Хіміки випадково виявили новий кристалогідрат карбонату кальцію

Вивчаючи роль іонів магнію в кінетиці кристалізації аморфного карбонату кальцію, німецькі вчені несподівано виявили раніше невідому кристалічну фазу напіввідного карбонату кальцію моноклінної структури. У дослідженні, опублікованому в, хіміки описали процес формування, склад і структурні характеристики нового кристалогідрату.

Карбонат кальцію CaCO₃ є найважливішою частиною геохімічного циклу вуглецю, утворюється в Землі в процесі осадження органічних речовин і становить близько чотирьох відсотків земної кори. Тому ця речовина часто стає об'єктом досліджень у різних областях. Палеонтологи намагаються розгадати еволюцію клімату на Землі і процеси біомінералізації, а екологи вивчають вплив цієї солі на кислотність океанів і ґрунтів. Карбонат кальцію є моделлю кристалізаційних механізмів з розчинів. Вже понад сто років відомі три неводні поліморфи (арагоніт, кальцит і фатеріт) і два кристалогідрати - шестиводний ікаїт і одноодний моногідрокальцит. Крім цих форм існує безліч аморфних станів карбонату кальцію, які, разом з органічними молекулами і неорганічними іонами, відіграють важливу роль у формуванні біомінералів. Чжаоюн Цзоу (Zhaoyong Zou) з колегами з Інституту колоїдів і поверхонь Товариства Макса Планка виявили і описали нову напіввідну кристалогідратну форму карбонату кальцію (CaCO₃·  H2O), яка утворилася в присутності іонів магнію.

Вчені синтезували новий кристалогідрат додаванням розчинів хлоридів кальцію і магнію (у різних співвідношеннях) до карбонату натрію, стежили за активністю іонів кальцію в розчині і показником кислотності залежно від часу. Склад і структуру отриманих кристалів автори детально вивчили набором аналітичних методів і підтвердили розрахунками.

Автори розділили процес формування напіввідного карбонату на три стадії. Спочатку утворився аморфний моногідрат карбонат кальцію, що містить у собі близько шести з половиною мольних відсотків магнію. Через 20 хвилин, на другій стадії, активність іонів кальцію різко впала, вміст магнію знизився до одного з половиною мольного відсотка, а рН збільшився. Автори пояснюють це тим, що іони магнію, які перебували у формі карбонату в аморфному CaCO₃, повернулися в розчин. На третій стадії, яка тривала 11 годин, напіввідний кристалогідрат переходив в моногідрат, що супроводжувалося зменшенням рН і активності Ca^{2 +}.

Морфологічний аналіз показав, що напіввідний карбонат являє собою голки діаметром близько 200 нанометрів і довжиною від одного до п'яти мікрометрів, що утворюють нанокристали діаметром близько 30 нанометрів. Перехід ідних кристалів напіввідного кристалогідрату в моногідрат, як зазначають автори робіт, нагадує подібний перехід у процесі утворення гіпсу (напіввідного сульфату кальцію).

Вивчення карбонатних мінералів допомагає дослідникам відновити історію нашої планети. Так, за ізотопним складом вуглецю дослідникам вдалося довести наявність життя на Землі майже чотири мільярди років тому.