炭酸カルシウム

炭酸カルシウム
名前
IUPAC名
炭酸カルシウム
その他の名前
識別子
  • 471-34-1 チェックはい
3Dモデル（JSmol）
  • インタラクティブ画像
  • インタラクティブ画像
チェビ
  • チェビ:3311 チェックはい
チェムブル
  • ChEMBL1200539 ☒北
ケムスパイダー
  • 9708 チェックはい
ドラッグバンク
  • DB06724
ECHA 情報カード100.006.765
EC番号
  • 207-439-9
E番号E170 （カラー）
ケッグ
  • D00932 チェックはい
  • 10112
RTECS番号
  • FF9335000
ユニイ
  • H0G9379FGK チェックはい
  • DTXSID3036238
  • InChI=1S/CH2O3.Ca/c2-1(3)4;/h(H2,2,3,4);/q;+2/p-2 チェックはい
    キー: VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L チェックはい
  • InChI=1/CH2O3.Ca/c2-1(3)4;/h(H2,2,3,4);/q;+2/p-2
    キー: VTYYLEPIZMXCLO-NUQVWONBAS
  • [Ca+2].[O-]C([O-])=O
  • C(=O)([O-])[O-].[Ca+2]
プロパティ
CaCO3​
モル質量100.0869グラム/モル
外観微細な白色粉末または無色の結晶。チョークのような味
臭い無臭
密度2.711 g/cm 3 (方解石)
2.83 g/cm 3 (アラゴナイト)
融点1,339 °C (2,442 °F; 1,612 K) (方解石)
825 °C (1,517 °F; 1,098 K) (アラゴナイト) [4] [5]
沸点分解する
0.013 g/L (25℃) [1] [2]
溶解度積（K sp）
3.3 × 10 −9 [3]
希酸への溶解性可溶性
磁化率（χ）
−3.82 × 10 −5  cm 3 /モル
屈折率（nD ）
1.59
構造
三角
3 2/m
熱化学
標準
 モルエントロピー（S⦵298 ）​
93 J/(モル·K) [6]

標準生成エンタルピー （Δ f H ⦵ 298）
−1207 kJ/モル[6]
薬理学
A02AC01 ( WHO ) A12AA04 ( WHO )
危険
NFPA 704（ファイアダイヤモンド）
NFPA 704 4色ダイヤモンドHealth 0: Exposure under fire conditions would offer no hazard beyond that of ordinary combustible material. E.g. sodium chlorideFlammability 0: Will not burn. E.g. waterInstability 0: Normally stable, even under fire exposure conditions, and is not reactive with water. E.g. liquid nitrogenSpecial hazards (white): no code
0
0
0
致死量または濃度（LD、LC）：
LD 50（中間投与量）
6450 mg/kg（経口、ラット）
NIOSH（米国健康曝露限界）：
PEL（許可）
TWA 15 mg/m 3（総量） TWA 5 mg/m 3（それぞれ）[7]
安全データシート（SDS）ICSC 1193
関連化合物
その他の陰イオン
重炭酸カルシウム
その他の陽イオン
関連化合物
硫酸カルシウム
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）における材料のものです。
☒北 検証する （何ですか  ？）チェックはい☒北
方解石の結晶構造

炭酸カルシウムは、化学式Ca CO 3で表される化合物です。方解石やアラゴナイトといった鉱物として岩石中に広く見られる物質で、特にチョークや石灰岩、卵殻、腹足類の殻、貝殻、真珠に多く含まれています。炭酸カルシウムを多く含む、あるいは炭酸カルシウムに類似した物質は石灰質と呼ばれます。炭酸カルシウムは農業用石灰の有効成分であり、硬水中のカルシウムイオンが炭酸イオンと反応して水垢を形成する際に生成されます。医療用途ではカルシウムサプリメントや制酸剤として使用されますが、過剰摂取は危険であり、高カルシウム血症や消化器系の問題を引き起こす可能性があります。[8]

化学

炭酸カルシウムは他の炭酸塩と典型的な特性を有しています。特に、以下の特性があります。

CaCO 3 (s) + 2 H + (aq) → Ca 2+ (aq) + CO 2 (g) + H 2 O(l)
CaCO 3 (s) → CaO(s) + CO 2 (g)

炭酸カルシウムは二酸化炭素が飽和した水と反応して、可溶性の重炭酸カルシウムを形成します。

CaCO 3 (s) + CO 2 (g) + H 2 O(l) → Ca(HCO 3 ) 2 (aq)

この反応は炭酸塩岩の浸食に重要で、洞窟を形成し、多くの地域で硬水をもたらします。

炭酸カルシウムの珍しい形態として、六水和物であるイカアイト（CaCO 3 ·6H 2 O）があります。イカアイトは8℃以下でのみ安定します。

準備

産業で使用される炭酸カルシウムの大部分は、採鉱または採石によって抽出されます。純粋な炭酸カルシウム（食品や医薬品など）は、純粋な採石源（通常は大理石）から生産できます。

あるいは、炭酸カルシウムは酸化カルシウムから作られます。水を加えて水酸化カルシウムとし、この溶液に二酸化炭素を通すことで、目的の炭酸カルシウムを沈殿させます。これは業界では沈降炭酸カルシウム（PCC）と呼ばれています。このプロセスは炭酸化と呼ばれます。[9]

CaO + H 2 O → Ca(OH) 2
Ca(OH) 2 + CO 2 → CaCO 3 + H 2 O

実験室では、塩化カルシウム（CaCl 2 ）水溶液を炭酸アンモニウム（NH 4 ）2 CO 3 と並べてデシケーター内に置くことで、炭酸カルシウムを容易に結晶化させることができます。 [ 10 ]デシケーター内では、炭酸アンモニウムは空気にさらされ、アンモニア、二酸化炭素、水に分解されます。その後、二酸化炭素は塩化カルシウム水溶液に拡散し、カルシウムイオンと水と反応して炭酸カルシウムを形成します。

構造

通常の条件下で熱力学的に安定なCaCO 3は、六方晶系β- CaCO 3（鉱物：方解石）である。他に、より密度の高い（2.83 g/cm 3）斜方晶系λ- CaCO 3（鉱物：アラゴナイト）や、六方晶系μ- CaCO 3（鉱物：バテライト）も生成可能である。アラゴナイトは85℃以上の温度で沈殿させることで生成でき、バテライトは60℃で沈殿させることで生成できる。方解石は6個の酸素原子に配位したカルシウム原子を含み、アラゴナイトは9個の酸素原子に配位している。[要出典]バテライトの構造は完全には解明されていない。[11]炭酸マグネシウム（MgCO3）は方解石構造をとるのに対し、炭酸ストロンチウム（SrCO3 ）と炭酸バリウム（BaCO3 ）はイオン半径が大きいことからアラゴナイト構造をとる。[要出典]

多形体

炭酸カルシウムは3つの無水 多形で結晶化しますが[12] [13] 、方解石は室温で熱力学的に最も安定しており、アラゴナイトはそれよりわずかに安定し、バテライトは最も安定性が低くなります[14] 。

結晶構造

方解石の結晶構造は三方晶系で、空間群はR 3 c（国際結晶構造表[15]の167番）、ピアソン記号はhR10である。[16] アラゴナイトは斜方晶系で、空間群はPmcn（62番）、ピアソン記号はoP20である。[17] ヴァテライトは少なくとも2つの異なる結晶構造が共存している。主構造は空間群P6 3 /mmcにおいて六方対称性を示すが、副構造は未だ不明である。[18]

結晶

方解石とアラゴナイトの結晶構造

これら3つの多形はすべて、常温の水溶液から同時に結晶化する。[14]添加剤を含まない水溶液では、方解石が主生成物として容易に生成するが、アラゴナイトは副生成物としてのみ生成される。

高飽和状態では、典型的には最初にバテライトが析出し、続いてバテライトから方解石への変化が起こります。[19]この挙動はオストワルドの法則に従っているようで、最も安定性の低い多形が最初に結晶化し、続いて徐々に安定する相を経て異なる多形が結晶化します。[20]しかし、バテライトと方解石の中間の安定性を持つアラゴナイトは、この法則の例外であるようです。なぜなら、アラゴナイトは常温では方解石の前駆物質として形成されないからです。[14]

微細な方解石とバテライト

アラゴナイトは、反応条件が方解石の形成を阻害し、かつ/またはアラゴナイトの核形成を促進する場合に、主に生成します。例えば、アラゴナイトの形成はマグネシウムイオンの存在によって促進されます[21]。また、生物学的炭酸カルシウム由来のタンパク質やペプチドの使用によっても促進されます[22]。カダベリンやポリ(エチレンイミン)などのポリアミンは、方解石よりもアラゴナイトの形成を促進することが示されています[14] 。固体NMR分析により、ポリアスパラギン酸で安定化されたACCには、ミリ秒単位の反転を起こす水分子が含まれていることが明らかになっており、動的水和が結晶化を遅らせる重要な要因であることが示されています[23] 。

生物による選択

軟体動物や節足動物などの生物は、主に保護膜（殻）や筋肉の付着部として、炭酸カルシウムの3つの結晶多形すべてを形成する能力を示しています。[24]さらに、これらの生物は方解石やアラゴナイトに対して顕著な相選択能力を示し、一部の生物はこれら2つの多形間を切り替えることができます。相選択能力は通常、これらの生物が特定の高分子または高分子の組み合わせを使用することに起因します。[25] [26] [27]

発生

方解石は炭酸カルシウムの最も安定した多形です。透明から不透明まで変化します。アイスランドスパーと呼ばれる透明な変種（写真参照）は、19世紀に偏光光を生成するために使用されました。 [28]

地質学的源

方解石、アラゴナイト、バテライトは純粋な炭酸カルシウム鉱物です。主に炭酸カルシウムを主成分とする工業的に重要な岩石には、石灰岩、チョーク、大理石、トラバーチンなどがあります。

生物学的起源

貝殻から採取した炭酸カルシウムの塊

卵の殻、カタツムリの殻、そしてほとんどの貝殻は主に炭酸カルシウムで構成されており、この化学物質の工業原料として使用することができます。[29] カキの殻は、近年、食物中のカルシウムの供給源として注目されていますが、工業原料としても実用的です。[30] [31]ブロッコリーやケールなどの濃い緑色の野菜には、食物として十分な量の炭酸カルシウムが含まれていますが、工業原料としては実用的ではありません。[32]

ミミズ科の環形動物は、石灰腺（Kalkdrüsenまたはglandes de Morren）と呼ばれる消化管の領域を持ち、カルシウムと二酸化炭素を炭酸カルシウムに変換し、土壌に排出します。[33]これらの腺の機能は不明ですが、動物の組織内で二酸化炭素を調節するメカニズムとして機能していると考えられています。 [34]このプロセスは生態学的に重要であり、酸性土壌のpHを安定させます。[35]

地球外生命体

地球外では、火星に炭酸カルシウムが存在することを示唆する強力な証拠があります。炭酸カルシウムの痕跡は複数の場所（特にグセフクレーターとホイヘンスクレーター）で検出されています。これは、過去に液体の水が存在したことを示す証拠となります。[36] [37]

地質学

エチオピア、ルバクサにおけるCaCO 3の凝灰岩としての表層沈殿

炭酸塩は地質学的に広く存在し、膨大な炭素貯蔵庫を構成しています。炭酸カルシウムは、カルシウム循環の重要な構成要素として、アラゴナイト、方解石、ドロマイトとして存在します。炭酸塩鉱物は、石灰岩、チョーク、大理石、トラバーチン、凝灰岩などの岩石を形成します。

四川省黄龍の石灰華

温暖で透明度の高い熱帯の海域では、水温の低い極地よりもサンゴが豊富です。炭酸カルシウムの供給源となるプランクトン（円石類や浮遊性有孔虫など）、サンゴ状藻類、海綿動物、腕足動物、棘皮動物、コケムシ類、軟体動物などは、太陽光と濾過可能な食物が豊富な浅瀬の環境に典型的に見られます。冷水性炭酸塩は高緯度にも存在しますが、成長速度は非常に遅いです。石灰化のプロセスは海洋酸性化によって変化します。

海洋地殻が大陸プレートの下に沈み込むと、堆積物はアセノスフェアとリソスフェアのより温暖な層へと運ばれます。このような状況下では、炭酸カルシウムが分解して二酸化炭素が生成され、これが他のガスとともに爆発的な火山噴火を引き起こします。

炭酸塩補償深度

炭酸塩補償深度（CCD）とは、海中において炭酸カルシウムの沈殿速度と溶解速度が、存在する条件によって均衡する地点である。海洋深層では、温度が低下し、圧力が上昇する。圧力の上昇は炭酸カルシウムの溶解度も上昇させる。炭酸カルシウムは、温度低下とともに溶解度が上昇するという点で珍しい。[38]炭酸塩補償深度は、現代の海洋では海面下4,000メートルから6,000メートルの範囲にあり、様々な多形（方解石、アラゴナイト）は、その安定性に基づいて異なる補償深度を持つ。[39]

化石化における役割

炭酸カルシウムは、パーミネラリゼーション（permineralization）によって化石を保存する。アヒルの嘴を持つ恐竜の卵で知られる地層、トゥー・メディシン層の脊椎動物化石のほとんどは、 CaCO 3パーミネラリゼーションによって保存されている。[40]このタイプの保存方法は、顕微鏡レベルに至るまで、非常に詳細な情報を保存する。しかし、標本は地表に露出すると風化の影響を受けやすくなる。 [40]

三葉虫は炭酸カルシウムを豊富に含んだ殻が、純粋にキチン質の殻を持つ他の種の殻よりも保存状態が良かったため、カンブリア紀の水生生物の大部分を占めていたと考えられていました[41]。

用途

工事

炭酸カルシウムの主な用途は建設業界で、建築資材、道路建設用の石灰岩骨材、セメントの原料、あるいは窯で焼成して建築用石灰を製造するための原料として使用されています。しかし、主に酸性雨による風化のため、[42]炭酸カルシウム（石灰岩の形態）はもはや単独では建築用途には使用されておらず、建築資材の原料としてのみ使用されています。

炭酸カルシウムは、高炉における鉄鉱石からの鉄の精製にも使用されます。炭酸カルシウムは原位置で焼成され、酸化カルシウムが生成されます。これは様々な不純物を含むスラグを形成し、精製された鉄から分離されます。[43]

石油産業では、炭酸カルシウムは掘削流体に地層架橋剤およびフィルターケーキシーリング剤として添加されます。また、掘削流体の密度を高めて坑井内圧力を制御するための加重材としても使用されます。炭酸カルシウムは、アルカリ性を維持し、消毒剤の酸性特性を相殺するためのpH調整剤として、スイミングプールに添加されます。[44]

また、テンサイから砂糖を精製する際の原料としても用いられます。無煙炭と共に窯で焼成することで、酸化カルシウムと二酸化炭素が生成されます。この焼成石灰は淡水で消石灰され、炭酸化処理の際に原料ジュース中の不純物を沈殿させるための水酸化カルシウム懸濁液が生成されます。[45]

黒板用チョークの主成分は、伝統的にチョークの形態をとった炭酸カルシウムであった。しかし、現代で製造されるチョークは、主に石膏、すなわち水和硫酸カルシウム（CaSO 4 ·2H 2 O）である。炭酸カルシウムはバイオロックの主要な原料である。スラリー状に予め分散させた沈降炭酸カルシウム（PCC）は、ラテックス手袋の充填材として広く使用されており、材料費と製造コストの最大限の削減を目的としている。[46]

微粉砕炭酸カルシウム（GCC）は、おむつや一部の建築用フィルムに用いられる微多孔性フィルムの必須成分である。これは、二軸延伸によるフィルム製造時に炭酸カルシウム粒子の周囲に細孔が核形成されるためである。GCCとPCCは木質繊維よりも安価であるため、紙の充填剤として用いられる。印刷用紙や筆記用紙には、10～20％の炭酸カルシウムが含まれることがある。北米では、光沢紙の製造においてカオリンに代わって炭酸カルシウムが使用され始めている。ヨーロッパでは、数十年前からアルカリ製紙法または無酸製紙法としてこれを実践している。紙の充填材や紙のコーティングに使用されるPCCは、特徴的な狭い粒度分布と0.4～3マイクロメートルの等価球径を有する様々な形状とサイズに沈殿して調製される。[要出典]

炭酸カルシウムは塗料の増量剤として広く使用されており、[47]特にマットエマルジョン塗料では、通常塗料の30重量%がチョークまたは大理石です。また、プラスチックの充填剤としても人気があります。[47]一般的な例としては、可塑化されていないポリ塩化ビニル（uPVC）排水管への約15～20%のチョークの充填、 uPVC窓枠への5～15%のステアリン酸塩コーティングされたチョークまたは大理石の充填が挙げられます。 PVCケーブルには、機械的特性（引張強度と伸び）と電気的特性（体積抵抗率）を改善するために、最大70 phr（樹脂100部あたりの部数）の炭酸カルシウムを使用できます。[要出典]ポリプロピレン化合物には、剛性を高めるために炭酸カルシウムが充填されることが多く、これは使用温度が高い場合に重要になります。[48]ここでの割合は20～40%であることが多いです。また、熱硬化性樹脂（シート状およびバルク状の成形材料）の充填剤としても日常的に使用されており[48] 、 ABSや他の成分と混合して、圧縮成形された「粘土」ポーカーチップを形成するためにも使用されています[49]。沈降炭酸カルシウムは、酸化カルシウムを水に滴下して作られ、単独で、または添加剤を加えて白色塗料として使用され、ホワイトウォッシングとして知られています[50] [51]。

炭酸カルシウムは、市販の接着剤、シーラント、装飾用充填剤など、幅広い用途に使用されています。 [47]セラミックタイル用接着剤には通常、70～80%の石灰岩が含まれています。装飾用ひび割れ充填剤にも、同程度の量の大理石またはドロマイトが含まれています。また、ステンドグラスの窓を固定する際にパテに混ぜて使用されるほか、釉薬や絵の具を高温で焼成する際に、ガラスが窯の棚板に付着するのを防ぐための防錆剤としても使用されます。[52] [53] [54] [55]

陶磁器の釉薬用途において、炭酸カルシウムはホワイティング[47]として知られており、白い粉末状の多くの釉薬の一般的な成分である。この物質を含む釉薬を窯で焼くと、ホワイティングは釉薬のフラックス材として作用する。粉砕炭酸カルシウムは研磨剤であり（研磨粉としても家庭用研磨クリームの成分としても）、特に方解石の形態ではモース硬度スケールで3と比較的低い硬度レベルを持つため、ガラスやほとんどの他の陶磁器、エナメル、青銅、鉄、鋼を傷つけず、アルミニウムや銅などの柔らかい金属には中程度の効果しかない。炭酸カルシウムと脱イオン水から作ったペーストは、銀の変色を落とすのに使用できる。[56]

健康と食事

炭酸カルシウムから作られた500ミリグラムのカルシウムサプリメント

炭酸カルシウムは、安価なカルシウムサプリメントや 制酸剤[57] （タムズやイーノなど）として広く医療に利用されています。また、高リン血症（主に慢性腎不全患者）の治療におけるリン吸着剤としても使用されます。製薬業界では、錠剤やその他の医薬品の不活性充填剤として使用されています。[58]

炭酸カルシウムは、酸化カルシウムや歯磨き粉の製造に使用されており、有機リンゴなどの製品に添加される食品保存料や着色料としても再び注目を集めています。[59]

炭酸カルシウムは、維持血液透析を受けている患者のリン吸着剤として治療に用いられます。特に非透析性慢性腎臓病において、最も多く処方されるリン吸着剤です。炭酸カルシウムは最も一般的に使用されるリン吸着剤ですが、臨床医はより高価な非カルシウム系のリン吸着剤、特にセベラマーの処方を増やしています。

サプリメント、強化食品、高カルシウム食からの過剰なカルシウム摂取は、深刻な毒性を有し、死に至ることもあるミルクアルカリ症候群を引き起こす可能性があります。1915年、バートラム・シッピーは「シッピー療法」を考案しました。これは、1時間ごとに牛乳とクリームを摂取し、その後、卵と調理済みシリアルを徐々に追加するというもので、アルカリ粉末と組み合わせて10日間服用することで、消化性潰瘍の症状を緩和しました。その後数十年にわたり、シッピー療法は主に消化性潰瘍の男性に腎不全、アルカローシス、高カルシウム血症を引き起こしました。これらの副作用は療法を中止すると回復しましたが、嘔吐が長引いた患者の中には致命的な結果となった人もいました。消化性潰瘍の効果的な治療法が開発されて以降、ミルクアルカリ症候群の男性における発症は減少しました。 1990年代以降、骨粗鬆症の予防と治療のために、1日1.2～1.5グラムの推奨摂取量を超えるカルシウムサプリメントを摂取している女性で、この症状が最も多く報告されています[60] [61] 。また、脱水症状によって症状が悪化することもあります。市販薬にもカルシウムが添加されているため、意図しない過剰摂取につながる可能性があります。カルシウムの過剰摂取は高カルシウム血症を引き起こす可能性があり、その合併症には嘔吐、腹痛、精神状態の変化などがあります[62] 。

食品添加物としてはE170に指定されており、[63] INS番号は170です。酸度調整剤、固結防止剤、安定剤、着色料として使用され、EU、[64]米国[65]オーストラリア、ニュージーランドで使用が承認されています。[66]法律により、全粒粉を除くすべての英国の製粉パン用小麦粉に添加されています。[ 67] [68]一部の豆乳やアーモンドミルク製品では、食事性カルシウムの供給源として使用されています。少なくとも1つの研究では、炭酸カルシウムは牛乳に含まれるカルシウムと同じくらい生物学的に利用可能である可能性があることが示唆されています。[69]炭酸カルシウムは、多くの缶詰や瓶詰めの野菜製品の固化剤としても使用されています。

いくつかのカルシウムサプリメント製剤には鉛という元素が含まれていることが報告されており、[70]公衆衛生上の懸念を引き起こしています。[71]鉛は天然のカルシウム源によく含まれています。[70]

農業と養殖

農業用石灰、粉末状のチョーク、または石灰岩は、酸性土壌を中和して植栽に適した状態にするための安価な方法として使用され、また養殖業界では養殖を開始する前に池の土壌のpH調整にも使用されます。[72]石灰質土壌における農薬の吸着と脱着に影響を与えるかどうかを理解することに関心が寄せられています。[73]

家庭清掃

炭酸カルシウムは、コメットのような多くの家庭用洗剤の主要成分であり、洗浄剤として使用されます。

汚染緩和

1989年、ケン・シモンズという研究者がマサチューセッツ州のウェットストーン・ブルックに炭酸カルシウムを散布した。[74]彼は、炭酸カルシウムが酸性雨による川の酸を中和し、産卵をやめたマスを救うことを期待した。実験は成功したものの、石灰岩処理を施さなかったブルックの地域ではアルミニウムイオンの量が増加した。これは、炭酸カルシウムを散布することで河川生態系における酸性雨の影響を中和できることを示しています。現在、炭酸カルシウムは土壌と水質の両方における酸性状態を中和するために使用されている。[75] [76] 1970年代以降、スウェーデンでは酸性化を緩和するためにこのような石灰散布が大規模に行われており、数千の湖や川に繰り返し石灰が散布されている。[77]

炭酸カルシウムは、大規模な化石燃料発電所で燃焼される石炭やその他の化石燃料から排出される有害なSO2やNO2を除去する排ガス脱硫にも使用されています。 [75]

プラスチック

炭酸カルシウムはプラスチック業界で充填剤として広く使用されています。プラスチック材料に配合することで、材料の硬度、剛性、寸法安定性、加工性を向上させることができます。[78]

焼成平衡

木炭火を用いて石灰岩を焼成し、生石灰を製造する方法は、古代から世界中の文化圏で行われてきました。石灰岩から酸化カルシウムが生成される温度は通常825℃とされていますが、絶対的な閾値を定めることは誤解を招きます。炭酸カルシウムは、どの温度においても酸化カルシウムおよび二酸化炭素と平衡状態にあります。各温度において、炭酸カルシウムと平衡状態にある二酸化炭素の分圧が存在します。室温では、平衡状態にある二酸化炭素の分圧が、空気中の二酸化炭素分圧（約0.035 kPa）のごくわずかな割合に過ぎないため、炭酸カルシウムが圧倒的に有利な平衡状態となります。

550℃を超えると、平衡CO2圧力は空気中のCO2圧力を超え始めます。そのため、 550℃を超えると炭酸カルシウムは空気中にCO2を放出し始めます。しかし、木炭窯では、CO2濃度は空気中よりもはるかに高くなります。実際、窯内の酸素がすべて燃焼で消費されると、窯内のCO2分圧は20kPaにも達することがあります。[79]

表から、この分圧は温度が約800℃になるまで達成されないことがわかります。炭酸カルシウムからのCO 2のガス放出が経済的に有効な速度で起こるためには、平衡圧力がCO 2の周囲圧力を大幅に上回る必要があります。また、これを急速に起こすには、平衡圧力が全大気圧101 kPaを超える必要があり、これは898℃で発生します。

CaCO 3上のCO 2の平衡圧力（P）と温度（T）の関係[80]
P（kPa）0.0550.130.311.805.99.3142434517280911011799013961
温度（℃）55058760568072774877780083085287188189189893710821241

溶解度

さまざまなCO2​プレッシャー

温泉からの石灰華炭酸カルシウムの堆積物

炭酸カルシウムは純水にはほとんど溶けません (以下に示すように、通常の大気CO2分圧では 47 mg/L)。

溶液の平衡は次の式で表されます（右側に溶解した炭酸カルシウム）。

CaCO 3 ⇌ Ca 2+ + CO2−3K sp =3.7 × 10 −9から25℃で8.7 × 10 −9

ここで、[ Ca 2+ ] [CO2−3]はK sp =から任意の値として与えられます3.7 × 10 −9からK sp =25℃では8.7 × 10 −9であるが、これはデータソースによって異なる。 [80] [81]この式は、カルシウムイオンのモル濃度（溶液1リットルあたりの溶解Ca 2+のモル数）と溶解COのモル濃度の積が、2−3K spの値を超えることはできません。この一見単純な溶解度式は、二酸化炭素と水のより複雑な平衡（炭酸を参照）を考慮する必要があります。CO2−3溶液中のH +と結合すると、

HCO−3⇌ H + + CO2−3   K a2 =25℃で5.61 × 10 −11

HCO−3重炭酸イオンとして知られています。重炭酸カルシウムは炭酸カルシウムよりも水に何倍も溶けやすく、実際には溶液中にのみ存在します。

HCOの一部−3溶液中のH +と結合する

H 2 CO 3 ⇌ H + + HCO−3K a1 =25℃で2.5 × 10 −4

H 2 CO 3の一部は、水と溶解した二酸化炭素に分解されます。

H 2 O + CO 2 (水溶液) ⇌ H 2 CO 3K h =25℃で1.70 × 10 −3

そして、溶存二酸化炭素は大気中の二酸化炭素と平衡状態にある。

⁠P CO 2/[ CO2 ]⁠ =ここで、 = 25 °C で 29.76 atm/(mol/L) (ヘンリー揮発度)、P CO 2はCO 2分圧です。

大気中のP CO 2は約3.5 × 10 −4 atm（または35  Paに相当）である。上記の最後の式は、溶存CO 2濃度をP CO 2の関数として固定し、溶存CaCO 3濃度とは無関係とする。大気圧CO 2分圧では、溶存CO 2濃度は1リットルあたり1.2 × 10 −5モル。その前の式は、H 2 CO 3の濃度をCO 2濃度の関数として固定します。[ CO 2 ] =1.2 × 10 −5の場合、[H 2 CO 3 ] =2.0 × 10 −8モル/リットル。[H 2 CO 3 ]が分かっている場合、残りの3つの式は

25℃におけるCO 2分圧の関数としてのカルシウムイオンの溶解度（ K sp  =  4.47 × 10 −9 )
P CO 2 (気圧)pH[Ca 2+ ] (モル/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時30分1.42 × 10 −3
10 −16.633.05 × 10 −3
15.966.58 × 10 −3
105.301.42 × 10 −2
H 2 O ⇌ H + + OH −K = 10 −14（25℃）

（これはすべての水溶液に当てはまる）、そして溶液は電気的に中性でなければならないという制約、すなわち溶解した正イオン[Ca 2+ ] + 2 [H + ]の総電荷は溶解した負イオン[HCO−3] + [CO2−3] + [OH − ]、残りの5つの未知の濃度を同時に解くことが可能になります（前述の中性形式は、炭酸カルシウムを純水または中性pH溶液と接触させた場合にのみ有効です。初期の水溶媒pHが中性でない場合は、バランスは中性ではありません）。

隣の表は、[Ca 2+ ]と[H + ]（pHの形）をCO 2の周囲分圧（K sp =）の関数として示しています。計算には4.47 × 10 −9が採用されている。

  • 表によれば、周囲の CO2 の大気レベルでは、溶液はわずかにアルカリ性となり、CaCO3 の最大溶解度は47 mg /L になります。
  • 周囲のCO 2分圧が大気圧より低くなると、溶液はますますアルカリ性になります。P CO 2 が極めて低い場合、溶存CO 2 、重炭酸イオン、炭酸イオンは溶液から大部分が蒸発し、CaCO 3よりも溶解性の高い水酸化カルシウムの高アルカリ性溶液が残ります。P CO 2＝ 10 −12 atmの場合 、[Ca 2+ ][OH − ] 2積は、 Ca(OH) 2の溶解度積（8 × 10 −6）。さらに低いCO 2圧力では、CaCO 3 の沈殿よりも先にCa(OH) 2 の沈殿が起こります。
  • 周囲のCO 2分圧が大気圧を超えるレベルまで増加すると、 pH が低下し、炭酸イオンの多くが重炭酸イオンに変換され、 Ca 2+の溶解度が高まります。

後者の影響は、硬水を使用する人々の日常生活において特に顕著です。地下帯水層の水は、大気中よりもはるかに高い二酸化炭素濃度にさらされる可能性があります。そのため、水は炭酸カルシウム岩石を浸透し、CaCO3は上記のいずれかの傾向に従って溶解します。そして、同じ水が蛇口から出てくると、やがて過剰な二酸化炭素を放出することで、大気中の二酸化炭素濃度と平衡状態になります。その結果、炭酸カルシウムの溶解性が低下し、過剰な二酸化炭素は水垢として沈殿します。この同じプロセスが、鍾乳洞における鍾乳石や石筍の形成にも関係しています。

炭酸カルシウムの 2 つの水和相、モノハイドロカルサイト CaCO 3・H 2 OとイカイトCaCO 3・6H 2 Oは、常温で水から沈殿し、準安定相として存続することがあります。

pH、温度、塩分濃度の変化により、CaCO3​プールでのスケーリング

25℃、1 mmol/Lの重炭酸塩濃度（例：スイミングプール）でスケール形成前の最大カルシウムイオン濃度に対する塩分濃度とpHの影響
pH 7、塩分濃度 5,000 ppm（プールなど）でスケールが形成される前の最大カルシウムイオン濃度に対する温度と重炭酸塩濃度の影響

上記の開放平衡シナリオとは対照的に、多くのプールでは、緩衝剤として約2 mmol/Lの濃度の重炭酸ナトリウム（NaHCO 3 ）を添加し、その後、酸性または塩基性のHCl、 NaHSO 4、Na 2 CO 3、NaOH、または塩素製剤を用いてpHを制御することで管理されています。このような状況では、溶存無機炭素（総無機炭素）は大気中のCO 2との平衡状態から大きく離れています。CO 2のガス放出による平衡状態への進行は、以下の要因によって遅くなります。

  1. 遅い反応
    H 2 CO 3 ⇌ CO 2 (水溶液) + H 2 O ; [82]
  2. 深層水柱における限定的な通気；および
  3. 緩衝能力を維持するために重炭酸塩を定期的に補充する（総アルカリ度の測定によって推定されることが多い）。

このような状況では、はるかに速い反応の解離定数は

H 2 CO 3 ⇌ H + + HCO−3⇌ 2 H + + CO2−3

添加されたHCO濃度から、溶液中の各溶存無機炭素種の濃度を予測することができる。−3（淡水25℃でpH 7～pH 8のビエルムプロット種の90％以上を占める）。[ 83 ] HCO−3COが増加する2−3任意のpHにおける濃度。上記の式を整理すると、[Ca 2+ ] = ⁠K sp/[ CO2−3]⁠、および [ CO2−3] = ⁠K a2 [ HCO−3]/[ H + ]⁠ . そのため、HCO−3濃度が分かっている場合、 CaCO 3沈殿によるスケーリング前のCa 2+イオンの最大濃度は次の式から予測できます。

[ Ca 2+ ]最大値= ⁠K sp/K a2⁠ × ⁠[ H + ]/[ HCO−3]⁠

CaCO3の溶解度積（K sp）と溶存無機炭素種の解離定数（K a2を含む）はすべて、温度と塩分濃度によって大きく影響され、[83]全体的には、[ Ca 2+ ] maxは淡水から塩水にかけて増加し、温度、pH、または添加された重炭酸塩レベルの上昇とともに減少します（添付のグラフを参照）。

これらの傾向はプール管理の参考となるが、スケールの発生は、プール内のMg 2+、[B(OH) 4 ] −などのイオンとの相互作用や過飽和効果など、他の要因にも左右される。 [84] [85]スケールは電解塩素発生器でよく見られる現象で、陰極表面付近のpHが高く、スケールの堆積によってさらに温度が上昇する。これが、一部のプール運営者が主要なpH緩衝剤として重炭酸塩よりもホウ酸塩を好み、カルシウムを含むプール用薬剤の使用を避ける理由の一つである。[86]

強酸または弱酸溶液への溶解性

強酸（HCl）、中程度の強酸（スルファミン酸）、弱酸（酢酸、クエン酸、ソルビン酸、乳酸、リン酸）の溶液が市販されています。これらは、水垢の堆積物を除去するための脱スケール剤として一般的に使用されています。1リットルの酸溶液に溶解できるCaCO 3の最大量は、上記の平衡式を用いて計算できます。

  • 強い一酸の場合、酸濃度が減少すると[A] = [ A − ]となり、（CaCO 3モル質量 = 100 g/mol）次の式が得られます。
[A] (モル/L)110 −110 −210 −310 −410 −510 −610 −710 −10
初期pH0.001.002.003.004.005.006.006.797.00
最終pH6.757.257.758.148.258.268.268.268.27
溶解CaCO 3（酸1Lあたりg）50.05.000.5140.08490.05040.04740.04710.04700.0470
ここで、初期状態はCa 2+を含まない酸性溶液（ CO 2 の溶解は考慮しない）であり、最終状態はCa 2+が飽和した溶液である。強酸濃度の場合、最終状態ではすべての種がCa 2+とA −に関して無視できる濃度となるため、中性方程式はおよそ2[ Ca 2+ ] = [ A − ]となり、[ Ca 2+ ] ≈ 0.5 [ A − ]となる。濃度が減少すると、[ HCO−3] は無視できなくなるため、前述の式はもはや有効ではありません。酸濃度がゼロの場合、最終的なpHとCaCO 3の純水への溶解度を復元できます。
  • 弱い一酸（ここではp Ka a = 4.76の酢酸を例に挙げます）の場合、総酸濃度[A] = [ A − ] + [AH]が減少すると、次の式が得られます。
[A] (モル/L)[ Ca 2+ ] ≈ 0.5 [ A − ] [明確化が必要]
10 −110 −210 −310 −410 −510 −610 −710 −10
初期pH2.382.883.393.914.475.156.026.797.00
最終pH6.757.257.758.148.258.268.268.268.27
溶解CaCO 3（酸1Lあたりg）49.54.990.5130.08480.05040.04740.04710.04700.0470
同じ総酸濃度の場合、弱酸の初期pHは強酸よりも酸性度が低いですが、溶解できるCaCO 3の最大量はほぼ同じです。これは、最終状態ではpHがpK aよりも大きくなるため、弱酸はほぼ完全に解離し、最終的に強酸と同量のH +イオンが生成され、炭酸カルシウムを「溶解」するからです。
  • リン酸（家庭用途で最も広く使用されている）の場合の計算はより複雑であり、この酸に対応する4つの解離状態の濃度を[ HCO−3], [ CO2−3], [ Ca 2+ ], [ H + ]、[ OH − ]である。この系は[ H + ]について7次方程式に簡約され、その数値解は次のようになる。
[A] (モル/L)110 −110 −210 −310 −410 −510 −610 −710 −10
初期pH1.081.622.253.054.015.005.976.747.00
最終pH6.717.177.638.068.248.268.268.268.27
溶解CaCO 3（酸1Lあたりg）62.07.390.8740.1230.05360.04770.04710.04710.0470
ここで[A] = [H 3 PO 4 ] + [H 2 PO−4] + [HPO2−4] + [PO3−4]は総酸濃度である。したがって、リン酸はモノ酸よりも効率的である。なぜなら、最終pHがほぼ中性の場合、第二解離状態の濃度[ HPO2−4] は無視できない（リン酸を参照）。

参照

やかんの水垢として形成された針状の炭酸カルシウム結晶の電子顕微鏡写真
炭酸カルシウム48約2g

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  • ATCコード：A02AC01（WHO）およびA12AA04（WHO）
  • 英国炭酸カルシウム協会 – 炭酸カルシウムとは何か 2008年5月24日アーカイブ - Wayback Machine
  • CDC – NIOSH 化学物質の危険性に関するポケットガイド – 炭酸カルシウム
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