بيكربونات الكالسيوم: الهيكل والخصائص والمخاطر والاستخدامات
بيكربونات الكالسيوم هو ملح غير عضوي مع الصيغة الكيميائية Ca (HCO 3 ) 2 . ينشأ في الطبيعة من كربونات الكالسيوم الموجودة في صخور الحجر الجيري والمعادن مثل الكالسيت.
بيكربونات الكالسيوم أكثر قابلية للذوبان في الماء من كربونات الكالسيوم. سمحت هذه الخاصية بتكوين أنظمة الكارستية في الصخور الكلسية وفي بناء الكهوف.
تصبح المياه الجوفية التي تمر عبر الشقوق مشبعة في إزاحتها لثاني أكسيد الكربون (CO 2 ). تؤدي هذه المياه إلى تآكل صخور الحجر الجيري التي تطلق كربونات الكالسيوم (CaCO 3 ) التي ستشكل بيكربونات الكالسيوم ، وفقًا للتفاعل التالي:
CaCO 3 (s) + CO 2 (g) + H 2 O (l) => Ca (HCO 3 ) 2 (aq)
يحدث هذا التفاعل في الكهوف حيث ينشأ الماء العسر للغاية. لا يوجد بيكربونات الكالسيوم في الحالة الصلبة ولكن في محلول مائي ، إلى جانب Ca2 + ، بيكربونات (HCO3 -) وأيون كربونات (CO3 2-).
بعد ذلك ، عندما يتناقص تشبع ثاني أكسيد الكربون في الماء ، يحدث رد الفعل العكسي ، بمعنى تحول بيكربونات الكالسيوم إلى كربونات الكالسيوم:
Ca (HCO 3 ) 2 (aq) => CO 2 (g) + H 2 O (l) + CaCO 3 (s)
كربونات الكالسيوم غير قابلة للذوبان في الماء بشكل سيئ ، وهذا يؤدي إلى حدوث هطول الأمطار كمادة صلبة. رد الفعل أعلاه مهم جدا في تشكيل الهوابط ، الصواعد وغيرها من الألغاز في الكهوف.
تتشكل هذه الهياكل الصخرية من قطرات الماء التي تسقط من سطح الكهوف (الصورة العليا). يتبلور CaCO 3 الموجود في قطرات الماء لتشكيل الهياكل المذكورة.
حقيقة أن بيكربونات الكالسيوم غير موجودة في الحالة الصلبة جعلت استخدامها أمرًا صعبًا ، ولم يتم العثور على سوى أمثلة قليلة. أيضا ، من الصعب العثور على معلومات حول آثاره السامة. هناك تقرير عن مجموعة من الآثار الجانبية لاستخدامه كعلاج للوقاية من هشاشة العظام.
هيكل
تُظهر الصورة العليا اثنين من HCO 3 - أنيون و Ca2 + كاتيون يتفاعلون إلكتروستاتيكيًا. يجب أن يكون Ca2 + طبقًا للصورة ، في المنتصف ، نظرًا لأن HCO 3 - لن يصد بعضًا عن طريق الشحنات السلبية.
يتم شحنة الشحنة سالبة في HCO 3 - بين ذرتين الأكسجين ، من خلال الرنين بين مجموعة الكربونيل C = O والرابطة C-O- ؛ بينما في ثاني أكسيد الكربون 3 - ، يتم تغيير موقعه بين ذرات الأكسجين الثلاثة ، حيث إن رابطة C-OH يتم خلعها وبالتالي يمكن أن تتلقى شحنة سالبة عن طريق الرنين.
يمكن اعتبار الأشكال الهندسية لهذه الأيونات بمثابة كرات من الكالسيوم تحيط بها مثلثات مسطحة من الكربونات ذات النهاية المهدرجة. من حيث نسبة الحجم ، الكالسيوم أصغر بشكل ملحوظ من أيونات HCO 3 .
المحاليل المائية
الكالسيوم (HCO 3 ) 2 لا يمكن أن يشكل مواد صلبة بلورية ، ويتكون في الواقع من المحاليل المائية لهذا الملح. فيها ، ليست الأيونات وحدها ، كما في الصورة ، ولكنها محاطة بجزيئات H 2 O.
كيف تتفاعل؟ كل أيون محاط بمجال ترطيب ، والذي سيعتمد على المعدن والقطبية وهيكل الأنواع الذائبة.
ينسق Ca2 + مع ذرات الأكسجين في الماء لتكوين كتلة مائية ، Ca (OH 2 ) n 2+ ، حيث يعتبر n عمومًا ستة ؛ وهذا هو ، "المثمن مائي" حول الكالسيوم.
بينما يتفاعل HCO 3 - الأيونات مع روابط الهيدروجين (O 2 CO-H-OH 2 ) أو مع ذرات الهيدروجين في الماء في اتجاه الشحنة السلبية التي يتغير (HOCO 2 - H-OH ، ثنائي القطب أيون).
هذه التفاعلات بين Ca2 + و HCO3 - والماء فعالة للغاية ، بحيث تجعل بيكربونات الكالسيوم قابلة للذوبان للغاية في هذا المذيب ؛ على عكس CaCO 3 ، حيث تكون عوامل الجذب الكهروستاتيكية بين Ca2 + و CO 3 2- قوية للغاية ، تترسب من المحلول المائي.
بالإضافة إلى الماء ، هناك جزيئات من ثاني أكسيد الكربون حولها ، والتي تتفاعل ببطء لتوفير المزيد من HCO 3 - (حسب قيم الرقم الهيدروجيني).
الصلبة افتراضية
حتى الآن ، تشرح أحجام وتكاليف الأيونات في الكالسيوم (HCO 3 ) 2 ، أو وجود الماء ، سبب عدم وجود المركب الصلب ؛ أي البلورات النقية التي يمكن أن تتميز بعلم البلورات بالأشعة السينية. Ca (HCO 3 ) 2 ليس أكثر من الأيونات الموجودة في الماء والتي تستمر فيها التكوينات الكهربية في النمو.
إذا كان Ca2 + و HCO3 - يمكن عزلهما عن الماء مع تجنب التفاعل الكيميائي التالي:
Ca (HCO 3 ) 2 (aq) → CaCO 3 (s) + CO 2 (g) + H 2 O (l)
يمكن بعد ذلك تجميعها في مادة صلبة بلورية بيضاء بنسب متكافئة من 2: 1 (2HCO 3/1 Ca). لا توجد دراسات حول تركيبها ، ولكن يمكن مقارنتها بتركيبة NaHCO 3 (نظرًا لأن بيكربونات المغنيسيوم ، المغنيسيوم (HCO 3 ) 2 ، لا يوجد كمادة صلبة) ، أو مع تركيزات CaCO 3 .
الاستقرار: NaHCO 3 ضد Ca (HCO 3 ) 2
يتبلور NaHCO 3 في النظام أحادي الميل ، و CaCO 3 في النظم المثلثية (كالسيت) وتقويم العظام (أراغونيت). إذا تم استبدال Na + بـ Ca2 ، فسوف تتزعزع الشبكة البلورية بسبب الاختلاف الأكبر في الحجم ؛ وهذا يعني ، Na + ، لأنه أصغر ، يشكل بلورة أكثر ثباتًا باستخدام HCO 3 - بالمقارنة مع Ca2 +.
في الواقع ، يحتاج Ca (HCO 3 ) 2 (aq) إلى الماء حتى يتبخر بحيث يمكن تجميع أيوناته في بلورة ؛ لكن الشبكة البلورية لهذا الجهاز ليست قوية بما يكفي للقيام بذلك في درجة حرارة الغرفة. عندما يتم تسخين الماء ، يحدث تفاعل التحلل (المعادلة أعلاه).
مع محلول Na + ion ، سيشكل البلورة مع HCO 3 - قبل التحلل الحراري.
إن السبب وراء عدم تبلور Ca (HCO 3 ) 2 (نظريًا) هو اختلاف نصف قطر الأيونات أو أحجام أيوناتها ، والتي لا يمكن أن تشكل بلورة مستقرة قبل التحلل.
كا (HCO 3 ) 2 - كاكو 3
من ناحية أخرى ، إذا تمت إضافة H + إلى الهياكل البلورية لـ CaCO 3 ، فإنها ستغير خصائصها الفيزيائية بشكل كبير. ربما ، تسقط نقاط انصهارها بشكل كبير ، وحتى المورفولوجيا من البلورات ينتهي تعديلها.
هل سيكون من المفيد محاولة توليف الكالسيوم الصلبة (HCO 3 ) 2 ؟ قد تتجاوز الصعوبات التوقعات ، وقد لا يوفر الملح ذو الاستقرار الهيكلي المنخفض فوائد إضافية كبيرة في أي تطبيق تستخدم فيه أملاح أخرى بالفعل.
الخصائص الفيزيائية والكيميائية
الصيغة الكيميائية
Ca (HCO 3 ) 2
الوزن الجزيئي
162.11 جم / مول
الحالة المادية
لا يظهر في الحالة الصلبة. يوجد في المحلول المائي ومحاولات تحويله إلى مادة صلبة عن طريق تبخر الماء ، ولم ينجح لأنه يتحول إلى كربونات الكالسيوم.
الذوبان في الماء
16.1 جم / 100 مل عند 0 درجة مئوية ؛ 16.6 جم / 100 مل عند 20 درجة مئوية و 18.4 جم / 100 مل عند 100 درجة مئوية. هذه القيم تدل على التقارب العالي لجزيئات الماء لأيونات الكالسيوم (HCO 3 ) 2 ، كما هو موضح في القسم السابق. وفي الوقت نفسه ، يذوب 15 ملغ فقط من CaCO 3 في لتر واحد من الماء ، مما يعكس تفاعلاته الإلكتروستاتيكية القوية.
نظرًا لأن Ca (HCO 3 ) 2 لا يمكن أن تشكل مادة صلبة ، لا يمكن تحديد قابلية ذوبانها تجريبياً. ومع ذلك ، نظرًا للظروف التي أنشأها ثاني أكسيد الكربون المذاب في الماء المحيط بالحجر الجيري ، يمكن حساب كتلة الكالسيوم الذائب عند درجة حرارة T ؛ الكتلة ، والتي ستكون مساوية لتركيز Ca (HCO 3 ) 2 .
في درجات حرارة مختلفة ، تزداد الكتلة الذائبة كما هو موضح في القيم عند 0 و 20 و 100 درجة مئوية. بعد ذلك ، وفقًا لهذه التجارب ، يتم تحديد مقدار ذوبان Ca (HCO 3 ) 2 في محيط CaCO 3 في وسط مائي تغويز بثاني أكسيد الكربون. بمجرد هروب غاز ثاني أكسيد الكربون ، سيتراكم الكالسيوم 3 ، لكن لن يتأرجح الكالسيوم (HCO 3 ) 2 .
الانصهار ونقاط الغليان
الشبكة البلورية من Ca (HCO 3 ) 2 أضعف بكثير من CaCO 3 . إذا كان يمكن الحصول عليها في حالة صلبة ، وقياس درجة الحرارة التي يذوب بها داخل مقياس الجسيمات ، فمن المؤكد أنها ستحصل على قيمة أقل بكثير من 899 درجة مئوية. وبالمثل ، يمكن توقع الشيء نفسه في تحديد نقطة الغليان.
نقطة الاحتراق
انها ليست قابلة للاحتراق.
المخاطر
نظرًا لعدم وجود هذا المركب في صورة صلبة ، فمن غير المحتمل أن يمثل خطرًا للتلاعب بالمحاليل المائية الخاصة به ، لأن كل من أيونات Ca2 + و HCO3 ليست ضارة بتركيزات منخفضة ؛ وبالتالي ، فإن أكبر خطر من شأنه أن يبتلع مثل هذه الحلول ، يمكن أن يكون فقط بسبب جرعة خطيرة من الكالسيوم المبتلع.
إذا كان المركب يتكون من مادة صلبة ، على الرغم من أنه قد يكون مختلفًا فعليًا عن CaCO 3 ، فإن آثاره السامة قد لا تتجاوز المضايقات البسيطة والإزالة بعد الاتصال الجسدي أو الاستنشاق.
تطبيقات
- استخدمت حلول بيكربونات الكالسيوم لفترة طويلة لغسل الأوراق القديمة ، وخاصة الأعمال الفنية أو الوثائق التاريخية الهامة.
-استخدام محاليل بيكربونات مفيد ، ليس فقط لأنها تحيد الأحماض الورقية ، ولكنها توفر أيضًا احتياطي قلوي من كربونات الكالسيوم. يوفر هذا المركب الأخير الحماية للأضرار المستقبلية على الورق.
- مثله مثل بيكربونات أخرى ، يتم استخدامه في الخمائر الكيميائية وتركيبات أقراص فوارة أو مساحيق. بالإضافة إلى ذلك ، يستخدم بيكربونات الكالسيوم كمادة مضافة للغذاء (المحاليل المائية لهذا الملح).
- استخدمت محاليل بيكربونات في الوقاية من هشاشة العظام. ومع ذلك ، فقد لوحظت آثار ثانوية مثل فرط كالسيوم الدم ، قلاء الأيض والفشل الكلوي في حالة واحدة.
- يدار بيكربونات الكالسيوم ، في بعض الأحيان ، عن طريق الوريد لتصحيح التأثير الاكتئابي لنقص بوتاسيوم الدم في وظائف القلب.
- وأخيرا ، فإنه يوفر الكالسيوم للجسم ، وهو وسيط تقلص العضلات ، في حين تصحيح الحماض التي يمكن أن تحدث في حالة نقص بوتاسيوم الدم.
