Карбонаты

Карбонаты - соли слабой угольной кислоты Н2С03. Различают нормальные (средние) карбонаты - с анионом СО ? (например, СаС03), кислые карбонаты (гидрокарбонаты, или бикарбонаты), с анионом

5

НС03 (например, КНС03) и основные карбонаты (например, (Си0Н)2С03 - минерал малахит).

Иа2С03 + Н20 = ИаНС03 + ИаОН

pH достигает значений 12-13.

Наиболее труднорастворимы нормальные карбонаты кальция, стронция, бария и свинца. Кислые карбонаты хорошо растворимы в воде (гидрокарбонаты кальция и магния обусловливают карбонат­ную жесткость природной воды).

При нагревании карбонаты, как правило, разлагаются с выделени­ем углекислого газа, еще до достижения точки плавления, например,

Исключение представляют карбонаты щелочных металлов и тал­лия: они плавятся конгруэнтно, образуя прозрачный щелочной расплав.

Гидрокарбонаты при нагревании переходят в нормальные карбо­наты:

Кислотами все карбонаты разлагаются с выделением С02:

Важнейшим представителем карбонатов является карбонат каль­ция. Кальций - один из самых распространенных элементов (3,4 % мае.). Соединения кальция: известняк, мрамор, мел, гипс, а также известь - продукт обжига известняка - уже в глубокой древности использова­лись в строительном деле. До конца XVIII в. известь считали простым

6

веществом. Металлический кальций выделил из извести в 1808 г. Г. Дэви. Название «кальций» переводится с латинского как «известко­вый» (calx - известь, calcis - род.

Карбонат кальция СаС03 (теор. состав: 56 % мае. СаО и 44 % мае. С02) представлен в природе двумя минералами: кальцитом и арагонитом.

Кальцит (известковый шпат) - один из самых распространенных минералов на поверхности Земли. Он образуется главным образом хе- могенно-осадочным путем из водных растворов. В больших количе­ствах кальцит осаждается в мелководных морских бассейнах в виде тонкодисперсной взвеси («известковое молоко»), из которой впослед­ствии образуются известняки. Кальцит биохимического происхожде­ния слагает ракушники, коралловые известняки и рифы. Плотность кальцита равна 2,6-2,8 г/см3, твердость по шкале Мооса - 3.

Арагонит - менее распространенный минерал. От кальцита он отличается игольчатой формой кристаллов, несколько большей плот­ностью - 2,9-3,0 г/см3 и твердостью - 3,5-4. Это связано с особеннос­тями кристаллической структуры минерала (рис. 1).

Рис. 1. Модели кристаллической структуры: а - кальцита; б - арагонита. Черные шарики - катионы кальция, белые «треугольники из четырех шариков» - анионы СО, [1]

Кристаллы кальцита имеют самый разнообраз­ный облик. Чаще всего встречаются скаленоэд- рические, реже - таблит­чатые, призматические, ромбоэдрические (рис. 2).

Рис. 2. Форма кристаллов кальцита: а - ромбоэдрические; б - скаленоэдри- ческие; в - призматические; г - таб­литчатые

В структуре кальци­та атомы кальция и угле­рода расположены в узлах ромбоэдрических реше­ток, как бы вдвинутых одна в другую (рис. 3). Атомы кислорода группи­руются по три вокруг ато­мов углерода, располага­ясь в одной с ними плос­кости (т.

СО: ). Такую же структуру имеют другие карбонаты: доломит, магне­

зит, сидерит и др.

Рис. 3. Элементарная ячейка кальцита [1]

Чистый кальцит - белого цвета (в кристаллах прозрачный), при­меси (может содержать до 8 % М§, Бе, Ми) окрашивают его в разнооб­разные цвета - от светло-желтого до черного. Кальцит является глав­ной составной частью известняков, мрамора, мела и др.

Кальцит легко (с вскипанием) растворяется в кислотах, даже в слабой уксусной, с выделением углекислого газа:

СаС03 + 2СН3СООН = Са(СН3СОО)2 + Н20 + С02

Кальцит очень мало растворяется в воде (при 20 °С не более 13 мг/л). Однако если в воде содержится достаточно много С02, то каль­цит растворяется по реакции

СаС03 + Н20 + С02 = Са(НС03)2

Данная реакция обратима: в водах с высоким содержанием С02 ион кальция находится в растворе, а при уменьшении концентрации С02 выпадает осадок СаС03 (например, образование сталактитов и сталагмитов).

Кальцит - это не только природное соединение, он весьма часто встречается в строительной практике. Кальцит образуется при карбо­низации извести, является основным компонентом высолов и натеков на бетоне и т. п.

Кальцит часто образует двойные соли, например минерал доло­мит ]У^С03 • СаС03. Плотность доломита составляет 2,8-2,9 г/см3, твер­дость по шкале Мооса - 3,5-4. В отличие от кальцита доломит не вски­пает в холодной соляной кислоте, но растворяется при нагревании.

Арагонит очень часто находится в тесной ассоциации с кальци­том. Он обычно генетически связан с биогенными процессами, из него состоят раковины многих моллюсков и скелеты животных, особенно образованные в теплых морях (например, залежи арагонита образуют Багамские острова). Все же арагонит для нас является экзотикой, в по­давляющем большинстве случаев мы имеем дело с карбонатом каль­ция в виде кальцита.

В строительной индустрии помимо кальцита и доломита исполь­зуются другие карбонаты: магнезит 1У^С03 (для производства магне­зиальных вяжущих); витерит ВаС03 (как компонент баритовых цемен­

тов и как добавка против высолов при производстве кирпича); техни­ческая или кальцинированная содапоташ К2С03 (добавки раз­

личного назначения).

1.2.