Does Calcium Carbonate React with Sodium Sulfate? - Part 9
Реагирует ли карбонат кальция с сульфатом натрия? - Часть 9

Despite the fact that barium sulfate is approximately ten times less soluble in water than barium carbonate, a previous experiment successfully converted barium sulfate to the carbonate by treatment with a soda ash solution. This inspired the next experiment.

The solubility of calcium sulfate in water is approximately 0.21 g/100 ml, while that of calcium carbonate is 0.0015 g/100 ml (at 20 °C). Unlike the corresponding barium salts, calcium carbonate is less soluble in water than the sulfate; their solubility differs by about 140 times.

**Question:** Is it possible to convert calcium carbonate into calcium sulfate by reacting it with an excess of sodium sulfate solution, even though calcium carbonate is much less soluble? I estimated the chances of success to be low. Moreover, I doubted the practical value of converting chalk and sodium sulfate into gypsum and sodium carbonate. However, I was curious to see whether this reaction would occur, especially since the starting materials are inexpensive and readily available.

I arrived at the lab even though the power in the area was about to go out. I wanted to start the experiment quickly so I could boil the mixture for as long as possible. My first problem was finding the reagents. I found the calcium carbonate quickly, and then began looking for sodium sulfate. It is cheap and commonly available, but I did not have any on hand. I reviewed all the reagent lists in the lab but did not see sodium sulfate. Perhaps we did not have it? I wanted to ask a colleague, but he had not come to work because the power was expected to be shut down.

I carefully checked the lists again and found sodium sulfate on the last page. I opened the box where it was supposed to be stored and began removing bottles one by one, reading the labels. I found several rare and expensive substances, but still no sodium sulfate. Then I found ammonium sulfate, but it was unsuitable for this experiment because it partially hydrolyzes, forming sulfuric acid, which reacts with carbonates. With similar success, one could simply react calcium carbonate with sulfuric acid.

The sodium sulfate was in the last jar I pulled from the box. Since the search had taken longer than expected, I now had to work against the clock.

I weighed 0.36 g of calcium carbonate into a beaker, added 10 g of anhydrous sodium sulfate and 100 ml of water. I placed the beaker on a hot plate and covered it with a Petri dish. Then I became distracted with other work. A little later, I returned to the hot plate - the solution was boiling, the calcium carbonate had gathered mostly at the bottom, and the Petri dish… had disappeared. Had it fallen from the beaker because of vigorous boiling? I searched for the dish - it was nowhere to be seen. Then I noticed it on the floor about a meter and a half away from the beaker; to my surprise, the glass dish had not broken.

I covered the beaker with another, heavier Petri dish. The liquid boiled and foamed vigorously. To improve mixing, I placed a magnetic stir bar into the beaker and periodically moved the beaker from the hot plate to the magnetic stirrer. As the liquid evaporated, I added more distilled water. I managed to boil the mixture for an hour and then left it to stand overnight.

**What was my plan next?** If calcium carbonate partially converts to calcium sulfate in the solid phase, then a small portion of the sodium sulfate in the solution converts to sodium carbonate. The solid phase should then be filtered, and the filtrate collected in a separate beaker. Afterward, the solid should be rinsed thoroughly on the filter and transferred to a small beaker.

Then the filtrate should be analyzed. First, measure its pH; if sodium carbonate is present, the solution will be slightly alkaline. Next, add nitric acid to the filtrate. If sodium carbonate is present, carbon dioxide will be released.

Next, analyze the solid phase. Add an excess of nitric acid dropwise. Carbon dioxide will be released, and the calcium carbonate will dissolve. If some of the calcium carbonate converted to sulfate, a white suspension will appear, since calcium sulfate does not dissolve in nitric acid. If the solid dissolves completely, no calcium sulfate is present.

**Caution 1.** Calcium carbonate reacts with atmospheric carbon dioxide and water to form calcium bicarbonate. This can lead to bicarbonate anions in the solution, which release carbon dioxide when exposed to acids. To avoid this, heat the solution and boil it before filtering, then filter it hot. Calcium bicarbonate decomposes upon boiling.

**Caution 2.** Calcium sulfate is poorly soluble in water, but its solubility cannot be neglected in this experiment. It dissolves even better in dilute nitric acid. As the acid concentration increases, its solubility first increases, reaching a maximum around 10% HNO?, and then decreases. If only a small amount of calcium sulfate is present in the solid, it may dissolve completely in nitric acid. Therefore, use a minimal amount of water when transferring the precipitate from the filter to the beaker, and add 56% nitric acid.

The next day, I gradually heated the contents of the beaker to boiling, boiled it for about an hour, and then filtered the solution without letting it cool. A pleasant surprise occurred: large, rod-shaped crystals of sodium sulfate formed in the flask containing the filtrate. Some of them were as long as the diameter of the flask (8 cm).

I decanted the solution from the crystals and measured its pH with indicator paper. The solution was slightly alkaline, with a pH of about 8. This indirectly confirmed the presence of sodium carbonate in the solution. Meanwhile, sodium sulfate crystals continued to form.

I added 56% nitric acid to the solution. No carbon dioxide evolution was observed. Carbonate ions were not detected. This result contradicts the possibility of a reaction between calcium carbonate and sodium sulfate during boiling. However, if the carbonate concentration is very low, carbon dioxide evolution may not be noticeable.

I then examined the precipitate. I added 56% nitric acid dropwise to the solid transferred to the beaker. Carbon dioxide was released, and the calcium carbonate dissolved. However, despite the excess nitric acid, some of the solid remained suspended. These particles did not dissolve even when the pH reached 0. **Conclusion:** the undissolved residue was calcium sulfate.

Thus, when boiling calcium carbonate with an excess of sodium sulfate solution, part of the calcium carbonate converted to calcium sulfate, which did not dissolve in nitric acid.

**Question: Have we forgotten anything?**

Photos/Video

Реагирует ли карбонат кальция с сульфатом натрия? - Часть 9

Несмотря на то, что сульфат бария примерно в 10 раз меньше растворим в воде, чем карбонат бария, в предыдущем эксперимента удалось превратить сульфат бария в карбонат действием раствора кальцинированной соды. Это подсказало идею для следующего эксперимента.

Растворимость сульфата кальция в воде составляет примерно 0.21 г/100 мл, карбоната кальция - 0.0015 г/100 мл (при 20°С). В отличие от соответствующих солей бария, карбонат кальция меньше растворим в воде, чем сульфат, причем их растворимость отличается примерно в 140 раз.

**Вопрос**: можно ли превратить карбонат кальция в сульфат кальция, используя реакцию карбоната кальция с избытком раствора сульфата натрия - несмотря на то, что карбонат кальция гораздо меньше растворим? Я оценивал шанс успеха такого эксперимента как низкий. Более того, сомневаюсь в практической ценности превращения мела и сульфата натрия в гипс и карбонат натрия. Зато было любопытно, произойдет ли данная реакция? Тем более, что исходные вещества дешевые и доступные.

Пришел в лабораторию, несмотря на то, что в этом районе скоро должны были отключить электричество. Хотел побыстрее начать эксперимент, чтобы успеть прокипятить смесь как можно дольше. Первая проблема: я должен был найти реактивы. Карбонат кальция нашел быстро, стал искать сульфат натрия. Реактив дешевый и доступный, но под рукой его не оказалось. Пересмотрел все списки реактивов, которые были в лаборатории, - сульфата натрия в списках не нашел. Может, его у нас нет? Хотел попросить у коллеги, но он не пришел на работу из-за скорого отключения электричества. Внимательно пересмотрел списки еще раз - на последней странице нашел сульфат натрия. Открыл коробку, в которой должен быть данный реактив, стал доставать баночки, читая этикетки. Нашел несколько редких и дорогих веществ, но сульфата натрия все не было. Затем нашел сульфат аммония, но это вещество не подходило для данного эксперимента, поскольку сульфат аммония частично гидролизует, образуя серную кислоту, которая реагирует с карбонатами. С аналогичным успехом можно было бы провести реакцию карбоната кальция с серной кислотой.

Сульфат натрия оказалось в последней баночке, которую я достал из коробки. Поскольку поиск затянулся, работать пришлось наперегонки со временем.

Взвесил в стакане 0.36 г карбоната кальция, добавил к нему 10 г безводного сульфата натрия и 100 мл воды. Поставил стакан греться на плитку, накрыл чашкой Петри. Вынужденно отвлекся, поскольку одновременно была другая работа. Чуть позже подошел к плитке - раствор кипел, карбонат кальция сосредоточился преимущественно на дне, а чашка Петри... исчезла. Упала из-за бурного кипения жидкости? Ищу чашку - ее нигде нет. Потом обнаружил чашку на полу на расстоянии полтора метра от стакана, к моему удивлению стеклянная чашка Петри не разбилась.

Накрыл стакан другой более массивной чашкой Петри. Жидкость кипела и активно пенилась. Для улучшения перемешивания поместил в стакан магнитный якорь и время от времени переставлял стакан с плитки на магнитную мешалку. По мере испарения, добавлял в стакан новые порции дистиллированной воды. Успел прокипятить стакан в течение часа. Оставил стоять на ночь.

**Что я планировал дальше?** Если в твердой фазе карбонат кальция частично превращается в сульфат кальция, это значит что, в растворе небольшая часть сульфата натрия превращается в карбонат натрия. Твердую фазу необходимо отфильтровать, фильтрат собрать в отдельный стакан. Далее, твердую фазу тщательно промыть на фильтре и перенести в маленький стаканчик.

Затем исследовать фильтрат. Сначала измерить рН фильтрата, если присутствует карбонат натрия, раствор будет слабощелочным. Далее добавить к фильтрату азотную кислоту. Если в растворе присутствует карбонат натрия, выделится углекислый газ.

После этого исследовать твердую фазу. Добавить к ней по капле избыток азотной кислоты. Выделится углекислый газ, карбонат кальция растворится. Если часть карбоната кальция превратилась в сульфат, образуется белая суспензия, поскольку сульфат кальция в азотной кислоте не растворится. Если твердая фаза растворяется полностью, сульфат кальция в ней отсутствует.

**Предостережение 1.** Карбонат кальция реагирует с углекислым газом воздуха и водой, переходя в раствор гидрокарбоната кальция. В результате в растворе могут оказаться анионы гидрокарбоната, которые выделяют углекислый газ при действии кислот. Чтобы избежать этого, раствор перед фильтрованием следует нагреть до кипения и фильтровать горячим. При кипячении гидрокарбонат кальция разлагается.

**Предостережение 2**. Сульфат кальция плохо растворяется в воде, однако в данном эксперименте его растворимостью пренебрегать нельзя. Еще лучше он растворяется в разбавленной азотной кислоте. С увеличением концентрации кислоты, растворимость соли сначала возрастает, достигает максимума примерно при 10% HNO3, а затем уменьшается. Если в твердой фазе присутствует лишь небольшое количество сульфата кальция, вещество может полностью раствориться в азотной кислоте. Следовательно, необходимо использовать минимальное количество воды для перенесения осадка с фильтра в стакан и добавлять 56% азотную кислоту.

На следующий день повторно нагрел раствор в стакане до кипения, кипятил примерно час, затем профильтровал раствор, не дав ему остыть. Произошла приятная неожиданность - в колбе с фильтратом образовались огромные кристаллы сульфата натрия в форме палочек. Длинна некоторых из них была равна диаметру колбы (8 см).

Декантировал раствор с кристаллов, измерил его рН индикаторной бумагой. Раствор оказался слабощелочным с рН около 8. Это косвенно подтверждало наличие в растворе карбоната натрия. Тем временем из раствора продолжали выпадать кристаллы сульфата натрия.

Добавил к раствору 56% азотную кислоту. Выделение углекислого газа не наблюдалось. Ионы карбоната в растворе не обнаружены. Данный факт отрицает протекание реакции между карбонатом кальция и сульфатом натрия при кипячении. Однако, если карбоната в растворе мало, выделения углекислого газа можно не заметить.

Перешел к исследованию осадка. К осадку, перенесенному в стаканчик, по каплям добавил 56% азотную кислоту. Выделился углекислый газ, карбонат кальция растворился. Однако, несмотря на избыток азотной кислоты, часть твердой фазы осталась в виде суспензии. Твердые частицы не растворились в кислоте, даже когда рН раствора был равен 0. **Вывод**: не растворившийся остаток представлял собой сульфат кальция.

Таким образом, при кипячении карбоната кальция с избытком раствора сульфата натрия часть карбоната кальция превратилась в сульфат, который не растворился в азотной кислоте.

**Вопрос: а мы ничего не забыли?**

[ Alkaline earth metals ]

Calcium, Strontium, and Barium - Discussion on the forum
[Submit a Comment / Error Message - Отправить Комментарий / Сообщение об ошибке]