız

Bir su ısıtıcısında kireç tortusu olarak oluşan iğne benzeri kalsiyum karbonat kristallerinin elektron mikrografı

Referanslar

Dış bağlantılar