حلال های کربنات کلسیم و انحلال پذیری آن
حل شدن کربنات کلسیم به عنوان یک ماده معدنی بسیار فراوان از اهمیت زیادی برخوردار است. 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 سنگ آهک 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 کربنات کلسیم ، 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 Calcium carbonate ، 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 هیدروکسید کلسیم 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