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碳酸鈣

碳酸鈣（英文：Calcium carbonate），俗稱灰石、石灰石、石粉，是一種化合物，化學式為CaCO3，屬碳酸鹽類，呈鹼性，幾乎不溶於水（Ksp = 4.8×10-9），可與酸反應。

碳酸鈣
英文名 Calcium carbonate
別名 石灰石
識別
CAS號 471-34-1  checkY
PubChem 10112
ChemSpider 9708
SMILES
 
  • [Ca+2].[O-]C([O-])=O
InChI
 
  • 1/CH2O3.Ca/c2-1(3)4;/h(H2,2,3,4);/q;+2/p-2
InChIKey VTYYLEPIZMXCLO-NUQVWONBAS
EINECS 207-439-9
ChEBI 3311
RTECS FF9335000
KEGG D00932
性質
化學式 CaCO3
摩爾質量 100.0869 g·mol⁻¹
外觀 白色粉末
密度 2.71 g/cm³（方解石）
2.93 g/cm³（霰石）
熔點 825℃（方解石）
1339℃（霰石）[1]
沸點 約900℃（分解生成氧化鈣和二氧化碳）
溶解性（水） 0.013 g/L（25℃）[3][4]
溶度積Ksp 4.8×10-9[2]
pKa 9.0
折光度n
D 		1.59
結構
晶體結構 三方晶系（方解石）
斜方晶系（霰石）
分子構型 直線形
熱力學
ΔfHm⦵298K −1206.92 kJ mol−1（方解石）
−1207.13 kJ mol−1（霰石）[5]
S⦵298K 92.9 J mol−1K−1（方解石）[6]
88.7 J mol−1K−1（霰石）
熱容 81.88 J mol−1K−1（方解石）
81.25 J mol−1K−1（霰石）
危險性
警示術語 R：R36/37/38
安全術語 S：S26-S36
主要危害 無毒
NFPA 704
0
0
0
 
閃點 不可燃
PEL TWA 15 mg/m3 (total)
TWA 5 mg/m3 (resp)[7]
相關物質
其他陰離子 硫酸鈣、碳酸氫鈣
其他陽離子 碳酸鍶、碳酸鋇、碳酸鈹、碳酸鎂
若非註明，所有數據均出自標準狀態（25 ℃，100 kPa）下。
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碳酸鈣在地球上存量豐富，並以許多形式存在於岩石、礦物與生物體，如：霰石、方解石、白堊、石灰岩、大理石、石灰華。亦為動物骨骼或外殼（如：爬蟲類與雙殼綱）的主要成份。碳酸鈣亦為水垢的主要成分，通常藉由水中的鈣離子與碳酸根離子結合所生成的，時常發生在水質硬度較高的地區。碳酸鈣亦為農用石灰中的有效成分之一，可用於中和土壤酸性，但過度使用也有造成土壤鹽鹼化的風險。在醫學應用方面，碳酸鈣亦是常用的鈣質來源，也常做為抑酸劑中的有效成分[8]之一。

性質

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物理性質

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方解石（左）和霰石（右）是碳酸鈣的同質異形體。

碳酸鈣外觀為白色粉末或無色結晶[9]，無臭無味[10]。碳酸鈣有方解石、文石、球霰石三種同質異形體，化學成分雖然相同，物理性質則多有差異。方解石（β-CaCO3，英語：calcite）是六方晶系的菱面體結構，有兩組交叉的菱形解理；霰石（λ-CaCO3，英語：aragonite）則是斜方晶系，只有平行長軸的解理，而且不明顯[11]；而球霰石的結構尚未被完全理解[12]。霰石的比重為2.9～3.0，比方解石之2.71重一點[13]。

  • 天然石灰石（limestone），幾乎完全是方解石。白堊（chalk）為非晶質的石灰岩，是由古生物的骨骼積聚形成的[14]。漢白玉是純白色的大理石，內含閃光晶體，也是石灰石的一種形態。
  • 洞石（travertine）或石灰華（tufa）常見於溫泉，由於沉積速度快，岩石中會保留很多小型氣泡[15]。洞石通常為霰石，但也可能是方解石[16]。

化學性質

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在一大氣壓下將碳酸鈣加熱到900℃會分解成氧化鈣和二氧化碳:

 

碳酸鈣會和稀鹽酸反應，會呈泡騰現象，並生成氯化鈣、水和二氧化碳:

 
事實上，碳酸鈣會與酸反應，生成鈣離子、水和二氧化碳:
 

碳酸鈣懸濁液通入過量二氧化碳，會生成碳酸氫鈣溶液，液體也就變得澄清:

 

碳酸鈣和碳酸溶液（雨水）反應，生成碳酸氫鈣:

 

把二氧化碳通入氫氧化鈣會生成碳酸鈣和水:

 

製備

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工業用碳酸鈣主要是來源是由礦場或採石場用機械方法直接粉碎天然的方解石、石灰石、白堊、貝殼等而製得。由於這種碳酸鈣的沉降體積比輕質碳酸鈣的沉降體積小，所以稱之為重質碳酸鈣。純度較高的碳酸鈣（用於食品或醫藥產業者）可由較純粹的礦物來源（如：大理石）提取而得。

另外，碳酸鈣亦可由石灰為原料至取而得。首先將石灰石等原料煅燒生成石灰（主要成分為氧化鈣）和二氧化碳；再加水消化石灰生成石灰乳（主要成分為氫氧化鈣）；再通入二氧化碳氣體，使之生成碳酸鈣沉澱；最後經脫水、乾燥和粉碎而製得。以此方法製得的碳酸鈣又稱之為沉澱碳酸鈣（Precipitated Calcium Carbonate, PCC）或輕質碳酸鈣。[17]

 
 
 

高純度碳酸鈣可藉由純化過的碳酸鈉和氯化鈣的水溶液複分解反應生成沉澱，然後經脫水、乾燥和粉碎而製得[18]。

 

分類

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碳酸鈣可以分為重質碳酸鈣、輕質碳酸鈣和活性碳酸鈣三大類。[19]

  • 重質碳酸鈣：簡稱重鈣，又稱研磨碳酸鈣，俗稱大白粉、雙飛粉，是用機械方法直接粉碎天然的方解石、石灰石、白堊、貝殼等而製得（粒徑為30～50µm）。重質碳酸鈣的沉降體積（1.1-1.9mL/g）比輕質碳酸鈣小，所以稱之為重質碳酸鈣。[20]
  • 輕質碳酸鈣，又稱沉澱碳酸鈣，簡稱輕鈣。一種方法是將石灰石等原料煅燒生成石灰（CaO）和二氧化碳（CO2），再加水消化石灰生成石灰乳，然後再通入二氧化碳碳化石灰乳生成碳酸鈣沉澱；或者用碳酸鈉和氯化鈣進行複分解反應生成碳酸鈣沉澱。最後經脫水、乾燥和粉碎而製得。輕質碳酸鈣的沉降體積（2.4-2.8mL/g）比重質碳酸鈣大，所以稱為輕質碳酸鈣。按粒徑大小分為微粒鈣（>5µm）、微粉鈣（1µm～5µm）、超細鈣（0.1µm～1µm）、納米鈣（≤0.1µm）等[21]。
  • 活性碳酸鈣，又稱改性碳酸鈣、表面處理碳酸鈣、膠質碳酸鈣、白燕華，簡稱活鈣，是用表面改性劑對輕鈣或重鈣的結晶形態、粒子大小、粒度分佈及表面性能等方面進行表面改性而製得。由於經表面改性劑改性後的碳酸鈣一般都具有補強作用，即所謂的「活性」。[19]

用途

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工業碳酸鈣按粉碎細度的不同分為四種規格：單飛、雙飛、三飛、四飛。單飛粉用於生產無水氯化鈣，是重鉻酸鈉生產的輔助原料，也是玻璃及水泥生產的主要原料，此外，還用於建築材料和家禽飼料等；雙飛粉是生產無水氯化鈣和玻璃等的原料，也是橡膠和油漆的白色填料，還用於建築材料等；三飛粉可用作塑料、塗料及油漆的填料；四飛粉可用作電線絕緣層之填料、橡膠模壓製品以及瀝青制油氈的填料。[22]

 
由碳酸鈣製成的500毫克鈣片

碳酸鈣在醫療上用作抗酸藥，能中和胃酸、保護潰瘍面，用於胃酸過多、胃和十二指腸潰瘍等病[23]。碳酸鈣作為食品添加劑，以保證人體所必需的鈣的攝入，但通常不超過2%。除了用於醫藥食品，碳酸鈣還可用作牙粉、牙膏及其他化妝品的原料。在口香糖、巧克力中，可以作為強化劑，既降低成本，又作為基質材料。在牙膏中，重質碳酸鈣作為摩擦劑使用；在化妝品中，較細的優質碳酸鈣可以作為填充劑。[9]


營養補充劑

市面上的大部分鈣片的主要成分為碳酸鈣。碳酸鈣成本低廉，需要隨餐服用 [24] ，容易引起不適，常見副作用為便秘，腹腔疼痛，脹氣等 [25] 。其他種類的鈣片如磷酸鈣則不會引起的便秘、腹腔疼痛、脹氣等副作用 [26] 。

由於胎兒骨骼的生長發育所需的鈣質由母體提供，孕期女性會流失大量骨質 [27]-[28] 。骨質流失會導致孕期女性出現骨質疏鬆甚至脆弱性骨折 [27] 。75%女性在懷孕期間會出現功能性腸胃疾病(FBD)，如便秘、胃脹氣、腸易激綜合症(IBS)等 [29] 。便秘為孕期最常見的腸胃不適症狀之一。即使是沒有便秘史的女性在孕期出現便秘的機率也會大大增加，而有便秘史的女性孕期便秘的情況往往會更嚴重 [30]-[30] 。嚴重便秘可以造成陰部神經損傷和使盆底肌失去支撐能力從而出現尿失禁和陰道鬆弛弛的情況 [31] 。便秘也會增加子宮陰道脫垂的機率 [32] 。碳酸鈣是最容易引起便秘的鈣質來源 [26] 。服用碳酸鈣產生的二氧化碳（CO2）正是引起便秘、胃脹氣等腸胃不適的元兇 [25] 。臨床實驗證實服用碳酸鈣會使便秘的機率增加32% [33] 。孕婦應避免使用碳酸鈣的鈣片。

其他用途還有：

  • 冶金工業中，主要用於助溶劑
  • 用於製造建築材料水泥、石灰、人造石
  • 中和二氧化硫、水、酸性土壤或農田
  • 製造玻璃、鈣片等
  • 塑料、橡膠、塗料、矽酮膠等行業主要用來當作填料，以降低成本。還可以提高塑料製品的穩定性、硬度、剛性、耐熱性以及加工性能。[21]

參見

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參考資料

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