آن‌چه باید در مورد کربنات کلسیم (CaCO3) بدانید

آن‌چه باید در مورد کربنات کلسیم (CaCO3) بدانید

کربنات کلسیم با فرمول شیمیایی CaCO₃  ماده­ای سفیدرنگ، نرم بدون بو و مزه که به فراوانی در سطح پوسته زمین به صورت آهک و گچ یافت می­شود و تقریبا 10% رسوبات کف اقیانوس­ها و دریاها را تشکیل می­دهد. با این وجود در دریاهای گرمسیری و استوایی و نیمه گرمسیری جایی که موجودات زنده رسوب کربنات را تولید می­کنند بسیار فراوان است.

تقریبا تمام کربنات کلسیمی که بستر دریا را پوشانده است از موجودات دریایی است. کرینات کلسیم ترکیبی مهم در سیستم­های بایولوژیکی از جمله پوسته­ ی موجودات دریایی، پوسته تخم‌مرغ و مرواریدهاست. بعضی از این سیستم­ها منبع غذایی کلسیم هستند اما همچنین منبع صنعتی هستند.

کربنات­ها به صورت گسترده­ای از باقیمانده­ های اسکلت و سایر باقیمانده­ های بایولوژیکی ساخته می­شوند. سنگ­های کربناتی به صورت­های مختلفی وجود دارند. منابع معدنی کربنات کلسیم به سه صورت کلسیت، آراگونیت و واتریت یافت می­شود. اگر به آبی که حاوی نسبت بالایی از Mg/Ca است و دارای مقدار بالایی از منیزیم خالص است کربنات کلسیم (به شکل کلسیت یا آراگونیت) اضافه کنیم می­توانیم دولومیت (CaMg(CO₃)₂) را تولید کنیم.

از آن­جایی که کربنات کلسیم خاصیت اسید­زدایی دارد، اگر استخراج بیش از اندازه­ای از این ماده در دریا­ها و اقیانوس­ها صورت بگیرد باعث بالا رفتن اسیدیته آب می­شود. از خصلت اسید­زدایی کربنات کلسیم در مصارف دارویی استفاده می­شود. افزایش میزان سوخت­های فسیلی و به دنبال آن افزایش انتشار گاز CO₂ روی سطح اقیانوس­ها باعث افزایش اسیدیته آب به مرور زمان می­شود. این افزایش میزان اسیدیته بر روی رشد پوسته کلسیم کربناتی اثر منفی می­گذارد. عوامل اصلی که بر روی حفظ CaCO₃ تاثیر می­گذارد را می­توان به این سه مورد خلاصه کرد درصد کربنات کلسیم در رسوبات عمق دریا، ورودی مواد فرسایشی که منجر به دفن بهتر و حفظ کربنات­ها می­شود، بهره ­وری بهتر از آب­های سطحی در مناطق مرتفع که منجر به ته­ نشینی بهتر و غلظت بالاتری از کربنات در رسوبات می­شود. میزان بی کربنات موجود در محلول نیز بر روی میزان کربنات معدنی موثر است. بی کربنات ­ها به صورت برگشت­ پذیر با هیدراته شدن CO₂ تشکیل می­شوند که این مرحله مرحله ­ی تعیین کننده­ ی سرعت در حضور Ca در فرایند تشکیل CaCO₃ است.

تمام نظریات این قضیه را تایید می­کنند که CaCO₃ آمورفی در ابتدا به عنوان یک آغاز کننده شکل می­گیرد و سپس به شکل کریستالی کلسیت یا آراگونیت تبدیل می­شود.

کلسیم کربنات را به شیوه­ های گوناگونی می­توان تهیه کرد:

1. با کربناته کردن محلول آبی Ca(CH₃COO)₂ با گاز CO₂ در فشار بالای bar 40 و دمای بالای C◦80 در 60 دقیقه واکنش.
2. با ترکیب کردن محلول­های Ca(OH)2 و H2CO3 و وارد کردن CO2 با خلوص بالا تا محلول اشباع به‌دست آید.
3. با استفاده از کلسیم کلرید و سدیم بیکربنات

در این­جا محلول­هایی از کلسیم کلرید و منیزیم کلرید به آبی که شامل منیزیم و کلسیم با نسبت مولی 2 باشد در صورتی که pH در هفت ثابت شده باشد اضافه می­شود. سپس محلولی از سدیم کربنات سریع به محلول فوق در حالی که روی استیرر قرار دارد اضافه می­شود. بعد از گذشت زمان 24 ساعت رسوب جمع­آوری و خشک شده و مخلوطی که شامل دو فاز کلسیت و آراگونیت به علاوه مقدار کمی از واتریت است بدست می­آید.

4. کلسیم استات و آمونیوم کربنات

معمول­ترین روش کریستالیزاسیون CaCO₃ با تهیه­ی محلولی از (NH₄)₂CO₃ و Ca(CH₃COO)₂ صورت می‌گیرد.

سایر روش­ها شامل استفاده از کلسیم کلراید، ژلاتین و اوره – تجزیه کربن دی­اکسید – استفاده از دولومیت و ساکارز و یا استفاده از ولاستونیت می‌شوند.

عواملی که بر روی آماده­سازی کلسیم کربنات تاثیر­گذار هستند:

1. pH، دما و فشار

در دمای 25 و ◦C80 شکل غالب کلسیم کربنات واتریت هست، در حالی­که فرم کلسیت در دمای C◦50 بدست می­آید. کم­تر از 5% از آراگونیت در دمای C◦70 مشاهده می­شود.

در pH 5/0، کریستال­های کلسیت و آراگونیت بدست می­آیند. وقتی که مقدار pH بالاتر از 5/5 باشد، رسوب­ها کریستال­های کلسیت هستند با مورفولوژی و اندازه ذره متفاوت.

2. غلظت یون کربنات و کلسیم

نسبت غلظتی کربنات و کلسیم روی سایز ذرات کربنات کلسیم و شکل آن تاثیر گذار است.

3. منیزیم

پلی­مورف­های کربنات کلسیم رسوب کرده به نسبت Mg/Ca وابسته­اند.

4. مواد افزودنی آلی و معدنی

این مواد اصلاح کننده بر روی سایز ذرات کریستاله شده­ی کربنات کلسیم تاثیر گذارند.

عوامل دیگری از جمله یون­­های فلزی، سورفاکتانت­ها، ویسکوزیته، امواج التراسونیک و … نیز روی آماده­سازی کربنات کلسیم تاثیرگذارند.

بازدارنده­هایی نیز وجود دارند که مانع از تشکیل رسوب کربنات کلسیم می­شوند. در حین آماده­سازی کربنات کلسیم باید حضور این عوامل را هم در نظر داشت.

از جمله ویژگی­های فیزیکی کربنات کلسیم ثابت یونیزاسیون، حلالیت در آب که عملا در آب نامحلول است که در حضور نمک آمونیوم یا CO₂ حلالیت افزایش می­یابد. در کل حلالیت شکل­های هیدراته کربنات کلسیم از فرم­های غیرهیدراته آن مثل کلسیت، آراگونیت و واتریت بیش­تر است. pH انحلال کربنات کلسیم در آب با HCl و NaOH ثابت می­شود.

کربنات کلسیم معمولا در شش شکل متفاوت وجود دارد: سه پلی­مورف کریستاله، 1- کلسیت 2- آراگونیت و 3- واتریت با با پایداری کم، دو شکل هیدراته، 4- مونوهیدروکلسیت و 5- ایکایت و 6- کربنات کلسیم آمورف. کلسیت به صورت معمول به شکل لوزی مانند است. آراگونیت معمولا به شکل منشوری مانند یا سوزنی شکل است و واتریت به شکل پلی کریستال­های کروی است. نقطه ذوب CaCO₃ برای آراگونیت C◦825 و ◦C1339.

با استفاده از آزمون XRD می­توان تعیین کرد پودر کربنات کلسیم ما شامل کدام یک از فرم­های کریستاله این ترکیب است. کلسیت در زاویه­ی 4/29= 2ɵ دارای پیکی با شدت نسبی 100% است. آراگونیت در زاویه­ی 3/26= 2ɵ دارای پیکی با این شدت است و واتریت در زاویه­ی 0/27= 2ɵ. فرم مونوهیدراته کلسیت و ایکایت به ترتیب در زاویه­های 0/32= 2ɵ و 5/17= 2ɵ دارای بیش­ترین شدت هستند.

روش­های دیگری برای شناسایی نوع شکل کربنات کلسیم و غلظت آن وجود دارد، از جمله روش­های اسپکتروسکوپی شامل UV/VIS برای تعیین غلظت کربنات کلسیم به کار رفته، FTIR برای تعیین نوع گونه­ ی کربنات کلسیم، رامان برای تعیین گونه­ های مختلف شکل کریستاله کربنات کلسیم و H MAS NMR برای آنالیز مولکول آب ترکیب شده. به این تکنیک­ ها می­توان روش­های فلورومتری، روش­های الکتروشیمیایی، کروماتوگرافی و جذب اتمی را نیز اضافه کرد.

کلسیت فرم پایدار بدون آب کربنات کلسیم است که با افزایش فشار به سمت تراکم فازها می­رود. آراگونیت فرم نیمه­پایدار کلسیم کربنات است که برای میلیون­ها سال در شرایط خشک در دمای زیر C◦400 باقی می­ماند. واتریت فرم بدون آب و کم ثبات کلسیم کربنات در شرایط محیطی است، که پس از قرار گرفتن در معرض آب به کلسیت یا آراگونیت تبدیل می­شود.

CaCO₃ انحلال خیلی کمی در آب دارد اما در حالت اشباع شده با CO₂ به دلیل تشکیل کلسیم بیکربنات (Ca(HCO₃)₂) قابل انحلال­تر حلالیت افزایش می­یابد. با وجود این مثل همه­ی کربنات­های فلزی، CaCO₃ با محلول­های اسیدی واکنش می­دهد تا گاز CO₂ را تولید کند.

کاربردها

در اتحادیه ­ی اروپا CaCO₃ به عنوان رنگ خوراکی مجاز شمرده می­شود همینطور استفاده­ ی آن در مواد غذایی نیز مجاز است. همچنین از CaCO₃ در مواد آرایشی و بهداشتی و در محصولات دارویی هم به کار می­رود. در محصولات دارویی می­تواند به عنوان یک ماده ­ی آنتی­اسید یا رنگ دارویی بکار ­رود. CaCO₃ چه طبیعی و چه رسوبی، به صورت گسترده­ای به عنوان یک پرکننده بزرگ در کاغذ، رنگ‌سازی، چسب‌ها و پلیمرها استفاده می­شود. همین‌طور کربنات کلسیم در مصارف دارویی به عنوان یک منبع دارویی در آنتی­ اسیدها، به‌عنوان مکمل کلسیم و به عنوان پوشش‌دهنده و اتصال‌دهنده در فرم‌های جامد و به عنوان پایه در دندان‌پزشکی استفاده می­شود.

سمیت

مطالعات متفاوتی روی سمیت CaCO₃ روی حیوانات مختلف انجام شده است، که به‌طورکلی هیچ سمیتی ناشی از CaCO₃ نشان نداده‌اند.آآ
[/av_textblock]