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| 名前 | |
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| IUPAC名
炭酸カルシウム
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| その他の名前 | |
| 識別子 | |
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3Dモデル（JSmol）
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| チェビ |
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| チェムBL |
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| ケムスパイダー |
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| ドラッグバンク |
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| ECHA 情報カード | 100.006.765 |
| EC番号 |
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| E番号 | E170 （カラー） |
| ケッグ |
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パブケム CID
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| RTECS番号 |
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| ユニ |
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CompTox ダッシュボード ( EPA )
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| プロパティ | |
| 炭酸カルシウム | |
| モル質量 | 100.0869グラム/モル |
| 外観 | 細かい白い粉末または無色の結晶。チョークのような味 |
| 臭い | 無臭 |
| 密度 | 2.711 g/cm 3 (方解石) 2.83 g/cm 3 (アラゴナイト) |
| 融点 | 1,339 °C (2,442 °F; 1,612 K) (方解石) 825 °C (1,517 °F; 1,098 K) (アラゴナイト) [4] [5] |
| 沸点 | 分解する |
| 0.013 g/L (25℃) [1] [2] | |
溶解度積（K sp）
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3.3 × 10 −9 [3] |
| 希酸への 溶解性 | 可溶性 |
| 酸性度（p Ka） | 9.0 |
磁化率（χ）
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−3.82 × 10 −5 cm 3 /モル |
屈折率( n D )
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1.59 |
| 構造 | |
| 三角 | |
| 3 2/m | |
| 熱化学 | |
標準モル
エントロピー ( S ⦵ 298 ) |
93 J/(モル·K) [6] |
標準生成エンタルピー (Δ f H ⦵ 298 ) |
−1207 kJ/モル[6] |
| 薬理学 | |
| A02AC01 ( WHO ) A12AA04 ( WHO ) | |
| 危険 | |
| NFPA 704 (ファイアダイヤモンド) | |
| 致死量または濃度（LD、LC）： | |
LD 50 (平均投与量)
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6450 mg/kg（経口、ラット） |
| NIOSH（米国健康暴露限界）： | |
PEL (許可)
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TWA 15 mg/m 3 (総量) TWA 5 mg/m 3 (相対量) [7] |
| 安全データシート（SDS） | 1193 の |
| 関連化合物 | |
その他の陰イオン
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炭酸水素カルシウム |
その他の陽イオン
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関連化合物
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硫酸カルシウム |
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。
 確認する （何ですか ？）
 インフォボックス参照
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炭酸カルシウムは、化学式Ca CO 3の化合物です。方解石やアラゴナイトなどの鉱物として岩石中に見られる一般的な物質で、特にチョークや石灰岩、卵殻、腹足類の殻、貝殻、真珠に多く含まれています。炭酸カルシウムを多く含む、または炭酸カルシウムに似た物質は石灰質と呼ばれます。炭酸カルシウムは農業用石灰の有効成分で、硬水中のカルシウムイオンが炭酸イオンと反応して石灰スケールを形成するときに生成されます。医療用としてはカルシウムサプリメントや制酸剤として使用されていますが、過剰摂取は危険であり、高カルシウム血症や消化器系の問題を引き起こす可能性があります。[8]
化学
炭酸カルシウムは他の炭酸塩と典型的な性質を共有している。特に、
- CaCO 3 (s) + 2 H + (水溶液) → Ca 2+ (水溶液) + CO 2 (g) + H 2 O(l)
- 加熱すると二酸化炭素が放出され、熱分解反応または焼成（ CaCO 3の場合は 840 °C 以上）されて、一般に生石灰と呼ばれる酸化カルシウム（CaO）が形成されます。反応エンタルピーは178 kJ/mol です。
- CaCO 3 (s) → CaO(s) + CO 2 (g)
- 気体水素と反応して、メタンと水蒸気、および温度と生成ガスの組成に応じて固体の酸化カルシウムまたは水酸化カルシウムを生成します。パラジウムやニッケルを含むさまざまな金属が反応の触媒となります。
炭酸カルシウムは二酸化炭素が飽和した水と反応して、可溶性の重炭酸カルシウムを形成します。
- CaCO 3 (s) + CO 2 (g) + H 2 O(l) → Ca(HCO 3 ) 2 (aq)
この反応は炭酸塩岩の浸食に重要な役割を果たし、洞窟を形成し、多くの地域で 硬水の原因となります。
炭酸カルシウムの珍しい形態は、六水和物イカアイト（CaCO 3 ·6H 2 O）です。イカアイトは 8 °C 以下でのみ安定します。
準備
産業で使用される炭酸カルシウムの大部分は、採鉱または採石によって抽出されます。純粋な炭酸カルシウム（食品や医薬品などに使用されるもの）は、純粋な採石源（通常は大理石）から生産できます。
あるいは、炭酸カルシウムは酸化カルシウムから作られる。水を加えて水酸化カルシウムとし、この溶液に二酸化炭素を通すことで、業界では沈降炭酸カルシウム（PCC）と呼ばれる目的の炭酸カルシウムを沈殿させる。このプロセスは炭酸化と呼ばれる：[9]
- CaO + H 2 O → Ca(OH) 2
- Ca(OH) 2 + CO 2 → CaCO 3 + H 2 O
実験室では、デシケーター内で塩化カルシウム（CaCl 2 ）水溶液を炭酸アンモニウム[NH 4 ] 2 CO 3と一緒に置くことで、炭酸カルシウムを簡単に結晶化することができます。[10]デシケーター内では、炭酸アンモニウムは空気にさらされ、アンモニア、二酸化炭素、水に分解されます。その後、二酸化炭素は塩化カルシウムの水溶液に拡散し、カルシウムイオンと水と反応して炭酸カルシウムを形成します。
構造
通常の条件下で熱力学的に安定なCaCO 3の形態は、六方晶系β- CaCO 3 (鉱物方解石) である。他の形態、より密度の高い (2.83 g/cm 3 )斜方晶系λ- CaCO 3 (鉱物アラゴナイト) や、鉱物バテライトとして発生する六方晶系 μ- CaCO 3も生成できる。アラゴナイト形態は 85 °C を超える温度で沈殿させることで生成でき、バテライト形態は 60 °C で沈殿させることで生成できる。方解石には 6 個の酸素原子が配位するカルシウム原子が含まれ、アラゴナイトでは 9 個の酸素原子が配位する。[出典が必要]バテライトの構造は完全には解明されていない。[11]炭酸マグネシウム（MgCO 3）は方解石構造をとるが、炭酸ストロンチウム（SrCO 3）と炭酸バリウム（BaCO 3 ）はイオン半径が大きいためアラゴナイト構造をとる。[要出典]
多形体
炭酸カルシウムは3つの無水 多形で結晶化しますが[12] [13] 、方解石は室温で熱力学的に最も安定しており、アラゴナイトはそれよりわずかに安定し、バテライトは最も安定性が低くなります[14] 。
結晶構造
方解石の結晶構造は三方晶系で、空間群はR 3 c（国際結晶構造表[15]の167番）、ピアソン記号はhR10である。[16] アラゴナイトは斜方晶系で、空間群はPmcn（62番）、ピアソン記号はoP20である。[17] バテライトは少なくとも2つの異なる共存する結晶構造から構成される。主要構造は空間群P6 3 /mmcで六方対称性を示すが、副構造はまだ不明である。[18]
結晶
これら3つの多形はすべて、常温の水溶液から同時に結晶化する。[14]添加物を含まない水溶液では、方解石が主生成物として容易に生成され、アラゴナイトは副生成物としてのみ生成される。
飽和度が高い場合、通常は最初にバテライトが沈殿し、続いてバテライトから方解石への変化が起こります。[19]この挙動は、最も安定性の低い多形が最初に結晶化し、その後、安定性が増す一連の相を経て、さまざまな多形が結晶化するというオストワルドの法則に従っているようです。 [20]しかし、バテライトと方解石の中間の安定性を持つアラゴナイトは、この法則の例外であるようです。アラゴナイトは常温では方解石の前駆体として形成されないためです。[14]
アラゴナイトは、反応条件が方解石の形成を阻害し、および/またはアラゴナイトの核形成を促進する場合に主に発生します。たとえば、アラゴナイトの形成は、マグネシウムイオンの存在によって促進されます。[21]または生物学的炭酸カルシウム由来のタンパク質やペプチドを使用することによって促進されます。[22]カダベリンやポリ(エチレンイミン)などの一部のポリアミンは、方解石よりもアラゴナイトの形成を促進することが示されています。[14]
生物による選択
軟体動物や節足動物などの生物は、主に保護（殻）や筋肉の付着部として、炭酸カルシウムの3つの結晶多形すべてを成長させる能力を示しています。[23]さらに、それらは方解石やアラゴナイトに対して顕著な相選択能力を示し、一部の生物は2つの多形を切り替えることができます。相選択能力は通常、そのような生物による特定の高分子または高分子の組み合わせの使用に起因します。[24] [25] [26]
発生
地質学的情報源
方解石、アラゴナイト、バテライトは純粋な炭酸カルシウム鉱物です。主に炭酸カルシウムからなる工業的に重要な岩石には、石灰岩、白亜、大理石、トラバーチンなどがあります。
生物学的起源
卵の殻、カタツムリの殻、そしてほとんどの貝殻は主に炭酸カルシウムで構成されており、この化学物質の工業用供給源として使用することができます。 [28] カキの殻は最近、食物中のカルシウムの供給源として認識されていますが、実用的な工業用供給源でもあります。 [29] [30]ブロッコリーやケールなどの濃い緑色の野菜には、食物としてかなりの量の炭酸カルシウムが含まれていますが、工業用供給源としては実用的ではありません。[31]
ミミズ科の環形動物は、石灰腺（Kalkdrüsen、またはglandes de Morren）と呼ばれる消化管の領域を持ち、カルシウムとCO2を炭酸カルシウムに加工し、後に土壌に排出します。[32]これらの腺の機能は不明ですが、動物の組織内でCO2調節機構として機能していると考えられています。 [33]このプロセスは生態学的に重要であり、酸性土壌のpHを安定させます。[34]
地球外生命体
地球以外では、火星に炭酸カルシウムが存在することを示唆する強力な証拠があります。炭酸カルシウムの痕跡は複数の場所（特にグセフクレーターとホイヘンスクレーター）で検出されています。これは、過去に液体の水が存在したことを示す証拠となります。[35] [36]
地質学
炭酸塩は地質学的環境で頻繁に発見され、膨大な炭素貯蔵庫を構成します。炭酸カルシウムは、カルシウム循環の重要な構成要素として、アラゴナイト、方解石、ドロマイトとして存在します。炭酸塩鉱物は、石灰岩、白亜、大理石、トラバーチン、凝灰岩などの 岩石タイプを形成します。
暖かく透明な熱帯の海では、水が冷たい極地よりもサンゴが豊富です。炭酸カルシウムの供給源には、プランクトン（円石や浮遊性有孔虫など）、サンゴ状藻類、海綿動物、腕足動物、棘皮動物、コケムシ類、軟体動物などがあり、日光と濾過可能な食物が豊富な浅瀬の環境によく見られます。冷水性炭酸塩は高緯度にも存在しますが、成長速度は非常に遅いです。石灰化プロセスは海洋の酸性化によって変化します。
海洋地殻が大陸プレートの下に沈み込むと、堆積物はアセノスフェアとリソスフェアのより暖かい地域に運ばれます。このような状況では、炭酸カルシウムが分解して二酸化炭素が生成され、これが他のガスとともに爆発的な火山噴火を引き起こします。
炭酸塩補償深度
炭酸塩補償深度（CCD）は、炭酸カルシウムの沈殿速度と、存在する条件による溶解速度が釣り合う海中の地点である。海洋深部では、温度が低下し、圧力が上昇する。圧力が上昇すると、炭酸カルシウムの溶解度も上昇する。炭酸カルシウムは、温度が下がると溶解度が上昇するという点で珍しい。[37]炭酸塩補償深度は、現代の海洋では海面下4,000～6,000メートルの範囲であり、さまざまな多形（方解石、アラゴナイト）は、その安定性に基づいて異なる補償深度を持っている。[38]
化石化における役割
炭酸カルシウムは、パーミネラライゼーションによって化石を保存することができる。アヒルの嘴を持つ恐竜の卵で知られる地層であるツーメディシン層の脊椎動物の化石のほとんどは、 CaCO 3パーミネラライゼーションによって保存されている。[39]このタイプの保存では、顕微鏡レベルに至るまで、非常に詳細な情報が保存される。しかし、標本は地表にさらされると風化に対して脆弱になる。 [39]
三葉虫の殻は炭酸カルシウムを多く含み、純粋にキチン質の殻を持つ他の種の殻よりも保存状態が良かったことから、カンブリア紀の水生生物の大部分は三葉虫の個体群で構成されていたとかつて考えられていました[40]。
用途
工事
炭酸カルシウムの主な用途は建設業界で、建築資材、道路建設用の石灰岩骨材、セメントの原料、窯で焼いて建築用石灰を調製するための出発物質として使用されています。しかし、主に酸性雨によって引き起こされる風化のため、[41]炭酸カルシウム（石灰岩の形）はもはやそれ自体では建築目的には使用されておらず、建築資材の原料としてのみ使用されています。
炭酸カルシウムは高炉で鉄鉱石から鉄を精製する際にも使用される。炭酸カルシウムはその場で焼成されて酸化カルシウムとなり、様々な不純物を含むスラグを形成し、精製された鉄から分離される。[42]
石油産業では、炭酸カルシウムは掘削流体に地層の橋渡し剤やフィルターケーキの密封剤として添加される。また、掘削流体の密度を高めて坑内圧力を制御する加重材でもある。炭酸カルシウムは、アルカリ度を維持し、消毒剤の酸性特性を相殺するためのpH補正剤としてプールに添加される。[43]
また、テンサイから砂糖を精製する際の原料としても使用され、無煙炭とともに窯で焼成され、酸化カルシウムと二酸化炭素を生成します。この焼石灰はその後、真水で消火され、炭酸化中に生ジュース中の不純物を沈殿させるための水酸化カルシウム懸濁液が生成されます。[44]
炭酸カルシウムは、伝統的に黒板用チョークの主成分であった。しかし、現代の製造されたチョークは、主に石膏、水和硫酸カルシウムCaSO 4 ·2H 2 Oである。炭酸カルシウムは、バイオロックの成長の主な供給源である。沈降炭酸カルシウム（PCC）は、スラリー状に予め分散されており、材料費と製造費を最大限に節約することを目的として、ラテックス手袋の一般的な充填材である。 [45]
微粉砕炭酸カルシウム（GCC）は、おむつや一部の建築用フィルムに使用される微多孔性フィルムの必須成分です。これは、二軸延伸によるフィルムの製造中に炭酸カルシウム粒子の周りに気孔が核形成されるためです。GCC と PCC は、木質繊維よりも安価であるため、紙の充填剤として使用されます。印刷用紙や筆記用紙には、10～20% の炭酸カルシウムが含まれることがあります。北米では、光沢紙の製造において、炭酸カルシウムがカオリンに取って代わり始めています。ヨーロッパでは、数十年前からアルカリ製紙または無酸製紙としてこれを実践しています。紙の充填や紙のコーティングに使用される PCC は、特徴的な狭い粒度分布と 0.4～3 マイクロメートルの等価球径を持つさまざまな形状とサイズに沈殿して調製されます。[要出典]
炭酸カルシウムは塗料の増量剤として広く使用されており、[46]特にマットエマルジョン塗料では、通常塗料の30重量%がチョークまたは大理石です。また、プラスチックの充填剤としても人気があります。[46]一般的な例としては、可塑化されていないポリ塩化ビニル（uPVC）排水管に約15～20%のチョークを充填すること、 uPVC窓枠にステアリン酸コーティングされたチョークまたは大理石を5～15%充填することが挙げられます。PVCケーブルでは、機械的特性（引張強度と伸び）と電気的特性（体積抵抗率）を改善するために、最大70 phr（樹脂100部あたりの部数）の炭酸カルシウムを使用できます。[要出典]ポリプロピレン化合物には、剛性を高めるために炭酸カルシウムが充填されることが多く、これは使用温度が高い場合に重要になる要件です。[47]ここでの割合は20～40%であることが多いです。また、熱硬化性樹脂（シートおよびバルク成形コンパウンド）の充填剤としても日常的に使用されており[47] 、 ABSや他の成分と混合して、圧縮成形された「粘土」ポーカーチップのいくつかのタイプを形成しています。[48]沈降炭酸カルシウムは、酸化カルシウムを水に滴下して作られ、それ自体または添加剤とともに、ホワイトウォッシングとして知られる白色塗料として使用されます。[49] [50]
炭酸カルシウムは、商業用およびDIY用の接着剤、シーラント、装飾用充填剤など、幅広い用途に使用されています。 [46]セラミックタイルの接着剤には通常、70%～80%の石灰岩が含まれています。装飾用亀裂充填剤には、同様の量の大理石またはドロマイトが含まれています。また、ステンドグラスの窓を固定する際にパテと混ぜたり、高温で釉薬や塗料を焼成する際にガラスが窯の棚にくっつくのを防ぐための防錆剤としても使用されます。[51] [52] [53] [54]
陶磁器の釉薬用途では、炭酸カルシウムはホワイティングとして知られており、[46]白い粉末状の多くの釉薬の一般的な成分です。この物質を含む釉薬を窯で焼くと、ホワイティングは釉薬のフラックス材として機能します。粉砕された炭酸カルシウムは研磨剤であり（研磨粉としても家庭用研磨クリームの成分としても）、特に方解石の形態ではモース硬度スケールで3と比較的低い硬度レベルであるため、ガラスや他のほとんどの陶磁器、エナメル、青銅、鉄、鋼を傷つけず、アルミニウムや銅などの柔らかい金属には中程度の効果があります。炭酸カルシウムと脱イオン水から作ったペーストは、銀の変色を落とすのに使用できます。[55]
健康と食事
炭酸カルシウムは、胃酸抑制剤[56] （タムズやエノなど）の安価な食事性カルシウム補給剤として広く医療に使用されています。炭酸カルシウムは、高リン血症（主に慢性腎不全患者）の治療のためのリン酸結合剤として使用されることがあります。炭酸カルシウムは、製薬業界では錠剤やその他の医薬品の不活性充填剤として使用されています。[57]
炭酸カルシウムは、酸化カルシウムや歯磨き粉の製造に使用され、有機リンゴなどの製品に使用される食品防腐剤や着色料として再び注目を集めています。[58]
炭酸カルシウムは、維持血液透析を受けている患者の治療においてリン酸吸着剤として使用されます。特に非透析性慢性腎臓病において処方される最も一般的なリン酸吸着剤です。炭酸カルシウムは最も一般的に使用されるリン酸吸着剤ですが、臨床医はより高価な非カルシウムベースのリン酸吸着剤、特にセベラマーを処方することが増えています。
サプリメント、強化食品、高カルシウム食からの過剰なカルシウムは、重篤な毒性があり、死に至ることもあるミルクアルカリ症候群を引き起こす可能性があります。1915年、バートラム・シッピーは、10日間、1時間ごとに牛乳とクリームを摂取し、徐々に卵と調理済みシリアルを加え、アルカリ粉末と組み合わせて消化性潰瘍の症状を緩和する「シッピー療法」を発表しました。その後数十年にわたって、シッピー療法は、主に消化性潰瘍の男性に腎不全、アルカローシス、高カルシウム血症をもたらしました。これらの副作用は療法を中止すると回復しましたが、嘔吐が長引いた患者の中には致命的になった人もいました。消化性潰瘍の効果的な治療法が開発されてから、男性におけるミルクアルカリ症候群は減少しました。1990年代以降、骨粗鬆症の予防と治療のために、1日1.2～1.5グラムの推奨範囲を超えてカルシウムサプリメントを摂取している女性に最も多く報告されており、[59] [60]脱水によって悪化します。市販の製品にはカルシウムが添加されており、意図しない過剰摂取につながります。カルシウムの過剰摂取は高カルシウム血症につながる可能性があり、その合併症には嘔吐、腹痛、精神状態の変化などがあります。[61]
食品添加物としてはE170に指定されており、[62] INS番号は170です。酸度調整剤、固結防止剤、安定剤、または着色料として使用され、EU、[63]米国[64]オーストラリア、ニュージーランドで使用が承認されています。[65]「全粒粉を除くすべての英国の製粉パン用小麦粉に法律で添加されています。」[66] [67]一部の豆乳やアーモンドミルク製品では食事性カルシウム源として使用されています。少なくとも1つの研究では、炭酸カルシウムは牛乳のカルシウムと同じくらい生物学的に利用可能である可能性があることが示唆されています。[68]炭酸カルシウムは、多くの缶詰や瓶詰めの野菜製品の固め剤としても使用されています。
いくつかのカルシウムサプリメントの配合には鉛という元素が含まれていることが記録されており、[69]公衆衛生上の懸念を引き起こしています。[70]鉛は天然のカルシウム源によく含まれています。[69]
農業と養殖
農業用石灰、粉末状のチョークまたは石灰岩は、酸性土壌を中和して植栽に適した土壌にする安価な方法として使用され、養殖業界では養殖を開始する前に池の土壌のpHを調整するのにも使用されます。[71]石灰質土壌における農薬の吸着と脱着に影響を与えるかどうかを理解することに関心があります。[72]
家庭清掃
炭酸カルシウムは、コメットのような多くの家庭用洗剤の主要成分であり、洗浄剤として使用されます。
汚染緩和
1989年、ケン・シモンズという研究者がマサチューセッツ州のウェットストーン・ブルックに炭酸カルシウムを投入した。[73]彼は炭酸カルシウムが酸性雨による川の酸を打ち消し、産卵をやめたマスを救うことを期待した。彼の実験は成功したが、石灰岩で処理されていない川のエリアではアルミニウムイオンの量が増えてしまった。これは、炭酸カルシウムを投入することで川の生態系における酸性雨の影響を中和できることを示しています。現在、炭酸カルシウムは土壌と水の両方の酸性状態を中和するために使用されています。[74] [75] [76] 1970年代以来、スウェーデンでは酸性化を緩和するためにこのような石灰散布が大規模に行われており、数千の湖や川に繰り返し石灰が散布されています。[77]
炭酸カルシウムは、大規模な化石燃料発電所で燃焼される石炭やその他の化石燃料から排出される有害なSO2やNO2を除去する排ガス脱硫にも使用されています。 [74]
プラスチック
炭酸カルシウムはプラスチック業界では充填剤として一般的に使用されています。プラスチック材料に組み込むと、材料の硬度、剛性、寸法安定性、加工性が向上します。[78]
焼成平衡
生石灰を生成するために木炭火で石灰岩を焼成する手法は、古代から世界中の文化で実践されてきました。石灰岩から酸化カルシウムが生成される温度は通常 825 °C とされていますが、絶対的な閾値を述べるのは誤解を招きます。炭酸カルシウムは、どの温度でも酸化カルシウムおよび二酸化炭素と平衡状態にあります。各温度で、炭酸カルシウムと平衡状態にある二酸化炭素の分圧があります。室温では、平衡CO 2圧が空気中の CO 2分圧 (約 0.035 kPa)のごく一部に過ぎないため、平衡状態は圧倒的に炭酸カルシウムに有利です。
550℃を超えると、平衡CO2圧力が空気中のCO2圧力を超え始めます。そのため、550℃を超えると、炭酸カルシウムは空気中にCO2を放出し始めます。しかし、木炭で焼く窯では、 CO2濃度は空気中よりもはるかに高くなります。実際、窯内の酸素がすべて火で消費されると、窯内のCO2分圧は20kPaにも達することがあります。 [79]
表から、この部分圧は温度が約 800 °C になるまで達成されないことがわかります。炭酸カルシウムからのCO 2のガス放出が経済的に有効な速度で起こるためには、平衡圧力がCO 2の周囲圧力を大幅に上回る必要があります。また、それが急速に起こるためには、平衡圧力が 101 kPa の全大気圧を超える必要があり、これは 898 °C で発生します。
溶解度
さまざまな二酸化炭素プレッシャー
炭酸カルシウムは純水にはほとんど溶けません（下図のように通常の大気中の CO2 分圧 では47 mg/L）。
溶液の平衡は次の式で表されます（右側に溶解した炭酸カルシウム）。
ここで、[ Ca 2+ ] [CO2−3]はK sp =から任意の値として与えられます。3.7 × 10 −9からK sp =25℃では8.7 × 10 −9であるが、データソースによって異なる。 [80] [81]この式が意味するのは、カルシウムイオンのモル濃度（溶液1リットルあたりの溶解Ca 2+のモル数）と溶解COのモル濃度の積である。2−3K spの値を超えることはできません。この一見単純な溶解度方程式は、二酸化炭素と水のより複雑な平衡（炭酸を参照）と合わせて考える必要があります。CO2−3溶液中の H +と結合すると、
HCO−3は重炭酸イオンとして知られています。重炭酸カルシウムは炭酸カルシウムよりも水に何倍も溶けやすく、実際には溶液の状態でのみ存在します。
HCOの一部−3溶液中の H +と結合すると、
H 2 CO 3の一部は、水と溶解した二酸化炭素に分解されます。
そして、溶解した二酸化炭素は大気中の二酸化炭素と平衡状態にある。
大気中のP CO 2は約3.5 × 10 −4 atm（または同等の35 Pa）。上記の最後の式は、溶解したCO 2の濃度を溶解したCaCO 3の濃度とは無関係に、P CO 2の関数として固定します。大気圧のCO 2分圧では、溶解したCO 2 の濃度は1.2 × 10 −5モル/リットル。その前の式は、H 2 CO 3の濃度をCO 2濃度の関数として固定します。[ CO 2 ] =1.2 × 10 −5の場合、[H 2 CO 3 ] =2.0 × 10 −8モル/リットル。[H 2 CO 3 ]がわかっている場合、残りの3つの式は
（これはすべての水溶液に当てはまります）、そして溶液は電気的に中性でなければならないという制約、すなわち溶解した正イオン[Ca 2+ ] + 2 [H + ]の総電荷は溶解した負イオン[HCO−3] + [CO2−3] + [OH − ]、残りの 5 つの未知の濃度を同時に解くことが可能になります (前述の中性形式は、炭酸カルシウムを純水または中性 pH 溶液と接触させた場合にのみ有効です。初期の水溶媒 pH が中性でない場合は、バランスは中性ではありません)。
隣の表は、[Ca 2+ ]と[H + ]（pHの形）をCO 2の周囲分圧（K sp =）の関数として示しています。計算には 4.47 × 10 −9が採用されている。
- 表によれば、大気中のCO2濃度では、溶液はわずかにアルカリ性となり、CaCO3の最大溶解度は 47 mg/Lになります。
- 周囲のCO 2分圧が大気圧より低くなると、溶液はますますアルカリ性になります。P CO 2 が極めて低い場合、溶解したCO 2、重炭酸イオン、炭酸イオンは溶液から大部分が蒸発し、CaCO 3 よりも溶解性の高い水酸化カルシウムの高アルカリ性溶液が残ります。P CO 2 = 10 −12 atmの場合、[ Ca 2+ ] [ OH − ] 2積は、 Ca(OH) 2の溶解度積(8 × 10 −6）。さらに低いCO 2圧力では、CaCO 3 の沈殿よりも先にCa(OH) 2 の沈殿が起こります。
- 周囲のCO 2分圧が大気圧を超えるレベルまで増加すると、 pH が低下し、炭酸イオンの多くが重炭酸イオンに変換され、 Ca 2+の溶解度が高まります。
後者の影響は、硬水を使用する人々の日常生活で特に顕著です。地下帯水層の水は、大気よりもはるかに高いレベルのCO 2にさらされる可能性があります。このような水が炭酸カルシウム岩に浸透すると、 CaCO 3は上記のいずれかの傾向に従って溶解します。その後、同じ水が蛇口から出てくると、余分なCO 2 を放出して、空気中のCO 2レベルと平衡状態になります。その結果、炭酸カルシウムの溶解性が低下し、余分なものは石灰スケールとして沈殿します。この同じプロセスが、石灰岩の洞窟の 鍾乳石と石筍の形成の原因です。
炭酸カルシウムの2つの水和相、モノハイドロカルサイト CaCO 3 ·H 2 OとイカイトCaCO 3 ·6H 2 Oは、常温で水から 沈殿し、準安定相として存続することがあります。
pH、温度、塩分濃度の変化により、炭酸カルシウムプールでのスケーリング
上記の開放平衡シナリオとは対照的に、多くのプールは、緩衝剤として約2 mmol/Lの濃度の重炭酸ナトリウム（NaHCO 3 ）を添加し、次に酸性または塩基性のHCl、 NaHSO 4、Na 2 CO 3、NaOHまたは塩素製剤を使用してpHを制御することによって管理されています。この状況では、溶存無機炭素（総無機炭素）は大気中のCO 2と平衡からほど遠い状態です。CO 2のガス放出による平衡への進行は、
- 遅い反応
- 深層水柱における限られた通気；および
- 緩衝能力を維持するために重炭酸塩を定期的に補充する（総アルカリ度の測定によって推定されることが多い）。
このような状況では、はるかに速い反応の解離定数は
- H 2 CO 3 ⇌ H + + HCO−3⇌ 2 H + + CO2−3
添加されたHCOの濃度から、溶液中の各溶存無機炭素種の濃度を予測することができる。−3（淡水25℃でpH7～8のビエルムプロット種の90％以上を占める）。[ 83 ] HCO−3COが増加する2−3任意のpHにおける濃度。上記の式を整理すると、[Ca 2+ ] = Kspの/[ CO2−3]、および [ CO2−3] = K a2 [ HCO−3]/[ H + ] . したがって、HCO−3濃度がわかっている場合、 CaCO 3沈殿によるスケーリング前のCa 2+イオンの最大濃度は次の式から予測できます。
- [ Ca 2+ ]最大値= Kspの/カ2 × [ H + ]/[ HCO−3]
CaCO 3の溶解度積（K sp）と溶存無機炭素種の解離定数（K a2を含む）はすべて、温度と塩分濃度によって大きく影響され、[83]全体的な影響として、[ Ca 2+ ] maxは淡水から塩水にかけて増加し、温度、pH、または添加された重炭酸塩レベルの上昇とともに減少します（添付のグラフを参照）。
この傾向はプール管理の参考になりますが、スケーリングが発生するかどうかは、プール内のMg 2+、[B(OH) 4 ] −およびその他のイオンとの相互作用や過飽和効果などの他の要因にも左右されます。 [84] [85]スケーリングは、陰極表面近くのpHが高く、スケールの堆積によってさらに温度が上昇する電解塩素発生器でよく見られます。これが、一部のプール運営者が主要なpH緩衝剤として重炭酸塩よりもホウ酸塩を好み、カルシウムを含むプール化学薬品の使用を避ける理由の1つです。[86]
強酸または弱酸溶液への溶解性
強酸( HCl )、中程度の強酸 (スルファミン酸)、弱酸(酢酸、クエン酸、ソルビン酸、乳酸、リン酸)の溶液が市販されています。これらは、石灰の堆積物を除去するスケール除去剤としてよく使用されます。1 リットルの酸溶液で「溶解」できるCaCO 3の最大量は、上記の平衡方程式を使用して計算できます。
- 強い一酸の場合、酸濃度が減少すると[A] = [ A − ]となり、次の式が得られます（CaCO 3モル質量 = 100 g/mol）。
- ここで、初期状態はCa 2+を含まない酸性溶液（ CO 2 の溶解は考慮しない）であり、最終状態はCa 2+が飽和した溶液である。強酸濃度の場合、最終状態ではすべての種がCa 2+とA −に関して無視できる濃度であるため、中性方程式はおよそ2[ Ca 2+ ] = [ A − ]となり、[ Ca 2+ ] ≈ 0.5 [ A − ]となる。濃度が減少すると、[ HCO−3] は無視できなくなるため、前述の式はもはや有効ではありません。酸濃度がゼロの場合、最終的な pH と純水中のCaCO 3の溶解度を回復できます。
- 弱い一酸（ここではp Ka a = 4.76の酢酸を例にとります）の場合、総酸濃度[A] = [ A − ] + [AH]が減少すると、次の式が得られます。
- 同じ総酸濃度の場合、弱酸の初期 pH は強酸の初期 pH よりも酸性度が低くなりますが、溶解できるCaCO 3の最大量はほぼ同じです。これは、最終状態では pH が p K aよりも大きいため、弱酸はほぼ完全に解離し、最終的に強酸と同じ数のH +イオンが生成されて炭酸カルシウムが「溶解」されるためです。
- リン酸（家庭用途で最も広く使用されている）の場合の計算は、この酸に対応する4つの解離状態の濃度を[ HCO−3]、[ CO2−3]、[ Ca 2+ ]、[ H + ]、[ OH − ]である。この系は[ H + ]の7次方程式に簡約でき、その数値解は次のようになる。
- ここで[A] = [H 3 PO 4 ] + [H 2 PO−4] + [HPO2−4] + [PO3−4]は総酸濃度である。したがって、リン酸はモノ酸よりも効率的である。なぜなら、最終のほぼ中性pHでは、第2の解離状態の濃度[ HPO2−4] は無視できない（リン酸を参照）。
参照
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外部リンク
- 国際化学物質安全性カード 1193
- PubChemの CID 516889
- ATC コード: A02AC01 ( WHO ) およびA12AA04 ( WHO )
- 英国炭酸カルシウム協会 – 炭酸カルシウムとは何か 2008年5月24日アーカイブ - Wayback Machine
- CDC – NIOSH 化学物質の危険性に関するポケットガイド – 炭酸カルシウム