كربونات الكالسيوم – CaCO3

في الكيمياء هناك ما يعرف بمادة كربونات الكالسيوم تمتلك الصيغة الكيميائية التالية (CaCO3) وتظهر هذه المادة على شكل مسحوق أبيض عديم الرائحة أو على شكل بلورات عديمة اللون، عمليا غير قابل للذوبان في الماء، ويظهر على نطاق واسع في الصخور في جميع أنحاء العالم، وتنتج كربونات الكالسيوم الأرضية (CAS: 1317-65-3) مباشرة من تعدين الحجر الجيري.

كربونات الكالسيوم

• تبقي عملية الاستخراج الكربونات قريبة جدًا من حالتها الأصلية من النقاء وتوفر منتجًا ناعمًا إما في شكل جاف أو ملاط، ويتم إنتاج كربونات الكالسيوم المترسبة (CAS: 471-34-1) صناعيًا عن طريق تحلل الحجر الجيري إلى أكسيد الكالسيوم متبوعًا بإعادة الكربنة اللاحقة أو كمنتج ثانوي لعملية (Solvay) (التي تستخدم لصنع كربونات الصوديوم)، وتعتبر كربونات الكالسيوم المترسبة أنقى من كربونات الكالسيوم المطحونة ولها خصائص معالجة مختلفة (وقابلة للتخصيص).

• إن كربونات الكالسيوم هو عبارة عن الملح الكربوني للكالسيوم (CaCO3)، وتستخدم كربونات الكالسيوم علاجيًا كمخزن فوسفاتي في غسيل الكلى، وكمضاد للحموضة في فرط حموضة المعدة للتخفيف المؤقت من عسر الهضم وحرقة المعدة، وكمكمل للكالسيوم للوقاية من هشاشة العظام وعلاجها، كما أن له دور كمضاد للحموضة وملون غذائي وعامل ثبات الطعام وسماد، وهو ملح كالسيوم وملح كربونات ومركب أحادي الكربون.

• كربونات الكالسيوم عبارة عن مادة شائعة توجد في الصخور مثل معادن الكالسيت ومعادن الأراغونيت (وعلى وجه الخصوص في الحجر الجيري، وهو يعد نوع من الصخور الرسوبية يتكون أساسًا من الكالسيت) وهو عبارة عن المكون الرئيسي لقشر البيض وقشور الحلزون والصدف واللآلئ.

• إن مادة كربونات الكالسيوم عبارة عن العنصر النشط في الجير الزراعي إذ يتم إنتاجه عندما يحدث تفاعل بين أيونات الكالسيوم في الماء العسر مع أيونات الكربونات من أجل تكوين الترسبات الكلسية، كما وأن له استعمالات طبية كمكمل للكالسيوم أو كمضاد للحموضة، لكن الاستهلاك المفرط يمكن أن يكون خطيرًا ويسبب فرط كالسيوم الدم ومشاكل في الجهاز الهضمي.

• تشترك كربونات الكالسيوم في الخصائص النموذجية للكربونات الأخرى، ولا سيما أنها تتفاعل مع الأحماض ويطلق ثاني أكسيد الكربون (من الناحية الفنية، حمض الكربونيك ولكنه يتفكك بسرعة إلى CO2 و H2O) كما في المعادلة التالية:

CaCO3 (s) + 2 H + (aq) → Ca2 + (aq) + CO2 (g) + H2O (l)

• يتم إطلاق غاز ثاني أكسيد الكربون عند عملية التسخين ويسمى تفاعل التحلل الحراري أو التكليس (أعلى من 840 درجة مئوية في حالة كربونات الكالسيوم) من أجل تكوين أكسيد الكالسيوم والمعروف باسم الجير الحي مع المحتوى الحراري للتفاعل 178 كيلو جول لكل مولكما في المعادلة التالية:

 CaCO3 (s) → CaO (s) + CO2 (g)

• تتفاعل مادة كربونات الكالسيوم مع الماء المشبع بثاني أكسيد الكربون من أجل تكوين بيكربونات الكالسيوم الذائبة كما في المعادلة التالية:

 CaCO3 (s) + CO2 (g) + H2O (l) → Ca (HCO3) 2 (aq)

• هذا التفاعل مهم في تآكل الصخور الكربونية وفي تشكيل الكهوف ويؤدي إلى عسر الماء في العديد من المناطق.

• هناك شكل غير عادي من كربونات الكالسيوم هو (hexahydrate، ikaite، CaCO3 · 6H2O. Ikaite) ويكون مستقر فقط عند أقل من 8 درجات مئوية.

تحضير مادة كربونات الكالسيوم

• تتم عملية استخلاص الغالبية الكبرى من مادة كربونات الكالسيوم المستعملة في الصناعة من خلال التعدين أو المحاجر، كما ويمكن تصنيع كربونات الكالسيوم النقية (للاستخدام الغذائي أو الصيدلاني)، من مصدر محجر نقي (عادة الرخام).

• بدلا مما سبق فإنه يتم تصنيع مادة كربونات الكالسيوم باستخدام مركب أكسيد الكالسيوم، إذ أنه يتم إضافة الماء من أجل إعطاء مركب هيدروكسيد الكالسيوم ثم يتم بعد ذلك تمرير ثاني أكسيد الكربون من خلال هذا المحلول لترسيب كربونات الكالسيوم المرغوبة والمشار إليها في الصناعة باسم كربونات الكالسيوم المترسبة (PCC) كما في المعادلات التالية:

CaO + H₂O → Ca(OH)₂

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O

معلومات عامة عن كربونات الكالسيوم

• إن الشكل المستقر ديناميكيًا من مركب كربونات الكالسيوم في ظل الظروف العادية هو شكل (β-CaCO3) (معدن الكالسيت)، علما أنه يمكن تحضير الأشكال الأخرى، أما بالنسبة للشكل الأكثر كثافة بمقدار (2.83 جم لكل سم مكعب) هو الشكل (λ-CaCO3) لتقويم العظام (أراجونيت المعدني) وسداسية (μ-CaCO3)، والتي تحدث على شكل فاتيريت معدني.

• من الممكن أن يتم تحضير شكل الأراجونيت من خلال عملية الترسيب عند درجات حرارة أعلى من 85 درجة مئوية، ويمكن أيضا أن يتم تحضير شكل فاتريت من خلال عملية الترسيب عند 60 درجة مئوية، كما ويحتوي الكالسيت على ذرات كالسيوم منسقة بواسطة ست ذرات أكسجين، وفي الأراجونيت يتم تنسيقها بواسطة تسع ذرات أكسجين، وبنية (vaterite) ليست مفهومة بالكامل.

• إن كربونات الكالسيوم (CaCO3) هي الحشو الأكثر استخدامًا في تركيبات البوليمر، كمواد مالئة، وتسمح كربونات الكالسيوم بتخفيض التكلفة وتحسين الخصائص الميكانيكية، كما وتوجد في الصخور الرسوبية (الطباشير والحجر الجيري) والرخام والمعادن (الدولوميت).

• هناك بعض الخصائص النموذجية للمركب وهي: الكثافة 2.7-2.9 جم لكل سم 3، والرقم الهيدروجيني لتعليق الماء 9، وحجم الجسيمات 0.2-30 ميكرومتر، أما امتصاص الزيت 13-21 جم لكل 100 جم، واعتمادًا على أصلها وتاريخ تكوينها وشوائبها فإن مادة كربونات الكالسيوم تمتلك خصائص مختلفة.

• يتم استخدام ثلاث عمليات تكنولوجية رئيسية في إنتاج حشوات كربونات الكالسيوم وهي: الطحن والترسيب والطلاء، ومع ذلك فإنه تتم معالجة معظم حشوات كربونات الكالسيوم بالطحن باستخدام طريقة جافة أو رطبة، ويوفر الطحن الجاف درجات كربونات الكالسيوم فائقة الدقة (حجم الجسيمات حوالي 0.6 ميكرومتر)، كما وتتم إضافة كربونات الكالسيوم الطبيعية المطحونة لتقليل تكلفة المواد اللاصقة ذات القاعدة المطاطية.

• كربونات الكالسيوم هي مادة تستخدم على نطاق واسع لأغراض مختلفة على سبيل المثال كمواد حشو ومواد صبغية ليس فقط في الورق والبلاستيك والمطاط والدهانات والأحبار، ولكن أيضًا في المستحضرات الصيدلانية ومستحضرات التجميل ومواد البناء والأسفلت، وهي تستخدم كمكمل غذائي في الأطعمة الحيوانية.

• إلى جانب ما يسمى بكربونات الكالسيوم المطحونة (GCC) والتي يتم طحنها من الحجر الجيري الطبيعي، فإنه يتم استخدام كربونات الكالسيوم المترسبة (PCC) في التطبيقات التي تتطلب على سبيل المثال سطوع أعلى أو توزيع ضيق لحجم الجسيمات، في PCC يمكن التحكم في تصنيع هذه الخصائص لأنه على عكس دول مجلس التعاون الخليجي فإن المنتج صناعي بالكامل.

• في عام 2011 ميلادي، لقد تم استهلاك 14 مليون طن من (PCC) في جميع أنحاء العالم وكانت آسيا أكبر سوق إقليمي، إذ وصل استهلاك دول مجلس التعاون الخليجي إلى 60 مليون طن في عام 2011 ونظرًا لأنه منتج أرخص وأقل معالجة فإنه يحتوي على مساحة أوسع من التطبيقات، كما وتتجاوز الطاقة الإنتاجية المقدرة لـ (PCC) و (GCC) مجتمعين 100 مليون طن لكل سنة منها 17 مليون طن من إنتاج (PCC).