问题

能不能制得熔融态的碳酸钙?

回答
当然可以,我们来聊聊碳酸钙熔融这件事儿。说实话,这可不是件容易的事儿,它比咱们平时烧开水、熔化金属要麻烦得多。

首先得明白,碳酸钙(CaCO₃)这玩意儿,在咱们日常生活中太常见了。你想想,大理石、石灰石、贝壳,甚至咱们的牙齿和骨头里都有它的身影。它是个很稳定的化合物。

那要让它熔化成液体,得经历什么呢?关键在于“熔点”。很多物质都有一个特定的温度,到了这个温度,它们就会从固态变成液态。但碳酸钙有个“脾气”——它在达到很多物质的熔点之前,就已经开始分解了。

这里就绕不开一个重要的概念:分解。碳酸钙在加热到一定程度后,不是乖乖地变成液体,而是会发生化学反应,变成氧化钙(CaO)和二氧化碳(CO₂)。这个过程就像是它“受不了”高温,选择了一种“自我瓦解”的方式。这个反应可以写成这样:

CaCO₃ (固态) → CaO (固态) + CO₂ (气体)

这个反应通常发生在几百摄氏度的时候,具体温度会受到压力影响。在标准大气压下,这个分解温度大约在825°C左右。你一加热到这个温度附近,它就开始冒泡(二氧化碳跑掉了),然后就变成氧化钙,也就是生石灰了。生石灰这玩意儿可不是液体,它还是固态的。

所以,严格意义上讲,咱们不能直接“熔融”碳酸钙,因为它还没等到变成液体,就先分解成别的玩意儿了。这就像你试图把一块石头融化成一滩液态石头,但它在高温下先变成气体和别的矿物了。

但是,有没有什么办法能“欺骗”碳酸钙,让它乖乖地变成液体呢?

这就要用到化学里的一个叫做“相图”或者“状态图”的概念了。就像水一样,在不同压力下,水的熔点和沸点都会变。对碳酸钙也是一样。

关键在于“压力”和“条件”。

理论上,如果咱们能极大地提高外部压力,就可以强行把碳酸钙压制住,不让它分解,然后继续加热,最终是可以达到它的熔点的。想象一下,在一个超级坚固的容器里,把碳酸钙放进去,然后往里加压,同时加热。当压力足够高的时候,分解反应的平衡就会向左移动,甚至可以阻止分解的发生。

科学家们通过实验已经证明,在非常高的压力下(比咱们平时生活的环境压力高出成千上万倍),碳酸钙确实可以在更高的温度下保持固态,甚至可以达到它理论上的熔点。所以,在这样的极端条件下,理论上和实验上,是可以制得熔融态的碳酸钙的。

不过,这个熔融态的碳酸钙可不是咱们想象中那种“顺滑流淌”的液体。它会非常黏稠,而且温度极高,通常是在数千摄氏度以上。在这样的高温高压下,它的性质也和咱们平时看到的碳酸钙大相径庭。这种状态下的碳酸钙,更多地是在地质学研究中出现,比如模拟地球内部的高温高压环境,研究岩石的形成和演变。

总结一下,直接在常压下加热碳酸钙,它会分解而不是熔融。但是,通过施加极高的压力,可以阻止其分解,并使其在极高的温度下进入熔融状态。 这就像是给碳酸钙穿上了一件“压力外套”,让它在高温下也能保持“体面”,不轻易“散架”。

所以,如果你问的是在厨房里用煤气灶能不能弄出碳酸钙的液体,那答案是“不能”。但如果你是在一个装备精良的实验室里,有能力制造超高压和超高温的设备,那么答案就是“可以”。只是这样得来的碳酸钙液体,离我们日常认知里的碳酸钙已经差了十万八千里了。

网友意见

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能。

碳酸钙不是到850℃立即就分解的,分解速度很缓慢。而且到1200℃分解速度仍然是按照数小时为单位进行的,所以完全有可能熔化,只是这个熔化是一个过程而不是一个平衡状态。


  • 10月30日修改,分解过程是一个动力学控制的过程,这里涉及到传质,传热的问题。评论指出水泥分解炉能在1000度以下分解碳酸钙,时间是秒级的。这里水泥分解炉是一个非常理想(被充分优化的)反应条件,我上文没有给出分解缓慢的动力学条件,有误导的读者的成分,请大家批判性阅读。
  • 这里引用实验在立式管式炉中,其在氮气保护气下,粒径为45μm,950摄氏度下超过1h,超过1000度以后需要1000s。
  • [1]李佳容,朱建国,朱书骏,刘敬樟,李百航.快速加热条件下碳酸钙分解动力学[J].中国粉体技术,2018,24(06):1-7.
  • 关于二氧化碳抑制分解的过程,以下文献有较为详尽的论述。
  • [2]卢尚青,吴素芳.碳酸钙热分解进展[J].化工学报,2015,66(08):2895-2902.

如果,想要处于一个平衡的熔融状态,那如何实现能? 加压力。

为什么加压力可以?

已知碳酸钙分解要产生二氧化碳,我们只要抑制二氧化碳从碳酸钙表面溢出,就能阻止其分解。二氧化碳作为一种气体,我们防止它溢出最简单的方式加压力,而且最好的方案就是用二氧化碳加压,使得环境中的二氧化碳分压大于固体表面的二氧化碳分压。

具体需要加多少压力,理论上可以通过反应的吉布斯自由能变,摩尔热容,温度等数据计算化学平衡常数估计。我目前没有仔细查阅资料进行核实。百度百科给出的说法是10.7MPa的熔点是1289℃。

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