Stel je een stof voor die overal in de natuur en in het dagelijks leven van elke persoon aanwezig is – zelfs zo intiem dat elke persoon ter wereld dagelijks minstens ongeveer 100 milligram ervan consumeert. Dit jaar is deze stof historisch gezien voor het eerst in pure vorm geproduceerd.
Deze stof bestaat: het gaat om calciumwaterstofcarbonaat, ook wel calciumcarbonaat genoemd, met de chemische formule Ca(HCO₃)₂. Een groep Chinese chemici is erin geslaagd om dit anorganische mineraal voor het eerst te synthetiseren, zo meldde Chemistry World in oktober.
Er was geen gebrek aan pogingen om calciumwaterstofcarbonaat te produceren; chemici voorspelden het bestaan ervan bijna 200 jaar geleden.
Het vreemde aan calciumwaterstofcarbonaat is dat het in vaste toestand meestal helemaal niet stabiel is. In een waterige oplossing verkeert het echter zonder problemen in een gelukkige toestand.
Feitelijk is Ca(HCO₃)₂ de meest voorkomende vorm van calcium in zoet water en, dus, ook in drinkwater. Hierdoor drinkt elke persoon ter wereld dagelijks ten minste ongeveer 100 milligram calciumwaterstofcarbonaat.
In vaste vorm is de situatie anders. Pogingen om calciumwaterstofcarbonaat te neerslaan leiden meestal tot de vorming van gewone kalksteen CaCO₃. Omgekeerd vormt kalksteen onmiddellijk calciumwaterstofcarbonaat wanneer het in water oplost, als de pH van de oplossing ongeveer neutraal of licht basisch is, tussen de 6 en 10.
Calciumwaterstofcarbonaat moet niet worden verward met calciumcarbonaat (zonder de tussenliggende “waterstof”) en ook niet met natriumwaterstofcarbonaat NaHCO₃. Laatstgenoemde is bekend als baksoda. Hierin zit als negatief ion waterstofcarbonaat, maar in plaats van calcium heeft het natrium als positief ion.
Oplossing gevonden
Het onderzoeksteam onder leiding van Ruikang Tang vond een manier om dit probleem te omzeilen door calciumwaterstofcarbonaat uit ethanol, oftewel gewone alcohol, te synthetiseren. Dit nieuwe hoogstaande chemisch onderzoek zou dus niet zonder deze alcohol zijn gelukt.
Calciumwaterstofcarbonaatkristallen werden neergeslagen uit een waterige oplossing van calciumchloride en ammoniak in ethanol, toen er kooldioxide werd toegevoegd. Doordat ammoniak de oplossing licht basisch maakte, veranderde kooldioxide in waterstofcarbonaat en neersloeg in de aanwezigheid van calcium.
De kristallisatie uit ethanol was mogelijk omdat waterstofcarbonaat-ionen in ethanol niet zo gemakkelijk afbreken zoals in water. Dit komt doordat ethanol als organisch oplosmiddel zout niet zo goed kan oplossen als water.
Dit verschil in oplosbaarheid is vooral merkbaar bij zouten wiens negatieve ionen dubbele of meervoudige ladingen hebben.
Daarom kan een bicarbonaat-ion met twee negatieve ladingen in ethanol niet eens tijdelijk ontstaan voordat het kristalliseert. Dit houdt de waterstofcarbonaat-ionen samen en laat ze samen met calcium naar de bodem van het vat kristalliseren.
De analyse van de kristallen met röntgendiffractie onthulde dat de kristalstructuur van calciumwaterstofcarbonaat vergelijkbaar is met die van calciumcarbonaat, maar dat dit kristal op atomair niveau poreuzer is; met andere woorden, atomen vullen een kleiner aandeel van de ruimte in dan in calciumcarbonaat.
In het artikel van Tang en zijn team wordt Kangren Kong als eerste auteur vermeld, wat meestal betekent dat deze persoon de grootste verantwoordelijkheid draagt voor het praktische werk. Het artikel is gepubliceerd in het gerespecteerde tijdschrift Journal of the American Chemical Society.
Hoe de dagelijkse dosis wordt berekend
De dagelijkse hoeveelheid calciumwaterstofcarbonaat die mensen uit hun drinkwater krijgen, wordt berekend op basis van de concentraties van calcium en waterstofcarbonaat in het drinkwater. De volgende berekening is gebaseerd op de analysegegevens van het drinkwater in Helsinki die door HSY zijn gepresenteerd.
Het drinkwater in Helsinki bevat 18 milligram calcium per liter, wat betekent dat er qua hoeveelheid calciumionen 0,45 millimool per liter is. Het water bevat 0,73 mmol/L waterstofcarbonaat-ionen.
Aangezien in de formule Ca(HCO₃)₂ er dubbel zoveel waterstofcarbonaat-ionen als calciumionen nodig zijn, is waterstofcarbonaat hier de beperkende factor. Om calcium als beperkende factor te hebben, zou de hoeveelheid waterstofcarbonaat minstens 0,90 mmol/L moeten zijn.
De concentratie van calciumwaterstofcarbonaat komt daardoor uit op 0,73 / 2 = 0,365 mmol/L. Vermenigvuldig dit met de molaire massa van Ca(HCO₃)₂, die 162,08 g/mol is, om de massaConcentratie van 59 mg per liter te krijgen.
Aangezien een persoon ongeveer twee liter water per dag drinkt, leidt dit tot een schatting van ongeveer 100 mg per dag.
De hoeveelheid varieert natuurlijk afhankelijk van hoe “hard” het plaatselijke drinkwater is, oftewel de hoeveelheid calcium die het bevat. In Finland is water meestal in bepaalde gebieden zacht – ook in Helsinki – daarom kunnen we zeggen dat de meeste mensen ter wereld aanzienlijk grotere hoeveelheden uit hun drinkwater krijgen dan deze schattingen.
In het totaal bevat het drinkwater in Helsinki ongeveer 99,99 massa-percentiële water en ongeveer 0,01 procent opgeloste stoffen. Calciumwaterstofcarbonaat vormt dus een vrij groot deel van alle opgeloste stoffen in het drinkwater van Helsinki.
Een technische opmerking
In de bovengenoemde berekening is niet in overweging genomen dat in zoutoplossingen met water het uitzonderingen uitgezonderd moeilijk kan zijn om eenduidig vast te stellen wat de concentratie van een bepaalde zout is. Alleen de concentraties van vrije ionen zijn eenduidig; hun samenvoeging tot zouten niet.
Bijvoorbeeld in het drinkwater van Helsinki zijn de belangrijkste positieve ionen calcium en natrium in deze volgorde. Evenzo zijn de belangrijkste negatieve ionen waterstofcarbonaat, sulfaat en chloride.
In welke verhouding deze ionen moeten worden gecombineerd tot calciumwaterstofcarbonaat, calcium sulfaat en calcium chloride, en ook natriumwaterstofcarbonaat, natriumsulfaat en natriumchloride, is voor een deel interpretatie afhankelijk. Maximale en minimale waarden kunnen worden berekend, maar er is geen eenduidig nummer.
De eerder berekende waarde van 59 mg/L is de grootste mogelijke interpretatie. De minimale interpretatie zou in dit geval, in het drinkwater van Helsinki, 26 mg/L zijn. Aangezien het water elders ter wereld gewoonlijk harder is dan in Helsinki, doet de interpretatie op basis van het maximum geen kwaad.
Er is geen algemene factor tussen het minimum en maximum. Het antwoord hangt volledig af van de specifieke samenstelling van het water en van het zout waarvan de concentratie wordt berekend.
Waarbij de maximale waarde voor de concentratie van elk zout alleen kan worden berekend op basis van de twee ionen van dat specifieke zout, zonder verdere informatie, vereist de berekening van de minimale waarde dat de gehele samenstelling van het water wordt nagekeken tot de precisie waarmee het antwoord moet worden gerapporteerd.
Gelukkig zijn deze gegevens ook te vinden in de analyses van HSY. We laten de details van de berekening buiten beschouwing.
Deze nieuwsartikel is geschreven door een ingenieur in de chemische techniek.
