كربونات الكالسيوم

يتميز الكالسيت ببنية بلورية ثلاثية ، ضمن المجموعة الفراغية R3c ( رقم 167 في الجداول الدولية لعلم البلورات ^{[ 17 ]} )، ورمز بيرسون hR10. ^{[ 18 ]} أما الأراغونيت فهو معيني قائم ، ضمن المجموعة الفراغية Pmcn (رقم 62)، ورمز بيرسون oP20. ^{[ 19 ]} ويتكون الفاتيريت من بنيتين بلوريتين مختلفتين على الأقل تتعايشان معًا. تُظهر البنية الرئيسية تناظرًا سداسيًا في المجموعة الفراغية P63 _/ mmc، بينما لا تزال البنية الثانوية غير معروفة. ^{[ 20 ]}

تتبلور الأشكال البلورية الثلاثة جميعها في وقت واحد من المحاليل المائية في الظروف المحيطة. ^{[ 16 ]} في المحاليل المائية الخالية من الإضافات، يتشكل الكالسيت بسهولة كمنتج رئيسي، بينما يظهر الأراغونيت كمنتج ثانوي فقط.

عند التشبع العالي، يكون الفاتيريت عادةً أول طور يترسب، يليه تحول الفاتيريت إلى الكالسيت. ^{[ 21 ]} يبدو أن هذا السلوك يتبع قاعدة أوستوالد ، حيث يتبلور الشكل البلوري الأقل استقرارًا أولًا، يليه تبلور الأشكال البلورية المختلفة عبر سلسلة من الأطوار ذات الاستقرار المتزايد. ^{[ 22 ]} مع ذلك، يبدو أن الأراغونيت، الذي يقع استقراره بين استقرار الفاتيريت والكالسيت، هو الاستثناء لهذه القاعدة، إذ لا يتشكل الأراغونيت كطليعة للكالسيت في الظروف المحيطة. ^{[ 16 ]}

يتواجد الأراغونيت في الغالب عندما تمنع ظروف التفاعل تكوين الكالسيت و/أو تعزز تكوين نواة الأراغونيت. على سبيل المثال، يُعزز تكوين الأراغونيت بوجود أيونات المغنيسيوم، ^{[ 23 ]} أو باستخدام البروتينات والببتيدات المشتقة من كربونات الكالسيوم البيولوجية. ^{[ 24 ]} وقد ثبت أن بعض البوليامينات، مثل الكادافيرين وبولي (إيثيلين إيمين)، تُسهل تكوين الأراغونيت على الكالسيت. ^{[ 16 ]} وكشف تحليل الرنين المغناطيسي النووي للحالة الصلبة أن كربونات الكالسيوم غير المتبلورة المُثبتة بواسطة بولي-أسبارتات تحتوي على جزيئات ماء تخضع لانقلابات في نطاق زمني بالمللي ثانية، مما يُوضح أن التميؤ الديناميكي عامل رئيسي في تأخير التبلور. ^{[ 25 ]}

أظهرت كائنات حية، مثل الرخويات والمفصليات ، قدرتها على تكوين جميع الأشكال البلورية الثلاثة لكربونات الكالسيوم، وخاصةً لأغراض الحماية (الأصداف) وتكوين العضلات. ^{[ 26 ]} علاوة على ذلك، تُظهر هذه الكائنات قدرةً ملحوظةً على اختيار الطور بين الكالسيت والأراغونيت، بل إن بعضها قادر على التبديل بين هذين الشكلين. تُعزى هذه القدرة عادةً إلى استخدام جزيئات كبيرة محددة أو توليفات منها. ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]}

الكالسيت والأراغونيت والفاتيريت معادن نقية من كربونات الكالسيوم. وتشمل الصخور المصدرية ذات الأهمية الصناعية والتي تتكون في الغالب من كربونات الكالسيوم الحجر الجيري والطباشير والرخام والترافرتين .

تتكون قشور البيض وقواقع الحلزون ومعظم الأصداف البحرية بشكل أساسي من كربونات الكالسيوم، ويمكن استخدامها كمصادر صناعية لهذه المادة الكيميائية. ^{[ 31 ]} وقد حظيت قشور المحار بالاعتراف كمصدر للكالسيوم الغذائي منذ أوائل العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين، ولكنها لا تزال أيضًا مصدرًا صناعيًا عمليًا. ^{[ 32 ] [ 33 ]} تحتوي الخضراوات الورقية الداكنة ، مثل البروكلي واللفت ، على كميات غذائية مهمة من كربونات الكالسيوم، ولكنها ليست عملية كمصدر صناعي. ^{[ 34 ]}

تمتلك الديدان الحلقية من فصيلة Lumbricidae ، المعروفة باسم ديدان الأرض، غددًا كلسية (Kalkdrüsen أو glandes de Morren) في جهازها الهضمي، حيث تعالج الكالسيوم وثاني _أكسيد الكربون لتحويلهما إلى كربونات الكالسيوم، التي تُطرح لاحقًا في التربة. ^{[ 35 ]} وظيفة هذه الغدد غير معروفة، ولكن يُعتقد أنها تعمل كآلية لتنظيم _ثاني أكسيد الكربون داخل أنسجة هذه الحيوانات. ^{[ 36 ]} لهذه العملية أهمية بيئية كبيرة، إذ تُساهم في استقرار درجة حموضة التربة الحمضية . ^{[ 37 ]}

خارج كوكب الأرض ، تشير أدلة قوية إلى وجود كربونات الكالسيوم على سطح المريخ . وقد تم رصد آثار كربونات الكالسيوم في أكثر من موقع (لا سيما في فوهتي غوسيف وهيغنز ). وهذا يُقدّم بعض الأدلة على وجود الماء السائل في الماضي. ^{[ 38 ] [ 39 ]}

عمق تعويض الكربونات ( CCD) هو النقطة في المحيط التي يتوازن عندها معدل ترسيب كربونات الكالسيوم مع معدل ذوبانها، وذلك تبعًا للظروف السائدة. في أعماق المحيط، تنخفض درجة الحرارة ويرتفع الضغط، مما يزيد من ذوبانية كربونات الكالسيوم. وتتميز كربونات الكالسيوم بخاصية فريدة، وهي أن ذوبانيتها تزداد مع انخفاض درجة الحرارة. ^{[ 40 ]} يتراوح عمق تعويض الكربونات بين 4000 و6000 متر تحت مستوى سطح البحر في المحيطات الحديثة، وتختلف أعماق التعويض باختلاف الأشكال البلورية المختلفة (الكالسيت، الأراغونيت) تبعًا لاستقرارها. ^{[ 41 ]}

يُمكن لكربونات الكالسيوم حفظ الأحافير من خلال عملية التمعدن . معظم أحافير الفقاريات في تكوين تو ميديسن - وهو تكوين جيولوجي معروف ببيض الديناصورات ذي المنقار الشبيه بمنقار البط - محفوظة بواسطة عملية التمعدن _{بكربونات} الكالسيوم . ^{[ 42 ]} يحافظ هذا النوع من الحفظ على مستويات عالية من التفاصيل، حتى على المستوى المجهري. ومع ذلك، فإنه يجعل العينات عرضة للتجوية عند تعرضها للسطح. ^{[ 42 ]}

كان يُعتقد في السابق أن مجموعات الترايلوبيت تشكل غالبية الحياة المائية خلال العصر الكامبري ، وذلك بسبب حقيقة أن أصدافها الغنية بكربونات الكالسيوم كانت محفوظة بسهولة أكبر من أصداف الأنواع الأخرى، ^{[ 43 ]} التي كانت لها أصداف كيتينية خالصة .

يُستخدم كربونات الكالسيوم بشكل رئيسي في قطاع البناء، إما كمادة بناء، أو كركام حجري جيري لرصف الطرق، أو كمكون في الأسمنت ، أو كمادة أولية لتحضير الجير المستخدم في البناء عن طريق تسخينه في فرن . مع ذلك، وبسبب عوامل التجوية الناتجة أساسًا عن الأمطار الحمضية ، ^{[ 44 ]} لم يعد يُستخدم كربونات الكالسيوم (في صورته الحجرية الجيرية) في البناء بشكل مستقل، بل فقط كمادة خام أساسية لمواد البناء.

يُستخدم كربونات الكالسيوم أيضًا في تنقية الحديد من خام الحديد في الفرن العالي . يُكلس الكربونات في الموقع لإنتاج أكسيد الكالسيوم ، الذي يشكل خبثًا يحتوي على شوائب مختلفة، وينفصل عن الحديد المنقى. ^{[ 45 ]}

في صناعة النفط ، يُضاف كربونات الكالسيوم إلى سوائل الحفر كعامل لربط الطبقات وسد طبقة الترشيح؛ كما يُستخدم كمادة مُثقِّلة لزيادة كثافة سوائل الحفر للتحكم في ضغط قاع البئر. يُضاف كربونات الكالسيوم إلى مياه أحواض السباحة كمُعدِّل لدرجة الحموضة للحفاظ على القلوية ومعادلة الخصائص الحمضية للمُطهِّر . ^{[ 46 ]}

يُستخدم أيضًا كمادة خام في تكرير السكر من بنجر السكر ؛ حيث يُكلس في فرن مع الأنثراسيت لإنتاج أكسيد الكالسيوم وثاني أكسيد الكربون. ثم يُطفأ هذا الجير المحروق في الماء العذب لإنتاج معلق هيدروكسيد الكالسيوم لترسيب الشوائب في العصير الخام أثناء عملية الكربنة . ^{[ 47 ]}

لطالما شكل كربونات الكالسيوم، على شكل طباشير، مكونًا رئيسيًا في طباشير السبورة . _{مع ذلك، يتكون الطباشير المصنّع حديثًا في معظمه من الجبس، وهو كبريتات الكالسيوم المائية CaSO₄·2H₂O} . يُعدّ كربونات _{الكالسيوم} مصدرًا رئيسيًا لنمو الصخور الحيوية . ويُستخدم كربونات الكالسيوم المترسب (PCC)، المُشتت مسبقًا على شكل معلق ، كمادة مالئة شائعة في قفازات اللاتكس بهدف تحقيق أقصى قدر من التوفير في تكاليف المواد والإنتاج. ^{[ 48 ]}

يُعدّ مسحوق كربونات الكالسيوم الناعم (GCC) مكونًا أساسيًا في الأغشية المسامية الدقيقة المستخدمة في حفاضات الأطفال وبعض أغشية البناء، حيث تتشكل المسامات حول جزيئات كربونات الكالسيوم أثناء تصنيع الغشاء عن طريق الشد ثنائي المحور. يُستخدم كل من مسحوق كربونات الكالسيوم الناعم (GCC) وكربونات الكالسيوم متعددة الطبقات (PCC) كحشو في صناعة الورق نظرًا لانخفاض تكلفتهما مقارنةً بألياف الخشب . قد يحتوي ورق الطباعة والكتابة على نسبة تتراوح بين 10 و20% من كربونات الكالسيوم. في أمريكا الشمالية، بدأ استخدام كربونات الكالسيوم كبديل للكاولين في إنتاج الورق اللامع . أما في أوروبا، فيُمارس هذا الأسلوب منذ عقود في صناعة الورق القلوي أو الخالي من الأحماض. يتم ترسيب كربونات الكالسيوم متعددة الطبقات (PCC) المستخدمة في حشو الورق وطلاءه، وتُحضّر بأشكال وأحجام متنوعة، وتتميز بتوزيع ضيق لحجم الجزيئات وأقطار كروية مكافئة تتراوح بين 0.4 و3 ميكرومتر.

يُستخدم كربونات الكالسيوم على نطاق واسع كمادة مالئة في الدهانات ، ^{[ 49 ]} وخاصةً دهانات المستحلب غير اللامعة ، حيث يشكل الطباشير أو الرخام عادةً 30% من وزن الدهان. كما أنه مادة مالئة شائعة في البلاستيك. ^{[ 49 ]} ومن الأمثلة الشائعة على ذلك استخدام الطباشير بنسبة تتراوح بين 15 و20% في أنابيب تصريف مياه الصرف الصحي المصنوعة من كلوريد البولي فينيل غير الملدن (uPVC) ، واستخدام الطباشير أو الرخام المغطى بالستيرات بنسبة تتراوح بين 5 و15% في قطاعات النوافذ المصنوعة من uPVC. ويمكن استخدام كربونات الكالسيوم في كابلات PVC بنسب تصل إلى 70 جزءًا لكل مئة جزء من الراتنج (phr) لتحسين الخواص الميكانيكية (قوة الشد والاستطالة) والخواص الكهربائية (المقاومة الحجمية). وغالبًا ما تُملأ مركبات البولي بروبيلين بكربونات الكالسيوم لزيادة صلابتها، وهو شرط بالغ الأهمية عند درجات حرارة الاستخدام العالية. ^{[ 50 ]} وتتراوح النسبة هنا عادةً بين 20 و40%. كما يُستخدم بشكل روتيني كمادة مالئة في الراتنجات المتصلبة بالحرارة (مركبات التشكيل على شكل صفائح وكتل) ^{[ 50 ]} ، ويُخلط أيضًا مع مادة ABS ومكونات أخرى لتشكيل بعض أنواع رقائق البوكر "الطينية" المقولبة بالضغط . ^{[ 51 ]} ويُستخدم كربونات الكالسيوم المترسب، المُصنع عن طريق إضافة أكسيد الكالسيوم إلى الماء، بمفرده أو مع إضافات كطلاء أبيض، يُعرف باسم التبييض . ^{[ 52 ] [ 53 ]} 

تُضاف كربونات الكالسيوم إلى مجموعة واسعة من المواد اللاصقة، ومواد منع التسرب، ومواد الحشو الزخرفية، سواءً للاستخدام التجاري أو المنزلي. ^{[ 49 ]} تحتوي المواد اللاصقة المستخدمة في بلاط السيراميك عادةً على 70% إلى 80% من الحجر الجيري. وتحتوي مواد حشو الشقوق الزخرفية على نسب مماثلة من الرخام أو الدولوميت. كما تُخلط كربونات الكالسيوم مع المعجون المستخدم في تركيب النوافذ الزجاجية الملونة ، وتُستخدم كمادة مانعة للالتصاق بأرفف الأفران عند حرق الطلاءات والزجاجيات في درجات حرارة عالية. ^{[ 54 ] [ 55 ] [ 56 ] [ 57 ]}

في تطبيقات طلاء السيراميك ، يُعرف كربونات الكالسيوم باسم "الجير " ^{[ 49 ]} ، وهو مكون شائع في العديد من أنواع الطلاء على شكل مسحوق أبيض. عند حرق طلاء يحتوي على هذه المادة في فرن، يعمل الجير كمادة صهر في الطلاء. يُعد كربونات الكالسيوم المطحون مادة كاشطة (سواءً كمسحوق تنظيف أو كمكون في كريمات التنظيف المنزلية)، وخاصةً في شكله الكالسيت، الذي يتميز بصلابة منخفضة نسبيًا تبلغ 3 على مقياس موس ، وبالتالي لن يخدش الزجاج ومعظم أنواع السيراميك الأخرى ، والمينا ، والبرونز ، والحديد ، والفولاذ ، وله تأثير متوسط ​​على المعادن اللينة مثل الألومنيوم والنحاس . يمكن استخدام معجون مصنوع من كربونات الكالسيوم والماء منزوع الأيونات لتنظيف الصدأ عن الفضة ^{[ 58 ]} .

يُستخدم كربونات الكالسيوم على نطاق واسع في المجال الطبي كمكمل غذائي رخيص الثمن للكالسيوم أو كمضاد للحموضة المعدية ^{[ 59 ]} (مثل تومز وإينو ). ويمكن استخدامه كمادة رابطة للفوسفات لعلاج فرط فوسفات الدم (وخاصةً لدى مرضى الفشل الكلوي المزمن ). كما يُستخدم في صناعة الأدوية كمادة مالئة خاملة للأقراص وغيرها من المستحضرات الصيدلانية . ^{[ 60 ]}

يُستخدم كربونات الكالسيوم في إنتاج أكسيد الكالسيوم وكذلك معجون الأسنان، وقد شهد عودة قوية كمادة حافظة للأغذية ومثبتة للألوان، عند استخدامه في أو مع منتجات مثل التفاح العضوي. ^{[ 61 ]}

يُستخدم كربونات الكالسيوم علاجيًا كرابط للفوسفات لدى مرضى غسيل الكلى الدوري . وهو الشكل الأكثر شيوعًا لرابط الفوسفات الموصوف، لا سيما في حالات أمراض الكلى المزمنة غير المرتبطة بغسيل الكلى. ورغم أن كربونات الكالسيوم هي رابط الفوسفات الأكثر استخدامًا، إلا أن الأطباء يتجهون بشكل متزايد إلى وصف روابط الفوسفات غير القائمة على الكالسيوم، والتي تُعدّ أغلى ثمنًا، وخاصةً سيفيلامر .

قد يؤدي الإفراط في تناول الكالسيوم من المكملات الغذائية والأطعمة المدعمة والأنظمة الغذائية الغنية بالكالسيوم إلى متلازمة الحليب والقلويات ، وهي حالة سامة للغاية وقد تكون مميتة. في عام ١٩١٥، ابتكر بيرترام سيبي "نظام سيبي" الذي يتضمن تناول الحليب والقشدة كل ساعة، مع إضافة البيض والحبوب المطبوخة تدريجيًا لمدة عشرة أيام، بالإضافة إلى مساحيق قلوية، مما وفر راحة مؤقتة من أعراض قرحة المعدة. على مدى العقود التالية، تسبب نظام سيبي في الفشل الكلوي والقلاء وفرط كالسيوم الدم ، وخاصة لدى الرجال المصابين بقرحة المعدة. وقد زالت هذه الآثار الجانبية عند التوقف عن النظام، ولكنه كان مميتًا في بعض الحالات التي عانت من القيء المستمر. انخفضت حالات متلازمة الحليب والقلويات لدى الرجال بعد ظهور علاجات فعالة لقرحة المعدة . منذ تسعينيات القرن الماضي، لوحظت هذه الحالة بشكل متكرر لدى النساء اللواتي يتناولن مكملات الكالسيوم بجرعات تتجاوز النطاق الموصى به (1.2 إلى 1.5  غرام يوميًا) للوقاية من هشاشة العظام وعلاجها، ^{[ 62 ] [ 63 ]} وتتفاقم الحالة مع الجفاف . يُضاف الكالسيوم إلى المنتجات التي تُباع دون وصفة طبية، مما يُسهم في تناول كميات زائدة غير مقصودة. قد يؤدي الإفراط في تناول الكالسيوم إلى فرط كالسيوم الدم، ومن مضاعفاته القيء، وآلام البطن، وتغير الحالة العقلية. ^{[ 64 ]}

يُصنّف كمادة مضافة غذائية تحت الرمز E170 ، ^{[ 65 ]} ويحمل رقم INS 170. يُستخدم كمنظم حموضة ، ومضاد للتكتل، ومثبت ، وملون ، وهو معتمد للاستخدام في الاتحاد الأوروبي، ^{[ 66 ]} والولايات المتحدة ^{[ 67 ]} وأستراليا ونيوزيلندا . ^{[ 68 ]} يُضاف بموجب القانون إلى جميع أنواع دقيق الخبز المطحون في المملكة المتحدة باستثناء دقيق القمح الكامل. ^{[ 69 ] [ 70 ]} يُستخدم في بعض منتجات حليب الصويا وحليب اللوز كمصدر للكالسيوم الغذائي؛ وتشير دراسة واحدة على الأقل إلى أن كربونات الكالسيوم قد تكون متاحة بيولوجيًا بنفس قدر الكالسيوم الموجود في حليب البقر . ^{[ 71 ]} كما تُستخدم كربونات الكالسيوم كعامل تماسك في العديد من منتجات الخضراوات المعلبة والمعبأة في زجاجات.

أُثبت احتواء العديد من تركيبات مكملات الكالسيوم على عنصر الرصاص الكيميائي ، ^{[ 72 ]} مما يشكل مصدر قلق على الصحة العامة . ^{[ 73 ]} يوجد الرصاص عادةً في مصادر الكالسيوم الطبيعية. ^{[ 72 ]}

يُستخدم الجير الزراعي ، أو الطباشير المسحوق، أو الحجر الجيري، كطريقة رخيصة لمعادلة حموضة التربة ، مما يجعلها مناسبة للزراعة. كما يُستخدم في صناعة الاستزراع المائي لتنظيم درجة حموضة تربة الأحواض قبل بدء الاستزراع. ^{[ 74 ]} وهناك اهتمام بفهم ما إذا كان بإمكانه التأثير على امتصاص المبيدات وإطلاقها في التربة الكلسية. ^{[ 75 ]}

يُعد كربونات الكالسيوم مكونًا رئيسيًا في العديد من مساحيق التنظيف المنزلية مثل كوميت، ويستخدم كعامل تنظيف.

في عام ١٩٨٩، أدخل الباحث كين سيمونز كربونات الكالسيوم (CaCO₃ ₎ إلى جدول ويتستون في ماساتشوستس . ^{[ ٧٦ ]} كان يأمل أن تُعادل كربونات الكالسيوم حموضة الجدول الناتجة عن الأمطار الحمضية، وأن تُنقذ سمك السلمون المرقط الذي توقف عن التكاثر. ورغم نجاح تجربته، إلا أنها زادت من كمية أيونات الألومنيوم في الجزء من الجدول الذي لم يُعالج بالحجر الجيري. يُشير هذا إلى إمكانية إضافة _{كربونات} الكالسيوم لمعادلة آثار الأمطار الحمضية في النظم البيئية النهرية . تُستخدم كربونات الكالسيوم حاليًا لمعادلة الحموضة في كلٍ من التربة والمياه. ^{[ ٧٧ ] [ ٧٨ ]} منذ سبعينيات القرن الماضي، يُمارس هذا النوع من التكليس على نطاق واسع في السويد للتخفيف من التحمض، حيث تُضاف الجير إلى آلاف البحيرات والجداول بشكل متكرر. ^{[ ٧٩ ]}

يُستخدم كربونات الكالسيوم أيضاً في تطبيقات إزالة الكبريت من غازات المداخن، مما يساهم في التخلص من انبعاثات _ثاني أكسيد الكبريت وثاني أكسيد النيتروجين _الضارة الناتجة عن حرق الفحم وأنواع الوقود الأحفوري الأخرى في محطات توليد الطاقة الكبيرة التي تعمل بالوقود الأحفوري. ^{[ 77 ]}

يُستخدم كربونات الكالسيوم بشكل شائع في صناعة البلاستيك كمادة مالئة. عند إضافته إلى مادة بلاستيكية، فإنه يُحسّن من صلابتها ومتانتها وثبات أبعادها وسهولة تشكيلها. ^{[ 80 ]}

كربونات الكالسيوم ضعيفة الذوبان في الماء النقي (47  ​​ملغم/لتر عند الضغط الجزئي الطبيعي لثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي كما هو موضح أدناه ₎ .

يُعطى توازن محلوله بالمعادلة (مع وجود كربونات الكالسيوم المذابة على اليمين):

CaCO₃ ⇌ Ca²⁺ + CO₂⁻ 3​

K sp =3.7 × 10 −9 إلى8.7 × 10 −9 عند 25  درجة مئوية

حيث يُعطى حاصل الإذابة لـ [ Ca ²⁺ ] [ CO 2− 3 ] في أي مكان من K _sp =3.7 × 10 ⁻⁹ إلى K _sp =8.7 × 10⁻⁹ عند 25  درجة مئوية، وذلك بحسب مصدر البيانات. ^{[ 82 ] [ 83 ]} تعني هذه المعادلة أن حاصل ضرب التركيز المولي لأيونات الكالسيوم ( ^عدد مولات Ca²⁺ المذابة لكل لتر من المحلول) في التركيز المولي لـ CO₂⁻ المذاب لا يمكن أن يتجاوز قيمة Ksp . مع ذلك، ^يجب _{أخذ معادلة الذوبان هذه، التي تبدو بسيطة ، جنبًا إلى} ^جنب مع توازن ثاني أكسيد الكربون مع الماء الأكثر تعقيدًا (انظر حمض الكربونيك ) . يتحد جزء من CO₂⁻ مع H⁺ في المحلول وفقًا لـ

HCO − 3 ⇌ H + + CO 2− 3

K a2 =5.61 × 10 −11 عند 25  درجة مئوية

يُعرف HCO − 3 باسم أيون البيكربونات . ويُعد بيكربونات الكالسيوم أكثر قابلية للذوبان في الماء من كربونات الكالسيوم بعدة مرات، بل إنه لا يوجد إلا في المحلول.

يتحد جزء من أيونات البيكربونات (HCO₃⁻ ) مع ^أيونات الهيدروجين (H⁺ ) في المحلول وفقًا لـ

H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO⁻ 3​​​

K a1 =2.5 × 10 −4 عند 25  درجة مئوية

يتفكك جزء من حمض الكربونيك (H₂CO₃ ₎ إلى _{ماء وثاني أكسيد الكربون المذاب وفقًا لـ}

H 2 O + CO 2 ( أق ) ⇌ H 2 CO 3

ك ح =1.70 × 10 −3 عند 25  درجة مئوية

ويكون ثاني أكسيد الكربون المذاب في حالة توازن مع ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي وفقًا لـ

PCO2 / [ CO2 ] =​​​​​${\displaystyle H_{\rm {v}}}$

أين${\displaystyle H_{\rm {v}}}$= 29.76 atm/(mol/L) عند 25  درجة مئوية ( تقلب هنري )، و P CO 2 هو الضغط الجزئي لثاني أكسيد الكربون .

بالنسبة للهواء المحيط، يبلغ ضغط ثاني _{أكسيد الكربون} حوالي3.5 × 10⁻⁴ ضغط جوي (أو ما يعادله 35 _باسكال ) . تحدد المعادلة الأخيرة أعلاه تركيز _ثاني أكسيد الكربون المذاب كدالة لضغط _ثاني أكسيد _{الكربون} الجزئي ، بغض النظر عن تركيز كربونات الكالسيوم المذابة . عند الضغط الجزئي _لثاني أكسيد الكربون ^{في الغلاف الجوي، يكون تركيز} _ثاني أكسيد الكربون المذاب هو 1.2 × 10⁻⁵ مول لكل لتر . تحدد المعادلة السابقة تركيز H₂CO₃ كدالة لتركيز _CO₂ . _{لـ [} CO₂ _] ⁼1.2 × 10 ⁻⁵ ، ينتج عنه [ H2CO3 ] _=​2.0 × 10⁻⁸ مول لكل لتر. عندما يكون تركيز [H₂CO₃ _] ^{معروفًا} ، فإن المعادلات _الثلاث المتبقية مع

H₂O ⇌ H⁺ + OH⁻​

K = 10 −14 عند 25  درجة مئوية

(وهو ما ينطبق على جميع المحاليل المائية)، والشرط القائل بأن المحلول يجب أن يكون متعادلًا كهربائيًا، أي أن الشحنة الكلية للأيونات الموجبة المذابة [ Ca ²⁺ ] + 2 [ H ⁺ ] يجب أن تُلغى بالشحنة الكلية للأيونات السالبة المذابة [ HCO − 3 ] + [ CO 2− 3 ] + [ OH ⁻ ] ، يجعل من الممكن حل التراكيز الخمسة المجهولة المتبقية في وقت واحد (إن الشكل المذكور سابقًا للتعادل صالح فقط إذا تم وضع كربونات الكالسيوم في اتصال مع الماء النقي أو مع محلول ذي درجة حموضة متعادلة؛ في حالة عدم تعادل درجة حموضة المذيب المائي الأولي، فإن التوازن لا يكون متعادلًا).

^يُظهر الجدول المجاور نتيجة تركيز أيونات _{الكالسيوم} ^[ Ca²⁺ ] والهيدروجين [ H⁺ ] ( في صورة الرقم الهيدروجيني) كدالة للضغط الجزئي المحيط _لثاني أكسيد الكربون ( Ksp =تم استخدام القيمة 4.47 × 10 ^{−9 في الحساب).}

• _{عند مستويات ثاني} أكسيد الكربون المحيطة في الغلاف الجوي، يشير الجدول إلى أن المحلول سيكون قلويًا قليلاً مع أقصى قابلية لذوبان _{كربونات} الكالسيوم تبلغ 47 ملغم/لتر. 
• _{مع انخفاض الضغط الجزئي لثاني} أكسيد الكربون المحيط إلى ما دون مستويات الضغط الجوي، يصبح المحلول أكثر قلوية. عند ضغط جزئي منخفض للغاية لثاني _{أكسيد الكربون ، يتبخر ثاني} أكسيد الكربون المذاب وأيون البيكربونات وأيون الكربونات بشكل كبير من المحلول، تاركين محلولًا قلويًا للغاية من هيدروكسيد الكالسيوم ، وهو أكثر قابلية للذوبان من _{كربونات} الكالسيوم . عند ضغط جزئي _{لثاني أكسيد الكربون} يساوي 10⁻¹² ^ضغط جوي ، يظل حاصل ضرب تركيز أيونات الكالسيوم [Ca²⁺][OH⁻]² أقل من ^حاصل ذوبان هيدروكسيد الكالسيوم ( Ca ( _OH ) _₂ ) ^. 8 × 10 ^{−6 ). بالنسبة لضغط} _ثاني أكسيد الكربون المنخفض ، سيحدث ترسيب Ca(OH) ₂ قبل ترسيب CaCO ₃ .
• مع ارتفاع الضغط الجزئي لثاني أكسيد الكربون المحيط _إلى مستويات أعلى من الضغط الجوي، ينخفض ​​الرقم الهيدروجيني، ويتحول جزء كبير من أيون الكربونات إلى أيون البيكربونات، مما يؤدي إلى زيادة ذوبان Ca ²⁺ .

يظهر تأثير هذه الظاهرة جليًا في الحياة اليومية للأشخاص الذين يعانون من عسر الماء. إذ قد تتعرض المياه الجوفية لمستويات من _ثاني أكسيد الكربون أعلى بكثير من مستوياته في الغلاف الجوي. ونتيجة لذلك، تتسرب المياه عبر صخور كربونات الكالسيوم، _فتذوب كربونات الكالسيوم وفقًا لإحدى العمليات المذكورة سابقًا. وعندما تخرج هذه المياه من الصنبور، فإنها مع مرور الوقت تصل إلى حالة توازن مع مستويات _ثاني أكسيد الكربون في الهواء عن طريق إطلاق فائض _ثاني أكسيد الكربون . ونتيجة لذلك، تصبح كربونات الكالسيوم أقل ذوبانًا ، ويترسب الفائض على شكل ترسبات كلسية. وتُعزى هذه العملية نفسها إلى تكوين الصواعد والهوابط في كهوف الحجر الجيري.

قد تترسب مرحلتان مائيتان من كربونات الكالسيوم، وهما أحادي هيدروكالسيت CaCO ₃ · H ₂ O وإيكايت CaCO ₃ · 6H ₂ O ، من الماء في الظروف المحيطة وتستمران كمراحل شبه مستقرة.

_{على عكس سيناريو التوازن المفتوح المذكور أعلاه} ، تُدار العديد من أحواض السباحة بإضافة بيكربونات الصوديوم ( NaHCO₃ ) بتركيز حوالي 2 ملي مول/لتر كمادة منظمة، ثم يُتحكم في درجة الحموضة باستخدام حمض الهيدروكلوريك (HCl) أو بيكبريتيت الصوديوم (NaHSO₄ ) أو كربونات الصوديوم _{(Na₂CO₃ ) أو} هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) أو محاليل الكلور الحمضية أو القاعدية. في هذه الحالة، يكون الكربون غير العضوي المذاب ( إجمالي الكربون غير العضوي ) بعيدًا عن حالة التوازن مع ثاني أكسيد الكربون الجوي _. ويتباطأ التقدم نحو التوازن من خلال إطلاق _ثاني أكسيد الكربون بسبب 

في هذه الحالة، تكون ثوابت التفكك للتفاعلات الأسرع بكثير

ح ₂ CO ₃ ⇌ H ⁺ + HCO − 3 ⇌ 2 H ⁺ + CO 2− 3

تسمح هذه الطريقة بالتنبؤ بتركيزات كل نوع من أنواع الكربون غير العضوي المذاب في المحلول، انطلاقًا من التركيز المضاف لأيونات البيكربونات (HCO₃⁻ ) ( التي تُشكل أكثر من 90% من أنواع مخطط بييروم عند درجة حموضة تتراوح بين 7 و 8 عند 25 درجة مئوية في الماء العذب). ^{[ 85 ]} ستؤدي إضافة البيكربونات إلى زيادة تركيز أيونات الكربونات (CO₃⁻ ) عند أي درجة حموضة . بإعادة ترتيب المعادلات المذكورة أعلاه ، نلاحظ أن [ Ca²⁺ ] = ^Ksp / [ CO₃⁻ ] ، و[ CO₃⁻ _] = Ka² [ HCO₃⁻ ] / [ H⁺ ] . لذلك، عند معرفة تركيز البيكربونات، يمكن التنبؤ بالحد الأقصى لتركيز أيونات الكالسيوم ^(Ca²⁺) قبل حدوث ترسيب كربونات الكالسيوم ⁽ _{CaCO₃) باستخدام} الصيغة التالية :   

[ Ca ²⁺ ] _max = ⁠ K _sp / Ka2 _⁠ × ⁠ [ H ⁺ ] / [ HCO − 3 ] ⁠​

يتأثر كل من حاصل الذوبان لكربونات الكالسيوم (Ksp) وثوابت التفكك لأنواع الكربون غير العضوي المذاب (بما في ذلك Ka2) بشكل كبير بدرجة الحرارة _{والملوحة} ، _[ 85 ] مع _{التأثير} العام المتمثل في زيادة ^{[ Ca2 +} ] max ^من المياه _العذبة إلى المياه المالحة، وانخفاضها مع ارتفاع درجة الحرارة أو الرقم الهيدروجيني أو مستوى البيكربونات المضاف، كما هو موضح في الرسوم البيانية المصاحبة.

تُعدّ هذه الاتجاهات مفيدةً لإدارة أحواض السباحة، ولكن حدوث الترسبات يعتمد أيضًا على عوامل أخرى، بما في ذلك التفاعلات مع أيونات ^{المغنيسيوم} (Mg²⁺ ) ^{وأيونات البورون} ( B(OH) _₄⁻ ) وأيونات أخرى في الحوض، بالإضافة إلى تأثيرات التشبع الفائق. ^{[ 86 ] [ 87 ]} وتُلاحظ الترسبات عادةً في مولدات الكلور التحليلية، حيث يكون الرقم الهيدروجيني مرتفعًا بالقرب من سطح الكاثود، ويؤدي ترسب القشور إلى زيادة درجة الحرارة. وهذا أحد الأسباب التي تجعل بعض مشغلي أحواض السباحة يُفضلون استخدام البورات بدلًا من البيكربونات كمنظم أساسي للرقم الهيدروجيني، ويتجنبون استخدام المواد الكيميائية التي تحتوي على الكالسيوم. ^{[ 88 ]}

تتوفر تجارياً محاليل الأحماض القوية ( حمض الهيدروكلوريك )، والمتوسطة القوة ( حمض السلفاميك )، والضعيفة ( حمض الخليك ، وحمض الستريك ، وحمض السوربيك ، وحمض اللاكتيك ، وحمض الفوسفوريك ). وتُستخدم هذه المحاليل عادةً لإزالة الترسبات الكلسية . ويمكن حساب أقصى كمية من _{كربونات} الكالسيوم التي يمكن إذابتها في لتر واحد من محلول حمضي باستخدام معادلات التوازن المذكورة أعلاه.

• في حالة حمض أحادي قوي مع انخفاض تركيز الحمض [A] = [ A− ^] ، نحصل على (مع الكتلة _{المولية} لـ CaCO3 = 100 جم/مول): 

[أ] (مول/لتر)	1	10 −1	10 −2	10 −3	10 −4	10 −5	10 −6	10 −7	10 −10
الرقم الهيدروجيني الأولي	0.00	1.00	2.00	3.00	4.00	5.00	6.00	6.79	7.00
الرقم الهيدروجيني النهائي	6.75	7.25	7.75	8.14	8.25	8.26	8.26	8.26	8.27
كربونات الكالسيوم المذابة (جم/لتر من الحمض)	50.0	5.00	0.514	0.0849	0.0504	0.0474	0.0471	0.0470	0.0470

حيث تمثل الحالة الابتدائية محلولًا حمضيًا خاليًا من أيونات ^{الكالسيوم} (Ca²⁺ ) (دون الأخذ في الاعتبار ذوبان ثاني أكسيد الكربون CO₂ ₎ ^، بينما تمثل الحالة النهائية محلولًا مشبعًا بأيونات ^{الكالسيوم} . عند تركيزات الأحماض العالية، يكون تركيز جميع الأنواع ضئيلًا في الحالة النهائية بالنسبة لأيونات الكالسيوم (Ca²⁺ ⁾ والأيونات A⁻ ^، مما يجعل معادلة التعادل تُختزل تقريبًا إلى 2[ Ca²⁺ ] = [ A⁻ ^] ، وبالتالي يكون [ Ca²⁺ ] ≈ 0.5[ A⁻ ]. عند انخفاض التركيز، يصبح تركيز [ ^HCO₃⁻ ] كبيرًا ، ^{مما يجعل المعادلة السابقة غير صالحة. عند تركيزات الأحماض المنخفضة جدًا} ، يمكن استعادة الرقم الهيدروجيني النهائي وذوبانية كربونات الكالسيوم (CaCO₃ ₎ في الماء النقي.

• ^في حالة حمض أحادي ضعيف (هنا نأخذ حمض الأسيتيك بقيمة pKa = _4.76 ) مع انخفاض تركيز الحمض الكلي [A] = [ A− ] + [AH]، نحصل على:

[أ] (مول/لتر)	[ Ca 2+ ] ≈ 0.5 [ A − ]	10 −1	10 −2	10 −3	10 −4	10 −5	10 −6	10 −7	10 −10
الرقم الهيدروجيني الأولي	2.38	2.88	3.39	3.91	4.47	5.15	6.02	6.79	7.00
الرقم الهيدروجيني النهائي	6.75	7.25	7.75	8.14	8.25	8.26	8.26	8.26	8.27
كربونات الكالسيوم المذابة (جم/لتر من الحمض)	49.5	4.99	0.513	0.0848	0.0504	0.0474	0.0471	0.0470	0.0470

عند ثبات تركيز الحمض الكلي، يكون الرقم الهيدروجيني الأولي للحمض الضعيف أقل حموضة من الرقم الهيدروجيني الأولي للحمض القوي؛ ومع ذلك، فإن أقصى كمية من كربونات الكالسيوم _التي يمكن إذابتها متقاربة. ويعود ذلك إلى أن الرقم الهيدروجيني في الحالة النهائية يكون أكبر من قيمة pKa ، _مما يؤدي إلى تفكك الحمض الضعيف بشكل شبه كامل، مُنتجًا في النهاية عددًا من أيونات الهيدروجين (H ⁺⁾ مساويًا لعدد أيونات الهيدروجين التي يُنتجها الحمض القوي لإذابة كربونات الكالسيوم.

• تُعدّ الحسابات في حالة حمض الفوسفوريك (وهو الأكثر استخدامًا في التطبيقات المنزلية) أكثر تعقيدًا، إذ يجب حساب تركيزات حالات التفكك الأربع الموافقة لهذا الحمض، بالإضافة إلى تركيزات [ HCO₃⁻] و[CO₃²⁻] و[Ca²⁺ ^] و [ H⁺ ] و [ OH⁻ ] . ويمكن اختزال النظام إلى معادلة من الدرجة السابعة لتركيز [ ^{H⁺ ]} ، ^ويُعطي حلّها العددي

[أ] (مول/لتر)	1	10 −1	10 −2	10 −3	10 −4	10 −5	10 −6	10 −7	10 −10
الرقم الهيدروجيني الأولي	1.08	1.62	2.25	3.05	4.01	5.00	5.97	6.74	7.00
الرقم الهيدروجيني النهائي	6.71	7.17	7.63	8.06	8.24	8.26	8.26	8.26	8.27
كربونات الكالسيوم المذابة (جم/لتر من الحمض)	62.0	7.39	0.874	0.123	0.0536	0.0477	0.0471	0.0471	0.0470

حيث [A] = [ H₃PO₄ _] + [ H₂PO₄⁻ ] + [ _HPO₄²⁻ ] + [ PO₃²⁻ ] هو التركيز الكلي للحمض. وبالتالي ، فإن حمض الفوسفوريك أكثر فعالية من الحمض الأحادي _{، لأنه عند} درجة حموضة نهائية شبه متعادلة ، لا يمكن إهمال تركيز الحالة المتفككة الثانية [ HPO₄²⁻ ] ( انظر حمض الفوسفوريك ) .