탄산칼슘

Calcium carbonate

탄산칼슘
이름
IUPAC명
탄산칼슘
기타명
식별자
3D 모델(JSmol)
ChEBI
CHEMBL
켐스파이더
드럭뱅크
ECHA 인포카드 100.006.765 Edit this at Wikidata
EC 번호
  • 207-439-9
E수 E170(컬러)
케그
펍켐 CID
RTECS 번호
  • FF9335000
유니
  • InChI=1S/CH2O3.Ca/c2-1(3)4;/h(H2,2,3,4);/q;+2/p-2 확인.Y
    Key: VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L 확인.Y
  • InChI=1/CH2O3.Ca/c2-1(3)4;/h(H2,2,3,4);/q;+2/p-2
    Key: VTYYLEPIZMXCLO-NUQVWONBAS
  • [Ca+2.[O-]C([O-])=O
  • C(=O)([O-])[O-].[Ca+2]
특성.
CaCO3
어금니 질량 100.0869 g/mol
외모 고운 흰 가루; 분필 맛
냄새 무취의
밀도 2.711 g/cm3 (calcite)
2.83g/cm (aragon)
융점 1,339 °C (2,442 °F; 1,612 K) (calcite)
825 °C (1,517 °F; 1,098 K) (aragonite)[4][5]
끓는점 분해된
0.013 g/L (25 °C)[1][2]
3.3×10−9[3]
묽은 산에 대한 용해도 가용성의
산도(pKa) 9.0
−3.82×10−5 cm3/mol
1.59
구조.
삼각형
32/m
열화학
93 J·mol−1·K−1[6]
−1207 kJ·mol−1[6]
약리학
A02AC01 (WHO) A12AA04 (WHO)
위험성
NFPA 704 (파이어다이아몬드)
NFPA 704 four-colored diamondHealth 0: Exposure under fire conditions would offer no hazard beyond that of ordinary combustible material. E.g. sodium chlorideFlammability 0: Will not burn. E.g. waterInstability 0: Normally stable, even under fire exposure conditions, and is not reactive with water. E.g. liquid nitrogenSpecial hazards (white): no code
0
0
0
치사량 또는 농도(LD, LC):
6450mg/kg (구강, 쥐)
NIOSH(미국 건강 노출 제한):
PEL(허용)
 TWA 15mg/m3 (총) TWA 5mg/m3 (resp)[7]
안전 데이터 시트(SDS) ICSC 1193
관련 화합물
기타 음이온
 중탄산칼슘
기타 양이온
 탄산 베릴륨
탄산마그네슘
탄산 스트론튬
탄산바륨
탄산 라듐
관련 화합물
 황산칼슘
달리 명시된 경우를 제외하고 표준 상태의 재료에 대한 데이터가 제공됩니다(25°C [77°F], 100kPa).
☒확인(무엇입니까?)
석회석의 결정구조

탄산칼슘은 화학식이 CaCO인3 화합물입니다. 석회암과 아라고나이트 광물로 암석에서 흔히 볼 수 있는 물질로, 분필과 석회암, 달걀 껍질, 복족류 껍질, 조개 껍질, 진주 등에서 가장 눈에 띕니다. 탄산칼슘을 많이 함유하거나 이와 유사한 물질을 석회질이라고 설명합니다. 탄산칼슘은 농업용 석회의 유효성분으로 경수중의 칼슘이온이 탄산이온과 반응하여 석회질을 형성할 때 생성됩니다. 칼슘 보충제 또는 제산제로 의학적 용도가 있지만 과도한 섭취는 위험하고 고칼슘혈증 및 소화 문제를 유발할 수 있습니다.[8]

화학

탄산칼슘은 다른 탄산염의 전형적인 성질을 공유합니다. 눈에 띄게

탄산칼슘은 이산화탄소로 포화된 물과 반응하여 용해성 중탄산칼슘을 형성합니다.

이 반응은 탄산염암의 침식에 중요하여 동굴을 형성하고 많은 지역에서 경수로 이어집니다.

탄산칼슘의 특이한 형태는 6탄화수소인 CaCO3·6입니다.HO2. 이카이트는 8°C 이하에서만 안정적입니다.

준비

산업에서 사용되는 탄산칼슘의 대부분은 채굴 또는 채석을 통해 추출됩니다. 순수 탄산칼슘(식품용 또는 의약용 등)은 순수한 채석원(일반적으로 대리석)으로부터 생산될 수 있습니다.

또는 산화칼슘으로 탄산칼슘을 제조합니다. 물을 첨가하여 수산화칼슘을 제공한 다음 이산화탄소를 이 용액에 통과시켜 원하는 탄산칼슘을 침전시킵니다. 이 과정을 탄산화라고 합니다.[9]

실험실에서 탄산칼슘은 염화칼슘(CaCl2)으로부터 쉽게 결정화될 수 있으며, CaCl2 수용액을 탄산암모늄(NH4)2CO와3 함께 데시케이터에 넣어줍니다.[10] 데시케이터에서 탄산암모늄은 공기에 노출되어 암모니아, 이산화탄소, 물로 분해됩니다. 그런 다음 이산화탄소는 염화칼슘 수용액으로 확산되어 칼슘 이온 및 물과 반응하여 탄산칼슘을 형성합니다.

구조.

정상 조건에서 열역학적으로 안정한 형태의 CaCO는3 육방정계 β-CaCO3(광물 석회석)입니다. 미네랄 바테라이트로 발생하는 밀도가 높은(2.83g/cm) 사방정계 λ-CaCO(광물 아라고나이트) 및 육각형 μ-CaCO와 같은 다른 형태를 준비할 수 있습니다. 아라고나이트 형태는 85°C 이상의 온도에서 강수에 의해 제조될 수 있고, 바테라이트 형태는 60°C에서 강수에 의해 제조될 수 있습니다. 석회석에는 6개의 산소 원자가 배위하는 칼슘 원자가 포함되어 있고, 아라고나이트에서는 9개의 산소 원자가 배위합니다.[citation needed] 바테라이트 구조는 완전히 이해되지 않았습니다.[11] 탄산 마그네슘(MgCO3)은 석회질 구조를 가지고 있는 반면 탄산 스트론튬(SrCO3)과 탄산 바륨(BaCO3)은 더 큰 이온 반경을 반영하여 아라고나이트 구조를 채택합니다.[citation needed]

다형성

탄산칼슘은 세 가지 무수다형으로 결정화되는데,[12][13] 그중에서 석회석은 상온에서 열역학적으로 가장 안정하고, 아라고나이트는 약간 덜 안정하며, 바테라이트는 가장 안정하지 못합니다.[14]

결정구조

The calcite crystal structure is trigonal, with space group (No. 167 in the International Tables for Crystallography[15]), and Pearson symbol .[16] Aragonite is orthorhombic, with space group (No 62), Pearson Symbol [17] Vaterite는 적어도 두 개의 서로 다른 공존하는 결정학적 구조로 구성되어 있습니다. 주요 구조물은 공간 그룹 / / 에서 육각대칭을 나타내지만 보조 구조물은 아직 알려지지 않았습니다.[18]

결정화

석회암과 아라고나이트의 결정구조

세 가지 다형성은 모두 주변 조건에서 수용액으로부터 동시에 결정화됩니다.[14] 무첨가 수용액에서 석회석은 주 생성물로 쉽게 형성되는 반면, 아라고나이트는 부 생성물로만 나타납니다.

높은 포화 상태에서 바테라이트는 일반적으로 첫 번째 상이 침전된 후 바테라이트가 석회질로 변환됩니다.[19] 이 행동은 가장 안정적이지 않은 다형성이 먼저 결정화되고 점점 더 안정적인 단계의 시퀀스를 통해 다른 다형성이 결정화되는 Ostwald의 규칙을 따르는 것으로 보입니다.[20] 그러나 아라고나이트는 주변 조건에서 아라고나이트의 전구체로 형성되지 않기 때문에 안정성이 바테라이트와 방해석 사이에 있는 아라고나이트는 이 규칙의 예외로 보입니다.[14]

미세한 석회석과 바테라이트

아라고나이트는 반응 조건이 석회석의 형성을 억제하고/하거나 아라고나이트의 핵 생성을 촉진할 때 대부분 발생합니다. 예를 들어, 아라고나이트의 형성은 마그네슘 이온의 존재 [21]또는 생물학적 탄산칼슘에서 유래한 단백질과 펩티드를 사용하여 촉진됩니다.[22] 카다베린 및 폴리(에틸렌이민)와 같은 일부 폴리아민은 석회석 위에 아라고나이트의 형성을 용이하게 하는 것으로 나타났습니다.[14]

생물에 의한 선택

연체동물과 절지동물과 같은 유기체는 주로 보호(껍질)와 근육 부착물로서 탄산칼슘의 세 가지 결정 다형성을 모두 성장시키는 능력을 보여주었습니다.[23] 게다가, 그들은 석회암과 아라고나이트보다 현저한 상 선택 능력을 나타내며, 일부 유기체는 두 다형성 사이를 전환할 수 있습니다. 상 선택 능력은 일반적으로 특정 거대 분자의 사용 또는 그러한 유기체에 의한 거대 분자의 조합에 기인합니다.[24][25][26]

발생

칼슘탄산염은 탄산칼슘의 가장 안정적인 다형체입니다. 투명에서 불투명합니다. 19세기에 Iceland spar (여기에 표시된)라는 투명 품종이 편광을 만드는 데 사용되었습니다.[27]

지질원

석회석, 아라고나이트, 바테라이트는 순수 탄산칼슘 광물입니다. 주로 탄산칼슘인 산업적으로 중요한 원천 암석에는 석회암, 분필, 대리석 및 트래버틴이 포함됩니다.

생물학적 출처

조개껍질에서 나온 탄산칼슘 덩어리

달걀 껍질, 달팽이 껍질 및 대부분의 조개 껍질은 주로 탄산칼슘이며 해당 화학 물질의 산업적 공급원으로 사용될 수 있습니다.[28] 굴 껍질은 최근 식이 칼슘 공급원으로 인정받고 있지만 실용적인 산업 공급원이기도 합니다.[29][30] 브로콜리, 케일과 같은 짙은 녹색 채소는 식이적으로 상당한 양의 탄산칼슘을 함유하고 있지만 산업 공급원으로 실용적이지 않습니다.[31]

지렁이류인 룸브리과(Lumbricidae)의 환형동물은 칼슘과 CO ₂을 탄산칼슘으로 처리하고 나중에 흙으로 배출되는 석회화샘, 칼크뤼센(Kalkdrüsen) 또는 샘 드 모렌(glands de Morren)이라고 불리는 소화관의 지역화를 가지고 있습니다. 이러한 분비선의 기능은 알려져 있지 않지만 동물의 조직 내에서 CO2 조절 메커니즘의 역할을 하는 것으로 여겨집니다.[33] 이 과정은 산성 토양의 pH를 안정화시켜 생태학적으로 중요합니다.[34]

외계인

지구를 넘어 화성에 탄산칼슘이 존재한다는 강력한 증거가 있습니다. 탄산칼슘의 징후는 한 곳 이상에서 발견되었습니다(특히 구세프와 하위헌스 분화구에서). 이것은 액체 물의 과거 존재에 대한 몇 가지 증거를 제공합니다.[35][36]

지질학

에티오피아 루박사의 투파로서의 CaCO3 지표강수량

탄산염은 지질 환경에서 자주 발견되며 거대한 탄소 저장소를 구성합니다. 탄산칼슘은 칼슘 순환의 중요한 구성 성분으로 아라고나이트, 석회석 및 백운석으로 발생합니다. 탄산염 광물은 석회암, 분필, 대리석, 트라버틴, 투파 등 암석 유형을 형성합니다.

쓰촨 황룽의 투파

따뜻한 곳에서는 물이 차가운 극지방보다 맑은 열대 바다 산호가 더 풍부합니다. 플랑크톤(코콜리스 및 플랑크톤 포르아미니페라와 같은), 산호 조류, 해면류, 완족류, 극피동물, 브리오조아 및 연체동물을 포함한 탄산칼슘 기여자는 일반적으로 햇빛과 여과 가능한 음식이 더 풍부한 얕은 물 환경에서 발견됩니다. 냉수 탄산염은 더 높은 위도에 존재하지만 성장 속도가 매우 느립니다. 석회화 과정은 해양 산성화에 의해 바뀝니다.

해양 지각이 대륙판 아래로 가라앉은 곳은 대기권과 암석권의 따뜻한 지역으로 운반될 것입니다. 이러한 조건에서 탄산칼슘은 분해되어 다른 가스와 함께 폭발적인 화산 폭발을 일으키는 이산화탄소를 생성합니다.

탄산염보상깊이

탄산염 보상 깊이(CCD)는 해양에서 탄산칼슘의 침전 속도가 존재하는 조건에 의해 용해 속도와 균형을 이루는 지점입니다. 바다 깊은 곳에서는 온도가 떨어지고 압력이 증가합니다. 압력을 높이면 탄산칼슘의 용해도도 높아집니다. 탄산칼슘은 온도가 낮아질수록 용해도가 증가한다는 점에서 특이합니다.[37] 탄산염 보상 깊이는 현대 해양에서 해수면 아래 4,000~6,000미터에 이르며, 다양한 다형체(석회암, 아라고나이트)는 안정성에 따라 보상 깊이가 다릅니다.[38]

타포노미의 역할

탄산칼슘은 광물화를 통해 화석을 보존할 수 있습니다. 오리부리 공룡알로 유명한 지질층인 투메디신층의 척추동물 화석은 대부분 CaCO3 광물화로 보존되어 있습니다.[39] 이러한 유형의 보존은 미시적 수준까지 높은 수준의 세부 사항을 보존합니다. 그러나 표면에 노출되었을 때 풍화에 취약한 표본도 남깁니다.[39]

삼엽충 개체군은 캄브리아기 동안 탄산칼슘이 풍부한 껍질이 [40]순수하게 끈적끈적한 껍질을 가진 다른 종의 것보다 더 쉽게 보존되었기 때문에 수생생물의 대부분을 구성했다고 한때 여겨졌습니다.

사용하다

시공

탄산칼슘의 주된 용도는 건축자재나 도로 건설용 석회석 골재, 시멘트의 성분, 또는 가마에서 연소하여 건축자의 석회를 제조하는 출발 원료로 건설업에 있습니다. 그러나 주로 산성비에 의한 풍화작용으로 [41]탄산칼슘(석회암 형태)은 더 이상 자체적으로 건축용으로 사용되지 않고 건축자재의 원료로만 사용되고 있습니다.

탄산칼슘은 용광로의 철광석에서 철을 정제하는 데에도 사용됩니다. 탄산염은 다양한 불순물이 존재하는 슬래그를 형성하고 정제된 철과 분리되는 산화칼슘을 제공하기 위해 제자리에서 소성됩니다.[42]

석유 산업에서 탄산칼슘은 형성 가교 및 필터 케이크 밀봉제로 시추 유체에 첨가되며, 또한 시추 유체의 밀도를 증가시켜 다운홀 압력을 제어하는 중량 재료입니다. 탄산칼슘은 알칼리성을 유지하고 소독제의 산성 특성을 상쇄하기 위한 pH 보정제로 수영장에 첨가됩니다.[43]

사탕무에서 설탕을 정제하는 원료로도 쓰이는데, 무연탄을 넣은 가마에서 소성하여 산화칼슘과 이산화탄소를 만들어냅니다. 이 탄 석회를 민물에 뿌려 탄산화 과정에서 생즙의 불순물을 침전시키기 위한 수산화칼슘 현탁액을 생성합니다.[44]

분필 형태의 탄산칼슘은 전통적으로 칠판 분필의 주요 성분이었습니다. 그러나 현대적으로 제조된 분필은 대부분 석고, 수화된 황산칼슘 CaSO4·2HO입니다2. 탄산칼슘은 바이오락을 성장시키는 주요 공급원입니다. 슬러리 형태로 미리 분산된 침전 탄산칼슘(PCC)은 재료 및 생산 비용의 최대 절감을 목표로 라텍스 장갑의 일반적인 필러 재료입니다.[45]

미세 분쇄 탄산칼슘(GCC, Fine ground carbonate)은 기저귀 및 일부 건축용 필름에 사용되는 미세다공성 필름에 필수적인 성분으로, 필름을 제조하는 동안 기공이 탄산칼슘 입자 주위에 핵형성되기 때문입니다. GCC와 PCC는 목재 섬유보다 저렴하기 때문에 종이에 충전재로 사용됩니다. 인쇄 및 필기 용지에는 탄산칼슘이 10~20% 포함될 수 있습니다. 북미에서는 탄산칼슘이 광택지 생산에서 카올린을 대체하기 시작했습니다. 유럽은 수십 년 동안 알칼리성 제지 또는 무산 제지로 이를 실천해 왔습니다. 종이 충전 및 종이 코팅에 사용되는 PCC는 특징적인 좁은 입도 분포 및 0.4 내지 3 마이크로미터의 등가 구면 직경을 갖는 다양한 형상 및 크기로 침전되어 제조됩니다.[citation needed]

탄산칼슘은 페인트,[46] 특히 무광 에멀젼 페인트에서 확장제로 널리 사용되며, 일반적으로 페인트 중량의 30%는 분필 또는 대리석입니다. 플라스틱의 인기 필러이기도 합니다.[46] 몇몇 전형적인 예들은 플라스틱화되지 않은 폴리염화비닐(uPVC) 드레인 파이프에 분필을 약 15% 내지 20% 로딩하는 것, uPVC 윈도우 프로파일에 스테아레이트 코팅된 분필 또는 대리석을 5% 내지 15% 로딩하는 것을 포함합니다. PVC 케이블은 최대 70phr(수지 100부당 부품 수)의 로딩에서 탄산칼슘을 사용하여 기계적 특성(인장 강도 및 연신율)과 전기적 특성(체적 저항)을 개선할 수 있습니다.[citation needed] 폴리프로필렌 화합물은 종종 강성을 높이기 위해 탄산칼슘으로 채워지는데, 이는 높은 사용 온도에서 중요해지는 요구 사항입니다.[47] 여기서 백분율은 종종 20-40%입니다. 또한 열경화성 수지(시트 및 벌크 성형 화합물)[47]에 필러로 일상적으로 사용되며 ABS 및 기타 성분과 혼합되어 일부 유형의 압축 성형 "클레이" 포커 칩을 형성했습니다.[48] 산화칼슘을 물에 떨어뜨려 만든 침전 탄산칼슘은 단독으로 사용하거나 화이트워싱이라고 하는 흰색 페인트로 첨가제와 함께 사용합니다.[49][50]

탄산칼슘은 광범위한 무역에 첨가되어 접착제, 밀봉제, 데코레이션 필러를 직접 합니다.[46] 세라믹 타일 접착제는 일반적으로 석회석을 70~80% 포함합니다. 장식용 크랙 필러는 유사한 수준의 대리석 또는 백운석을 포함합니다. 스테인드글라스 창문을 세팅할 때 퍼티와 섞기도 하고 고온에서 유리와 페인트를 발사할 때 유리가 가마 선반에 달라붙는 것을 방지하기 위한 레지스트로 사용하기도 합니다.[51][52][53][54]

세라믹 유약 적용에서 탄산칼슘은 백색으로 알려져 [46]있으며 흰색 가루 형태의 많은 유약의 일반적인 성분입니다. 이 물질이 함유된 유약을 가마에서 소성하면 유약에 휘팅이 플럭스 물질로 작용합니다. 갈은 탄산칼슘은 연마제(스큐어링 파우더로서 그리고 가정용 스큐어링 크림의 성분으로서)로서, 특히 모스 스케일에서 경도 수준이 3으로 비교적 낮은 그의 석회석 형태이므로 유리 및 기타 대부분의 세라믹, 에나멜, 청동, 철 및 강철을 긁지 않습니다. 그리고 알루미늄과 구리와 같은 부드러운 금속에 중간 정도의 영향을 미칩니다. 탄산칼슘과 탈이온수로 만든 페이스트를 사용하여 은의 광택을 없앨 수 있습니다.[55]

건강과 식생활

탄산칼슘으로 만든 500밀리그램 칼슘 보충제

탄산칼슘은 위산[56](Tums, Eno 등)에 대한 저렴한 식이 칼슘 보충제로 의학적으로 널리 사용됩니다. 고인산혈증(주로 만성신부전 환자에서)의 치료를 위한 인산염 결합제로 사용될 수 있습니다. 제약 산업에서 정제 및 기타 의약품의 불활성 필러로 사용됩니다.[57]

탄산칼슘은 치약뿐만 아니라 산화칼슘의 생산에 사용되며 유기농 사과와 같은 제품에 사용되거나 함께 사용될 때 식품 보존제 및 착색제로 부활했습니다.[58]

탄산칼슘은 혈액투석을 유지하는 환자에게 인산염 결합제로 치료적으로 사용됩니다. 특히 비투석성 만성 신장 질환에서 처방되는 가장 흔한 형태의 인산염 결합제입니다. 탄산칼슘은 가장 일반적으로 사용되는 인산염 결합제이지만, 임상의들은 점점 더 값비싼 비칼슘계 인산염 결합제, 특히 세벨라머를 처방하고 있습니다.

보충제, 강화 식품, 고칼슘 식단의 칼슘 과잉은 심각한 독성을 가지고 치명적일 수 있는 우유-알칼리 증후군을 유발할 수 있습니다. 1915년, 버트람 시피(Bertram Sippy)는 우유와 크림을 시간당 섭취하고 계란과 익힌 시리얼을 알칼리성 분말과 결합하여 10일 동안 점진적으로 첨가하는 "시피 요법"을 도입하여 소화성 궤양 질환에 대한 증상 완화를 제공했습니다. 그 후 수십 년 동안 시피 요법은 주로 소화성 궤양 질환을 가진 남성에게서 신부전, 알칼리증 및 고칼슘혈증을 초래했습니다. 이러한 부작용은 요법이 중단되었을 때 역전되었지만 구토가 오래 지속된 일부 환자에서는 치명적이었습니다. 소화성 궤양 질환에 대한 효과적인 치료법이 발생한 후 남성에서 우유-알칼리 증후군이 감소했습니다. 1990년대 이후 골다공증 예방 및 치료를 위해 칼슘 보충제를 매일 1.2~1.5g 이상 복용하는 여성에게서 가장 자주 보고되고 [59][60]있으며 탈수로 인해 악화됩니다. 처방전 없이 살 수 있는 제품에 칼슘이 첨가되어 의도치 않은 과다 섭취의 원인이 되고 있습니다. 과도한 칼슘 섭취는 고칼슘혈증으로 이어질 수 있으며, 그 중 합병증으로는 구토, 복통, 정신 상태 변화 등이 있습니다.[61]

식품 첨가물로 E170으로 지정되었으며 [62]INS 번호는 170입니다. 산도 조절제, 항진제, 안정제 또는 색상으로 사용되며 EU,[63] 미국[64], 호주 및 뉴질랜드에서 사용이 승인되었습니다.[65] "통밀을 제외한 모든 영국 제분 빵가루에 법으로 추가"됩니다.[66][67] 그것은 식이 칼슘의 공급원으로 일부 두유와 아몬드 우유 제품에 사용됩니다. 적어도 한 연구는 탄산칼슘이 우유에 있는 칼슘만큼 생체이용 가능할 수 있다고 제안합니다.[68] 탄산칼슘은 또한 많은 통조림 및 병에 든 야채 제품에서 강화제로 사용됩니다.

여러 칼슘 보충제 제형이 화학 원소 납을 포함하는 것으로 문서화되어 [69]공중 보건 문제를 제기하고 있습니다.[70] 납은 일반적으로 천연 칼슘 공급원에서 발견됩니다.[69]

농업 및 양식업

농업용 석회, 분필 또는 석회석은 산성 토양을 중화하는 저렴한 방법으로 사용되어 재배에 적합하며, 양식업에서도 양식을 시작하기 전에 연못 토양의 pH 조절을 위해 사용됩니다.[71] 석회질 토양에서 농약 흡착 및 탈착에 영향을 줄 수 있는지 여부를 이해하는 데 관심이 있습니다.[72]

가정청소

탄산칼슘은 코멧과 같은 많은 가정용 세정제의 핵심 성분으로 스크러빙제로 사용됩니다.

오염 완화

1989년, 켄 시몬스라는 연구원은 매사추세츠의 휘트스톤 브룩에 CaCO를3 도입했습니다.[73] 그의 희망은 탄산칼슘이 하천의 산성비를 막아주고 산란을 멈춘 송어를 구하는 것이었습니다. 비록 그의 실험은 성공적이었지만, 그것은 석회암으로 처리되지 않은 개울 지역의 알루미늄 이온의 양을 증가시켰습니다. 이는 CaCO를3 첨가하여 하천 생태계에서 산성비의 영향을 중화시킬 수 있음을 보여줍니다. 현재 탄산칼슘은 토양과 물 모두의 산성 조건을 중화시키는 데 사용됩니다.[74][75][76] 1970년대부터 스웨덴에서는 산성화를 완화하기 위해 이러한 석회화가 대규모로 시행되어 왔으며 수천 개의 호수와 개울이 반복적으로 석회화되고 있습니다.[77]

탄산칼슘은 대규모 화석 연료 발전소에서 연소되는 석탄 및 기타 화석 연료에서 발생하는 유해한 SO2 및 NO2 배출을 제거하는 연도 가스 탈황 응용 분야에도 사용됩니다.[74]

계산평형

생석회를 생산하기 위해 숯불을 사용하여 석회석을 소성하는 것은 고대부터 전 세계의 문화에서 실행되어 왔습니다. 석회암이 산화칼슘을 생성하는 온도는 보통 825°C로 주어지지만 절대 임계값을 명시하는 것은 오해의 소지가 있습니다. 탄산칼슘은 어떤 온도에서도 산화칼슘과 이산화탄소와 평형 상태로 존재합니다. 각 온도에는 탄산칼슘과 평형을 이루는 이산화탄소의 부분 압력이 있습니다. 평형 CO2 압력은 공기 중 부분 CO2 압력의 극히 일부(약 0.035 kPa)에 불과하기 때문에 상온에서 평형은 압도적으로 탄산칼슘을 선호합니다.

550°C 이상의 온도에서는 평형 CO2 압력이 공기 중 CO2 압력을 초과하기 시작합니다. 그래서 550도 이상이 되면 탄산칼슘이 공기 중으로 CO를2 배출하기 시작합니다. 하지만 숯불 가마에서는 공기 중보다 CO2 농도가 훨씬 높을 것입니다. 실제로 가마의 산소가 모두 불에 소모되면 가마의 CO2 분압이 20 kPa까지 높아질 수 있습니다.[78]

이 표는 온도가 거의 800°C가 될 때까지 이 분압이 이루어지지 않는다는 것을 보여줍니다. 탄산칼슘으로부터 CO의2 유출이 경제적으로 유용한 속도로 일어나기 위해서는 평형 압력이 CO의2 주변 압력을 크게 초과해야 합니다. 그리고 그것이 빠르게 일어나려면 평형 압력이 898°C에서 발생하는 총 대기압 101kPa를 초과해야 합니다.

온도(T)에 대한 CaCO3(P)에 대한 CO의2 평형 압력.[79]
P(kPa) 0.055 0.13 0.31 1.80 5.9 9.3 14 24 34 51 72 80 91 101 179 901 3961
T(°C) 550 587 605 680 727 748 777 800 830 852 871 881 891 898 937 1082 1241

용해도

다양한 CO2 압력에 따라

온천에서 나오는 트래버틴 탄산칼슘 침전물

탄산칼슘은 순수한 물에 잘 녹지 않습니다(정상적인 대기 CO2 분압에서는 아래와 같이 47 mg/L).

용액의 평형은 다음 식(오른쪽에 용해된 탄산칼슘이 있음)으로 표시됩니다.

CaCO3 ⇌ Ca2+ + CO2−3 Ksp = 3.7×10−9 to 8.7×10−9 at 25 °C

여기서 [Ca2+]에 대한 용해도 생성물.CO2-3]는 데이터 소스에 따라 25°C에서 K = 3.7×10에서 K = 8.7×10까지 제공됩니다. 이 방정식이 의미하는 바는 용해된 CO2-3의 몰 농도를 갖는 칼슘 이온의 몰 농도(용액 1리터당 용해된 Ca2+ 몰)의 곱이 K의sp 값을 초과할 수 없다는 것입니다. 그러나 이 겉보기에는 간단해 보이는 용해도 방정식은 이산화탄소와 물의 더 복잡한 평형과 함께 사용되어야 합니다(탄산 참조). CO2-3 중 일부는 다음에 따라 용액에서 H와+ 결합합니다.

HCO−3 ⇌ H+ + CO2−3 Ka2 = 5.61×10−11 at 25 °C

HCO-3는 중탄산염 이온으로 알려져 있습니다. 중탄산칼슘은 탄산칼슘보다 물에 몇 배나 더 잘 녹는데, 실제로는 용액에만 존재합니다.

HCO-3 중 일부는 다음에 따라 용액에서 H와+ 결합합니다.

H2CO3 ⇌ H+ + HCO−3 Ka1 = 2.5×10−4 at 25 °C

HCO23 중 일부는 다음에 따라 물과 용해된 이산화탄소로 분해됩니다.

H2O + CO2(aq) ⇌ H2CO3 Kh = 1.70×10−3 at 25 °C

그리고 용해된 이산화탄소는 다음에 따라 대기 중의 이산화탄소와 평형을 이루게 됩니다.

P/[CO] = k 여기서 k = 25 °C에서 29.76 atm/(mol/L)(헨리 상수), P는 CO 분압입니다.

주변 공기의 경우 P는CO2 약 3.5×10−4 atm(35 Pa)입니다. 위의 마지막 방정식은 용해된 CaCO의3 농도와 무관하게 P의CO2 함수로서 용해된 CO의2 농도를 고정합니다. CO의2 대기 분압에서 용존 CO2 농도는 리터당 1.2×10−5 몰입니다. 그 이전의 방정식은 HCO23 농도를 CO2 농도의 함수로 고정합니다. [CO] = 1.2×10의 경우 리터당 [HCO] = 2.0×10 몰이 됩니다. [HCO23]가 알려지면 나머지 3개의 방정식과

25 °C에서 CO 분압에 따른 칼슘 이온 용해도(K = 4.47×10)
PCO2(atm) pH [Ca2+] (mol/L)
10−12 12.0 5.19×10−3
10−10 11.3 1.12×10−3
10−8 10.7 2.55×10−4
10−6 9.83 1.20x10−4
10−4 8.62 3.16×10−4
3.5×10−4 8.27 4.70×10−4
10−3 7.96 6.62×10−4
10−2 7.30 1.42×10−3
10−1 6.63 3.05×10−3
1 5.96 6.58×10−3
10 5.30 1.42×10−2
H2O ⇌ H+ + OH− K = 10−14 at 25 °C

(모든 수용액에 대하여 해당됨) 및 용액이 전기적으로 중성이어야 한다는 사실, 즉 용존 양이온 [Ca2+] + 2 [H+]의 전체 전하가 용존 음이온 [HCO-3] + [CO2-3] + [OH−]의 전체 전하에 의하여 상쇄되어야 한다는 사실, 나머지 5가지 미지의 농도에 대해 동시에 해결할 수 있도록 합니다(앞서 언급한 중성의 형태는 탄산칼슘을 순수한 물 또는 중성 pH 용액에 접촉시킨 경우에만 유효하며, 초기 물 용매 pH가 중성이 아닌 경우에는 균형이 중성이 아닙니다).

인접한 표는 CO의 주변 분압에 대한 [Ca] 및 [H](pH의 형태)에 대한 결과를 보여줍니다(K = 4.47×10).

  • 주변 CO의2 대기 수준에서 표는 용액이 47 mg/L의 최대 CaCO3 용해도로 약간 알칼리성임을 나타냅니다.
  • 주변 CO2 분압이 대기 수준 이하로 감소함에 따라 용액은 점점 더 알칼리성을 띠게 됩니다. 극도로 낮은 P에서는CO2 용해된 CO2, 중탄산염 이온, 탄산염 이온이 용액에서 크게 증발하여 CaCO보다3 용해도가 높은 수산화칼슘의 고알칼리성 용액을 남깁니다. P = 10 atm의 경우 [Ca]OH−]2 제품은 여전히 Ca(OH)(28×10−6)의 용해도 제품보다 낮습니다. 여전히 낮은 CO2 압력의 경우 CaCO3 침전 전에 Ca(OH)2 침전이 발생합니다.
  • 주변 CO2 분압이 대기 이상의 수준으로 증가함에 따라 pH가 떨어지고 탄산 이온의 상당 부분이 중탄산염 이온으로 전환되어 Ca의2+ 용해도가 높아집니다.

후자의 효과는 특히 물이 힘든 사람들의 일상 생활에서 뚜렷하게 나타납니다. 지하에 있는 대수층의 물은 대기보다 훨씬 높은 수준의2 CO에 노출될 수 있습니다. 이러한 물이 탄산칼슘 암석을 통해 침투함에 따라 CaCO는3 위의 추세 중 하나에 따라 용해됩니다. 그런 다음 동일한 물이 수도꼭지에서 나오면 시간이 지남에 따라 초과 CO를2 배출하여 공기 중 CO2 수준과 평형을 이루게 됩니다. 그 결과 탄산칼슘은 용해성이 떨어지고, 과잉은 석회질로 침전됩니다. 이와 같은 과정이 석회암 동굴에 종유석과 석순을 형성하는 역할을 합니다.

탄산칼슘의 2가지 수화상인 모노하이드로칼사이트 CaCO3·HO2 및 ikaite CaCO3·6HO는2 주변 조건에서 물로부터 침전되어 준안정상으로 지속될 수 있습니다.

다양한 pH, 온도 및 염도: 수영장에서의 CaCO3 스케일링

Effects of salinity and pH on the maximum calcium ion level before scaling is anticipated at 25 °C and 1 mmol/L bicarbonate concentration (e.g. in swimming pools)
Effects of temperature and bicarbonate concentration on the maximum calcium ion level before scaling is anticipated at pH 7 and 5,000 ppm salinity (such as in swimming pools)

위의 개방형 평형 시나리오와 대조적으로, 많은 수영장은 완충제로서 약 2 mmol/L의 농도에 중탄산나트륨(NaHCO3)을 첨가한 다음, 산성 또는 염기성인 HCl, NaHSO4, NaCO23, NaOH 또는 염소 제제를 사용하여 pH를 조절함으로써 관리됩니다. 이러한 상황에서 용존 무기 탄소(총 무기 탄소)는 대기 중의2 CO와 평형과는 거리가 있습니다. CO의2 배출을 통한 평형으로의 진행이 느려짐은 다음과 같습니다.

  1. 느린 반응
    H2CO3 ⇌ CO2(aq) + H2O;[81]
  2. 심층수 기둥의 제한된 통기
  3. 완충 용량을 유지하기 위해 중탄산염을 주기적으로 보충합니다(종종 총 알칼리도 측정을 통해 추정).

이 상황에서 훨씬 빠른 반응에 대한 해리 상수는

H2CO3 ⇌ H+ + HCO−3 ⇌ 2 H+ + CO2−3

HCO-3의 첨가 농도로부터 용액 내의 각 용존 무기 탄소 종의 농도를 예측할 수 있습니다(담수에서 25°C에서 pH 7에서 pH 8까지 Bjerum plot 종의 90% 이상을 구성함).[82] HCO-3를 첨가하면 어떤 pH에서도 CO2-3 농도가 증가합니다. 위에 주어진 식을 재정렬하면 [Ca] = K/[CO2-3], [CO2-3] = K [HCO-3]/[H]인 것을 알 수 있습니다. 따라서, HCO-3 농도가 알려져 있을 때, CaCO3 침전을 통해 스케일링되기 전의 Ca2+ 이온의 최대 농도는 공식으로부터 예측될 수 있습니다.

[Ca2+]max = Ksp/Ka2 × [H+]/[HCO−3]

CaCO3(Ksp)에 대한 용해도 생성물 및 용해된 무기 탄소 종(Ka2 포함)에 대한 해리 상수는 모두 온도 및 염도에 의해 실질적으로 영향을 받으며,[82] 전체적으로 [Ca2+]max가 담수에서 염수로 증가하고 온도, pH 또는 첨가된 중탄산염 수준이 증가함에 따라 감소하는 효과가 있는 것을 특징으로 하는, 방법 첨부된 그래프와 같이

이러한 경향은 풀 관리에 유용하지만, 스케일링이 발생하는지 여부는 과포화 효과뿐만 아니라 Mg2+, [B(OH)]4− 및 풀의 다른 이온과의 상호 작용을 포함한 다른 요인에 따라 달라집니다.[83][84] 스케일은 일반적으로 전해 염소 발생기에서 관찰되며, 캐소드 표면 근처에 높은 pH가 있고 스케일 증착은 온도를 더욱 증가시킵니다. 이것은 일부 풀 운영자가 1차 pH 완충액으로 중탄산염보다 붕산염을 선호하고 칼슘이 포함된 풀 화학 물질의 사용을 피하는 한 가지 이유입니다.[85]

강산 또는 약산 용액에 대한 용해도

강한(HCl), 중간 정도의 강한(설파믹) 또는 약한(아세트산, 시트르산, 소르브산, 젖산, 인산) 산의 용액은 상업적으로 이용 가능합니다. 석회질 퇴적물을 제거하기 위해 일반적으로 디스케일링제로 사용됩니다. 산 용액 1리터에 의해 "용해"될 수 있는 CaCO의3 최대량은 위의 평형식을 사용하여 계산할 수 있습니다.

  • 산 농도가 감소하는 강한 모노산의 경우 [A] = [A]를 얻을 수 있습니다(CaCO 몰 질량 = 100g/mol).
[A] (mol/L) 1 10−1 10−2 10−3 10−4 10−5 10−6 10−7 10−10
초기 pH 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 6.79 7.00
최종 pH 6.75 7.25 7.75 8.14 8.25 8.26 8.26 8.26 8.27
용존 CaCO3
(산 g/L) 		50.0 5.00 0.514 0.0849 0.0504 0.0474 0.0471 0.0470 0.0470
여기서 초기 상태는 Ca가2+ 없는 산 용액(가능한 CO2 용해를 고려하지 않음)이고 최종 상태는 포화 Ca가2+ 있는 용액입니다. 강한 산 농도의 경우, 모든 종은 Ca 및 A에 대해 최종 상태에서 무시할 수 있는 농도를 가지므로 중성 방정식이 대략 2[Ca] = [A]로 감소하여 [Ca] ≈ 0.5[A]가 생성됩니다. 농도가 감소하면 [HCO-3]가 무시할 수 없게 되어 앞의 식이 더 이상 유효하지 않게 됩니다. 소실되는 산 농도의 경우 최종 pH와 순수한 물에 대한 CaCO의3 용해도를 회복할 수 있습니다.
  • 총 산 농도[A] = [A] + [AH]가 감소하는 약한 모노산(여기서는 pK = 4.76인 아세트산)의 경우 다음을 얻습니다.
[A] (mol/L) [Ca2+] ≈ 0.5 [A−] 10−1 10−2 10−3 10−4 10−5 10−6 10−7 10−10
초기 pH 2.38 2.88 3.39 3.91 4.47 5.15 6.02 6.79 7.00
최종 pH 6.75 7.25 7.75 8.14 8.25 8.26 8.26 8.26 8.27
용존 CaCO3
(산 g/L) 		49.5 4.99 0.513 0.0848 0.0504 0.0474 0.0471 0.0470 0.0470
동일한 총 산 농도의 경우, 약산의 초기 pH는 강산의 pH보다 적지만, 용해될 수 있는 CaCO의3 최대량은 거의 동일합니다. 최종 상태에서는 pH가 pK보다a 크기 때문에 약산이 거의 완전히 해리되어 결국 강산만큼 많은 H+ 이온을 생성하여 탄산칼슘을 "용해"하기 때문입니다.
  • 이 산에 해당하는 4가지 해리상태의 농도를 [HCO-3], [CO2-3], [Ca2+], [H+] 및 [OH−]와 함께 계산해야 하기 때문에 인산(가정용으로 가장 널리 사용됨)의 경우 계산이 더 복잡합니다. 시스템은 다음과 같은 수치 해를 갖는 [H+]에 대한 7차 방정식으로 축소될 수 있습니다.
[A] (mol/L) 1 10−1 10−2 10−3 10−4 10−5 10−6 10−7 10−10
초기 pH 1.08 1.62 2.25 3.05 4.01 5.00 5.97 6.74 7.00
최종 pH 6.71 7.17 7.63 8.06 8.24 8.26 8.26 8.26 8.27
용존 CaCO3
(산 g/L) 		62.0 7.39 0.874 0.123 0.0536 0.0477 0.0471 0.0471 0.0470
여기서 [A] = [HPO] + [HPO-4] + [HPO2-4] + [PO3-4]는 총 산 농도입니다. 따라서 인산은 최종적으로 거의 중성인 pH에서 두 번째 해리 상태 농도[HPO2-4]가 무시할 수 없기 때문에 모노산보다 더 효율적입니다(인산 참조).

참고 항목

주전자에 석회질로 형성된 침상 탄산칼슘 결정의 전자현미경 사진
칼슘-48 탄산염 약 2g

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