Hòa tan trong nước Canxi_cacbonat

Cacbonat canxi hòa tan rất kém trong nước. Cân bằng của dung dịch của nó được đưa ra theo phương trình sau (với cacbonat canxi hòa tan ở vế phải):

CaCO3 ⇋ Ca2+ + CO32–Ksp = 3,7×10−9 tới 8,7×10−9 ở 25 °C

trong đó cân bằng hòa tan đối với [Ca2+][CO32–] được đưa ra trong khoảng Ksp = 3,7×10−9 tới Ksp = 8,7×10−9 ở 25 °C, tùy theo nguồn dữ liệu[2],[3]. Nó có nghĩa là sản phẩm nồng độ mol của các ion canxi (số mol Ca2+ hòa tan trên một lít dung dịch) với nồng độ mol của CO32– hòa tan không thể vượt quá giá trị Ksp. Nó dường như là một phương trình hòa tan đơn giản, tuy nhiên, cần phải tính toán tới cân bằng phức tạp hơn nhiều của điôxít cacbon với nước. Một số ion CO32– kết hợp với các ion H+ trong dung dịch theo phương trình:

HCO3– ⇋ H+ + CO32–   Ka2 = 5,61×10−11 ở 25 °C

HCO3– còn gọi là ion bicacbonat. Bicacbonat canxi hòa tan trong nước cao gấp nhiều lần so với cacbonat canxi—nhưng nó chỉ tồn tại trong dung dịch.

Một số ion HCO3– kết hợp với H+ trong dung dịch theo phương trình:

H2CO3 ⇋ H+ + HCO3–   Ka1 = 2,5×10−4 ở 25 °C

Một số H2CO3 phân rã thành nước và điôxít cacbon hòa tan theo phương trình:

H2O + CO2(hòa tan) ⇋ H2CO3   Kh = 1,70×10−3 ở 25 °C

Và điôxít cacbon hòa tan nằm trong cân bằng với điôxít cacbon trong không khí theo phương trình:

P C O 2 [ C O 2 ]   =   k c ′ {\displaystyle {\frac {P_{\mathrm {CO} _{2}}}{[\mathrm {CO} _{2}]}}\ =\ k'_{c}} trong đó k'c = 29,76 atm/(mol/L) ở 25 °C (Hằng số Henry), P C O 2 {\displaystyle \scriptstyle P_{\mathrm {CO} _{2}}} là áp suất thành phần của CO2.
Độ hòa tan của ion canxi
như là hàm số của áp suất thành phần của CO2 ở 25 °C
P C O 2 {\displaystyle \scriptstyle P_{\mathrm {CO} _{2}}} (atm)pH[Ca2+] (mol/L)
10−1212,05,19 × 10−3
10−1011,31,12 × 10−3
10−810,72,55 × 10−4
10−69,831,20 × 10−4
10−48,623,16 × 10−4
3.5 × 10−48,274,70 × 10−4
10−37,966,62 × 10−4
10−27,301,42 × 10−3
10−16,633,05 × 10−3
15,966,58 × 10−3
105,301,42 × 10−2

Đối với không khí xung quanh, P C O 2 {\displaystyle \scriptstyle P_{\mathrm {CO} _{2}}} là khoảng 3,5×10−4 atm (hay khoảng 35 Pa). Phương trình cuối trên đây coi nồng độ của CO2 hòa tan như hàm số của P C O 2 {\displaystyle \scriptstyle P_{\mathrm {CO} _{2}}} , phụ thuộc vào nồng độ của CaCO3 hòa tan. Ở áp suất thành phần trong không khí của CO2 thì nồng độ của CO2 hòa tan là 1,2×10–5 mol/L. Phương trình trước đó coi nồng độ của H2CO3 như hàm số của [CO2]. Đối với [CO2]=1,2×10–5, nó cho kết quả là [H2CO3]=2,0×10−8 mol/L. Khi [H2CO3] đã biết thì ba phương trình còn lại cùng với

H2O ⇋ H+ + OH–K = 10−14 ở 25 °C

(điều này là đúng cho mọi dung dịch trong nước), và một thực tế là dung dịch phải trung hòa về điện,

2[Ca2+] + [H+] = [HCO3–] + 2[CO32–] + [OH–]

làm cho nó là có thể giải được đồng thời cho 5 nồng độ chưa biết còn lại. Bảng bên phải chỉ ra kết quả cho [Ca2+] và [H+] (trong dạng pH) như là hàm số của áp suất thành phần xung quanh của CO2 (Ksp = 4,47×10−9 được lấy để tính toán). Ở các mức trong không khí của CO2 xung quanh thì bảng chỉ ra rằng dung dịch hơi có tính kiềm. Xu hướng mà bảng này chỉ ra là:

1) Khi áp suất thành phần xung quanh của CO2 giảm xuống dưới mức của không khí thì dung dịch trở nên kiềm hơn. Ở P C O 2 {\displaystyle \scriptstyle P_{\mathrm {CO} _{2}}} cực thấp, CO2 hòa tan, ion bicacbonat và ion cacbonat chủ yếu thoát ra từ dung dịch, để lại dung dịch có tính kiềm cao hơn của hyđroxit canxi với độ hòa tan cao hơn của CaCO3.2) Khi áp suất thành phần xung quanh của CO2 tăng tới các mức cao hơn mức trong không khí thì pH giảm xuống và phần nhiều ion cacbonat bị chuyển hóa thành ion bicacbonat, kết quả là độ hòa tan cao hơn của Ca2+.

Hiệu ứng của xu hướng sau được nhận thấy hàng ngày đối với những người sử dụng nước cứng. Nước trong các tầng ngậm nước ngầm dưới mặt đất có thể tiếp xúc với các mức CO2 cao hơn của không khí. Do nguồn nước này thấm qua các lớp đá chứa cacbonat canxi nên CaCO3 bị hòa tan theo xu hướng thứ hai. Cũng nguồn nước này sau đó chảy ra ngoài để tiếp xúc với không khí thì nó phải cân bằng với các mức CO2 trong không khí bằng cách giải phóng lượng CO2 dư thừa. Cacbonat canxi trở thành ít hòa tan hơn và kết quả là nó lắng đọng xuống như các lớp vảy đá vôi. Quá trình tương tự là nguyên nhân hình thành nên các vú đá và nhũ đá trong các hang động đá vôi.