普適計算碳酸氫鈣的飽和溶解度

張毅凡

【摘 要】本文從平衡常數(shù)入手，計算證明碳酸氫鈣純凈的固體不存在，且給出溶液中鈣離子和碳酸氫根離子的理論最大濃度，以此解釋溶洞的形成原因。

【關(guān)鍵詞】碳酸氫鈣；溶解度；平衡常數(shù)

在初、高中教材中，多次提及溶洞的形成。在介紹溶洞的有關(guān)內(nèi)容中，都指出：碳酸氫鈣是可溶的。而且在一些有關(guān)離子共存的習(xí)題中也都認(rèn)為，鈣離子和碳酸氫根離子是能夠大量共存的。這似乎是正確的：向澄清石灰水中通入二氧化碳，會觀察到先產(chǎn)生沉淀后恢復(fù)澄清這一現(xiàn)象。但與此同時，人教版課本又說其不穩(wěn)定，容易分解放出二氧化碳。這就意味著在熱力學(xué)上，碳酸氫鈣較之碳酸鈣更不穩(wěn)定。換言之，鈣離子與碳酸氫根離子是不能大量共存的，其自發(fā)趨向是有利于生成碳酸鈣的。這與之前的說法產(chǎn)生了矛盾，又是怎么一回事呢？

摘要中提到，建筑物中的碳酸鈣，如大理石地板等，在潮濕的天氣中并不會出現(xiàn)被溶蝕的現(xiàn)象。既然空氣中的二氧化碳不會明顯地溶蝕掉大理石地板，同樣也就不會溶解掉燒杯里的碳酸鈣沉淀，反而是這一反應(yīng)的逆過程，即碳酸氫鈣分解生成碳酸鈣的反應(yīng)自發(fā)性更大，反應(yīng)更容易發(fā)生。不妨對這一過程做一計算：

由CaCO3+CO2+H2O?Ca（HCO3）2可以得出：碳酸氫鈣在二氧化碳濃度較大的情況下，其溶解度必然比碳酸鈣來得大。將這一反應(yīng)理解為以下幾步反應(yīng)：

由此可見，碳酸氫鈣的飽和溶解度比氫氧化鈣都要小，故是微溶的。而在空氣中，二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)約為0.03%，碳酸鈣溶解生成碳酸氫鈣的反應(yīng)更是微乎其微了。

但是，澄清石灰水中通入二氧化碳，又為什么會先澄清后渾濁呢？其關(guān)鍵就在于所用的石灰水是不飽和的。由上文已經(jīng)得到，碳酸鈣溶解生成碳酸氫鈣的K為3.95×10-5，可見反應(yīng)限度是很小的，這也佐證了人教版課本的說法：即在常壓下，碳酸氫鈣會自發(fā)分解為碳酸鈣、二氧化碳和水。

【結(jié)束語】

在有了計算結(jié)果之后，應(yīng)當(dāng)如何來解釋溶洞的形成原因呢？首先要明確的是：純凈的固體碳酸氫鈣根本不存在。也就是說，在溶洞的形成過程中，并不是碳酸鈣和碳酸氫鈣這兩種物質(zhì)徹徹底底、界限分明地發(fā)生轉(zhuǎn)化，而是時時刻刻都同時存在著這兩種物質(zhì)。其次，溶洞是一個低溫、潮濕、高二氧化碳濃度的環(huán)境，這一切都有利于碳酸鈣的溶解。而盡管碳酸氫鈣的溶解度并不是特別大，但較之于碳酸鈣來說，其溶解度已經(jīng)是相當(dāng)可觀的了。因此，在兩者互相共存并不?；ハ噢D(zhuǎn)化的過程中，由于碳酸鈣和碳酸氫鈣溶解度的差異，最終導(dǎo)致了溶洞的形成。

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（嵊州中學(xué)，浙江 紹興 312075）