Введение

Химическое соединение

Карбонат кальция – это химическое соединение с химической формулой CaCO3. Это распространенное вещество, встречающееся в горных породах в виде минералов кальцита и арагонита, особенно в мелу и известняке, яичных скорлупах, раковинах брюхоногих моллюсков, скелетах моллюсков и жемчуге. Материалы, содержащие большое количество карбоната кальция или напоминающие его, описываются как кальциевые. Карбонат кальция является активным ингредиентом в сельскохозяйственной извести и образуется при взаимодействии ионов кальция в жесткой воде с ионами карбоната, формируя известковый налет. Он используется в медицине в качестве добавки кальция или антацида, но чрезмерное употребление может быть опасным и вызывать гиперкальциемию и расстройства пищеварения.

Структура

Термодинамически стабильной формой CaCO3 в нормальных условиях является гексагональный β-CaCO3 (минерал кальцит). Могут быть получены и другие формы, более плотные (2,83 г/см³) орторомбический λ-CaCO3 (минерал арагонит) и гексагональный μ-CaCO3, встречающийся в виде минерала ватерита. Арагонит можно получить путем осаждения при температуре выше 85 °C, а ватерит – при 60 °C. В кальците атомы кальция координированы шестью атомами кислорода, в арагоните – девятью. Структура ватерита изучена не полностью. Карбонат магния (MgCO3) имеет структуру кальцита, тогда как карбонат стронция (SrCO3) и карбонат бария (BaCO3) приобретают структуру арагонита, что отражает их большие ионные радиусы.

Полиморфы

Карбонат кальция кристаллизуется в трех безводных полиморфных модификациях, среди которых кальцит термодинамически наиболее стабилен при комнатной температуре, арагонит – лишь немного менее стабилен, а ватерит – наименее стабилен.

Кристальная структура

Кристаллическая структура кальцита тригональная, с пространственной группой Rc (№ 167 в Международных таблицах по кристаллографии) и символом Пирсона hR10. Арагонит имеет орторомбическую структуру, с пространственной группой Pmcn (№ 62) и символом Пирсона oP20. Ватерит состоит как минимум из двух различных коэксистирующих кристаллографических структур. Основная структура демонстрирует гексагональную симметрию в пространственной группе P63/mmc, природа второстепенной структуры пока неизвестна.

Кристаллизация

Все три полиморфа кристаллизуются одновременно из водных растворов в обычных условиях. Такое поведение, по-видимому, соответствует правилу Оствальда, согласно которому наименее стабильный полиморф кристаллизуется первым, за которым следует кристаллизация других полиморфов через последовательность фаз с возрастающей стабильностью. Однако арагонит, стабильность которого находится между стабильностью ватерита и кальцита, представляется исключением из этого правила, поскольку арагонит не образуется в качестве предшественника кальцита в обычных условиях, либо при использовании белков и пептидов, полученных из биологического карбоната кальция. Показано, что некоторые полиамины, такие как кадаверин и полиэтиленимин, способствуют образованию арагонита вместо кальцита. Более того, они демонстрируют замечательную способность к фазовому отбору в отношении кальцита и арагонита, а некоторые организмы способны переключаться между этими двумя полиморфами. Способность к фазовому отбору обычно объясняется использованием этими организмами специфических макромолекул или их комбинаций.

Геологические источники

Кальцит, арагонит и ватерит – это чистые минералы карбоната кальция. Важными промышленными источниками пород, состоящими преимущественно из карбоната кальция, являются известняк, мел, мрамор и травертин.

Биологические источники

Яйцевая скорлупа, раковины улиток и большинство морских раковин преимущественно состоят из карбоната кальция и могут использоваться как промышленные источники этого химического вещества. Раковины устриц в последнее время получили признание как источник диетического кальция, но также являются практичным промышленным источником. Темно-зеленые овощи, такие как брокколи и капуста кале, содержат значительное количество карбоната кальция в пищевом отношении, но не подходят для использования в качестве промышленного источника. Аннелиды из семейства Lumbricidae, или дождевые черви, обладают регионализацией пищеварительного тракта, называемой кальциферными железами, Kalkdrüsen, или железами де Моррена, которые перерабатывают кальций и CO2 в карбонат кальция, который затем выделяется в почву. Функция этих желез неизвестна, но предполагается, что они служат механизмом регулирования CO2 в тканях животных. Этот процесс имеет экологическое значение, стабилизируя pH кислых почв.

Инопланетянин

За пределами Земли имеются веские доказательства наличия карбоната кальция на Марсе. Признаки карбоната кальция были обнаружены в нескольких местах (в частности, в кратерах Гусева и Гюйгенса). Это свидетельствует о возможном существовании жидкой воды в прошлом.

Геология

Карбонат часто встречается в геологических условиях и составляет огромный резервуар углерода. Карбонат кальция представлен арагонитом, кальцитом и доломитом как значимые компоненты кальциевого цикла. Карбонатные минералы формируют горные породы: известняк, мел, мрамор, травертин, туфа и другие. В теплых, чистых тропических водах кораллы встречаются чаще, чем в полярных регионах, где вода холодная. Основными источниками карбоната кальция являются планктон (например, коколиты и планктонные фораминиферы), коралловые водоросли, губки, брахиоподы, иглокожие, бриозои и моллюски, которые обычно обитают в мелководных средах с достаточным количеством солнечного света и фильтруемой пищи. Карбонаты холодных вод существуют и на более высоких широтах, но растут очень медленно. Процессы кальцификации изменяются из-за подкисления океана. В зонах субдукции океанической коры под континентальную плиту осадочные породы уносятся в более теплые зоны астеносферы и литосферы. В этих условиях карбонат кальция разлагается, выделяя углекислый газ, который, вместе с другими газами, приводит к взрывным извержениям вулканов.

Глубина компенсации карбоната

Глубина компенсации карбоната (CCD) – это уровень в океане, на котором скорость осаждения карбоната кальция сбалансирована скоростью его растворения, обусловленной существующими условиями. В глубинах океана температура понижается, а давление возрастает. Увеличение давления также повышает растворимость карбоната кальция. Карбонат кальция уникален тем, что его растворимость увеличивается при снижении температуры. Глубина компенсации карбоната варьируется от 4000 до 6000 метров ниже уровня моря в современных океанах, при этом различные полиморфы (кальцит, арагонит) имеют разные глубины компенсации, зависящие от их стабильности.

Роль в тафономии

Карбонат кальция может сохранять окаменелости посредством перминерализации. Большинство окаменелостей позвоночных из формации Два Медицины – геологической формации, известной своими яйцами утконосых динозавров – сохранились благодаря перминерализации CaCO3. Ранее считалось, что популяции трилобитов составляли основную часть водной жизни в кембрийском периоде, поскольку их раковины, богатые карбонатом кальция, сохранялись легче, чем раковины других видов, состоящие исключительно из хитина.

Здоровье и диета

Карбонат кальция широко используется в медицине как недорогой источник кальция в диетических добавках и для приготовления желудочных антацидов (таких как Tums и Eno). Он может применяться в качестве связывающего фосфаты средства для лечения гиперфосфатемии (преимущественно у пациентов с хронической почечной недостаточностью). В фармацевтической промышленности карбонат кальция используется как инертный наполнитель для таблеток и других лекарственных препаратов. Он применяется в производстве оксида кальция, а также входит в состав зубной пасты. В последнее время карбонат кальция вновь используется в качестве консерванта и для сохранения цвета пищевых продуктов, например, органических яблок. Карбонат кальция используется в терапевтических целях в качестве связывающего фосфаты средства у пациентов, находящихся на поддерживающем гемодиализе. Это наиболее распространенная форма связывающего фосфаты средства, назначаемого, особенно при хронической болезни почек не требующей диализа. Карбонат кальция является наиболее часто используемым связывающим фосфаты средством, однако врачи все чаще назначают более дорогие препараты, не содержащие кальций, в частности севеламер. Избыток кальция, поступающего с добавками, обогащенными продуктами питания и диетами с высоким содержанием кальция, может вызвать синдром молочного щелоча, который обладает серьезной токсичностью и может привести к летальному исходу. В 1915 году Бертрам Сиппи предложил "режим Сиппи", заключающийся в употреблении молока и сливок каждый час, с постепенным добавлением яиц и приготовленных злаков в течение 10 дней, в сочетании со щелочными порошками, что обеспечивало симптоматическое облегчение при язвенной болезни. В последующие десятилетия режим Сиппи приводил к почечной недостаточности, алкалозу и гиперкальциемии, в основном у мужчин, страдающих язвенной болезнью. Эти побочные эффекты уменьшались после прекращения лечения, но в некоторых случаях, при продолжительной рвоте, оказывались фатальными. Частота случаев синдрома молочного щелоча снизилась у мужчин после появления эффективных методов лечения язвенной болезни. С 1990-х годов он чаще всего диагностируется у женщин, принимающих добавки кальция в дозах, превышающих рекомендуемый диапазон 1,2–1,5 грамма в день, для профилактики и лечения остеопороза, и усугубляется обезвоживанием. Кальций добавляют в продукты, отпускаемые без рецепта, что способствует непреднамеренному чрезмерному потреблению. Избыточное потребление кальция может привести к гиперкальциемии, осложнениями которой являются рвота, боли в животе и нарушение психического состояния. В качестве пищевой добавки он обозначается как E170 и имеет номер INS 170. Используется в качестве регулятора кислотности, антислеживающего агента, стабилизатора или красителя и разрешен к применению в ЕС, США, Австралии и Новой Зеландии. Он "по закону добавляется во всю пшеничную муку, кроме цельнозерновой". Он используется в некоторых продуктах из соевого и миндального молока в качестве источника диетического кальция; по крайней мере одно исследование показывает, что карбонат кальция может быть таким же биодоступным, как кальций в коровьем молоке. Карбонат кальция также используется в качестве укрепляющего агента во многих консервированных и бутилированных овощных продуктах. В ряде препаратов кальция было обнаружено наличие химического элемента свинца, что вызывает обеспокоенность в отношении общественного здоровья. Свинец обычно содержится в природных источниках кальция. Существует интерес к изучению того, может ли он влиять на адсорбцию и десорбцию пестицидов в известковых почвах.

Уборка в домашних условиях

Карбонат кальция — ключевой ингредиент многих бытовых чистящих порошков, таких как Comet, и используется как абразивное чистящее средство.