O íon cálcio é um dos cátions comumente encontrado em maiores concentrações em sistemas de água doce.
É oriundo predominantemente de minerais tais como CaSO4.2H2O (gesso), CaMg(CO3)2 (dolomita) e CaCO3 em diferentes formas minerais (calcita e aragonita). Os íons cálcio e magnésio contribuem para o parâmetro agregado "dureza da água" definido como:
Dureza = [Ca+2] + [Mg+2]
O efeito mais conhecido da presença de cálcio e/ou magnésio na água de consumo é a formação de sais insolúveis com os ânions dos sabões, formando uma espécie de "nata" na água de lavagem ou incrustações em tubulações.
Experimentalmente a dureza pode ser determinada mediante a titulação da amostra com EDTA (ou outra técnica analítica que quantifique cálcio e magnésio, AA) e expressa não como concentração molar de íons, mas como a massa em miligramas/L de carbonato de cálcio que contém o mesmo número total de íons divalentes (2+) da amostra.
A constante de equilíbrio que governa essa reação é chamada produto de solubilidade ou Kps, através da qual é possível calcular a solubilidade da substância em água.
Kps = [Ca+2][CO3-2] = 4,47 × 10-9
Por exemplo, a solubilidade do carbonato de cálcio em água pura ( em um sistema isolado do ar e ignorando outras reações do íon carbonato em água) pode ser calculada conforme o procedimento:
A dissolução de CO2 em água tende a aumentar a solubilização de CaCO3 devido a reação:
Essa mistura de Cálcio e bicarbonato costuma ser chamada Dureza Temporária por que quando o CO2 dissolvido é liberado durante a ebulição da água, o equilíbrio anterior é deslocado para a esquerda, formando um precipitado branco de carbonato de cálcio. Uma das causas da formação de incrustações em sistemas de geração de vapor.
Lembre-se que o CO2 dissolvido produz ácido carbônico
Um outro fator que deve ser levado em conta no cálculo da solubilidade é a concentração de íons no meio (força iônica) que afeta um parâmetro chamado "atividade" e tem como efeito prático uma solubilidade real maior do que a solubilidade teórica.
Apenas como exemplo, a solubilidade do carbonato de cálcio em água com força iônica 0,10 (próximo a água do mar) é de 17,4 x 10-5 M, mais que o dobro da concentração em água pura, 6,69 x 10-5 M. (http://jan.ucc.nau.edu/~doetqp- p/courses/env440/env440_2/lectures/lec8/lec8.html)
É importante saber, também, que uma parcela significativa da solubilidade de um sólido iônico é devida à dissolução da forma neutra do sal (Solubilidade Intrínseca, como por exemplo no caso do sulfato de cálcio.(Fonte: (Stanley E. Manaham, 2000, pág. 125)
Neste caso a solubilidade intrínseca representa metade da solubilidade total do sal.
O índice de saturação (IS) de carbonato de cálcio é um parâmetro estimado com base nos resultados de alcalinidade total, cálcio total, pH, temperatura e a força iônica (estimada pela condutividade ou sólidos dissolvidos totais) com o uso de diagramas ou softwares específicos.
Este índice permite prever a tendência de solubilização ou precipitação de CaCO3 da água e a consequente formação de incrustações em tubulações e equipamentos.
Segundo esse índice a água pode estar em 3 condições:
IS > 0 - água supersaturada, com tendência a precipitação do CaCO3
IS = 0 - água saturada, em equilíbrio
IS < 0 - água subsaturada, com tendência a dissolução de CaCO3
Há duas categorias gerais de índice, o que determina a tendência de precipitação/solubilização e o que estima a quantidade que pode precipitar.
