Сульфат кальция
 | |
 | |
| Имена | |
|---|---|
| Другие имена | |
| Идентификаторы | |
| |
3D модель ( JSmol ) | |
| ЧЭБИ |
|
| ЧЭМБЛ | |
| ChemSpider | |
| DrugBank | |
| ECHA InfoCard | 100.029.000  |
| Номер ЕС |
|
| Номер E | E516 (регуляторы кислотности, ...) |
| 7487 | |
| КЕГГ | |
PubChem CID |
|
| Номер RTECS |
|
| UNII |
|
Панель управления CompTox ( EPA ) | |
| |
| |
| 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) [1] | |
Произведение растворимости ( K уд ) | 4,93 × 10 −5 моль 2 л −2 (безводный) 3,14 × 10 −5 (дигидрат) [2] |
| Растворимость в глицерине | слаборастворимый (дигидрат) |
| Кислотность (p K a ) | 10,4 (безводный) 7,3 (дигидрат) |
Магнитная восприимчивость (χ) | -49,7 · 10 −6 см 3 / моль |
| Состав | |
Кристальная структура | орторомбический |
| Термохимия | |
Стандартная мольная энтропия ( S | 107 Дж · моль −1 · K −1 [3] |
Std энтальпия формации (Δ F H ⦵ 298 ) | -1433 кДж / моль [3] |
| 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] [4] |
REL (рекомендуется) | TWA 10 мг / м 3 (всего) TWA 5 мг / м 3 (соответственно) [только безводный] [4] |
IDLH (Непосредственная опасность) | ND [4] |
| Родственные соединения | |
Другие катионы | Сульфат магния Сульфат стронция Сульфат бария |
Связанные осушители | Хлорид кальция Сульфат магния |
Родственные соединения | Штукатурка Парижская Гипсовая |
| Страница дополнительных данных | |
Структура и свойства | Показатель преломления ( n ), диэлектрическая проницаемость (ε r ) и т. Д. |
Термодинамические данные | Фазовое поведение твердое тело – жидкость – газ |
Спектральные данные | УФ , ИК , ЯМР , МС |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа). | |
 проверить ( что есть ?)  | |
| Ссылки на инфобоксы | |
Сульфат кальция (или сульфат кальция ) представляет собой 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 естественных условиях как минеральный гипс . Он имеет множество применений в промышленности. Все формы представляют собой белые твердые вещества, которые плохо растворяются в воде. [5] 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. [6]
- CaSO 4 · 2 H 2 O ( гипс и селенит (минерал) ): дигидрат. [7]
- CaSO 4 · 1 ⁄ 2 H 2 O ( бассанит ): полугидрат, также известный как гипс Парижа . Иногда выделяют специфические полугидраты: α-полугидрат и β-полугидрат. [8]
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 дегидратации
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. [8]Температура от 100 до 150 ° C (212–302 ° F) необходима, чтобы отогнать воду 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 до тех пор, пока вода не уйдет, а затем увеличивается быстрее. . Уравнение частичного обезвоживания:
- CaSO 4 · 2 H 2 O → CaSO 4 · 1 / 2 H 2 O + 1 + 1 / 2 H 2 O ↑
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, таким образом предотвращая (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 / 2 H 2 O + 1 + 1 / 2 H 2 O → CaSO 4 · 2Н 2 О
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 , являющейся альтернативой 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 . [9]
Для FDA это разрешено в сырах и родственных сырных продуктах; Зерновая мука; Выпечка; Замороженные десерты; Искусственные подсластители для желе и консервов; Приправы из овощей; и приправы для помидоров и некоторых конфет. [10]
Он известен в серии номеров E как E516 , и ФАО ООН знает его как укрепляющий агент, агент обработки муки, секвестрант и разрыхлитель. [10]
Стоматология
Сульфат кальция давно используется в стоматологии. [11] Он использовался при регенерации костной ткани 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. [12]
Другое использование
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 . [13]
- 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 способом или глубокой добычей. Мировое производство натурального гипса составляет около 127 миллионов тонн в год. [14]
Помимо природных источников, сульфат кальция производится как побочный продукт в ряде процессов:
- При десульфуризации дымовых газов выхлопные газы электростанций, работающих на ископаемом топливе, и других процессов (например, производства цемента) очищаются для снижения содержания в них оксида серы путем впрыскивания мелко измельченного известняка или извести . При этом образуется нечистый сульфит кальция , который при хранении окисляется до сульфата кальция.
- При производстве фосфорной кислоты из фосфатной руды фосфат кальция обрабатывают серной кислотой и осаждают сульфат кальция.
- В производстве фтористого водорода , фторид кальция обрабатывают серной кислотой, осаждение сульфата кальция.
- При рафинировании цинка растворы сульфата цинка обрабатывают гашеной известью для совместного осаждения тяжелых металлов, таких как барий .
- Сульфат кальция также можно извлечь и повторно использовать из лома гипсокартона на строительных площадках.
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 является также общим компонентом обрастания отложений в промышленных теплообменниках, потому что его растворимость уменьшается с ростом температуры (смотрите раздел специфического на растворимости ретроградной).
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 легче растворяться. 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 его реакция 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.
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 уменьшается, когда CO 2 деградирует 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 . [15]
Смотрите также
- Сульфат кальция (страница данных)
- Алебастр
- Ангидрит
- Bathybius haeckelii
- Мел (карбонат кальция)
- Гипс
- Гипсовая штукатурка
- Фосфогипс
- Селенит (минерал)
- Обессеривание дымовых газов
использованная литература
- ^ Лебедев, АЛ; Косоруков, ВЛ (2017). «Растворимость гипса в воде при 25 ° C» (PDF) . Международная геохимия . 55 (2): 171–177. DOI : 10.1134 / S0016702917010062 . S2CID 132916752 .
- ^ DR Linde (редактор) "Справочник CRC по химии и физике", 83-е издание, CRC Press, 2002
- ^ a b Zumdahl, Стивен С. (2009). Химические принципы 6-е изд . Компания Houghton Mifflin. п. A21. ISBN 978-0-618-94690-7.
- ^ a b c Карманный справочник NIOSH по химической опасности. «# 0095» . Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
- ^ Франц Виршинг «Сульфат кальция» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана, 2012 Wiley-VCH, Weinheim. DOI : 10.1002 / 14356007.a04_555
- ^ Морикава, H .; Минато, I .; Томита, Т .; Иваи, С. (1975). «Ангидрит: изысканность». Acta Crystallographica Раздел B . 31 (8): 2164. DOI : 10,1107 / S0567740875007145 .
- ^ Коул, ВФ; Lancucki, CJ (1974). «Уточнение кристаллической структуры гипса CaSO 4 · 2H 2 O» . Acta Crystallographica Раздел B . 30 (4): 921. DOI : 10,1107 / S0567740874004055 .
- ^ a b Тейлор HFW (1990) Химия цемента . Academic Press, ISBN 0-12-683900-X , стр. 186-187.
- ^ "О коагулянте тофу" . www.soymilkmaker.com . Sanlinx Inc. 31 августа 2015 г.
- ^ a b «Резюме соединения для CID 24497 - сульфат кальция» . PubChem.
- ^ Титус, Гарри У .; МакНелли, Эдмунд; Хилберг, Франк К. (1933-01-01). «Влияние карбоната кальция и сульфата кальция на развитие костей» . Птицеводство . 12 (1): 5–8. DOI : 10.3382 / ps.0120005 . ISSN 0032-5791 .
- ^ «Двухфазный сульфат кальция - Обзор» . Биоматериалы Augma . 2020-03-25 . Проверено 16 июля 2020 .
- ^ Археологические исследования побережья Уайтхэвена
- ^ Гипс , Геологическая служба США, 2008 г.
- ^ "Марсоход NASA Mars Opportunity обнаруживает минеральную жилу, отложенную водой" . Лаборатория реактивного движения НАСА. 7 декабря 2011 . Проверено 23 апреля 2013 года .
внешняя ссылка
- Международная карта химической безопасности 1215
- Карманный справочник NIOSH по химической опасности
- Соединения кальция
- Сульфаты
- Осушители
- Пищевые добавки
- Пиротехнические красители
- Добавки для электронных номеров
