Canxi cacbonat

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới: menu, tìm kiếm
Canxi cacbonat
Cacbonat canxi
Cacbonat canxi
Tổng quan
Danh pháp IUPAC Cacbonat canxi
Tên khác Canxi cacbonat
Công thức phân tử CaCO3
Phân tử gam 100,087 g/mol
Biểu hiện Bột màu trắng
Số CAS [471-34-1] (tổng hợp)
[1317-65-3] (tự nhiên)
Thuộc tính
Tỷ trọngpha 2,83 g/cm3, rắn
Độ hòa tan trong nước Không hòa tan
Điểm nóng chảy 825 °C (1.098 K)
Điểm sôi Phân hủy
pKa
pKb
Độ nhớt
Nguy hiểm
MSDS MSDS ngoài
Các nguy hiểm chính
NFPA 704 Nfpa h1.pngNfpa f0.pngNfpa r0.png
Điểm bắt lửa Không cháy
Rủi ro/An toàn R: 36, 37, 38
S: 26, 36
Số RTECS FF9335000
EV9580000
Trang dữ liệu bổ sung
Cấu trúc & thuộc tính n εr, v.v.
Dữ liệu nhiệt động lực Các trạng thái
rắn, lỏng, khí
Dữ liệu quang phổ UV, IR, NMR, MS
Các hợp chất liên quan
Các hợp chất tương tự Magiê cacbonat
Stronti cacbonat
Các hợp chất liên quan Canxi bicacbonat
Canxi ôxít
Ngoại trừ có thông báo khác, các dữ liệu
được lấy ở 25°C, 100 kPa
Thông tin về sự phủ nhận và tham chiếu

Cacbonat canxi hay Canxi cacbonat là một hợp chất hóa học với công thức hóa họcCaCO3. Đây là một chất thường được sử dụng trong y tế như một chất bổ sung canxi hay một chất khử chua. Cacbonat canxi là một thành phần cấu thành hoạt hóa trong vôi nông nghiệp. Chất này thường được tìm thấy dưới dạng đá ở khắp nơi trên thế giới, là thành phần chính trong mai/vỏ của các loài sò, ốc hoặc vỏ của ốc. Nó là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng nước cứng.

Hiện diện tự nhiên[sửa | sửa mã nguồn]

Cacbonat canxi được tìm thấy trong tự nhiên trong các khoáng chất và đá sau:

Vỏ trứng có tới 95% là cacbonat canxi.

Để thử chất khoáng hay đá có chứa cacbonat canxi hay không, các axít mạnh như axít clohiđric, có thể dùng để thử. Nếu mẫu thử có chứa cacbonat canxi, nó sẽ sủi bọt và tạo ra khí điôxít cacbon (CO2) và nước (H2O). các axít yếu như axít axetic cũng phản ứng nhưng với mức độ kém mạnh mẽ hơn. Tất cả các loại đá nêu trên đều phản ứng với axít.

Điều chế[sửa | sửa mã nguồn]

Đa số cacbonat canxi được sử dụng trong công nghiệp là được khai thác từ đá mỏ hoặc đá núi. Cacbonat canxi tinh khiết (ví dụ loại dùng làm thuốc hoặc dược phẩm), được điều chế từ nguồn đá mỏ (thường là cẩm thạch) hoặc nó có thể được tạo ra bằng cách cho khí điôxít cacbon chạy qua dung dịch hyđroxit canxi theo phản ứng như sau:

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

Tính chất hóa học[sửa | sửa mã nguồn]

Xem thêm: Cacbonat

Cacbonat canxi có chung tính chất đặc trưng của các chất cacbonat. Đặc biệt là:

  1. Tác dụng với axít mạnh, giải phóng điôxít cacbon:
    CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 + H2O
  2. Khi bị nung nóng, giải phóng điôxít cacbon (trên 825 °C trong trường hợp của CaCO3), để tạo ôxít canxi, thường được gọi là vôi sống:
    CaCO3 → CaO + CO2

Cacbonat canxi sẽ phản ứng với nước có hòa tan điôxít cacbon để tạo thành bicacbonat canxi tan trong nước.

CaCO3 + CO2 + H2O → Ca(HCO3)2

Phản ứng này quan trọng trong sự ăn mòn núi đá vôi và tạo ra các hang động, gây ra nước cứng.

Sử dụng[sửa | sửa mã nguồn]

Chất này được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp xây dựng như đá xây dựng, cẩm thạch hoặc là thành phần cầu thành của xi măng hoặc từ nó sản xuất ra vôi. Trong đá vôi thường có cả cacbonat magiê.

Cacbonat canxi được sử dụng rộng rãi trong vai trò của chất kéo duỗi trong các loại sơn, cụ thể là trong sơn nhũ tương xỉn trong đó thông thường khoảng 30% khối lượng sơn là đá phấn hay đá hoa.

Cacbonat canxi cũng được sử dụng rộng rãi làm chất độn trong chất dẻo. Một vài ví dụ điển hình bao gồm khoảng 15 - 20% đá phấn trong ống dẫn nước bằng PVC không hóa dẻo (uPVC), 5 đến 15% đá phấn hay đá hoa tráng stearat trong khung cửa sổ bằng uPVC. Cacbonat canxi mịn là thành phần chủ chốt trong lớp màng vi xốp sử dụng trong tã giấy cho trẻ em và một số màng xây dựng do các lỗ hổng kết nhân xung quanh các hạt cacbonat canxi trong quá trình sản xuất màng bằng cách kéo giãn lưỡng trục.

Cacbonat canxi cũng được sử dụng rộng rãi trong một loạt các công việc và các chất kết dính tự chế, chất bịt kín và các chất độn trang trí. Các keo dán ngói bằng gốm thường chứa khoảng 70-80% đá vôi. Các chất độn chống nứt trang trí chứa hàm lượng tương tự của đá hoa hay đolomit. Nó cũng được trộn lẫn với mát tít để lắp các cửa sổ kính biến màu, cũng như chất cản màu để ngăn không cho thủy tinh bị dính vào các ngăn trong lò khi nung các đồ tráng men hay vẽ bằng thuốc màu ở nhiệt độ cao.

Cacbonat canxi cũng được sử dụng rộng rãi trong y tế với vai trò là thuốc bổ sung khẩu phần canxi giá rẻ, chất khử chua và/hoặc chất gắn phốtphat. Nó cũng được sử dụng trong công nghiệp dược phẩm làm chất nền cho thuốc viên làm từ loại dược phẩm khác.

Cacbonat canxi được biết đến là "chất làm trắng" trong việc tráng men đồ gốm sứ nơi nó được sử dụng làm thành phần chung cho nhiều loại men dưới dạng bột trắng. Khi lớp men có chứa chất này được nung trong lò, chất vôi trắng là vật liệu trợ chảy trong men.

Nó cũng thường được gọi là đá phấn vì nó là thành phần chính của phấn viết bảng. Phấn viết ngày nay có thể hoặc làm từ cacbonat canxi hoặc là thạch cao, sulfat canxi ngậm nước CaSO4·2H2O.

Ở Bắc Mỹ, cacbonat canxi đã bắt đầu thay thế cao lanh trong việc sản xuất giấy bóng. Châu Âu đã thực hiện việc sản xuất giấy kiềm hay sản xuất giấy không axit trong nhiều thập kỷ. Cacbonat có sẵn dưới các dạng: cacbonat canxi ngầm hay cacbonat canxi kết tủa. Loại kết tủa này rất mịn và có kích cỡ hạt khống chế được, có kích thước ở mức đường kính khoảng 2 micron, hữu dụng trong việc làm lớp tráng ngoài của giấy.

Là một phụ gia thực phẩm, nó được sử dụng trong một số sản phẩm sữa đậu nành như một nguồn bổ sung khẩu phần canxi.

Năm 1989, một nhà nghiên cứu đã cho CaCO3 vào suối Whetstone ở Massachusetts [cần dẫn nguồn]. Ông ta hy vọng rằng cacbonat canxi sẽ phản ứng với axit trong dòng suối này do mưa gây ra nhằmg cứu loài cá hồi trước đó đã ngưng đẻ trứng. Dù cho thí nghiệm của ông thành công, nhưng nó cũng là tăng lượng ion nhôm trong khu vực của con suối không được xử lý bằng đá vôi. Điều này cho thấy rằng CaCO3 có thể thêm vào để trung hòa tác dụng của mưa axit ở trong các hệ sinh thái sông. Ngày nay, cacbonat canxi được sử dụng để trung hòa tình trạng chua ở trong đất và nước (như ở ruộng phèn). [cần dẫn nguồn]

Cân bằng nung vôi[sửa | sửa mã nguồn]

Áp suất cân bằng của CO2 với CaCO3[1]
550 °C 0,055 kPa
587 °C 0,13 kPa
605 °C 0,31 kPa
680 °C 1,80 kPa
727 °C 5,9 kPa
748 °C 9,3 kPa
777 °C 14 kPa
800 °C 24 kPa
830 °C 34 kPa
852 °C 51 kPa
871 °C 72 kPa
881 °C 80 kPa
891 °C 91 kPa
898 °C 101 kPa
937 °C 179 kPa
1.082 °C 901 kPa
1.241 °C 3.961 kPa

Quá trình nung vôi của đá vôi sử dụng nhiệt của lò than để sản xuất vôi sống đã được thực hiện từ thời cổ đại trong nhiều nền văn hóa trên khắp thế giới. Câu trả lời cho câu hỏi "Lửa cần có nhiệt độ là bao nhiêu?" thông thường đưa ra con số 825 °C, nhưng thông báo về ngưỡng tuyệt đối là sai lầm. Cacbonat canxi tồn tại trong cân bằng với ôxít canxi và điôxít cacbon ở bất kỳ nhiệt độ nào. Ở mỗi mức nhiệt độ đều có một áp suất thành phần của điôxít cacbon sao cho nó là cân bằng với cacbonat canxi. Ở nhiệt độ phòng thì cân bằng nghiêng hẳn về phía cacbonat canxi, do áp suất cân bằng của CO2 chỉ là phần rất nhỏ trong áp suất thành phần của CO2 trong không khí, nó là khoảng 0,035 kPa. Ở nhiệt độ trên 550 °C thì áp suất cân bằng của CO2 bắt đầu vượt qua áp suất của CO2 trong không khí. Vì thế trên 550 °C thì cacbonat canxi bắt đầu giải phóng CO2 vào không khí. Nhưng trong các lò nung bằng than thì nồng độ của CO2 sẽ cao hơn rất nhiều so với nồng độ của nó trong không khí. Nếu tất cả ôxy trong lò nung được tiêu thụ cho sự cháy thì áp suất thành phần của CO2 trong lò có thể cao tới 20 kPa. Bảng bên cạnh chỉ ra rằng áp suất cân bằng này không thể đạt được cho đến khi nhiệt độ là gần 800 °C. Để việc giải phóng CO2 từ cacbonat canxi có thể diễn ra ở tốc độ có lợi về mặt kinh tế thì áp suất cân bằng phải cao hơn đáng kể so với áp suất xung quanh của CO2. Và để cho nó diễn ra nhanh chóng thì áp suất cân bằng phải vượt qua áp suất tổng cộng của không khí (101 kPa), điều này chỉ xảy ra ở 898 °C.

Hòa tan trong nước[sửa | sửa mã nguồn]

Cacbonat canxi hòa tan rất kém trong nước. Cân bằng của dung dịch của nó được đưa ra theo phương trình sau (với cacbonat canxi hòa tan ở vế phải):

CaCO3 Ca2+ + CO32– Ksp = 3,7×10−9 tới 8,7×10−9 ở 25 °C

trong đó cân bằng hòa tan đối với [Ca2+][CO32–] được đưa ra trong khoảng Ksp = 3,7×10−9 tới Ksp = 8,7×10−9 ở 25 °C, tùy theo nguồn dữ liệu[2],[3]. Nó có nghĩa là sản phẩm nồng độ mol của các ion canxi (số mol Ca2+ hòa tan trên một lít dung dịch) với nồng độ mol của CO32– hòa tan không thể vượt quá giá trị Ksp. Nó dường như là một phương trình hòa tan đơn giản, tuy nhiên, cần phải tính toán tới cân bằng phức tạp hơn nhiều của điôxít cacbon với nước. Một số ion CO32– kết hợp với các ion H+ trong dung dịch theo phương trình:

HCO3 H+ + CO32–    Ka2 = 5,61×10−11 ở 25 °C

HCO3 còn gọi là ion bicacbonat. Bicacbonat canxi hòa tan trong nước cao gấp nhiều lần so với cacbonat canxi—nhưng nó chỉ tồn tại trong dung dịch.

Một số ion HCO3 kết hợp với H+ trong dung dịch theo phương trình:

H2CO3 H+ + HCO3    Ka1 = 2,5×10−4 ở 25 °C

Một số H2CO3 phân rã thành nước và điôxít cacbon hòa tan theo phương trình:

H2O + CO2(hòa tan) H2CO3    Kh = 1,70×10−3 ở 25 °C

Và điôxít cacbon hòa tan nằm trong cân bằng với điôxít cacbon trong không khí theo phương trình:

\frac{P_{\mathrm{CO}_2}}{[\mathrm{CO}_2]}\ =\ k'_c trong đó k'c = 29,76 atm/(mol/L) ở 25 °C (Hằng số Henry), \scriptstyle P_{\mathrm{CO}_2} là áp suất thành phần của CO2.
Độ hòa tan của ion canxi
như là hàm số của áp suất thành phần của CO2 ở 25 °C
\scriptstyle P_{\mathrm{CO}_2} (atm) pH [Ca2+] (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

Đối với không khí xung quanh, \scriptstyle P_{\mathrm{CO}_2} là khoảng 3,5×10−4 atm (hay khoảng 35 Pa). Phương trình cuối trên đây coi nồng độ của CO2 hòa tan như hàm số của \scriptstyle P_{\mathrm{CO}_2}, phụ thuộc vào nồng độ của CaCO3 hòa tan. Ở áp suất thành phần trong không khí của CO2 thì nồng độ của CO2 hòa tan là 1,2×10–5 mol/L. Phương trình trước đó coi nồng độ của H2CO3 như hàm số của [CO2]. Đối với [CO2]=1,2×10–5, nó cho kết quả là [H2CO3]=2,0×10−8 mol/L. Khi [H2CO3] đã biết thì ba phương trình còn lại cùng với

H2O H+ + OH K = 10−14 ở 25 °C

(điều này là đúng cho mọi dung dịch trong nước), và một thực tế là dung dịch phải trung hòa về điện,

2[Ca2+] + [H+] = [HCO3] + 2[CO32–] + [OH]

làm cho nó là có thể giải được đồng thời cho 5 nồng độ chưa biết còn lại. Bảng bên phải chỉ ra kết quả cho [Ca2+] và [H+] (trong dạng pH) như là hàm số của áp suất thành phần xung quanh của CO2 (Ksp = 4,47×10−9 được lấy để tính toán). Ở các mức trong không khí của CO2 xung quanh thì bảng chỉ ra rằng dung dịch hơi có tính kiềm. Xu hướng mà bảng này chỉ ra là:

1) Khi áp suất thành phần xung quanh của CO2 giảm xuống dưới mức của không khí thì dung dịch trở nên kiềm hơn. Ở \scriptstyle P_{\mathrm{CO}_2} cực thấp, CO2 hòa tan, ion bicacbonat và ion cacbonat chủ yếu thoát ra từ dung dịch, để lại dung dịch có tính kiềm cao hơn của hyđroxit canxi với độ hòa tan cao hơn của CaCO3.
2) Khi áp suất thành phần xung quanh của CO2 tăng tới các mức cao hơn mức trong không khí thì pH giảm xuống và phần nhiều ion cacbonat bị chuyển hóa thành ion bicacbonat, kết quả là độ hòa tan cao hơn của Ca2+.

Hiệu ứng của xu hướng sau được nhận thấy hàng ngày đối với những người sử dụng nước cứng. Nước trong các tầng ngậm nước ngầm dưới mặt đất có thể tiếp xúc với các mức CO2 cao hơn của không khí. Do nguồn nước này thấm qua các lớp đá chứa cacbonat canxi nên CaCO3 bị hòa tan theo xu hướng thứ hai. Cũng nguồn nước này sau đó chảy ra ngoài để tiếp xúc với không khí thì nó phải cân bằng với các mức CO2 trong không khí bằng cách giải phóng lượng CO2 dư thừa. Cacbonat canxi trở thành ít hòa tan hơn và kết quả là nó lắng đọng xuống như các lớp vảy đá vôi. Quá trình tương tự là nguyên nhân hình thành nên các vú đánhũ đá trong các hang động đá vôi.

Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ CRC Handbook of Chemistry and Physics, xuất bản lần thứ 44, trang 2292
  2. ^ CSUDH
  3. ^ CRC Handbook of Chemistry and Physics, xuất bản lần thứ 44.

Xem thêm[sửa | sửa mã nguồn]

Trầm tích cacbonat canxi dạng travertin từ suối nước nóng

Liên kết ngoài[sửa | sửa mã nguồn]