آشنایی با حلال های کربنات کلسیم و انحلال پذیری آن
حل شدن به عنوان یک ماده معدنی بسیار فراوان از اهمیت زیادی برخوردار است. خرید کربنات کلسیم به این دلیل اهمیت دارد که کربنات کلسیم هم ماده بسیار پر کاربرد در صنایع و مشاغل مختلف است و هم می تواند ماده ای ناخواسته باشد که به صورت رسوب در لوله های آب ، دیگ های بخار و … است و مشکلات مختلفی را برای ما ایجاد می نماید. کلسیم کربنات یک ماده معدنی مانند است و انحلال آن در آب خالص بسیار ناچیز (در حدود 47 میلی گرم در هر لیتر آب در دمای محیط) می باشد. معادله حل شدن کربنات کلسیم در آب به شرح زیر است:
CaCO3 → Ca2+ + CO2− 3
این معادله نشان می دهد که غلظت مولی یون های پودر میکرونیزه، یعنی میزان مول های حل شده یون کلسیم در هر لیتر آب ، بیش از غلظت یون گاز کربنیک نخواهد بود. بنابراین باید معادله حل شدن کربنات کلسیم در آب را همیشه با تعادل پیچیده دی اکسید کربن در آب در تناظر داشته باشیم. ترکیب گاز کربنیک با گاز هیدروژن ، حاصل از انحلال این گاز در آب به شرح زیر است:
HCO−3 → H+ + CO2−3
HCO−3 به نام یون بی کربنات شناخته می شود. بی کربنات کلسیم که هیدروژن کربنات هم نام دارد به نسبت ، انحلال پذیری بسیار بیشتری در آب دارد و در واقع فقط به صورت محلول و آبپوش وجود دارد. بعضی از یون های بی کربنات با معادله زیر با یون هیدروژن ترکیب می شود:
H2CO3 → H+ + HCO−3
بعضی از یون های H2CO3 در آب شکسته شده و گاز دی اکسید کربن آزاد می کند. معادله شیمیایی دی اکسید کربن محلول با دی اکسید کربن جو در تعامل است:
H2O + CO2 → H2CO3
در فشار معمول جو ، در حدود 5-10*1.2 مول دی اکسید کربن در هر لیتر آب حل می شود. البته این میزان پیش از ایجاد یون بی کربنات در آب صورت می گیرد. البته محلول باید از نظر الکتریکی خنثی باشد:
H2O → H + OH
2Ca2+ + H+ = HCO−3 + 2CO2−3 + OH
این معادله تنها در آب خالص یا محلولی با pH خنثی صادق است. در فشار معمول جو ، میزان حل شدن کربنات کلسیم در محلولی که اندکی قلیایی باشد می تواند حداکثر به میزان 47 میلی گرم در هر لیتر آب برسد.
تاثیر فشار جو بر حل شدن کربنات کلسیم
در حالت اول با توجه به اینکه فشار گاز دی اکسید کربن محلول کمتر از فشار جو است ، محلول به تدریج قلیایی تر می شود و در نتیجه ، گاز کربنیک ، یون بی کربنات و یون کربنات شروع به تبخیر شدن می کند و کم کم تولید می شود. حالت دوم این است که اگر فشار جو افزایش یافته و از فشار محلول بیشتر شود ، آنگاه دی اکسید کربن در محلول راحت تر حل می شود. حل شدن گاز کربنیک در آب pH آن را افزایش می دهد که در نتیجه یون بی کربنات بیشتری تولید شده و حل شدن کربنات کلسیم بیشتر خواهد شد.
حالت دوم که نتیجه آن ایجاد آب سخت است ، معمولا در طبیعت و در سفره های زیرزمینی آب ایجاد می شود زیرا در این سفره ها ، غلظت گاز کربنیک و فشار هوا بیشتر از سطح زمین است. بنابراین یون کلسیم از طریق عبور آب از سنگ های کربنات کلسیم در داخل آب حل می شود و زمانی که آب بوسیله لوله ها و شیر به منازل می رسد ، میزان آهکی بودن آب می تواند مشکل ساز شود. معمولا دو آبپوش کلسیم کربنات به نام مونوهیدرات کلسیت CaCO3·H2O و ایکائیت CaCO3·6H2O بیشترین عامل رسوب آهک در وسایل هستند.
تاثیر دما ، شوری و pH بر حل شدن کربنات کلسیم
بر خلاف اتفاقی که در طبیعت رخ می دهد ، در بسیاری از استخر های شنا ، به آب استخر بی کربنات سدیم یا همان جوش شیرین می افزایند و برای تنظیم پی اچ هم از موادی مثل هیدروکلریک اسید ، کاستیک سودا ، NaHSO4 ، سودا اش و کلر استفاده می کنند. این کار حلال کربنات کلسیم را دچار تغییراتی می نماید. فرایند آزاد شدن گاز دی اکسید کربن آهسته است:
H2CO3 → CO2 + H2O
با این حال از طریق افزودن مواد شیمیایی که اشاره شد ، می توان سرعت واکنش را افزایش داد که در نتیجه معادله آن به شکل زیر خواهد بود:
H2CO3 → H+ + HCO−3 ⇌ 2 H+ + CO2−3
انحلال در اسید های قوی و ضعیف
اسید ها حلال کربنات کلسیم هستند. از اسید ها علاوه بر کاربرد های شیمیایی ، برای رسوب زدایی لوله های آب ، تجهیزات گرمایشی و سرمایشی و دیگ های بخار استفاده می شود تا آهک ایجاد شده در آن را از بین ببرند. به همین خاطر برخی اسید های قوی ، متوسط و ضعیف که به صورت تجاری در بازار وجود دارند را نام می بریم:
اسید قوی : اسید کلریدریک – اسید سولفوریک
اسید متوسط : اسید سولفامیک
اسید ضعیف : اسید استیک – اسید سیتریک – اسید سوربیک – اسید لاکتیک – اسید فسفریک
حلال کربنات کلسیم چیست؟
در این مطلب به بررسی حلال می پردازیم. حلالیت یک ماده باید در شرایط گوناگونی نظیر نوع حلال ، دما ، فشار ، پی اچ و … سنجیده شود و نمی توان تنها با چند کلمه نوع حلالیت یک ماده شیمیایی یا ارگانیک را توصیف نمود. یکی از شرایط سنجش حلالیت کربنات کلسیم در شرایط میزان متفاوت گاز کربنیک است. کربنات کلسیم انحلال پذیری اندکی در آب خالص داشته و میزان آن حدود ۴۷ میلی گرم در لیتر می باشد که البته این میزان در فشار نرمال گاز کربنیک اتمسفر است. معادله واکنش حلالیت کربنات کلسیم در این شرایط به شرح زیر است:
CaCO3 ⇌ Ca2+ + CO2−۳
این معادله به دلیل دارای یون های CO2−۳ و Ca2+ نیازمند تشریح است. معادله حلال کربنات کلسیم در این حالت نشان می دهد که غلظت مولی یون های کربنات (مول های حل شده Ca2+ در هر لیتر از محلول) با غلظت یونی محلول CO2−۳ نمی تواند فراتر از Ksp باشد. این معادله به نظر ساده می رسد ولی در صورت افزوده شدن دی اکسید کربن و آب (اسید کربنیک) به عنوان حلال کربنات کلسیم موجب پیچیده تر شده معادله خواهد شد.
در فشارهای مختلف جوی گاز دی اکسید کربن ، میزان قلیاییت بر انحلال کربنات کلسیم ماثر است. به این صورت که هر چه فشار اتمسفر کاهش یابد ، قلیاییت محلول بیشتر و بیشتر می شود و میزان بخار تولید شده در اثر انحلال یون های کربنات و بی کربنات افزایش می یابد. البته میزان انحلال مشتقات کربنات کلسیم نظیر بیشتر از خود کربنات کلسیم است.
تاثیر آب به عنوان حلال کربنات کلسیم از اهمیت زیادی برای انسان ها برخوردار است زیرا موجب سختی آب خواهد شد. آب های روان در سفره های زیرزمینی با فشار های مختلف جوی و سطوح متفاوت گاز کربنیک نسبت به آب موجود در سطح زمین مواجه هستند. در نتیجه آب سفره های زیر زمینی که به صخره های کربنات کلسیم رسوب می کنند مقادیری از این ماده را در خود حل می نمایند و پس از خروج از سفره و جاری شدن بر سطح زمین ، گاز دی اکسید کربن آزاد می کنند. در نتیجه آب به عنوان حلال کربنات کلسیم در طبیعت عامل ایجاد استالاگمیت ها و استالاکتیت ها در غارهای آهکی می شود.
تاثیر سطوح مختلف پی اچ ، دما و شوری بر حلال کربنات کلسیم
در استخرهای شنا به منظور جلوگیری از آهکی شدن آب و جلوگیری از انحلال بیش از حد کربنات کلسیم در آب ، از مواد مختلفی نظیر اسید کلریدریک ، سدیم بی سولفات ، کربنات سدیم ، و کلر استفاده می شود تا اسیدی یا قلیایی بودن آب تحت کنترل باشد. این کار ، تاثیر فشار گاز کربنیک بر حلالیت کربنات کلسیم در آب کاهش خواهد یافت. معادله چنین واکنشی به شرح زیر است:
واکنش انحلال کم سرعت
H2CO3 ⇌ CO2(aq) + H2O
واکنش انحلال پر سرعت
H2CO3 ⇌ H+ + HCO−۳ ⇌ ۲ H+ + CO2
تفاوت اسیدهای قوی و ضعیف بعنوان حلال کربنات کلسیم
اسید های قوی مانند هیدروکلریک اسید ، متوسط مانند سولفامیک اسید و ضعیف نظیر استیک ، سیتریک ، سوربیک ، لاکتیک و فسفریک در بازار به منظور جلوگیری از کپک و همچنین رسوبات در ظروف و لوله ها بفروش می رسد. بیشترین میزان کربنات کلسیم که قابل انحلال در یک لیتر از محلول اسیدی می باشد در جدول زیر آمده است.
| [A] (mol/L) | ۱ | ۱۰−۱ | ۱۰−۲ | ۱۰−۳ | ۱۰−۴ | ۱۰−۵ | ۱۰−۶ | ۱۰−۷ | ۱۰−۱۰ |
| Initial pH | ۰٫۰۰ | ۱٫۰۰ | ۲٫۰۰ | ۳٫۰۰ | ۴٫۰۰ | ۵٫۰۰ | ۶٫۰۰ | ۶٫۷۹ | ۷٫۰۰ |
| Final pH | ۶٫۷۵ | ۷٫۲۵ | ۷٫۷۵ | ۸٫۱۴ | ۸٫۲۵ | ۸٫۲۶ | ۸٫۲۶ | ۸٫۲۶ | ۸٫۲۷ |
| Dissolved CaCO3 (g/ of acid) | ۵۰٫۰ | ۵٫۰۰ | ۰٫۵۱۴ | ۰٫۰۸۴۹ | ۰٫۰۵۰۴ | ۰٫۰۴۷۴ | ۰٫۰۴۷۱ | ۰٫۰۴۷۰ | ۰٫۰۴۷۰ |
