Кратко: термическая декарбонизация карбонатов описывается общей равновесной реакцией и зависит от температуры и парциального давления ${\text{CO}}_2$. В смеси карбонатов натрия и кальция при нагреве в большинстве практических условий первым разлагается карбонат кальция; карбонат натрия термически более устойчив и в обычных условиях не даёт оксида натрия.
1) Общая равновесная реакция:
${\text{MCO}}_3(s)\rightleftharpoons \text{MO}(s)+{\text{CO}}_2(g)$
Эквивалентное условие равновесия:
$$p_{C{O}_2}^{eq}=K_p(T)=\exp \left(-\frac{\Delta G^{\circ }(T)}{RT}\right),$$ или
$$\Delta G^{\circ }(T)=-RT\ln p_{C{O}_2}^{eq}.$$ Вывод: повышение $T$ и понижение $p_{C{O}_2}$ смещают равновесие к оксиду + $C{O}_2$.
2) Конкретные реакции:
- Кальций:
${\text{CaCO}}_3(s)\to \text{CaO}(s)+{\text{CO}}_2(g)$.
При $p_{C{O}_2}=1$ бар температура декарбонизации порядка $\sim 700-900^{\circ }\text{C}$ (обычно ≈ $825^{\circ }\text{C}$ в зависимости от чистоты и размера зерен).
- Натрий:
${\text{Na}}_2{\text{CO}}_3(s)\to {\text{Na}}_2\text{O}(s)+{\text{CO}}_2(g)$.
Однако ${\text{Na}}_2{\text{CO}}_3$ устойчив при тех же температурах (плавление ≈ $851^{\circ }\text{C}$), и для её распада до ${\text{Na}}_2\text{O}$ требуется либо экстремально высокая $T$, либо очень низкое $p_{C{O}_2}$ (в вакууме). На практике в открытой атмосфере ${\text{Na}}_2{\text{CO}}_3$ сохраняется.
3) Предсказание продуктов в типичных условиях
- Нагрев в воздухе до 800–1000°C: ${\text{CaCO}}_3$ даст $\text{CaO}$ и $C{O}_2$; ${\text{Na}}_2{\text{CO}}_3$ останется (возможно расплавится при >$851^{\circ }\text{C}$). Конечная твёрдая фаза: смесь $\text{CaO}$ + ${\text{Na}}_2{\text{CO}}_3$ (и газ $C{O}_2$).
- Нагрев в вакууме или при активно удаляемом $C{O}_2$: оба карбоната могут смещаться к оксидам при достаточно высокой $T$ — конечные продукты $\text{CaO}$ и, при очень высоких $T$, ${\text{Na}}_2\text{O}$ (плюс эволюция $C{O}_2$).
- При высоком $p_{C{O}_2}$ (закрытая система с CO2): разложение подавлено — карбонаты сохраняются.
4) Дополнительные замечания
- Плавление ${\text{Na}}_2{\text{CO}}_3$ даёт жидкую фазу, которая может ускорять диффузию и реакцию; CaO может диспергироваться в расплаве, но это не равнозначно полной декарбонизации Na-составляющей.
- При охлаждении полученные оксиды легко рекарбонизируются на контакте с $C{O}_2$ и влагой (особенно ${\text{Na}}_2\text{O}$ гигроскопичен и быстро захватывает $C{O}_2$).
Короткий вывод: при нагреве смеси в обычной атмосфере ожидайте распад ${\text{CaCO}}_3\to \text{CaO}+C{O}_2$ при сохранении ${\text{Na}}_2{\text{CO}}_3$; для получения ${\text{Na}}_2\text{O}$ потребуется очень высокая температура или низкое $p_{C{O}_2}$.