Představte si látku, která se přirozeně vyskytuje po celém světě a je součástí každodenního života každého člověka – dokonce tak intimně, že každý z nás konzumuje zhruba 100 miligramů denně. Přesto byla tato látka v historii poprvé připravena v čisté formě až letos.
Touto existující látkou je kalsiumhydrogenuhličitan, jinak zvaný kalsiummuhličitan, s chemickým vzorcem Ca(HCO₃)₂. Skupina čínských chemiků nyní oslavila úspěch v jeho výrobě, jak uvádí Chemistry World v říjnu.
Historie příprav tohoto sloučeniny není nedostatečná; chemici předpověděli existenci kalsiumhydrogenuhličitanu již téměř před 200 lety.
Záhadou kalsiumhydrogenuhličitanu je jeho nestabilita v pevném skupenství. Naopak, ve vodném roztoku se kalsiumhydrogenuhličitan nachází bez jakýchkoli potíží.
Ve skutečnosti je Ca(HCO₃)₂ nejběžnější formou vápníku v sladkých vodách a tedy i v pitné vodě. Každý člověk tak denně přijímá kalsiumhydrogenuhličitan alespoň v množství 100 miligramů.
Vysvětlení a příprava
Když se zkoumá kalsiumhydrogenuhličitan, situace je odlišná. Pokusy o přípravu kalsiumhydrogenuhličitanu často vedou k tvorbě běžného vápence (CaCO₃). Na rozdíl od toho, když se vápenec rozpustí ve vodě, okamžitě se vytváří kalsiumhydrogenuhličitan, pokud je pH roztoku přibližně neutrální nebo mírně alkalické, mezi 6 a 10.
Kalsiumhydrogenuhličitan nelze zaměňovat s kalsiumkarbonátem (bez „hydro“ mezi slovy) ani s natriumhydrogenuhličitanem (NaHCO₃), což je známá jedlá soda. V tomto případě je negativním iontem hydrogenuhličitan a pozitivním iontem není vápník, ale sodík.
Inovativní metoda
Výzkumný tým pod vedením Ruikanga Tanga přišel na způsob, jak tento problém obejít, když začal přípravu kalsiumhydrogenuhličitanu z etanolu, běžného alkoholu, místo vody. Nový chemický výzkum by tedy nebyl možný bez alkoholu.
Kryty kalsiumhydrogenuhličitanu se srážely z bezvodného ethanolu obsahujícího kalsiumchlorid a amoniak, když do směsi byl přidán oxid uhličitý. Amoniak mírně alkalizoval roztok, což vedlo k tomu, že oxid uhličitý reagoval na hydrogenuhličitan v přítomnosti vápníku a srážel se na dno.
Krytalizace z etanolu byla možná, protože v etanolu neexistuje fakultativní rozpad hydrogenuhličitanového iontu na karbonát tak snadno, jak se to děje ve vodě. To je dáno tím, že jako organické rozpouštědlo není ethanol schopen rozpouštět soli tak efektivně jako voda.
Rozdíl v rozpouštěcí schopnosti se obzvlášť uplatňuje u solí, jejichž negativní iont má dvojnásobný nebo vyšší náboj. Takže, karbonátový iont, který má dva negativní náboje, se v etanolu vůbec nevytvoří před krystalizací. Díky tomu zůstávají hydrogenuhličitanové ionty pohromadě a krystalizují s vápníkem na dně nádoby.
Struktura krystalů a další výzkumné výsledky
Vyšetření krystalů pomocí rentgenové difrakce odhalilo, že struktura kalsiumhydrogenuhličitanu je podobná kalsiumkarbonátu, avšak na atomové úrovni je poréznější, což znamená, že atomy zabírají menší podíl prostoru než v kalsiumkarbonátu.
V článku, jehož prvním autorem je Kangren Kong, nese tento kvalitativní znak větší odpovědnosti za praktickou práci. Publikace se objevila v uznávaném časopise Journal of the American Chemical Society.
Výpočet příjmu
Denní příjem kalsiumhydrogenuhličitanu z pitné vody se vypočítává na základě koncentrací kalsia a hydrogenuhličitanu v této vodě. Tento výpočet je proveden na základě analytických údajů vodovodní vody v Helsinkách, jak je udáváno HSY.
Vodovodní voda v Helsinkách obsahuje 18 miligramů kalsia na litr, což odpovídá 0,45 milimolům na litr. Kromě toho obsahuje vodovodní voda v Helsinkách 0,73 mmol/L hydrogenuhličitanových iontů.
Protože v rovnici Ca(HCO₃)₂ je potřeba hydrogenuhličitanových iontů dvakrát více než kationtů kalsia, omezujícím faktorem je v tomto případě hydrogenuhličitan. Aby se kalsium stalo omezujícím faktorem, muselo by být minimálně 0,90 mmol/L hydrogenuhličitanů.
Výpočet koncentrace kalsiumhydrogenuhličitanu tak vychází na 0,73 / 2 = 0,365 mmol/L. Když se toto vynásobí molární hmotností Ca(HCO₃)₂, která činí 162,08 g/mol, dostaneme hmotnostní koncentraci 59 mg na litr.
Jelikož člověk denně vypije přibližně dvě litry vody, dostaneme tak odhad přibližně 100 mg denně. Příjem se samozřejmě mění v závislosti na „tvrdosti“ místní pitné vody, tedy na obsahu vápníku. Vzhledem k tomu, že voda v oblasti Helsinek je většinou měkká, lze říci, že většina lidí na světě přijímá ze své pitné vody vyšší dávky.
Celkově obsahuje vodovodní voda v Helsinkách zhruba 99,99 hmotnostních procent vody a přibližně 0,01 procenta rozpuštěných látek. Důsledkem toho kalsiumhydrogenuhličitan představuje poměrně významnou část všech rozpuštěných látek v helsinském vodovodním systému.
Význam a technické poznámky
V předchozím výpočtu nebyla zohledněna skutečnost, že koncentraci solí v roztocích nelze jednoznačně určit, pokud se nejedná o jednotlivé ionty. V vodě helsinského vodovodu jsou hlavní pozitivní ionty kalsium a sodík, zatímco mezi negativními ionty dominují hydrogenuhličitan, síran a chlorid.
Jakým způsobem by měly tyto ionty být kombinovány, aby vytvořily kalsiumhydrogenuhličitan, kalsiumsulfát a kalsiumchlorid, a také natriumhydrogenuhličitan, natriumsulfát a natriumchlorid, je částečně interpretativní záležitostí. Lze vypočítat maximální a minimální hodnoty, avšak jediná hodnota není.
Výše zmíněný výsledek 59 mg/L představuje maximální možnou interpretaci. Minimální částka by v tomto případě, tedy v helsinském vodovodu, byla 26 mg/L. Vzhledem k tomu, že voda jinde na světě je obvykle tvrdší než v Helsinkách, interpretace maximální hodnoty není v tomto případě na závadu.
Obecný koeficient mezi minimální a maximální hodnotou neexistuje. Odpověď zcela závisí na složení vody a na obsahu soli, jejíž koncentraci se vypočítává.
Maximální hodnotu koncentrace každé soli lze vypočítat pouze na základě dvou iontů dané soli, bez potřebnosti dalších informací, zatímco určení minimální hodnoty vyžaduje prozkoumání celkového složení vody až s požadovanou přesností.
Tyto informace však lze získat z analýz HSY. Podrobnosti výpočtu zůstávají mimo tento text.
Předkladatel tohoto článku je diplomovaný inženýr chemického inženýrství.
