Canxi cacbonat

Canxi cacbonat là một hợp chất hóa học với công thức hóa học là CaCO₃. Đây là một chất thường được sử dụng trong y tế như một chất bổ sung canxi cho người bị loãng xương, cung cấp canxi cho cơ thể hay một chất khử axit. Canxi cacbonat là một thành phần chủ yếu trong vôi nông nghiệp. Chất này thường được tìm thấy dưới dạng đá ở khắp nơi trên thế giới và là thành phần chính của vỏ của các loài sò, ốc hoặc vỏ của ốc. Nó là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng nước cứng.

Có mặt tự nhiên

Canxi cacbonat được tìm thấy tự nhiên trong các khoáng chất và đá sau:

• Aragonit
• Calcit
• Phấn
• Vôi
• Cẩm thạch hoặc đá hoa
• Travertin

Vỏ trứng chứa đến 95% calci cacbonat.

Để kiểm tra xem chất khoáng hoặc đá có chứa calci cacbonat hay không, có thể sử dụng acid mạnh như acid hydrocloric. Nếu mẫu chứa calci cacbonat, nó sẽ thủng khí carbon dioxide (CO₂) và nước (H₂O). Acid yếu như acid axetic cũng phản ứng nhưng mạnh hơn. Tất cả các loại đá trên đều phản ứng với acid.

Sản xuất

Hầu hết calci cacbonat sử dụng trong công nghiệp được khai thác từ mỏ đá hoặc đá núi. Calci cacbonat tinh khiết (ví dụ như loại dùng trong thuốc hoặc dược phẩm) được sản xuất từ đá mỏ (thường là cẩm thạch) hoặc có thể được tạo ra bằng cách cho khí carbon dioxide đi qua dung dịch calci hydroxide theo phản ứng như sau:

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O

Tính chất hóa học

Canxi cacbonat có những tính chất chung của các hợp chất cacbonat. Đặc biệt là:

1. Tác dụng với acid mạnh, tỏa ra khí carbon dioxide:
   CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O
2. Khi nung nóng, tỏa ra khí carbon dioxide (ở nhiệt độ trên 825 °C đối với CaCO₃), để tạo ra calci oxit, thường gọi là vôi sống:
   CaCO₃ → CaO + CO₂↑

Canxi cacbonat phản ứng với nước có chứa carbon dioxide tan để tạo ra calci bicarbonat tan trong nước.

CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂

Phản ứng này có vai trò quan trọng trong quá trình xói mòn núi đá vôi và hình thành các hang động, dẫn đến hiện tượng nước cứng.

Sử dụng

Chất này được sử dụng chủ yếu trong ngành công nghiệp xây dựng, như là vật liệu xây dựng, cẩm thạch, hoặc là thành phần cấu thành của xi măng, hoặc được sản xuất từ nó. Đá vôi thường chứa cả magnezi carbonat.

Calci carbonat được sử dụng rộng rãi như một chất phụ gia kéo dài trong sơn, đặc biệt là trong sơn nhũ tương xỉn, trong đó thường có khoảng 30% lượng sơn là đá phấn hoặc đá hoa.

Calci carbonat cũng được sử dụng phổ biến làm chất độn trong nhựa dẻo. Ví dụ điển hình là khoảng 15 - 20% đá phấn được sử dụng trong ống dẫn nước bằng PVC không pha nhựa (uPVC), và từ 5 đến 15% đá phấn hoặc đá hoa tráng stearat trong khung cửa sổ bằng uPVC. Calci carbonat mịn là thành phần chính trong lớp màng vi xốp dùng cho tã giấy cho trẻ em và một số màng xây dựng, nhờ các lỗ hổng kết nối quanh các hạt calci carbonat trong quá trình sản xuất màng bằng phương pháp kéo giãn đa chiều.

Calci carbonat cũng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau và các chất kết dính tự chế, chất bịt kín và các chất độn trang trí. Keo dán ngói bằng gốm thường chứa khoảng 70-80% đá vôi. Các chất độn chống nứt và trang trí thường có hàm lượng tương tự của đá hoa hoặc dolomit. Nó cũng được pha trộn với màu tít để làm kính chuyển màu và như chất cản màu để ngăn không cho thủy tinh bám vào các ngăn trong lò khi nung các đồ tráng men hoặc vẽ bằng thuốc màu ở nhiệt độ cao.

Calci carbonat cũng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế như một loại bổ sung calci chi phí thấp, chất khử acid và/hoặc chất gắn phosphat. Nó cũng được sử dụng trong ngành dược phẩm làm chất nền cho thuốc viên từ các loại dược liệu khác.

Calci carbonat được biết đến là 'chất làm trắng' trong quá trình tráng men gốm sứ, nơi mà nó được sử dụng làm thành phần chính cho nhiều loại men dưới dạng bột trắng. Khi nung lớp men chứa chất này trong lò, calci carbonat 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 được làm từ calci carbonat hoặc thạch cao, sulfat calci ngậm nước CaSO₄·2H₂O.

Ở Bắc Mỹ, sử dụng calci carbonat thay thế cao lanh trong sản xuất giấy bóng đã trở thành một xu hướng. Châu Âu đã tiên phong trong việc sản xuất giấy kiềm và giấy không axit suốt nhiều thập kỷ. Calci carbonat có thể được tìm thấy dưới nhiều dạng, từ calci carbonat ngầm đến calci carbonat kết tủa. Loại kết tủa này có kích thước hạt rất mịn, đường kính khoảng 2 micron, rất hữu ích trong việc làm lớp tráng ngoài của giấy.

Là một loại phụ gia thực phẩm, calci carbonat được sử dụng trong nhiều sản phẩm như đậu phụ, làm phong phú nguồn cung calci hoặc trong sản xuất bánh kẹo (làm bánh kẹo cứng hơn). Nó cũng được sử dụng trong quá trình sản xuất thạch cao để làm giảm độ chua của khổ qua.

Vào năm 1989, một nhà nghiên cứu đã thêm CaCO₃ vào suối Whetstone ở Massachusetts. Hy vọng rằng calci carbonat sẽ phản ứng với axit trong dòng suối này do ảnh hưởng của mưa, để cứu loài cá hồi đã ngừng đẻ trứng trước đó. Mặc dù thí nghiệm của ông thành công, nhưng cũng dẫn đến tăng lượng ion nhôm trong khu vực suối không được xử lý bằng đá vôi. Điều này cho thấy CaCO₃ có thể được sử dụng để trung hòa tác dụng của mưa axit trong các hệ sinh thái sông ngày nay.

Cân bằng quá trình nung vôi

Quá trình nung vôi của đá vôi, sử dụng nhiệt từ lò than để sản xuất vôi sống, đã được thực hiện từ thời cổ đại trên nhiều nền văn hóa trên toàn thế giới. Câu trả lời cho câu hỏi 'Lửa cần có nhiệt độ là bao nhiêu?' thông thường được cho là 825 °C, tuy nhiên thông tin về ngưỡng tuyệt đối là không chính xác. Calci carbonat tồn tại trong cân bằng với calci oxit và carbon dioxide ở bất kỳ nhiệt độ nào. Ở mỗi nhiệt độ, áp suất phân tử của CO₂ là cân bằng với calci carbonat. Ở nhiệt độ phòng, cân bằng nghiêng về phía calci carbonat, do áp suất phân tử CO₂ chỉ chiếm một phần nhỏ trong áp suất phân tử CO₂ trong không khí, khoảng 0,035 kPa. Ở nhiệt độ trên 550 °C, áp suất phân tử của CO₂ bắt đầu vượt quá áp suất phân tử của CO₂ trong không khí. Vì vậy, trên 550 °C, calci carbonat bắt đầu giải phóng CO₂ vào không khí. Tuy nhiên, trong các lò nung bằng than, nồng độ CO₂ cao hơn nhiều so với nồng độ trong không khí. Nếu tất cả oxy trong lò nung được sử dụng cho phản ứng cháy, áp suất phân tử của CO₂ trong lò có thể lên đến 20 kPa. Bảng bên cạnh cho thấy rằng áp suất cân bằng này không thể đạt được cho đến khi nhiệt độ gần 800 °C. Để giải phóng CO₂ từ calci carbonat một cách hiệu quả về mặt kinh tế, áp suất cân bằng phải cao hơn đáng kể so với áp suất xung quanh của CO₂. Và để thực hiện điều này nhanh chóng, áp suất cân bằng phải vượt qua áp suất tổng hợp của không khí (101 kPa), điều này chỉ xảy ra ở 898 °C.

Quá trình tan trong nước

Calci carbonat tan rất ít trong nước. Cân bằng dung dịch của nó có thể được biểu diễn bằng phương trình sau đây (với calci carbonat tan ở vế phải):

CaCO3 ⇋ Ca + CO3

Ksp = 3,7×10 tới 8,7×10 ở 25 °C

Cân bằng tan chảy của [Ca][CO₃] được xác định trong khoảng K_sp = 3,7×10 đến K_sp = 8,7×10 ở 25 °C, tùy thuộc vào nguồn dữ liệu. Điều này có nghĩa là tích của nồng độ mol của ion calci (số mol Ca tan trong một lít dung dịch) với nồng độ mol của CO₃ tan không thể vượt quá giá trị K_sp. Mặc dù nó có vẻ là một phương trình tan đơn giản, thực tế lại phức tạp hơn nhiều do sự tương tác phức tạp giữa carbon dioxide và nước. Một số ion CO₃ kết hợp với ion H trong dung dịch theo phương trình:

HCO3 ⇋ H + CO3

Ka2 = 5,61×10 ở 25 °C

HCO₃ cũng được gọi là ion bicarbonat. Calci bicarbonat tan trong nước nhiều hơn nhiều so với calci carbonat — tuy nó chỉ tồn tại trong dạng dung dịch.

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

H2CO3 ⇋ H + HCO3

Ka1 = 2,5×10 ở 25 °C

Một số H₂CO₃ phân hủy thành nước và carbon dioxide hòa tan theo phương trình:

H2O + CO2(hòa tan) ⇋ H2CO3

Kh = 1,70×10 ở 25 °C

Và carbon dioxide hòa tan trong nước có cân bằng với carbon dioxide trong không khí theo phương trình:

$\frac{P_{{CO}_2}}{\left[{CO}_2\right]}=k_c^{\prime }$

trong đó k'c = 29,76 atm/(mol/L) ở 25 °C (Hằng số Henry), $P_{{CO}_2}$ là áp suất thành phần của CO2.

Đối với không khí xung quanh, $P_{{CO}_2}$ là khoảng 3,5×10 atm (tương đương khoảng 35 Pa). Phương trình cuối cùng cho thấy nồng độ CO₂ hòa tan phụ thuộc vào nồng độ CaCO₃ tan trong dung dịch. Ở áp suất phần tử của CO₂ trong không khí, nồng độ CO₂ tan là 1,2×10

H2O ⇋ H + OH

K = 10 ở 25 °C

(điều này đúng cho tất cả dung dịch trong nước), và một điều thực tế khác là dung dịch phải được trung hòa điện tích,

2[Ca] + [H] = [HCO₃] + 2[CO₃] + [OH]

Làm cho nó trở thành khả năng để giải quyết cùng một lúc cho 5 nồng độ còn lại. Bảng bên phải chỉ ra kết quả cho [Ca] và [H] (dưới dạng pH) như là hàm số của áp suất thành phần CO₂ xung quanh (K_sp = 4,47×10^-2 được sử dụng để tính toán). Ở các mức CO₂ trong không khí xung quanh, bảng chỉ ra rằng dung dịch là kiềm. Tendencies mà bảng này cho thấy là:

1) Khi áp suất thành phần CO₂ xung quanh giảm xuống dưới mức của không khí, dung dịch trở nên kiềm hơn. Ở $P_{{CO}_2}$ cực thấp, CO₂ hòa tan, ion bicarbonat và ion carbonat chủ yếu bị thoát ra từ dung dịch, tạo ra dung dịch có tính kiềm cao hơn của calci hydroxide với độ hòa tan cao hơn của CaCO₃.

2) Khi áp suất thành phần CO₂ xung quanh tăng lên cao hơn mức trong không khí, pH giảm xuống và hầu hết ion carbonat chuyển hóa thành ion bicarbonat, dẫn đến độ hòa tan cao hơn của Ca.

Tác động của xu hướng thứ hai được quan sát 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. Vì nước này thấm qua các lớp đá chứa calci carbonat, nên CaCO₃ bị hòa tan theo xu hướng thứ hai. Sau đó, khi nước này chảy ra ngoài và tiếp xúc với không khí, nó phải cân bằng với mức CO₂ trong không khí bằng cách giải phóng lượng CO₂ dư thừa. Calci carbonat sẽ ít hòa tan hơn và kết quả là nó sẽ lắng đọng thành các lớp vảy đá vôi. Quá trình tương tự là nguyên nhân hình thành các stalactite và stalagmite trong các hang động đá vôi.