Struktura, właściwości, zagrożenia i zastosowania wodorowęglanu wapnia



The wodorowęglan wapnia jest solą nieorganiczną o wzorze chemicznym Ca (HCO)3)2. Pochodzi z natury z węglanu wapnia obecnego w skałach wapiennych i minerałach takich jak kalcyt.

Wodorowęglan wapnia jest bardziej rozpuszczalny w wodzie niż węglan wapnia. Ta cecha pozwoliła na ukształtowanie systemów krasowych w skałach wapiennych i strukturyzację jaskiń.

Wody podziemne, które przechodzą przez pęknięcia, nasycają się w wyniku przemieszczania dwutlenku węgla (CO2). Wody te powodują erozję skał wapiennych uwalniających węglan wapnia (CaCO3), który utworzy wodorowęglan wapnia, zgodnie z następującą reakcją:

CaCO3(s) + CO2(g) + H2O (l) => Ca (HCO)3)2(aq)

Ta reakcja występuje w jaskiniach, w których powstaje bardzo twarda woda. Wodorowęglan wapnia nie występuje w stanie stałym, ale w roztworze wodnym, wraz z Ca2+, wodorowęglan (HCO)3-) i jon węglanowy (CO32-).

Następnie, gdy zmniejsza się nasycenie dwutlenku węgla w wodzie, zachodzi reakcja odwrotna, to znaczy przekształcenie wodorowęglanu wapnia w węglan wapnia:

Ca (HCO)3)2(aq) => CO2 (g) + H2O (l) + CaCO3 (s)

Węglan wapnia jest słabo rozpuszczalny w wodzie, co powoduje, że jego opad występuje w postaci stałej. Powyższa reakcja jest bardzo ważna w tworzeniu stalaktytów, stalagmitów i innych speleotemów w jaskiniach.

Te skaliste konstrukcje powstają z kropli wody, które spadają z sufitu jaskiń (górny obraz). CaCO3 obecny w kroplach wody krystalizuje się, tworząc wspomniane struktury.

Fakt, że wodorowęglan wapnia nie został znaleziony w stanie stałym, utrudnia jego stosowanie i nie znaleziono kilku przykładów. Ponadto trudno jest znaleźć informacje na temat jego skutków toksycznych. Istnieją doniesienia o zestawie skutków ubocznych jego stosowania jako leczenia zapobiegającego osteoporozie.

Struktura

Dwa aniony HCO są pokazane na górnym obrazie3- i kation2+ oddziaływanie elektrostatyczne. Ca2+ zgodnie z obrazem powinien znajdować się pośrodku, ponieważ w ten sposób HCOs3- nie odpychają się nawzajem z powodu swoich negatywnych ładunków.

Ujemny ładunek w HCO3- jest zdelokalizowany między dwoma atomami tlenu, poprzez rezonans między grupą karbonylową C = O i wiązaniem C-O-; będąc w CO32-, Jest to zdelokalizowane pomiędzy trzema atomami tlenu, ponieważ wiązanie C-OH jest deprotonowane i dlatego może otrzymać ładunek ujemny przez rezonans.

Geometrie tych jonów można uznać za sfery wapnia otoczone płaskimi trójkątami węglanów z uwodornionym końcem. Jeśli chodzi o stosunek wielkości, wapń jest zauważalnie mniejszy niż jony HCO3-.

Roztwory wodne

Ca (HCO)3)2 Nie może tworzyć krystalicznych ciał stałych i składa się z wodnych roztworów tej soli. W nich jony nie są same, jak na obrazie, ale otoczone cząsteczkami H.2O.

Jak wchodzą w interakcje? Każdy jon jest otoczony sferą hydratacji, która będzie zależała od metalu, polarności i struktury rozpuszczonych gatunków.

Ca2+ koordynuje z atomami tlenu wody, tworząc aquocomplex, Ca (OH)2)n2+, gdzie n jest ogólnie uważane za sześć; to znaczy „wodny ośmiościan” wokół wapnia.

Podczas gdy aniony HCO3- oddziaływać z dowolnymi wiązaniami wodorowymi (OR2CO-H-OH2) lub z atomami wodoru w wodzie w kierunku ładunku ujemnego delokalizuje (HOCO)2- H-OH, oddziaływanie dipolowo-jonowe).

Te interakcje między Ca2+, HCO3- a woda jest tak wydajna, że ​​sprawia, że ​​wodorowęglan wapnia jest bardzo dobrze rozpuszczalny w tym rozpuszczalniku; w przeciwieństwie do CaCO3, w którym atrakcje elektrostatyczne między Ca2+ i CO32- są bardzo silne, wytrącające się z roztworu wodnego.

Oprócz wody istnieją cząsteczki CO2 wokół, które reagują powoli, aby zapewnić więcej HCO3- (w zależności od wartości pH).

Hipotetyczna bryła

Jak dotąd rozmiary i ładunki jonów w Ca (HCO)3)2, ani obecność wody nie wyjaśnia, dlaczego stały związek nie istnieje; to znaczy czyste kryształy, które można scharakteryzować za pomocą krystalografii rentgenowskiej.3)2 jest niczym więcej niż jonami obecnymi w wodzie, z których wciąż rosną formacje jamiste.

Tak Ca2+ i HCO3- można je wyizolować z wody, unikając następującej reakcji chemicznej:

Ca (HCO)3)2(aq) → CaCO3(s) + CO2(g) + H2O (l)

Następnie można je zgrupować w białe krystaliczne ciało stałe o proporcjach stechiometrycznych 2: 1 (2HCO3/ 1Ca). Nie ma badań na temat jego struktury, ale można je porównać z NaHCO3 (dla wodorowęglanu magnezu Mg (HCO)3)2, ani nie istnieje w postaci stałej), ani w CaCO3.

Stabilność: NaHCO3 vs Ca (HCO)3)2

NaHCO3 krystalizuje w systemie jednoskośnym i CaCO3 w układach trygonalnych (kalcyt) i rombowych (aragonitowych). Jeśli zastąpiono Na+ dla Ca2+, sieć krystaliczna byłaby zdestabilizowana przez większą różnicę rozmiarów; to znaczy Na+ ponieważ jest mniejszy, tworzy stabilniejszy kryształ z HCO3- w porównaniu do Ca2+.

W rzeczywistości Ca (HCO)3)2(aq) potrzebuje wody do odparowania, aby jej jony mogły być zgrupowane w krysztale; ale sieć krystaliczna tego nie jest wystarczająco mocna, aby zrobić to w temperaturze pokojowej. Po podgrzaniu wody następuje reakcja rozkładu (równanie powyżej).

Będąc jonami Na+ w roztworze tworzy to kryształ z HCO3- przed jego rozkładem termicznym.

Powód, dlaczego Ca (HCO)3)2 nie krystalizuje (teoretycznie), jest to różnica promieni jonowych lub rozmiarów jego jonów, które nie mogą tworzyć stabilnego kryształu przed jego rozkładem.

Ca (HCO)3)2 vs CaCO3

Z drugiej strony, dodano H+ do struktur krystalicznych CaCO3, drastycznie zmienią swoje właściwości fizyczne. Być może jego punkty topnienia wyraźnie spadają, a nawet morfologie kryształów zostają zmodyfikowane.

Czy warto spróbować syntezy Ca (HCO)3)2 solidne? Trudności mogą przekroczyć oczekiwania, a sól o niskiej stabilności strukturalnej może nie zapewniać znaczących dodatkowych korzyści w jakimkolwiek zastosowaniu, w którym inne sole są już używane.

Właściwości fizyczne i chemiczne

Wzór chemiczny

Ca (HCO)3)2

Masa cząsteczkowa

162,11 g / mol

Stan fizyczny

Nie pojawia się w stanie stałym. Znajduje się w roztworze wodnym i próbuje przekształcić go w ciało stałe przez odparowanie wody, nie działa, ponieważ przekształca się w węglan wapnia.

Rozpuszczalność w wodzie

16,1 g / 100 ml w 0 ° C; 16,6 g / 100 ml w 20 ° C i 18,4 g / 100 ml w 100 ° C. Wartości te wskazują na wysokie powinowactwo cząsteczek wody do jonów Ca (HCO)3)2, jak wyjaśniono w poprzedniej sekcji. Tymczasem tylko 15 mg CaCO3 rozpuszczają się w litrze wody, co odzwierciedla ich silne oddziaływania elektrostatyczne.

Ponieważ Ca (HCO)3)2 nie może tworzyć ciała stałego, jego rozpuszczalności nie można określić doświadczalnie. Jednak biorąc pod uwagę warunki stworzone przez CO2 rozpuszczony w wodzie otaczającej wapień, można obliczyć masę wapnia rozpuszczonego w temperaturze T; masa, która byłaby równa stężeniu Ca (HCO)3)2.

W różnych temperaturach rozpuszczona masa wzrasta, jak pokazują wartości w 0, 20 i 100 ° C. Tak więc, zgodnie z tymi eksperymentami, ile Ca (HCO) jest określane3)2 rozpuszcza się w pobliżu CaCO3 w wodnym środowisku zgazowanym CO2. Po ucieczce CO2 gazowy, CaCO3 wytrąci się, ale nie Ca (HCO)3)2.

Punkty topnienia i wrzenia

Krystaliczna sieć Ca (HCO)3)2 jest znacznie słabszy niż CaCO3. Jeśli można go uzyskać w stanie stałym i zmierzyć temperaturę, w której topi się w fuzjometrze, z pewnością osiągnie wartość znacznie poniżej 899ºC. Podobnie można oczekiwać tego samego przy określaniu temperatury wrzenia.

Punkt spalania

Nie jest palny.

Ryzyko

Ponieważ związek ten nie istnieje w postaci stałej, jest mało prawdopodobne, aby stanowił ryzyko manipulowania jego roztworami wodnymi, ponieważ zarówno Ca2+ jako HCO3- nie są szkodliwe w niskich stężeniach; a zatem największe ryzyko, jakie przyniosłoby przyjęcie takich rozwiązań, mogłoby wynikać tylko z niebezpiecznej dawki spożytego wapnia.

Jeśli związek utworzył ciało stałe, chociaż może być fizycznie różny od CaCO3, jego toksyczne działanie może nie wykraczać poza zwykły dyskomfort i resekcje po fizycznym kontakcie lub inhalacji.

Używa

-Roztwory wodorowęglanu wapnia są od dawna używane do mycia starych papierów, zwłaszcza dzieł sztuki lub dokumentów ważnych historycznie.

-Zastosowanie roztworów wodorowęglanów jest użyteczne nie tylko dlatego, że neutralizują kwasy w papierze, ale także zapewniają alkaliczną rezerwę węglanu wapnia. Ten ostatni związek zapewnia ochronę przed przyszłymi uszkodzeniami na papierze.

-Podobnie jak inne wodorowęglany stosuje się go w drożdżach chemicznych oraz w preparatach tabletek lub proszków musujących. Ponadto wodorowęglan wapnia jest stosowany jako dodatek do żywności (wodne roztwory tej soli).

-Roztwory wodorowęglanów były stosowane w zapobieganiu osteoporozie. Jednak w jednym przypadku zaobserwowano efekty wtórne, takie jak hiperkalcemia, zasadowica metaboliczna i niewydolność nerek..

-Wodorowęglan wapnia jest podawany sporadycznie dożylnie w celu skorygowania depresyjnego działania hipokaliemii na czynność serca.

-I wreszcie, dostarcza wapnia do organizmu, który jest mediatorem skurczu mięśni, jednocześnie korygując kwasicę, która może wystąpić w stanie hipokaliemii..

Referencje

  1. Wikipedia. (2018). Wodorowęglan wapnia. Zrobiono z: en.wikipedia.org
  2. Sirah Dubois. (3 października 2017). Co to jest wodorowęglan wapnia? Źródło: livestrong.com
  3. Science Learning Hub. (2018). Chemia węglanowa. Źródło: sciencelearn.org.nz
  4. PubChem. (2018). Wodorowęglan wapnia. Źródło: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
  5. Amy E. Gerbracht i Irene Brückle. (1997). Zastosowanie roztworów wodorowęglanu wapnia i wodorowęglanu magnezu w małych warsztatach konserwatorskich: wyniki ankiet. Źródło: cool.conservation-us.org