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柠檬酸钙的溶解度很低,为什么柠檬酸可以做除垢剂?

发布日期:2023-02-08 02:12 作者: 点击:

我们先来了解一下柠檬酸与结垢过程:

柠檬酸属于有机酸,固态为无色晶体, 常含有一分子结晶水,有很强的酸味, 易溶于水,其钙盐在冷水中比在热水中更易溶解。

从结构上讲,柠檬酸是一种三羧酸类化合物, 并因此而与其他羧酸有相似的物理和化学性质, 是一种较强的有机酸, 有 3 个 H^{+} 可以电离,属于三元弱酸,其在水中的电离常数为

PK_{1}=3.13,PK_{2}=4.76,PK_{3}=6.40

从电离常数来看,柠檬酸酸性比较强, 电离后主要存在形式和 PH 值有关。(在高中阶段的学习过程中会详细了解其水解、电离过程)

图一 几种常用的有机黢和无机酸对钢铁溶解力对比(赵江,2018)

关于水垢形成是在常生活中,水中 Ca^{2+}、Mg^{2+} 等成垢盐类在器具表面形成粘合性的沉积,产生 MgCO_{3}、CaCO_{3}、Mg(OH)_{2}等难溶物质。

虽然柠檬酸钙是一种极难溶于水的物质,但是在柠檬酸与氯化钙的水溶液中并不会产生沉淀。这是酸效应的原因。

任何难溶盐沉淀在水中都有一定的溶解度(即使是溶解度最小的硫化汞,在水中也有 3.14*10^{-23}mol/L 的溶解度,虽然这个值极其小,完全可以忽略)。

对于金属离子的弱酸盐沉淀,其溶解度还随PH值的变化而变化,这可以从平衡移动的原理得到解释:柠檬酸是一个三元弱酸, 0.1mol/L 水溶液的PH值约为2.1,若将氯化钙加到这样高酸度的柠檬酸溶液中,由于此时对于柠檬酸,溶液中的柠檬酸根的浓度是非常低的(总浓度是 0.1mol/L 时,柠檬酸根的浓度约为 4.8*10^{-10}mol/L ),与钙离子的浓度幂的积小于溶度积常数,因而不会沉淀,这种因PH值降低而导致沉淀溶解度增大或不沉淀的现象叫作沉淀溶解平衡的酸效应。

此外,柠檬酸与钙还可以生成络合物,也导致沉淀溶解度增大甚至不沉淀,后者叫作络合效应。

因而在工业除垢过程中柠檬酸要进行氨化, 生成柠檬酸盐酸铵。作为有效成份它与铁系氧化物反应以络合物的形式存在于清洗液中’ 其反应方程式如下:

H_3 C_6 H_5 O_7+NH_4 OH→NH_4 H_2 C_6 H_5 O_7+H_2 O

热力设备采用柠榢酸进行酸洗时, 使用 药品浓度为 2.5∼5\% 加 0.2∼0.3\% 抑制剂氨水, 调至 PH=3.5∼4.0,加热至 90^∘ C ,进行酸泵循环或浸泡, 清洗时间控制在3~5小时内。柠檬酸铵与垢质的反应方程式为:

NH_4 H_2 C_6 H_5 O_7+CaCO_3→NH_4 CaC_6 H_5 O_7+H_2O+CO_2\uparrow

与铁系氧化物的反应方程式为:

(NH_4 H_2 C_6 H_5 O_7+FeO→NH_4 FeC_6 H_5 O_7+H_2 O

2NH_4 H_2 C_6 H_5 O_7+Fe_2 O_3→2FeC_6 H_5 O_7+H_2 O+2NH_4 OH

3NH_4 H_2 C_6 H_5 O_7+Fe_3 O_4→NH_4 FeC_6 H_5 O_7+2FeC_6 H_5 O_7+2H_2 O+2NH_4 OH

柠檬酸铵将水垢主要成分碳酸钙、碳酸镁等水中游离钙、镁沉积物及铁锈分解, 生成可溶于水的络合物后, 反应结束。

参考资料:林劲柱,柠檬酸在化学清洗中的应用分析,【J】,贵州化工,2011,37-39,37-39

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关键词:泛酸和泛酸钙溶解度

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