Il carbonato di calcio si trova facilmente in tutto il mondo. Esiste in natura come calcare, gesso, marmo e cristalli puri. Nuovo carbonato di calcio viene formato quotidianamente dagli animali, dalle microscopiche creature marine agli struzzi, sotto forma di conchiglie che producono. Le persone usano questo composto in una miriade di modi, dai prodotti manifatturieri e edili ai farmaci e agli integratori alimentari che migliorano la nostra vita. In questo articolo scopriremo la massa molare del carbonato di calcio, daremo uno sguardo più da vicino alla sua struttura atomica e impareremo come viene raccolto e utilizzato questo composto chimico.
Le Seven Sisters Chalk Cliffs in Inghilterra sono composte da carbonato di calcio compresso.
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La massa molare del carbonato di calcio
Il carbonato di calcio, come composto chimico, è definito come una sostanza pura. Le sostanze pure includono ogni composto chimico definito e ogni elemento della tavola periodica. Una sostanza pura ha ovunque la stessa composizione chimica, dalla particella più piccola alla quantità più grande. Gli elementi particellari più piccoli sono gli atomi, mentre la particella più piccola di un composto è una molecola. Ogni sostanza pura ha una massa molare specificatamente definita che influenza le proprietà fisiche e chimiche della sostanza. La massa molare del carbonato di calcio è 100,09 grammi per mole.
Qual è esattamente la massa molare di una sostanza? La massa molare è definita come la massa di una mole di sostanza pura espressa in grammi. In chimica, un numero molto specifico di particelle, siano essi atomi o molecole, costituisce un’unità chiamata mole. Quel numero, noto come numero di Avogadro o costante di Avogadro, equivale a circa 6.022 × 1023 unità. Questa costante, che prende il nome dallo scienziato italiano Amadeo Avogadro, è la stessa in ogni circostanza per ogni sostanza pura, ed è essenziale per comprendere la chimica e come funziona il mondo.
Massa molare e massa atomica
La massa atomica di un elemento o composto determina la sua massa molare. Puoi trovare la massa atomica di ciascun elemento elencato nella tavola periodica, solitamente appena sotto il simbolo chimico. La massa atomica di un elemento viene misurata scientificamente, tenendo conto di tutti gli isotopi conosciuti dell’elemento. La media di questi isotopi, ponderata in base alla loro proporzione presente in natura, è uguale alla massa atomica di quell’elemento.
Ogni isotopo di un elemento specificato ha un numero fisso di protoni. Il numero di protoni è uguale al numero atomico dell’elemento. Il numero di neutroni in ciascun isotopo dell’elemento varia. Ogni singolo protone o neutrone ha il valore di un’unità di massa atomica. Ma la massa di un qualsiasi numero di elettroni è così piccola che può essere ignorata. La massa atomica, quindi, di qualsiasi isotopo è uguale al numero di protoni che possiede più il numero di elettroni.
Per comprendere meglio come viene misurata la massa atomica degli isotopi, consideriamo come esempio il carbonio. Il carbonio ha solo tre diversi isotopi: carbonio-12, carbonio-13 e carbonio-14. L’isotopo del carbonio-12 ha sei protoni e sei neutroni. Pertanto, la sua massa atomica è pari a 12. Il carbonio-13 ha sei protoni e sette neutroni, il che si traduce in una massa atomica di 13. Nel frattempo, il carbonio-14, un isotopo radioattivo del carbonio utilizzato nella datazione dei materiali organici, ha sei protoni e otto neutroni. Ciò gli dà una massa atomica di 14. Tuttavia, la massa atomica calcolata del carbonio non è uguale a 13, la media diretta di questi tre numeri. Questo perché in natura gli isotopi del carbonio-12 superano di gran lunga il carbonio-13 e il carbonio-14. Quindi, la massa atomica deve inclinarsi a favore del carbonio-12, tenendo conto della sua maggiore rappresentazione. La massa atomica del carbonio, quindi, è pari a 12.011 unità di massa atomica.
Calcolo della massa molare del carbonato di calcio
Puoi facilmente determinare la massa molare di un elemento una volta conosciuta la sua massa atomica. Esprimi semplicemente la massa atomica dell’elemento in grammi. La massa di una mole di atomi di un elemento equivale alla massa atomica in grammi.
Questo stesso concetto si applica ai composti. I composti contengono due o più atomi di elementi uguali o diversi in ciascuna molecola. Per trovare la massa atomica di un composto basta sommare le masse atomiche di tutti gli atomi della molecola. Il totale è uguale alla massa atomica del composto.
Carbonato di calcio, CaCO3, ha cinque atomi in ciascuna molecola. Ha un atomo di calcio, un atomo di carbonio e tre atomi di ossigeno. Pertanto, una mole di atomi di carbonato di calcio avrebbe una mole di atomi di calcio, una mole di atomi di carbonio e tre moli di atomi di ossigeno. Per trovare la massa di una mole di calcio, basta convertire la massa atomica del calcio in grammi. Una mole di calcio ha una massa di 40,08 grammi. Una mole di carbonio ha una massa di 12,01 grammi. E ogni mole di ossigeno ha una massa di 16,00 grammi. Aggiungendo la massa dei cinque atomi di questo composto si ottiene un totale di 100,09 grammi come massa molare del carbonato di calcio.
Struttura atomica del carbonato di calcio
Carbonato di calcio, CaCO3è un sale inorganico, molto simile al cloruro di sodio, NaCl o al cloruro di calcio, CaCl2. Esistono molti tipi diversi di sali. Questi composti hanno uno o più cationi, o ioni caricati positivamente, legati ionicamente a uno o più anioni, o ioni caricati negativamente. La carica netta di un sale è pari a zero. I sali spesso combinano ioni caricati positivamente del Gruppo 1 della tavola periodica, i metalli alcalini, o del Gruppo 2, i metalli alcalino terrosi, con non metalli caricati negativamente, come gli alogenuri del Gruppo 17 o ioni poliatomici, come il CO32- ione carbonato.
Sia il cloruro di sodio che il carbonato di calcio sono sali composti da due ioni. Il cloruro di sodio contiene lo ione sodio caricato positivamente, Na+e lo ione cloro caricato negativamente, Cl–. Forse ti starai chiedendo come i due composti possano essere entrambi sali inorganici quando il carbonato di calcio contiene così tanti atomi. Ebbene, anche il carbonato di calcio ha solo due ioni: uno ione calcio caricato positivamente, Ca2+e uno ione carbonato poliatomico caricato negativamente, CO32-.
Gli ioni poliatomici sono costituiti da due o più atomi che lavorano insieme come un’unica unità. Funzionano proprio come gli altri ioni atomo singolo. Lo ione carbonato ha quattro atomi che lavorano tutti insieme con una carica netta di -2.
Legame per formare composti
Quando gli ioni si uniscono per formare composti, ognuno cerca di riempire i propri orbitali con un numero sufficiente di elettroni per raggiungere una configurazione stabile. Questa configurazione stabile solitamente conferisce a ciascun atomo del composto una configurazione uguale a quella del gas nobile più vicino, o elemento del Gruppo 18.
Il legame ionico, il tipo utilizzato nella formazione di sali come il carbonato di calcio, comporta la cessione e il prelievo di elettroni. Questo è diverso dalla condivisione degli elettroni come si vede nel legame covalente, come si vede in molecole come l’anidride carbonica. Molti composti utilizzano il legame covalente e condividono gli elettroni per raggiungere la configurazione di gas nobile desiderata, ma il carbonato di calcio e altri sali utilizzano il legame ionico per raggiungere quella configurazione stabile.
Il calcio, un metallo del gruppo dei metalli alcalino terrosi del gruppo 2, ha due elettroni nel suo guscio esterno. Il modo più semplice per uno ione calcio, Ca2+, per raggiungere la configurazione stabile del gas nobile più vicino, l’argon, è necessario cedere i suoi due elettroni in più. Il carbonato, uno ione poliatomico con carica -2, ha bisogno di due elettroni in più per completare il riempimento dei suoi gusci esterni. Può raggiungere la configurazione desiderata accettando due elettroni.
Legami del carbonato di calcio
Quando uno ione calcio cede i due elettroni dal suo guscio esterno a uno ione carbonato poliatomico, si forma un legame ionico risultante nel carbonato di calcio. Ogni ione calcio, con la sua carica +2, può legarsi con uno ione carbonato, con carica -2, per formare una molecola con carica neutra. La seguente equazione chimica mostra questa reazione.
Circa2+ +CO32- → CaCO3
È interessante notare che il carbonato di calcio contiene sia legami ionici che covalenti. Il legame tra lo ione calcio e lo ione carbonato è ionico. Ma i legami tra gli atomi di carbonio e di ossigeno che compongono lo ione carbonato poliatomico sono in realtà covalenti, nel senso che condividono gli elettroni invece di scambiarli.
Carbonato di calcio in natura
Il carbonato di calcio costituisce circa il 4% della crosta terrestre. Esiste in molte forme. La maggior parte del carbonato di calcio si trova in depositi che si formarono molto tempo fa, quando le creature marine morirono o persero il guscio. Animali come uccelli e molluschi trasformano il calcio con ossigeno e carbonio per formare gusci d’uovo, conchiglie, gusci di lumache e barriera corallina dal carbonato di calcio.
La barriera corallina è composta da carbonato di calcio.
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Queste importanti fonti di carbonato di calcio affondarono molto tempo fa e formarono sedimenti, che sotto pressione formarono rocce come calcare, gesso e marmo. Il carbonato di calcio può formare cristalli puri in almeno tre diverse strutture: calcite, aragonite e vaterite. Se hai mai visitato una grotta calcarea, hai visto il carbonato di calcio in natura. Le stalattiti e le stalagmiti in queste grotte si sviluppano quando l’acqua filtra attraverso il calcare e deposita il carbonato di calcio in bellissime formazioni.
Le aziende ottengono il carbonato di calcio in diversi modi. Possono scavare o estrarre carbonato di calcio solido dal terreno. Oppure possono frantumare fonti naturali come i gusci di ostriche. Possono persino far precipitare il carbonato di calcio convertendo il calcare in ossido di calcio e anidride carbonica, quindi facendo reagire tali componenti in condizioni controllate per produrre un sale di purezza superiore a quello presente in natura.
Il carbonato di calcio ha molti usi importanti e affascinanti. Di seguito sono elencati alcuni degli usi più comuni di questo composto.
Probabilmente già conosci l’uso del carbonato di calcio come materiale da costruzione sotto forma di controsoffitti in marmo di fascia alta o pavimenti in travertino. Ma questo composto ha una moltitudine di altri usi nel settore edile. La calce, derivata dal carbonato di calcio, svolge un ruolo nella produzione sia del vetro che dell’acciaio. Il carbonato di calcio viene utilizzato anche nel calcestruzzo, nel cemento e nella malta. Molte imprese edili utilizzano anche il carbonato di calcio per contribuire a neutralizzare l’acido presente nell’acqua e nel suolo e ridurre l’impatto ambientale dei loro progetti.
