Chemiczny bubel
Tym razem przyjrzymy się dwom zadaniom. Pierwsze pochodzi z arkusza maturalnego z maja 2016 roku:
Mamy obliczyć masę tej próbki. A kolejne zadanie pochodzi ze zbioru zadań, który jest przeznaczony dla osób przygotowujących się do matury chemii.
Te zadania łączy jedna substancja chemiczna: Ca(HCO3)2, czyli wodorowęglan wapnia. Żadnego z opisanych doświadczeń nie da się wykonać, ponieważ wodorowęglan wapnia nie istnieje w postaci stałej. Ten wręcz mityczny związek istnieje tylko równowagowo w wodnych roztworach nasyconych dwutlenkiem węgla:
CaCO3 + CO2 + H2O ⇄ Ca(HCO3)2
Lub jonowo:
CO32- + CO2 + H2O ⇄ 2HCO3-
Dzięki temu, że w tej reakcji zmniejszane jest stężenie jonów węglanowych w roztworze, to więcej CaCO3 może przejść do roztworu. Rozpuszczalność CaCO3 jest zatem znacznie większa w wodzie nasyconej dwutlenkiem węgla, niż w czystej wodzie, choć właściwie nie jest to rozpuszczanie, tylko roztwarzanie.
Rozpuszczanie CO2 w wodzie także jest procesem równowagowym i zależy od temperatury, ale także od ciśnienia CO2 nad roztworem – to dlatego woda gazowana pozostawiona w otwartej butelce ulega odgazowaniu: spada rozpuszczalność CO2 w wodzie wskutek spadku ciśnienia tego gazu nad roztworem po otwarciu butelki. Gazowana woda staje się w tym momencie przesyconym roztworem względem CO2 i pozbywa się nadmiaru tego gazu.
To, ile substancji rozpuści się, zależy także od ilości rozpuszczalnika. Woda jest lotna – parując zmniejsza się ilość wody, więc i mniej substancji się może w niej rozpuścić – wraz z ubytkiem wody odchodzi też część CO2. Przesuwa to stan równowagi reakcji w lewo, powodując, że zaczyna się wytrącać CaCO3:
Ca(HCO3)2 ⇄ CaCO3↓ + CO2↑ + H2O
Powoduje to, że Ca(HCO3) nie da się wydzielić tego roztworu. Roztwarzanie CaCO3 obserwujemy podczas przedmuchiwania wodnej zawiesiny CaCO3 gazem bogatym w CO2 (np. wydychanym powietrzem). Kiedy jednak pozostawimy taki roztwór (który formalnie jest roztworem Ca(HCO3)2) w otwartej probówce, to z opisanych powodów zawartość CO2 w tym układzie spada i odtwarza się osad CaCO3. To samo dzieje się podczas zjawisk krasowych.
Hipotetycznie Ca(HCO3)2 można by otrzymać jako ciało stałe biorąc stechiometryczne ilości CaCO3 i wody oraz nadmiar CO2. Przy odpowiednio wysokim ciśnieniu można by przeprowadzić reakcję:
CaCO3(s)+ CO2(g) + H2O(c) → Ca(HCO3)2
Ale związek taki przeniesiony do warunków pokojowych ulegałby rozkładowi (być może nawet wybuchowo) – nie byłoby możliwe więc posługiwanie się nim, przygotowanie mieszanin z innymi związkami czy też jego prażenie…
Tylko dobrze rozpuszczalne węglany (jak Na2CO3, K2CO3 czy nawet (NH4)2CO3) można przekształcić w stabilne wodorowęglany (NaHCO3, KHCO3 i NH4HCO3). A i nawet wśród węglanów litowców znajdzie się czarna owca: Li2CO3 nie da się przekształcić w LiHCO3, bo ten pierwszy jest zbyt słabo rozpuszczalny.
***
Jedna publikacja naukowa z roku 2010 donosi o otrzymaniu Ca(HCO3)2 w fazie stałej (kliknij, aby zobaczyć). Miało to mieć miejsce poprzez rozpylenie wodnego roztworu Ca(HCO3)2 - po szybkim odparowaniu wody z małych kropelek otrzymywali cząstki stałe, Mają one zawierać Ca(HCO3)2 i CaCO3 a nawet czysty Ca(HCO3)2 , jak wynika z interpretacji wykonanych przez naukowców analiz. Nie można wykluczyć, że zastosowana metoda pozwoliła otrzymać po raz pierwszy ten związek w postaci stałej, jednak z drugiej strony - do takich doniesień zawsze należy podchodzić ostrożnie. Zdarza się, że naukowcy, którzy na co dzień zajmują się czym innym - nie uwzględnią czegoś i źle zinterpretują uzyskane wyniki.