Кальций карбонаты: құрамы, түрлері және қасиеттері
Calcium carbonate
Кальций карбонаты (CaCO3) – тас, әктас, қабықшаларда кездесетін химиялық қосылыс. Ауыл шаруашылығында, медицинада қолданылады, бірақ артық тұтыну зиянды.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Химиялық қосылыс
Chemical compound
Кальций карбонаты – |CaCO3 химиялық формуласы бар химиялық қосылыс. Ол тау жыныстарында кальцит және арагонит минералдары түрінде кең таралған, ең көп кездесетін жерлері – бор, әктас, жұмыртқа қабықшалары, ішекқуысты моллюскалардың қабықшалары, ұлулардың қаңқалары және інжу-маржандар. Кальций карбонаты көп мөлшерде қамтылған немесе оған ұқсас материалдар кальцит деп сипатталады. Кальций карбонаты – ауыл шаруашылығында қолданылатын әк құрамының белсенді компоненті және қатты судағы кальций иондары карбонат иондарымен реакцияласып, әк пайда болғанда түзіледі. Ол медицинада кальций толықтырғышы немесе қышқылдықты азайтушы ретінде қолданылады, бірақ артық мөлшерде қолдану қауіпті болуы мүмкін және гиперкальциемия мен ас қорыту жүйесінің бұзылуына әкелуі мүмкін.
Calcium carbonate is a chemical compound with the chemical formula |CaCO3. It is a common substance found in rocks as the minerals calcite and aragonite, most notably in chalk and limestone, eggshells, gastropod shells, shellfish skeletons and pearls. Materials containing much calcium carbonate or resembling it are described as calcareous. Calcium carbonate is the active ingredient in agricultural lime and is produced when calcium ions in hard water react with carbonate ions to form limescale. It has medical use as a calcium supplement or as an antacid, but excessive consumption can be hazardous and cause hypercalcemia and digestive issues.
Құрылымы
CaCO3-тың термодинамикалық тұрақты түрі – гексагонды β-CaCO3 (кальцит минералы). Басқа формаларды дайындау мүмкін, олардың ішінде тығыздығы жоғары (2,83 г/см³) орторомбтық λ-CaCO3 (арагонит минералы) және гексагонды μ-CaCO3, ватерит минералы ретінде кездеседі. Арагонит түрін 85 °C-тан жоғары температурада тұндыру арқылы дайындауға болады; ал ватерит түрін 60 °C температурада тұндыру арқылы дайындауға болады. Кальцитте кальций атомдары алты оттегі атомымен координацияланған, арагонитте – тоғыз оттегі атомымен. Ватериттің құрылымы толыққанды түсіндірілмеген. Магний карбонаты (MgCO3) кальцит құрылымын, ал стронций карбонаты (SrCO3) және барий карбонаты (BaCO3) арагонит құрылымын қабылдайды, бұл олардың ірі иондық радиустарын көрсетеді.
The thermodynamically stable form of |CaCO3 under normal conditions is hexagonal β |CaCO3 (the mineral calcite). Other forms can be prepared, the denser (2.83 g/cm3) orthorhombic λ |CaCO3 (the mineral aragonite) and hexagonal μ |CaCO3, occurring as the mineral vaterite. The aragonite form can be prepared by precipitation at temperatures above 85 °C; the vaterite form can be prepared by precipitation at 60 °C. Calcite contains calcium atoms coordinated by six oxygen atoms; in aragonite they are coordinated by nine oxygen atoms. The vaterite structure is not fully understood. Magnesium carbonate (|MgCO3) has the calcite structure, whereas strontium carbonate (|SrCO3) and barium carbonate (|BaCO3) adopt the aragonite structure, reflecting their larger ionic radii.
Полиморфтар
Кальций карбонаты үш сусыз полиморф түрде кристалданады, олардың ішінде кальцит бөлме температурасында термодинамикалық тұрақтылығы ең жоғары, арагонит одан сәл кем, ал ватерит ең тұрақсыз.
Calcium carbonate crystallizes in three anhydrous polymorphs, of which calcite is the thermodynamically most stable at room temperature, aragonite is only slightly less so, and vaterite is the least stable.
Кристалдық құрылым
Кальцит кристалл құрылымы тригональды, кеңістіктік тобы Rc (Халықаралық кристаллография кестелерінде No. 167) және Пирсон символы hR10. Арагонит орторомбтық, кеңістіктік тобы Pmcn (No 62) және Пирсон символы oP20. Ватерит кем дегенде екі түрлі бірдей уақытта болатын кристаллографиялық құрылымнан тұрады. Басты құрылым P63/mmc кеңістіктік тобында гексагональды симметрияны көрсетеді, ал екінші құрылымы әлі белгісіз.
The calcite crystal structure is trigonal, with space group Rc (No. 167 in the International Tables for Crystallography), and Pearson symbol hR10. Aragonite is orthorhombic, with space group Pmcn (No 62), and Pearson Symbol oP20. Vaterite is composed of at least two different coexisting crystallographic structures. The major structure exhibits hexagonal symmetry in space group P63/mmc, the minor structure is still unknown.
Кристалдану
Барлық үш полиморф орташа жағдайларда сулы ерітінділерден бірдей уақытта кристалданады. Бұл құбылыс Оствальд ережесіне сәйкес келеді, онда ең тұрақсыз полиморф бірінші болып кристалданады, одан кейін тұрақты фазалар тізбегі арқылы әртүрлі полиморфтардың кристалдануы жүреді. Дегенмен, арагонит, тұрақсыздығы ватерит пен кальцит арасында болатын, бұл ережеден өзгешелік көрсетеді, себебі арагонит орташа жағдайларда кальциттің алдында пайда болмайды, немесе биологиялық кальций карбонатынан алынған белоктар мен пептидтерді қолдану арқылы. Кейбір полиаминдер, мысалы, кадаверин және полиэтилен имин, кальциттен гөрі арагониттің түзілуін жеңілдетеді. Сонымен қатар, олар кальцит және арагонитке қарағанда фазалық таңдауға қабілетті және кейбір организмдер екі полиморф арасында ауыса алады. Фазалық таңдау қабілеті көбінесе мұндай организмдердің белгілі бір макромолекулаларды немесе макромолекулалардың комбинацияларын пайдалануымен байланысты.
All three polymorphs crystallize simultaneously from aqueous solutions under ambient conditions. This behavior seems to follow Ostwald's rule, in which the least stable polymorph crystallizes first, followed by the crystallization of different polymorphs via a sequence of increasingly stable phases. However, aragonite, whose stability lies between those of vaterite and calcite, seems to be the exception to this rule, as aragonite does not form as a precursor to calcite under ambient conditions. or by using proteins and peptides derived from biological calcium carbonate. Some polyamines such as cadaverine and Poly(ethylene imine) have been shown to facilitate the formation of aragonite over calcite. Moreover, they exhibit a remarkable capability of phase selection over calcite and aragonite, and some organisms can switch between the two polymorphs. The ability of phase selection is usually attributed to the use of specific macromolecules or combinations of macromolecules by such organisms.
Геологиялық көздер
Кальцит, арагонит және ватерит – таза кальций карбонаты минералдары. Өндірісте маңызды, көбінесе кальций карбонатынан тұратын тау жыныстары: әк тас, бор, мәрмәр және травертин.
Calcite, aragonite and vaterite are pure calcium carbonate minerals. Industrially important source rocks which are predominantly calcium carbonate include limestone, chalk, marble and travertine.
Биологиялық көздер
Жұмыртқа қабығы, ұлу қабығы және көптеген теңіз қабықтары негізінен кальций карбонатынан тұрады және оларды осы химиялық заттың өнеркәсіптік көзі ретінде пайдалануға болады. Ұстрица қабықтары жақында диеталық кальцийдің көзі ретінде танылды, бірақ олар сонымен қатар өнеркәсіптік тұрғыдан да пайдалы көз болып табылады. Брокколи және кейл сияқты қою жасыл көкөністерде диеталық тұрғыдан маңызды мөлшерде кальций карбонаты бар, бірақ оларды өнеркәсіптік көз ретінде пайдалану тиімді емес. Lumbricidae тұқымдасына жататын, яғни жер құрттарының ас қорыту жолында кальций мен CO2-ні кальций карбонатына айналдыратын, Kalkdrüsen немесе glandes de Morren деп аталатын арнайы бездері бар, ол кейін топыраққа бөлінеді. Бұл бездердің қызметі әлі толыққанды белгілі емес, бірақ олар ағза тіндеріндегі CO2 деңгейін реттеу механизмі ретінде жұмыс істейді деп саналады. Бұл процесс экологиялық маңызға ие, өйткені қышқыл топырақтың pH деңгейін тұрақтандырады.
Eggshells, snail shells and most seashells are predominantly calcium carbonate and can be used as industrial sources of that chemical. Oyster shells have enjoyed recent recognition as a source of dietary calcium, but are also a practical industrial source. Dark green vegetables such as broccoli and kale contain dietarily significant amounts of calcium carbonate, but they are not practical as an industrial source. Annelids in the family Lumbricidae, earthworms, possess a regionalization of the digestive track called calciferous glands, Kalkdrüsen, or glandes de Morren, that processes calcium and |CO2 into calcium carbonate, which is later excreted into the dirt. The function of these glands is unknown but is believed to serve as a |CO2 regulation mechanism within the animals' tissues. This process is ecologically significant, stabilizing the pH of acid soils.
Жерден тыс
Жерден тыс, мықты дәлелдер Марста кальций карбонатының бар екенін көрсетеді. Кальций карбонатының белгілері бірнеше жерде (атап айтқанда Гусев және Гюйгенс кратерлерінде) анықталған. Бұл сұйық судың бұрын болғандығына қандай да бір дәлел келтіреді.
Beyond Earth, strong evidence suggests the presence of calcium carbonate on Mars. Signs of calcium carbonate have been detected at more than one location (notably at Gusev and Huygens craters). This provides some evidence for the past presence of liquid water.
Геология
Карбонат геологиялық ортада жиі кездеседі және зор көміртек резервуарын құрайды. Кальций карбонаты кальций циклының маңызды компоненттері болып табылатын арагонит, кальцит және доломит түрлерінде кездеседі. Карбонат минералдары мынадай тау жыныстарын құрайды: әктас, борпылдақ, мәрмәр, травертин, туфа және басқалары. Жылы, мөлдір тропикалық суларда кораллдар суық полюстерге қарағанда көптеп таралған. Кальций карбонатына үлес қосушылар, соның ішінде планктон (мысалы, коколиттер және планктондық фораминифералар), коралл балдырлары, губкалар, брахиоподтар, теңіз жұлдыздары, бриозоалар және моллюскалар, көбінесе күн сәулесі мен сүзіліп алынатын тағамға толы жай су ортасында кездеседі. Суық су карбонаттары жоғары ендікте де бар, бірақ өте баяу өседі. Мұхиттың қышқылдануы кальцификация процестерін өзгертеді. Мұхит қабығы континенттік плитаның астына батқан жерде шөгінділер астеносфера мен литосфераның жылы аймақтарына дейін көтеріледі. Бұл жағдайларда кальций карбонаты ыдырап, көмірқышқыл газын бөліп шығарады, ол басқа газдармен бірге жарылғыш жанартау атқылауларына себеп болады.
Carbonate is found frequently in geologic settings and constitutes an enormous carbon reservoir. Calcium carbonate occurs as aragonite, calcite and dolomite as significant constituents of the calcium cycle. The carbonate minerals form the rock types: limestone, chalk, marble, travertine, tufa, and others. In warm, clear tropical waters corals are more abundant than towards the poles where the waters are cold. Calcium carbonate contributors, including plankton (such as coccoliths and planktic foraminifera), coralline algae, sponges, brachiopods, echinoderms, bryozoa and mollusks, are typically found in shallow water environments where sunlight and filterable food are more abundant. Cold water carbonates do exist at higher latitudes but have a very slow growth rate. The calcification processes are changed by ocean acidification. Where the oceanic crust is subducted under a continental plate sediments will be carried down to warmer zones in the asthenosphere and lithosphere. Under these conditions calcium carbonate decomposes to produce carbon dioxide which, along with other gases, give rise to explosive volcanic eruptions.
Карбонатпен өтем тереңдігі
Карбонатпен өтелетін тереңдік (CCD) — мұхитта кальций карбонатының түзілу жылдамдығы, қалыптасқан жағдайларға байланысты оның еріу жылдамдығымен теңесетін деңгей. Мұхиттың тереңдігінде температура төмендеп, қысым артады. Қысымның жоғарылауы кальций карбонатының ерігіштігін де арттырады. Кальций карбонатының ерекшелігі — оның ерігіштігі температура төмендеген сайын арта түседі. Қазіргі заманғы мұхиттарда карбонатпен өтелетін тереңдік теңіз деңгейінен 4000–6000 метр аралығында болады, ал әртүрлі полиморфтардың (кальцит, арагонит) тұрақтылығына қарай өтелу тереңдігі де өзгеріп отырады.
The carbonate compensation depth (CCD) is the point in the ocean where the rate of precipitation of calcium carbonate is balanced by the rate of dissolution due to the conditions present. Deep in the ocean, the temperature drops and pressure increases. Increasing pressure also increases the solubility of calcium carbonate. Calcium carbonate is unusual in that its solubility increases with decreasing temperature. The carbonate compensation depth ranges from 4,000 to 6,000 meters below sea level in modern oceans, and the various polymorphs (calcite, aragonite) have different compensation depths based on their stability.
Тафономиядағы рөлі
Кальций карбонаты минералдық процестер арқылы қазбаларды сақтай алады. Екі медицина формациясының – қаз-қалпы динозавр жұмыртқаларымен танымал геологиялық формацияның – көптеген омыртқалы қазбалары CaCO3 перминерализациясы арқылы сақталған. Кембрий кезеңінде трилобиттердің су өмірінің басым бөлігін құрағаны бір кезде ойылған, себебі олардың кальций карбонаты мол қабықтары, хитиннен ғана тұратын қабықтарына қарағанда, оңай сақталып қалған.
Calcium carbonate can preserve fossils through permineralization. Most of the vertebrate fossils of the Two Medicine Formation—a geologic formation known for its duck billed dinosaur eggs—are preserved by |CaCO3 permineralization. Trilobite populations were once thought to have composed the majority of aquatic life during the Cambrian, due to the fact that their calcium carbonate rich shells were more easily preserved than those of other species, which had purely chitinous shells.
Денсаулық және тамақтану
Кальций карбонаты кеңінен дәрілік мақсатта асқазан қышқылының (мысалы, Тумс және Эно) арзан диеталық кальций қоспасы ретінде қолданылады. Ол гиперфосфатемияны емдеуде фосфатты байланыстырушы ретінде қолданылуы мүмкін (әсіресе созылмалы бүйрек жеткіліксіздігі бар науқастарда). Фармацевтикалық өнеркәсіпте таблеткалар және басқа да дәрілік заттарға инертті толтырғыш ретінде пайдаланылады. Кальций карбонаты кальций оксиді мен тіс пастасын өндіруде қолданылады, сондай-ақ органикалық алма сияқты өнімдерде немесе олармен бірге қолданғанда тағам сақтағышы және түс сақтағышы ретінде қайта жанданды. Кальций карбонаты терапиялық мақсатта гемодиализбен емделетін науқастарда фосфатты байланыстырушы ретінде қолданылады. Бұл фосфатты байланыстырушы препараттың ең көп қолданылатын түрі, әсіресе диализсіз созылмалы бүйрек ауруы кезінде. Кальций карбонаты фосфатты байланыстырушы заттардың ең көп қолданылатын түрі, бірақ дәрігерлер көбінесе кальцийге негізделмеген, қымбат фосфатты байланыстырушы заттарды, әсіресе севеламерді тағайындайды. Қосымшалардан, байытылған тағамдардан және кальцийге жоғары диеталардан алынған артық кальций сүт сілкіні синдромын тудыруы мүмкін, бұл өте улы және өлімге әкелуі мүмкін. 1915 жылы Бертрам Сиппи "Сиппи режимін" енгізді, ол 10 күн бойы сүт пен қаймақпен бірге сағат сайын тамаққа сүт және пісірілген дәнді дақылдарды қосуды қамтиды, алқалы ұнтақтармен бірге қолданылғанда, бұл пептикалық жара ауруына симптомдық жеңілдетуді қамтамасыз етті. Келесі бірнеше онжылдықтарда Сиппи режимі бүйрек жеткіліксіздігіне, алкалозға және гиперкальциемияға әкелді, көбінесе пептикалық жара ауруы бар ер адамдарда. Бұл жағымсыз әсерлер емделуді тоқтатқаннан кейін кері қайтарылды, бірақ ұзақ құсуы бар кейбір науқастарда өлімге әкелді. Пептикалық жара ауруын тиімді емдеу пайда болғаннан кейін ер адамдарда сүт сілкіні синдромы азайды. 1990 жылдардан бері остеопороздың алдын алу және емдеу үшін тәулігіне 1,2-1,5 граммнан артық кальций қоспасын қабылдап жүрген әйелдерде жиірек кездеседі және сусызданумен күшейеді. Кальций рецептсіз өнімдерге қосылады, бұл қасақана шамадан тыс мөлшерде қабылдауға ықпал етеді. Кальцийді шамадан тыс қабылдау гиперкальциемияға әкелуі мүмкін, оның асқынулары құсу, іш ауруы және сананың өзгеруіне дейін жетеді. Тағамдық қоспа ретінде ол E170 деп белгіленеді және оның INS нөмірі 170 болып табылады. Ол ЕО, АҚШ және Австралия мен Жаңа Зеландияда қышқылдықты реттеуші, ұюға қарсы агент, тұрақтандырғыш немесе бояғыш ретінде пайдалануға рұқсат етілген. Ол "Ұлыбританиядағы барлық ұнтақталған нан ұнына, толық дәнді ұннан басқа, заң бойынша қосылады". Ол кейбір соя сүті және бадам сүті өнімдерінде диеталық кальцийдің көзі ретінде қолданылады; кем дегенде бір зерттеуде кальций карбонаты сиыр сүтіндегі кальций сияқты биожетімді болуы мүмкін екендігі көрсетілген. Кальций карбонаты консервіленген және бөтелкеленген көкөніс өнімдерінің көптеген түрлерінде нығайтқыш ретінде де қолданылады. Бірнеше кальций қоспаларының құрамында қорғасын бар екені анықталды, бұл халық денсаулығына қауіп тудырады. Қорғасын көбінесе кальцийдің табиғи көздерінде кездеседі. Кальцийлі топырақтағы пестицидтердің сіңуі мен десорбциясына оның әсер етуі мүмкін екенін анықтауға қызығушылық бар.
Calcium carbonate is widely used medicinally as an inexpensive dietary calcium supplement for gastric antacid (such as Tums and Eno). It may be used as a phosphate binder for the treatment of hyperphosphatemia (primarily in patients with chronic kidney failure). It is used in the pharmaceutical industry as an inert filler for tablets and other pharmaceuticals. Calcium carbonate is used in the production of calcium oxide as well as toothpaste and has seen a resurgence as a food preservative and color retainer, when used in or with products such as organic apples. Calcium carbonate is used therapeutically as phosphate binder in patients on maintenance haemodialysis. It is the most common form of phosphate binder prescribed, particularly in non dialysis chronic kidney disease. Calcium carbonate is the most commonly used phosphate binder, but clinicians are increasingly prescribing the more expensive, non calcium based phosphate binders, particularly sevelamer. Excess calcium from supplements, fortified food, and high calcium diets can cause milk alkali syndrome, which has serious toxicity and can be fatal. In 1915, Bertram Sippy introduced the "Sippy regimen" of hourly ingestion of milk and cream, and the gradual addition of eggs and cooked cereal, for 10 days, combined with alkaline powders, which provided symptomatic relief for peptic ulcer disease. Over the next several decades, the Sippy regimen resulted in kidney failure, alkalosis, and hypercalcaemia, mostly in men with peptic ulcer disease. These adverse effects were reversed when the regimen stopped, but it was fatal in some patients with protracted vomiting. Milk alkali syndrome declined in men after effective treatments for peptic ulcer disease arose. Since the 1990s it has been most frequently reported in women taking calcium supplements above the recommended range of 1.2 to 1.5 grams daily, for prevention and treatment of osteoporosis, and is exacerbated by dehydration. Calcium has been added to over the counter products, which contributes to inadvertent excessive intake. Excessive calcium intake can lead to hypercalcemia, complications of which include vomiting, abdominal pain and altered mental status. As a food additive it is designated E170, and it has an INS number of 170. Used as an acidity regulator, anticaking agent, stabilizer or color it is approved for usage in the EU, US and Australia and New Zealand. It is "added by law to all UK milled bread flour except wholemeal". It is used in some soy milk and almond milk products as a source of dietary calcium; at least one study suggests that calcium carbonate might be as bioavailable as the calcium in cow's milk. Calcium carbonate is also used as a firming agent in many canned and bottled vegetable products. Several calcium supplement formulations have been documented to contain the chemical element lead, posing a public health concern. Lead is commonly found in natural sources of calcium. There is interest in understanding whether or not it can affect pesticide adsorption and desorption in calcareous soil.
Үй-жайларды тазалау
Кальций карбонаты – Comet сияқты көптеген үй тазалау ұнтақтарының маңызды құрамы және осы зат абразивті тазалауға қолданылады.
Calcium carbonate is a key ingredient in many household cleaning powders like Comet and is used as a scrubbing agent.