§ 39. Карбонат кальция*

Определения и обозначения

Карбонат кальция — соль с формулой CaCO₃. В одной формульной единице содержатся один ион кальция Ca²⁺ и один карбонат-ион CO₃²⁻; их заряды уравновешивают друг друга. Эта формула помогает понять состав вещества и правильно записывать его реакции.

Известняк — природная горная порода, главным образом состоящая из карбоната кальция. В ней могут быть и другие вещества, поэтому известняк не следует считать чистым CaCO₃. Зная его основной состав, можно объяснить реакции породы с кислотами и её использование как сырья.

Мел — разновидность известняка, в которой преобладает карбонат кальция, но структура рыхлая и легко крошится. Это свойство отличает мел от более плотных пород. Понимание состава мела позволяет связать его привычные свойства с химическими превращениями CaCO₃.

Мрамор — плотная горная порода, образованная преимущественно карбонатом кальция. Как и другие природные материалы, он может содержать примеси, а его плотность связана со строением породы. Это объясняет, почему мрамор применяют там, где важны прочность и внешний вид.

Как это устроено

Название «карбонат кальция» указывает на то, что в составе соли есть кальций и карбонат-ион. Ион кальция имеет заряд +2, а карбонат-ион CO₃²⁻ — заряд −2. Поэтому достаточно соединить их в отношении один к одному: общий заряд станет равен нулю, а формула будет CaCO₃. Индекс 3 в формуле показывает, что в карбонат-ионе три атома кислорода.

В природе CaCO₃ входит в состав известняка, мела и мрамора, но эти материалы не всегда состоят только из него. Примеси и различия в строении породы влияют на цвет, плотность и прочность. Поэтому образец природного материала — не обязательно чистое химическое вещество, хотя его основным компонентом может быть один и тот же карбонат кальция. Эти породы используют, например, в строительстве и для получения извести.

Карбонат кальция плохо растворяется в воде: большинство его частиц остаётся в твёрдом веществе. Однако кислота может вступить в реакцию с карбонат-ионом. В ходе превращения образуются соль и угольная кислота, которая быстро распадается на воду и углекислый газ. Газ покидает жидкость пузырьками, поэтому шипение служит признаком реакции карбоната с кислотой.

При сильном нагревании CaCO₃ разлагается: из одной формульной единицы образуются одна частица оксида кальция и одна молекула углекислого газа. Уравнение реакции: CaCO₃ → CaO + CO₂. Оно уже уравнено: по обе стороны одинаковое число атомов кальция, углерода и кислорода. Полученный CaO называют негашёной известью.

Известковый цикл связывает несколько веществ через последовательные реакции. Негашёная известь при взаимодействии с водой образует гашёную известь Ca(OH)₂: CaO + H₂O → Ca(OH)₂. Если к гашёной извести поступает углекислый газ, снова образуются карбонат кальция и вода: Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O. Так CaCO₃ можно получить обратно, а углекислый газ и обе разновидности извести оказываются звеньями общей цепочки.

Природные материалы, содержащие карбонат кальция

Сравнивайте в таблице прежде всего состав и особенности: одинаковый основной компонент не означает одинаковую структуру. Столбец «Применение» показывает, как свойства материала связаны с тем, для чего его используют. Природные образцы могут отличаться примесями, поэтому сведения об основном составе не означают абсолютной чистоты.

Разбор задач

Реакция карбоната кальция с соляной кислотой

Запишите уравнение реакции CaCO₃ с соляной кислотой и уравняйте его. Сначала определим продукты: при взаимодействии карбоната с кислотой образуются соль, вода и CO₂. Кальций с хлором даёт CaCl₂, а углекислый газ выделяется из-за распада угольной кислоты.

1. Записываем схему: CaCO₃ + HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂.
2. В соли CaCl₂ два атома хлора, поэтому ставим коэффициент 2 перед HCl.
3. Проверяем атомы: кальций, углерод, кислород, водород и хлор теперь уравнены.

Уравнение: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂. Коэффициент перед HCl нельзя пропускать: тогда число атомов хлора слева и справа не совпадёт.

Масса оксида кальция

При нагревании разложили 100 г чистого CaCO₃. Нужно найти массу CaO. По уравнению CaCO₃ → CaO + CO₂ видно, что количества CaCO₃ и CaO относятся как 1:1, поэтому сначала используем молярные массы.

1. Находим молярные массы: M(CaCO₃) = 100 г/моль, M(CaO) = 56 г/моль.
2. Вычисляем количество CaCO₃: n = 100 г ÷ 100 г/моль = 1 моль.
3. По коэффициентам образуется 1 моль CaO, значит его масса равна 1 × 56 = 56 г.

Ответ: образуется 56 г оксида кальция. Остальная масса исходного вещества приходится на углекислый газ, который тоже получается в реакции.

Объём углекислого газа из известняка

Образец известняка массой 250 г содержит 80% CaCO₃; кислота взята в избытке. Найдём объём CO₂ при н. у. Сначала учитываем, что реагирует только карбонат кальция, а затем используем соотношение веществ в уравнении.

1. Масса CaCO₃: 250 г × 0,80 = 200 г.
2. По уравнению CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂ один моль CaCO₃ даёт один моль CO₂. n(CaCO₃) = 200 г ÷ 100 г/моль = 2 моль, значит n(CO₂) = 2 моль.
3. При н. у. один моль газа занимает 22,4 л. Поэтому V(CO₂) = 2 × 22,4 = 44,8 л.

Ответ: выделится 44,8 л углекислого газа. Примеси в известняке в расчёт не входят, поскольку процент CaCO₃ уже дан.

Типичные ошибки

Ошибка: считать известняк, мел или мрамор чистым веществом. Это природные материалы, и в них могут быть примеси; так ошибаются, перенося формулу CaCO₃ на весь образец. Проверьте условие: если указана массовая доля, сначала вычислите массу CaCO₃, а в ответе называйте материал породой, а не чистой солью.

Ошибка: записывать CaCO₂ или Ca₂CO₃ вместо CaCO₃. Так бывает, если забыть, что карбонат-ион — это CO₃²⁻, и не проверить заряд кальция Ca²⁺. Для самопроверки сложите заряды: один Ca²⁺ и один CO₃²⁻ дают нулевой общий заряд, а формула должна содержать три атома кислорода.

Ошибка: записывать реакцию с соляной кислотой без коэффициента 2 перед HCl. Один атом кальция образует CaCl₂, для которого нужны два атома хлора, и коэффициент исправляет их число. Проверьте уравнение подсчётом атомов с обеих сторон: их число должно совпадать для каждого элемента.

Ошибка: путать реакцию с кислотой и разложение при нагревании. Обе реакции могут давать CO₂, из-за чего их продукты смешивают; но при нагревании образуется CaO, а при реакции с кислотой — соль и вода. Сверьте условие задачи и пересчитайте атомы: у каждой реакции своя схема, и уравнивать нужно именно её.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в формуле CaCO₃, нужно знать, что такое соли и ионы, и уметь составлять формулы по зарядам. Для решения задач понадобятся навыки составления и уравнивания реакций, а также вычисления относительных и молярных масс. Эти знания пригодятся при изучении соединений углерода и карбонат-ионов, получении извести и расчётах по уравнениям реакций. Умение определять чистое вещество в составе смеси особенно полезно при задачах о природных материалах.

Что запомнить

• Формула карбоната кальция — CaCO₃.
• Мел, известняк и мрамор содержат преимущественно CaCO₃.
• Карбонат кальция плохо растворяется в воде.
• При реакции CaCO₃ с кислотой выделяется CO₂.
• При нагревании CaCO₃ разлагается на CaO и CO₂.
• Уравнение термического разложения: CaCO₃ → CaO + CO₂.