WĘGLAN WAPNIA: BUDOWA, WŁAŚCIWOŚCI, TWORZENIE, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2026

Węglan wapnia jest nieorganicznym związkiem, którego wzór chemiczny jest CaCO ₃ . Występuje głównie w minerałach, takich jak kalcyt i aragonit. Tworzy również wapień, skałę osadową, w której występuje kalcyt mineralny.

Ten ważny węglan metalu jest uzyskiwany przemysłowo poprzez ekstrakcję i mielenie minerałów, które go zawierają; Do tego celu używany jest głównie marmur. Inny proces polega na zastosowaniu tlenku wapnia, który przekształca się w wodorotlenek wapnia, wytrącając z niego węglan wapnia przez dodanie dwutlenku węgla. W ten sposób uzyskuje się kryształy o szerokim zakresie rozmiarów.

Muszla ślimaków składa się głównie z węglanu wapnia. Źródło: Pixabay.

Muszle małży, jaja i ostrygi, w których występuje, można również wykorzystać do przemysłowej produkcji CaCO ₃ na małą skalę.

Węglan wapnia obecny w wapieniu jest rozpuszczany w wodzie przez dwutlenek węgla, tworząc wodorowęglan wapnia. To działanie może spowodować powstanie jaskiń i jest przyczyną alkalizacji wody; wydarzenie o dużym znaczeniu dla utrzymania w nim życia.

Był używany do budowy i wykonywania rzeźb; Przykładami tego są Partenon w Atenach, katedra krakowska czy rzeźba Abrahama Lincolna w Waszyngtonie. Jednak jego podatność na kwaśne deszcze zmniejszyła jego zastosowanie w budownictwie.

Węglan wapnia ma wiele zastosowań w przemyśle jako wypełniacz do tworzyw sztucznych i papieru. W medycynie był stosowany do kontrolowania kwaśności soku żołądkowego; jako suplement diety w wapń; do kontrolowania fosfatemii u pacjentów z przewlekłą niewydolnością nerek itp.

Struktura

Struktura krystaliczna CaCO3 przedstawiona za pomocą przestrzennego modelu wypełnienia. Źródło: CCoil

Wzór na węglan wapnia, CaCO ₃ , wskazuje, że stosunek jonów Ca ^{2+ do} CO ₃ ^2- wynosi 1: 1; to znaczy, dla każdego Ca ²⁺ istnieje odpowiednik CO ₃ ^2- oddziałujący z nim elektrostatycznie. W ten sposób wiązanie jonowe kończy się układaniem tych jonów w celu utworzenia strukturalnych wzorów definiujących kryształ.

Górny obraz przedstawia strukturę CaCO ₃ . Zielone kulki odpowiadają ^kationom Ca ²⁺ , a czerwone i czarne - anionom CO ₃ ^2- . Należy zwrócić uwagę, że struktura wydaje się składać z wielu warstw: jednej z wapnia, a drugiej z węglanu; co oznacza, że ​​krystalizuje w zwartą strukturę heksagonalną.

Ta faza heksagonalna (β-CaCO ₃ ) odpowiada polimorfowi. Są jeszcze dwa inne: rombowy (λ-CaCO ₃ ) i jeszcze gęstszy heksagonalny (μ-CaCO ₃ ). Poniższy obraz pomaga lepiej zwizualizować szczęśliwy sześciokąt:

Sześciokątna struktura kalcytu. Materiałoznawca z angielskiej Wikipedii

Jednak w zależności od temperatury (i dla tej soli w mniejszym stopniu ciśnienia) jony w swoich drganiach dopasowują się do innych struktur; są to już wspomniane polimorfy (β, λ i μ).

Jak brzmią, nie są zbyt dobrze znane, chyba że zostaną wspomniane z ich nazwami mineralogicznymi w przyszłej sekcji.

Twardość białka

Kryształy CaCO ₃ nie są same: mogą zawierać zanieczyszczenia, takie jak inne kationy metali, które je zabarwiają; lub białka, zawierające organiczną matrycę, która w pewien sposób przyczynia się do jej naturalnej twardości.

Białka zmniejszają napięcie, które kryształy doświadczają przeciwko sobie pod ciśnieniem lub uderzeniem. W jaki sposób? Po wciśnięciu pomiędzy tafle zachowuje się jak „podkładka” (podobnie jak w zestawie cegła-cement-cegła).

Dlatego ten związek lub minerał jest biokompatybilny i nie jest zaskakujące, że jest częścią paznokci, muszelek, muszli lub kości jeży. Stanowiło źródło inspiracji dla tych, którzy są oddani tworzeniu nowych materiałów.

Nieruchomości

Inne nazwy

-Aragonit

-Calcite

-Volterito

-Mleko wapniowe

-Biała tablica

-Marmur

Masa cząsteczkowa

100,086 g / mol.

Opis fizyczny

Bezwonny biały proszek.

Smak

Podobne do kredy, bez smaku.

Temperatura topnienia i wrzenia

Rozkłada się, ponieważ uwalnia CO _2, zanim jeszcze się stopi lub zagotuje.

Rozpuszczalność

Praktycznie nierozpuszczalny w wodzie i alkoholu. Rozpuszcza się musująco w rozcieńczonym kwasie octowym i solnym. Jednak wodorotlenki zmniejszają jego rozpuszczalność. Tymczasem sole amonowe i dwutlenek węgla zwiększają rozpuszczalność węglanu wapnia w wodzie.

Gęstość

2,7 do 2,95 g / cm ³ .

Rozkład

W temperaturze około 825 ºC rozkłada się na tlenek wapnia (wapno) i dwutlenek węgla (CO ₂ ).

pH

8 do 9

Współczynnik załamania światła

-1,7216 przy 300 nm i 1,6584 przy 589 nm (kalcyt).

-1,5145 przy 300 nm i 1,4864 przy 589 nm (aragonit).

Niezgodności

Z kwasami, ałunem i solami amonowymi.

Entalpia fuzji

36 kJ / mol w 800 ° C (kalcyt).

Stała iloczynu rozpuszczalności

3,36 · ^10-9 w 25 ° C

Twardość

-3,0 (kalcyt)

-3,5 - 4,0 (aragonit) w skali Mohsa.

Przejścia fazowe

Aragonit jest metastabilny i nieodwracalnie zmienia się w kalcyt po podgrzaniu w suchym powietrzu o temperaturze 400ºC.

Reaktywność

Węglan wapnia reaguje z kwasami, uwalniając dwutlenek węgla, jonowy wapń i wodę.

Węglan wapnia łączy się z wodą nasyconą dwutlenkiem węgla, odpowiednikiem kwasu węglowego (H ₂ CO ₃ ), tworząc wodorowęglan wapnia.

Trening

Kreda, marmur i wapień, dwa pierwsze minerały, a trzeci materiał skalny, zawierają węglan wapnia i są pochodzenia osadowego i uważa się, że powstały w wyniku sedymentacji ślimaków na przestrzeni milionów lat.

Odczyn pH może być najważniejszym czynnikiem w tworzeniu się polimorfów w temperaturze 24ºC. Vaterite jest głównym produktem w zakresie pH od 8,5 do 10; aragonit ma pH 11; i kalcyt przy pH> 12.

Wiadomo również, że wiele glonów słodkowodnych buduje kryształy kalcytu, gdy rośnie w środowisku nasyconym wapniem. Ponadto mikroalgi mogą powodować wytrącanie się węglanu wapnia.

Formy węglanu wapnia

Poniższe obrazy pokazują trzy główne formy lub polimorfy węglanu wapnia:

Kryształ kalcytu. Źródło: Parent Géry

Kryształ aragonitowy. Źródło: Battistini Riccardo

Kryształy waterytu. Źródło: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Od góry do dołu są polimorfami kalcyt, aragonit i wateryt. Na pierwszy rzut oka zauważ różnicę między morfologią jego kryształów (kolor jest typowy dla jego pochodzenia i cech otoczenia).

Waterit jest bardziej nieprzejrzysty niż kalcyt, ten ostatni staje się nawet całkowicie przezroczysty (islandzki drzewiec) i dlatego był używany w biżuterii i zastosowaniach optycznych. Tymczasem kryształy aragonitu przypominają małe, wydłużone monolity.

Gdyby próbki tych trzech polimorfów były obserwowane pod mikroskopem elektronowym, ich kryształy (z szarawymi tonami ze względu na fakt, że technika nie pozwala na rozdzielenie kolorów), można by znaleźć te same morfologie, co w skalach makroskopowych; to znaczy gołym okiem.

Spośród tych trzech odmian polimorficznych kalcyt jest najbardziej rozpowszechniony i stabilny, a następnie aragonit i na końcu wateryt, najrzadsza z form CaCO _3.

Aplikacje

Przemysłowy

Węglan wapnia zwiększa odporność na skręcanie i rozciąganie kauczuku syntetycznego i naturalnego, zachowując jego elastyczność. Znajduje zastosowanie w budownictwie jako składnik cementu oraz jako surowiec do wapna. Jego użycie zostało zmniejszone, ponieważ jest niszczony przez kwaśne deszcze.

Węglan wapnia jest używany do oczyszczania żelaza. W postaci wapna usuwa dwutlenek siarki obecny w metalu. Służy do oczyszczania cukru z buraków. Kiedyś była używana jako kreda tablicowa, ale do tego zastosowania została zastąpiona tynkiem.

Węglan wapnia miesza się z kitem używanym przy montażu szkła. Mielony jest używany jako materiał wypełniający w mikroporowatej folii stosowanej w pieluchach. Jest również stosowany jako materiał wypełniający w tworzywach sztucznych, takich jak PVC. Dodatkowo zwiększa wytrzymałość tworzywa.

Węglan wapnia służy do zwiększenia zdolności krycia farb. Jest używany jako materiał wypełniający do papieru, ponieważ jest tańszy niż włókno drzewne i może stanowić ponad 10% papieru.

Lekarze

Jest stosowany jako środek zobojętniający kwas w celu zwalczania nadkwasoty żołądka i łagodzenia niestrawności. Stosowany jest jako suplement diety w wapń oraz w leczeniu i profilaktyce osteoporozy. Stosowany jest w leczeniu hiperfosfatemii u pacjentów z przewlekłą niewydolnością nerek.

Stosowano go w celu zmniejszenia działań niepożądanych inhibitorów proteazy stosowanych w leczeniu HIV, przy czym obserwuje się zmniejszenie biegunki u pacjentów.

Powoduje obniżenie ciśnienia krwi u kobiet w ciąży z nadciśnieniem i stanem przedrzucawkowym, ponieważ oba te objawy mogą być związane ze zwiększonym zapotrzebowaniem na wapń z powodu obecności płodu.

Inni

Węglan wapnia jest stosowany w rolnictwie jako nawóz oraz do zwalczania zakwaszenia gleby. Stosowany jest jako konserwant, utrwalacz koloru i ujędrniający potrawy.

Ponadto jest składnikiem pasty do zębów, służy jako środek ścierny w postaci proszku do czyszczenia i mycia.

Bibliografia

1. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Czwarta edycja). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Węglan wapnia. Odzyskane z: en.wikipedia.org
3. Narodowe Centrum Informacji Biotechnologicznej. (2019). Węglan wapnia. Baza danych PubChem., CID = 10112. Odzyskany z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
4. Kai-Yin Chong, Chin-Hua Chia i Sarani Zakaria. (2014). Polimorfy węglanu wapnia w reakcji temperaturowej. AIP Conference Proceedings 1614, 52; doi.org/10.1063/1.4895169
5. Greg Watry. (1 listopada 2016). Odkrywanie, jak kryształy węglanu wapnia nabierają siły. Marketing biznesowy Advantage. Odzyskany z: rdmag.com
6. Elementy amerykańskie. (2019). Węglan wapnia. Odzyskany z: americanelements.com
7. ElSevier. (2019). Węglan wapnia. ScienceDirect. Odzyskany z: sciencedirect.com
8. Książka chemiczna. (2017). Węglan wapnia. Odzyskane z: chemicalbook.com