普适计算碳酸氢钙的饱和溶解度

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普适计算碳酸氢钙的饱和溶解度

作者：张毅凡

来源：《文理导航》2017年第05期

【摘 要】本文从平衡常数入手，计算证明碳酸氢钙纯净的固体不存在，且给出溶液中钙离子和碳酸氢根离子的理论最大浓度，以此解释溶洞的形成原因。 【關键词】碳酸氢钙；溶解度；平衡常数

在初、高中教材中，多次提及溶洞的形成。在介绍溶洞的有关内容中，都指出：碳酸氢钙是可溶的。而且在一些有关离子共存的习题中也都认为，钙离子和碳酸氢根离子是能够大量共存的。这似乎是正确的：向澄清石灰水中通入二氧化碳，会观察到先产生沉淀后恢复澄清这一现象。但与此同时，人教版课本又说其不稳定，容易分解放出二氧化碳。这就意味着在热力学上，碳酸氢钙较之碳酸钙更不稳定。换言之，钙离子与碳酸氢根离子是不能大量共存的，其自发趋向是有利于生成碳酸钙的。这与之前的说法产生了矛盾，又是怎么一回事呢？

摘要中提到，建筑物中的碳酸钙，如大理石地板等，在潮湿的天气中并不会出现被溶蚀的现象。既然空气中的二氧化碳不会明显地溶蚀掉大理石地板，同样也就不会溶解掉烧杯里的碳酸钙沉淀，反而是这一反应的逆过程，即碳酸氢钙分解生成碳酸钙的反应自发性更大，反应更容易发生。不妨对这一过程做一计算：

由CaCO3+CO2+H2O?Ca（HCO3）2可以得出：碳酸氢钙在二氧化碳浓度较大的情况下，其溶解度必然比碳酸钙来得大。将这一反应理解为以下几步反应：

由此可见，碳酸氢钙的饱和溶解度比氢氧化钙都要小，故是微溶的。而在空气中，二氧化碳的体积分数约为0.03%，碳酸钙溶解生成碳酸氢钙的反应更是微乎其微了。

但是，澄清石灰水中通入二氧化碳，又为什么会先澄清后浑浊呢？其关键就在于所用的石灰水是不饱和的。由上文已经得到，碳酸钙溶解生成碳酸氢钙的K为3.95×10-5，可见反应限度是很小的，这也佐证了人教版课本的说法：即在常压下，碳酸氢钙会自发分解为碳酸钙、二氧化碳和水。 【结束语】

在有了计算结果之后，应当如何来解释溶洞的形成原因呢？首先要明确的是：纯净的固体碳酸氢钙根本不存在。也就是说，在溶洞的形成过程中，并不是碳酸钙和碳酸氢钙这两种物质彻彻底底、界限分明地发生转化，而是时时刻刻都同时存在着这两种物质。其次，溶洞是一个低温、潮湿、高二氧化碳浓度的环境，这一切都有利于碳酸钙的溶解。而尽管碳酸氢钙的溶解