آزمایش تجزیه­ کلسیم کربنات بر اثر حرارت

کلسیم کربنات یک ترکیب شیمیایی با فرمول شیمیایی CaCO3 است. این ترکیب در طبیعت به صورت کلسیم های معدنی مهمی مانند سنگ آهک، مرمر، و آرگونیت یافت می شود. این مواد معدنی به عنوان منابع مهمی از کلسیم مورد استفاده قرار می گیرند. در فرایند تولید سیمان، سنگ آهک که اصلی ترین منبع تولید این کلسیم است، با خاک رس و خاک شنی ترکیب شده و سپس با فرایندی به نام پخت در کوره سیمان، تبدیل به سیمان می شود.

در مواد مغذی برای انسان، این ماده به عنوان یک مکمل کلسیم مصرف می شود. لذا کلسیم برای سلامت استخوان ها، اعصاب، و عضلات بسیار ارزشمند است. در شکل زیر کلسیم کربنات به دو شکل پودری و رسوبی را مشاهده می کنید.

بررسی ساختار شیمیایی

ترکیبات شیمیایی این عنصر، شامل ترکیب یک اتم کلسیم (Ca)، یک اتم کربن (C) و سه اتم اکسیژن (O) است. در این ترکیبات، کلسیم (Ca) دارای بار مثبت دوگانه (+2) و کربن (C) دارای بار منفی چهارگانه (-4) است، که ترکیبشان توازن ایجاد می کند.
فرمول شیمیای کلسیم کربنات به صورت CaCO_3 نمایش داده می شود.
از ویژگی های شیمایی این ماده معدنی می توان به قابلیت تبدیل شدن به اکسید کلسیم (CaO) در دمای بالا و انحلال در اسید نام برد.

انواع کلسیم کربنات

معدنی(GCC):

اغلب از فرآیند تشکیل سنگ های آهک و مرمر به وجود می آید و معمولاً دارای ساختار معدنی و فسیلی است که به دلیل رسوب های دریایی یا اقیانوسی ایجاد شده است.

رسوبی(PCC):

از طریق رسوب های آب ها و چشمه ها به وجود می آید و ممکن است به شکل توده های نرم و بدون ساختار معدنی بوده و از طریق عملکرد طبیعی آب و رسوبات آن تشکیل شده باشد.

تفاوت اصلی بین کربنات کلسیم معدنی و رسوبی در منشأ و ویژگی های ساختاری آن ها است. نوع معدنی آن اغلب دارای ساختار معدنی و فسیلی است، در حالی که شکل رسوبی آن ممکن است به شکل توده های نرم بدون ساختار معدنی باشد.

آزمایش تجزیه کلسیم کربنات بر اثر حرارت

برای انجام این آزمایش به موارد زیر نیاز داریم:

1. کلسیم کربنات: مهم ترین ماده برای انجام این آزمایش.
2. کوره حرارتی: یک کوره با قابلیت دسترسی به دمایی حدود ۹۰۰ الی ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد.
3. ابزار های ایمنی: شامل دستکش، عینک و پوشاک مناسب برای محافظت از خود در برابر دمای بالا.
4. وسایل اندازه گیری دما: تجهیزاتی مانند ترمومتر های مقاوم در برابر دما های بالا برای نظارت بر دما.
5. وسایل حاشیه نوردی: ابزاری مانند شن برای ایجاد یک محیط حاشیه نوردی.
6. محیط کنترل شده: محلی با دسترسی به هوا برای تأمین اکسیژن و کنترل دما و محیط.
7. وسایل ذخیره سازی و حمل: برای نقل و انتقال کلسیم کربنات و اکسید کلسیم از کوره.

مراحل انجام آزمایش

آماده سازی مواد:

-کلسیم کربنات به عنوان منبع اصلی انتخاب می شود.

-ممکن است مواد افزودنی مثل شن برای بهبود خصوصیات نهایی محصول اضافه شود.

قرار گیری در کوره:

مواد آماده شده در کوره ای قرار داده می شود که به آسانی دمای بسیار بالا را تحمل کند.

گرما دهی:

– در این مرحله مواد موجود در کوره به دمای بالا (حدود 1400-1500 درجه سانتیگراد) می رسند و با استفاده از ترمومتر اندازه گیری و کنترل می شوند.
– در این دما، تجزیه حرارتی به آرامی انجام می گیرد.

تغییر شکل فیزیکی:

تغییر شکل فیزیکی معمولاً با نرم و پودری شدن مواد همراه است.

گاز زدایی:

گاز کربن دی اکسید تولید شده از ماده جامد جدا می شود و ممکن است با استفاده از یک سیستم خنک کننده یا دستگاه های دیگر از محیط خارج شود.

آسیاب:

محصول حاصل، در آسیاب های گلوله ای یا غیره آسیاب می شود.

سرند گذاری:

محصول آسیاب شده از طریق سرندها جدا می شود تا به اندازه مورد نظر برسد.

نکات ایمنی

• در انجام این آزمایش تماس مستقیم مواد با پوست را تا حد ممکن محدود کرده و حتما از دستکش و ماسک استفاده کنید.
• در محیط هایی که احتمال تولید گاز کربن دی اکسید وجود دارد، از وجود تهویه مناسب هوا اطمینان حاصل کنید.
• از تماس دست یا ابزار ها با چشم خودداری کنید و در صورت تماس، فوراً چشمان خود را شستشو دهید.
• از برخورد آب با مواد حاصل از آزمایش اجتناب کنید؛ زیرا این ترکیب با آب واکنش داده و حرارت تولید می کند.
• مواد آزمایشی را به هیچ عنوان مصرف داخلی نکنید؛ زیرا می تواند مضر باشد.
• محصول بدست آمده را در محیط خشک و خنک به دور از رطوبت نگهداری کنید.
• پیش از انجام آزمایش، اطلاعات کاملی از خواص و ایمنی آن به دست آورید.
• در طول انجام فرایند گرما دهی دقت و تمرکز بالایی به خرج دهید؛ دمای بالا ممکن است خطر آفرین باشد.

نتیجه آزمایش:

در طی این آزمایش با حرارت دادن به کلسیم کربنات CaCO_3 و تغییرات فیزیکی و شیمیایی در آن به ماده ای دست می یابیم که به آن کلسیم اکسید(CaO) یا آهک زنده می گویند. این ترکیب با نام های دیگری چون خاک آهک، چوب سنگ و آهک سوخته نیز شناخته می شود. ماده بدست آمده معمولا سفید رنگ با شکلی کریستالی و با خاصیت قلیایی و خورنده است.

معادله­ ی شیمیایی تجزیه­ی کلسیم کربنات           CaCO₃ → CaO + CO₂

برای شناسایی گاز تولید شده، می­توان یک کبریت شعله ور را نزدیک دهانه­ ی لوله گرفت. اگر کبریت خاموش شد نشان می­دهد گاز حاصل کربن دی اکسید است.

اکنون به معرفی برخی از ویژگی های کلسیم اکسید(CaO)، خواص و موارد استفاده آن می پردازیم:

ویژگی های فیزیکی:

در وضعیت خالص کلسیم اکسید به صورت یک ماده جامد سفید به دو صورت بلوی یا پودری ظاهر می شود. نقطه ذوب این ماده به دلیل ویژگی های شیمیایی آن، در دمای بسیار بالا قرار دارد؛ کلسیم اکسید به مقدار محدودی در آب حل می شود و چگالی آن حدود 3.34 گرم بر سانتی متر مکعب است.

ویژگی های شیمیایی:

کلسیم اکسید در واکنش به آب، تبدیل به کلسیم هیدروکسید می شود. اما در مواجهه با اسید ها آن ها را خنثی نموده و از همین جهت برای کنترل pH به کار می رود؛ در ترکیب با آلمینیوم منجر به شکل دهی کلینکر و در نهایت استفاده از آن در صنعت سیمان سازی می گردد.

موارد استفاده: کلسیم اکسید کاربرد فراوانی در صنعت و صنایع غذایی دارد؛ از این ماده به شکل گسترده ای در تولید سیمان، تشکیل گاز کربن دی اکسید، صنت کاغذ سازی، تولید آهک فعال، آب شویی و تصفیه آب و همانطور که در بالا اشاره شد در صنایع غذایی به عنوان تنظیم کننده pH مواد غذایی کاربرد فراوان دارد. جالب است بدانیم از این ماده حتی در کاهش آلودگی هوا و جذب گاز های مضر نیز استفاده می شود.

پرسش :

• فرمول شیمیایی کلسیم کربنات را بنویسید.
• وقتی کلسیم کربنات را حرارت دهیم چه می­شود؟
• چگونه ثابت می­کنیم کلسیم کربنات تجزیه شده است؟
• یک کبریت شعله ور را نزدیک گاز خروجی لوله می­گیریم و کبریت خاموش می­شود. به نظر شما گاز خروجی چیست؟

پاسخ :

• CaCO₃
• تجزیه می­شود.
• با وزن کردن کلسیم کربنات در ابتدا و انتهای آزمایش اگر وزن حالت دوم کمتر بود نشان می­دهد ماده­ی اولیه تجزیه شده است.
• گاز کربن دی اکسید