Il carbonato di calcio è un sale poco solubile derivante da una base forte e da un acido debole la cui solubilità è dipendente dal pH.
Il carbonato di calcio si solubilizza in acqua secondo l’equilibrio eterogeneo:
CaCO3(s) ⇄ Ca2+(aq) + CO32-(aq)
Tale equilibrio è regolato dal prodotto di solubilità Kps che vale 5.0 · 10-9:
Kps = [Ca2+][CO32-] (1)
Idrolisi del carbonato
Tuttavia lo ione carbonato, base coniugata dello ione idrogeno carbonato idrolizza secondo l’equilibrio:
CO32-(aq) + H2O(l) ⇄ HCO3–(aq) + OH–(aq)
Per il Principio di Le Chatelier l’idrolisi dello ione carbonato sposta a destra l’equilibrio di dissociazione del carbonato di calcio rendendolo più solubile.
Idrolisi dell’idrogeno carbonato
Lo ione idrogeno carbonato a sua volta dà luogo all’equilibrio:
HCO3–(aq) ⇄ H+(aq) + CO32-(aq)
regolato dalla costante di equilibrio Ka2
Ka2 = [H+][ CO32-]/[ HCO3–] = 4.8 · 10-11 (2)
Detta S la solubilità del carbonato di calcio essa è uguale alla concentrazione dello ione calcio.
Per il bilancio delle cariche:
S = [Ca2+] = [HCO3–] + [CO32-] (3)
Dalla (2) si ha:
[HCO3–] = [H+][ CO32-]/Ka2 (4)
Sostituendo nella (3) l’espressione di [HCO3–] ricavato nella (4) si ottiene:
S = [Ca2+] = [H+][ CO32-]/Ka2 + [CO32-]
Mettendo in evidenza [CO32-] si ha:
[Ca2+] = [CO32-] ( [H+]/Ka2 + 1)
Moltiplicando ambo i membri per [Ca2+] si ha:
[Ca2+]2 = [Ca2+] [CO32-] ( [H+]/Ka2 + 1)
Ma [Ca2+][CO32-] = Kps pertanto:
[Ca2+]2 = Kps ( [H+]/Ka2 + 1) (5)
Essendo S = [Ca2+] allora S2 = [Ca2+]2
Pertanto:
S2 = [Ca2+]2= Kps ( [H+]/Ka2 + 1)
Estraendo la radice quadrata da ambo i membri si ha:
S = [Ca2+] =√ Kps ( [H+]/Ka2 + 1)
Quest’ultima espressione consente di calcolare la solubilità del carbonato di calcio il funzione di [H+] e quindi del pH.
Esempio
Ad esempio per calcolare la solubilità a pH = 6.5 si ha:
[H+] = 10-6.5 = 3.2 · 10-7 M
Pertanto:
S = √ 5.0 · 10-9(3.2 · 10-7 / 4.8 · 10-11 + 1) = 5.8 x 10-3 M
A valori minori di pH, come ad esempio a pH = 5.0 laddove [H+]= 1.0 · 10-5 M si ha:
S = √ 5.0 · 10-9(1.0· 10-5 / 4.8 · 10-11 + 1) = 3.2 · 10-2 M
Un aumento di [H+] comporta quindi un aumento della solubilità del carbonato di calcio. Ciò determina un impatto ambientale: la diminuzione del pH di 0.1 unità delle acque dell’Oceano che si è verificata a seguito della Rivoluzione Industriale ha comportato una maggiore solubilità del carbonato e quindi che impedisce la formazione di strutture contenenti lo ione carbonato come ad esempio il corallo costituito per circa l’85% da carbonato di calcio.