Сульфат кальция - Calcium sulfate

Сульфат кальция
Сульфат кальция безводный
Полугидрат сульфата кальция
Имена
Другие имена
Идентификаторы
3D модель ( JSmol )
ЧЭБИ
ЧЭМБЛ
ChemSpider
DrugBank
ECHA InfoCard 100.029.000 Отредактируйте это в Викиданных
Номер ЕС
Номер E E516 (регуляторы кислотности, ...)
7487
КЕГГ
Номер RTECS
UNII
  • InChI = 1S / Ca.H2O4S / c; 1-5 (2,3) 4 / ч; (H2,1,2,3,4) / q + 2; / p-2 проверитьY
    Ключ: OSGAYBCDTDRGGQ-UHFFFAOYSA-L проверитьY
  • InChI = 1 / Ca.H2O4S / c; 1-5 (2,3) 4 / ч; (H2,1,2,3,4) / q + 2; / p-2
    Ключ: OSGAYBCDTDRGGQ-NUQVWONBAU
  • [Ca + 2]. [O-] S ([O -]) (= O) = O
Характеристики
CaSO 4
Молярная масса 136,14 г / моль (безводный)
145,15 г / моль (полугидрат)
172,172 г / моль (дигидрат)
Появление белое твердое вещество
Запах без запаха
Плотность 2,96 г / см 3 (безводный)
2,32 г / см 3 (дигидрат)
Температура плавления 1460 ° С (2660 ° F, 1730 К) (безводный)
0,26 г / 100 мл при 25 ° C (дигидрат)
4,93 × 10 −5 моль 2 л −2 (безводный)
3,14 × 10 −5 (дигидрат)
Растворимость в глицерине слаборастворимый (дигидрат)
Кислотность (p K a ) 10,4 (безводный)
7,3 (дигидрат)
-49,7 · 10 −6 см 3 / моль
Состав
ромбический
Термохимия
107 Дж · моль −1 · K −1
-1433 кДж / моль
Опасности
Паспорт безопасности См .: страницу данных
ICSC 1589
NFPA 704 (огненный алмаз)
1
0
0
точка возгорания Не воспламеняется
NIOSH (пределы воздействия на здоровье в США):
PEL (Допустимо)
TWA 15 мг / м 3 (всего) TWA 5 мг / м 3 (соответственно) [только для безводной формы]
REL (рекомендуется)
TWA 10 мг / м 3 (всего) TWA 5 мг / м 3 (соответственно) [только безводный]
IDLH (Непосредственная опасность)
ND
Родственные соединения
Другие катионы
Сульфат магния Сульфат
стронция Сульфат
бария
Связанные осушители
Хлорид кальция
Сульфат магния
Родственные соединения
Штукатурка Парижская
Гипсовая
Страница дополнительных данных
Показатель преломления ( n ),
диэлектрическая проницаемостьr ) и т. Д.
Термодинамические
данные
Фазовое поведение
твердое тело – жидкость – газ
УФ , ИК , ЯМР , МС
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
☒N проверить  ( что есть   ?) проверитьY☒N
Ссылки на инфобоксы

Сульфат кальция (или сульфат кальция ) - это неорганическое соединение с формулой CaSO 4 и родственные гидраты . В форме γ- ангидрита ( безводная форма) он используется как осушитель . Один конкретный гидрат более известен как гипс , а другой встречается в природе как минеральный гипс . Он имеет множество применений в промышленности. Все формы представляют собой белые твердые вещества, которые плохо растворяются в воде. Сульфат кальция вызывает постоянную жесткость воды.

Состояния гидратации и кристаллографические структуры

Соединение существует на трех уровнях гидратации, соответствующих разным кристаллографическим структурам и различным минералам в природе:

  • CaSO 4 ( ангидрит ): безводное состояние.
  • CaSO 4 · 2 H 2 O ( гипс и селенит (минерал) ): дигидрат.
  • CaSO 4 · 12 H 2 O ( бассанит ): полугидрат, также известный как гипс Парижа . Иногда выделяют специфические полугидраты: α-полугидрат и β-полугидрат.

Использует

Основное применение сульфата кальция - производство гипса и лепнины . В этих применениях используется тот факт, что сульфат кальция, который был измельчен и кальцинирован, образует формуемую пасту при гидратации и затвердевает в виде кристаллического дигидрата сульфата кальция. Также удобно, что сульфат кальция плохо растворяется в воде и не растворяется легко при контакте с водой после его затвердевания.

Реакции гидратации и обезвоживания

При разумном нагревании гипс превращается в частично обезвоженный минерал, называемый бассанитом или гипсом . Этот материал имеет формулу CaSO 4 · ( n H 2 O), где 0,5 ≤ n ≤ 0,8. Температура от 100 до 150 ° C (212–302 ° F) необходима для отталкивания воды внутри его конструкции. Детали температуры и времени зависят от влажности окружающей среды. При промышленном обжиге используются температуры до 170 ° C (338 ° F), но при этих температурах начинает образовываться γ-ангидрит. Тепловая энергия, передаваемая гипсу в это время (теплота гидратации), имеет тенденцию уходить в отвод воды (в виде водяного пара), а не на повышение температуры минерала, которая медленно повышается, пока вода не уйдет, а затем увеличивается быстрее. . Уравнение частичного обезвоживания:

CaSO 4 · 2 H 2 O → CaSO 4 · 1/2Н 2 О + 1+1/2Н 2 О ↑

Эндотермическое свойство этой реакции имеет отношение к выполнению гипсокартона , придание огнестойкости жилым и другим сооружениям. При пожаре, структура за лист гипсокартона будет оставаться относительно холодным , как вода теряется из гипса, предотвращая таким образом (или , по существу , замедляющие) повреждение каркаса (через сгорания из древесины членов или потере прочности стали при высоких температурах) и последующий структурный коллапс. Но при более высоких температурах сульфат кальция выделяет кислород и действует как окислитель . Это свойство используется в алюминотермии . В отличие от большинства минералов, которые при регидратации просто образуют жидкие или полужидкие пасты или остаются порошкообразными, кальцинированный гипс имеет необычное свойство: при смешивании с водой при нормальной (окружающей) температуре он быстро химически превращается в предпочтительную форму дигидрата, при физическом «схватывании» с образованием жесткой и относительно прочной кристаллической решетки гипса:

CaSO 4 ·1/2Н 2 О + 1+1/2H 2 O → CaSO 4 · 2 H 2 O

Эта реакция является экзотермической и отвечает за легкость, с которой гипс можно отливать в различные формы, включая листы (для гипсокартона ), палочки (для мела для школьной доски) и формы (для иммобилизации сломанных костей или для литья металла). Смешанный с полимерами, он использовался в качестве цемента для восстановления костей. Небольшие количества кальцинированного гипса добавляются в землю для создания прочных конструкций непосредственно из литой земли , альтернативы саману (который теряет свою прочность при намокании). Условия дегидратации можно изменить, чтобы отрегулировать пористость полугидрата, что приведет к так называемым α- и β-полугидратам (которые более или менее химически идентичны).

При нагревании до 180 ° C (356 ° F) образуется почти безводная форма, называемая γ-ангидритом (CaSO 4 · n H 2 O, где n = от 0 до 0,05). γ-Ангидрит медленно реагирует с водой, возвращаясь в дигидратное состояние, свойство, используемое в некоторых коммерческих осушителях . При нагревании выше 250 ° C образуется полностью безводная форма, называемая β-ангидритом или «природным» ангидритом . Природный ангидрит не вступает в реакцию с водой даже в геологических масштабах, если только его не измельчить очень мелко.

Переменный состав полугидрата и γ-ангидрита и их легкое взаимное превращение обусловлено их почти идентичными кристаллическими структурами, содержащими «каналы», которые могут вмещать переменные количества воды или других небольших молекул, таких как метанол .

Пищевая промышленность

Гидраты сульфата кальция используются в качестве коагулянта в таких продуктах, как тофу .

Для FDA это разрешено в сырах и родственных сырных продуктах; Зерновая мука; Хлебобулочные изделия; Замороженные десерты; Искусственные подсластители для желе и консервов; Приправы для овощей; и приправы для помидоров и некоторых конфет.

Он известен в серии номеров E как E516 , и ФАО ООН знает его как укрепляющий агент, агент обработки муки, секвестрант и разрыхлитель.

Стоматология

Сульфат кальция давно используется в стоматологии. Он использовался при регенерации кости в качестве материала трансплантата и связующего / расширителя трансплантата, а также в качестве барьера при управляемой регенерации тканей. Это необычно биосовместимый материал, который полностью рассасывается после имплантации. Он не вызывает значительной реакции хозяина и создает богатую кальцием среду в области имплантации.

Другое использование

Дриерит

При продаже в безводном состоянии в качестве осушителя с показывающим цвет агентом под названием дриерит он выглядит голубым (безводный) или розовым (гидратированный) из-за пропитки хлоридом кобальта (II) , который функционирует как индикатор влажности.

Вплоть до 1970-х годов коммерческие количества серной кислоты производились в Уайтхейвене ( Камбрия , Великобритания) из безводного сульфата кальция. После смешивания со сланцем или мергелем и обжига сульфат выделяет газообразный триоксид серы , предшественник при производстве серной кислоты , реакция также дает силикат кальция , минеральную фазу, необходимую для производства цементного клинкера .

CaSO 4 + SiO 2 → CaSiO 3 + SO 3

Производство и возникновение

Основными источниками сульфата кальция являются природный гипс и ангидрит , которые встречаются во многих местах по всему миру в виде эвапоритов . Их можно добывать открытым или глубоким способом. Мировое производство натурального гипса составляет около 127 миллионов тонн в год.

Помимо природных источников, сульфат кальция производится как побочный продукт в ряде процессов:

Эти процессы осаждения имеют тенденцию концентрировать радиоактивные элементы в сульфате кальция. Эта проблема особенно актуальна для фосфатных побочных продуктов, поскольку фосфатные руды в природе содержат уран и продукты его распада, такие как радий-226 , свинец-210 и полоний-210 .

Сульфат кальция также является частым компонентом загрязняющих отложений в промышленных теплообменниках, поскольку его растворимость уменьшается с повышением температуры (см. Специальный раздел о ретроградной растворимости).

Ретроградная растворимость

Растворение различных кристаллических фаз сульфата кальция в воде является экзотермическим и выделяет тепло (уменьшение энтальпии : ΔH <0). Как непосредственное следствие, для продолжения реакции растворения необходимо отвести это тепло, которое можно рассматривать как продукт реакции. Если система охлаждается, равновесие растворения будет развиваться вправо в соответствии с принципом Ле Шателье, и сульфат кальция будет растворяться легче. Таким образом, растворимость сульфата кальция увеличивается при понижении температуры и наоборот. Если температура системы повышается, тепло реакции не может рассеиваться, и равновесие смещается влево в соответствии с принципом Ле Шателье. Растворимость сульфата кальция снижается с повышением температуры. Это противоречащее интуиции поведение растворимости называется ретроградной растворимостью. Это менее распространено, чем для большинства солей, реакция растворения которых является эндотермической (т. Е. Реакция потребляет тепло: увеличение энтальпии : ΔH> 0) и чья растворимость увеличивается с температурой. Другое соединение кальция, гидроксид кальция (Ca (OH) 2 , портландит ) также демонстрирует ретроградную растворимость по той же термодинамической причине: потому что реакция его растворения также является экзотермической и выделяет тепло. Итак, чтобы растворить максимальное количество сульфата или гидроксида кальция в воде, необходимо охладить раствор до точки его замерзания, а не повышать его температуру.

Температурная зависимость растворимости сульфата кальция (3 фазы) в чистой воде.

Ретроградная растворимость сульфата кальция также ответственна за его осаждение в самой горячей зоне систем отопления и за его вклад в образование накипи в котлах наряду с осаждением карбоната кальция , растворимость которого также снижается, когда CO 2 дегазируется из горячей воды или воды. сбежать из системы.

На планете Марс

Находки марсохода « Оппортьюнити» 2011 года на планете Марс показывают форму сульфата кальция в жиле на поверхности. Изображения предполагают, что минерал - это гипс .

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки