Siarczan wapnia - Calcium sulfate

Siarczan wapnia
Siarczan wapnia bezwodny
Półwodny siarczan wapnia
Nazwy
Inne nazwy
Identyfikatory
Model 3D ( JSmol )
CZEBI
CHEMBL
ChemSpider
DrugBank
Karta informacyjna ECHA 100.029.000 Edytuj to na Wikidata
Numer WE
Numer E E516 (regulatory kwasowości, ...)
7487
KEGG
Identyfikator klienta PubChem
Numer RTECS
UNII
  • InChI=1S/Ca.H2O4S/c;1-5(2,3)4/h;(H2,1,2,3,4)/q+2;/p-2 sprawdzaćTak
    Klucz: OSGAYBCDTDRGGQ-UHFFFAOYSA-L sprawdzaćTak
  • InChI=1/Ca.H2O4S/c;1-5(2,3)4/h;(H2,1,2,3,4)/q+2;/p-2
    Klucz: OSGAYBCDTDRGGQ-NUQVWONBAU
  • [Ca+2].[O-]S([O-])(=O)=O
Nieruchomości
CaSO 4
Masa cząsteczkowa 136,14 g/mol (bezwodny)
145,15 g/mol (półwodzian)
172,172 g/mol (dihydrat)
Wygląd zewnętrzny białe ciało stałe
Zapach bezwonny
Gęstość 2,96 g / cm 3 (bezwodna)
2,32 g / cm 3 (dwuwodzianu)
Temperatura topnienia 1460 ° C (2660 ° F; 1730 K) (bezwodny)
0,26 g/100 ml w 25°C (dwuwodzian)
4,93 × 10-5 mol 2 L -2 (bezwodny)
3,14 × 10-5 (dihydrat)
Rozpuszczalność w glicerolu słabo rozpuszczalny (dihydrat)
Kwasowość (p K a ) 10,4 (bezwodny)
7,3 (dihydrat)
-49,7 x 10 -6 cm 3 / mol
Struktura
rombowy
Termochemia
107 J·mol -1 ·K -1
-1433 kJ/mol
Zagrożenia
Arkusz danych dotyczących bezpieczeństwa Patrz: strona danych
ICSC 1589
NFPA 704 (ognisty diament)
1
0
0
Temperatura zapłonu Nie palne
NIOSH (limity ekspozycji dla zdrowia w USA):
PEL (dopuszczalne)
 TWA 15 mg/m 3 (ogółem) TWA 5 mg/m 3 (odp.) [tylko dla postaci bezwodnej]
REL (zalecane)
 TWA 10 mg/m 3 (całkowita) TWA 5 mg/m 3 (odp.) [tylko bezwodna]
IDLH (Bezpośrednie niebezpieczeństwo)
 NS
Związki pokrewne
Inne kationy
Siarczan magnezu Siarczan
strontu Siarczan
baru
Powiązane osuszacze
Chlorek wapnia
Siarczan magnezu
Związki pokrewne
 Gips z gipsu paryskiego
Strona z danymi uzupełniającymi
Współczynnik załamania ( n ),
stała dielektryczna (ε r ) itp.

Dane termodynamiczne
 Zachowanie fazowe
ciało stałe-ciecz-gaz
UV , IR , NMR , MS
O ile nie zaznaczono inaczej, dane podano dla materiałów w ich stanie standardowym (przy 25 °C [77 °F], 100 kPa).
☒n zweryfikuj  ( co to jest   ?) sprawdzaćTak☒n
Referencje do infoboksu

Siarczan wapnia (lub siarczan wapnia ) jest nieorganicznym związkiem o wzorze CaSO 4 i pokrewnych hydratów . W postaci anhydrytu γ ( postać bezwodna ) jest stosowany jako środek osuszający . Jeden szczególny hydrat jest lepiej znany jako gips paryski , a inny występuje naturalnie jako gips mineralny . Ma wiele zastosowań w przemyśle. Wszystkie formy są białymi ciałami stałymi, słabo rozpuszczalnymi w wodzie. Siarczan wapnia powoduje trwałą twardość wody.

Stany uwodnienia i struktury krystalograficzne

Związek występuje w trzech poziomach uwodnienia odpowiadających różnym strukturom krystalograficznym i różnym minerałom w przyrodzie:

  • CaSO 4 ( anhydryt ): stan bezwodny.
  • CaSO 4 · 2 H 2 O ( gips i selenit (mineralny) ): dwuwodzian.
  • CaSO 4 · 1 ⁄ 2 H 2 O ( basanit ): półwodny, zwany także gipsem paryskim . Rozróżnia się czasem specyficzne hemihydraty: α-półwodzian i β-półwodzian.

Zastosowania

Głównym zastosowaniem siarczanu wapnia jest produkcja gipsu paryskiego i sztukaterii . Zastosowania te wykorzystują fakt, że sproszkowany i kalcynowany siarczan wapnia tworzy formowalną pastę po uwodnieniu i twardnieje jako krystaliczny dwuwodny siarczan wapnia. Dogodne jest również, aby siarczan wapnia był słabo rozpuszczalny w wodzie i nie rozpuszczał się łatwo w kontakcie z wodą po jego zestaleniu.

Reakcje hydratacji i odwodnienia

Przy rozsądnym ogrzewaniu gips zamienia się w częściowo odwodniony minerał zwany basanitem lub gipsem paryskim . Materiał ten ma wzór CaSO 4 ·( n H 2 O), gdzie 0,5 ≤ n ≤ 0,8. Temperatury od 100 do 150 ° C (212-302 ° F) są wymagane do usunięcia wody z jego struktury. Szczegóły dotyczące temperatury i czasu zależą od wilgotności otoczenia. W kalcynacji przemysłowej stosuje się temperatury do 170°C (338°F), ale w tych temperaturach zaczyna tworzyć się anhydryt γ. Energia cieplna dostarczana w tym czasie do gipsu (ciepło hydratacji) ma tendencję do odprowadzania wody (jako para wodna) zamiast zwiększania temperatury minerału, która rośnie powoli, aż woda zniknie, a następnie rośnie szybciej . Równanie częściowego odwodnienia to:

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

Endotermiczne własnością tej reakcji jest istotne dla wykonywania suchej zabudowy , dających odporność ogniową do budowli mieszkalnych i innych. W przypadku pożaru konstrukcja za arkuszem płyt kartonowo-gipsowych pozostanie stosunkowo chłodna, ponieważ woda jest tracona z gipsu, zapobiegając w ten sposób (lub znacznie opóźniając) uszkodzenie konstrukcji szkieletowej (poprzez spalanie elementów drewnianych lub utratę wytrzymałości stali w wysokich temperaturach) aw konsekwencji zawalenie się konstrukcji. Ale w wyższych temperaturach siarczan wapnia uwalnia tlen i działa jako środek utleniający . Ta właściwość jest wykorzystywana w aluminotermii . W przeciwieństwie do większości minerałów, które po uwodnieniu po prostu tworzą płynną lub półpłynną pastę lub pozostają sproszkowane, kalcynowany gips ma niezwykłą właściwość: po zmieszaniu z wodą w normalnych (otoczenia) temperaturach szybko powraca chemicznie do preferowanej postaci dwuwodzianu, podczas fizycznego „ustalania”, tworząc sztywną i stosunkowo mocną sieć krystaliczną gipsu:

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

Ta reakcja jest egzotermiczna i odpowiada za łatwość, z jaką gips może być odlewany w różne kształty, w tym arkusze (do płyt kartonowo-gipsowych ), patyki (do kredy tablicowej) i formy (do unieruchamiania złamanych kości lub do odlewania metalu). Zmieszany z polimerami jest używany jako cement do naprawy kości. Do ziemi dodaje się niewielkie ilości kalcynowanego gipsu, aby stworzyć mocne struktury bezpośrednio z odlewanej ziemi , alternatywy dla adobe (która traci swoją wytrzymałość, gdy jest mokra). Warunki odwadniania można zmieniać, aby dostosować porowatość półhydratu, w wyniku czego powstają tak zwane α- i β-półwodziany (które są mniej więcej identyczne chemicznie).

Po podgrzaniu do 180°C (356°F) powstaje prawie bezwodna forma, zwana anhydrytem γ (CaSO 4 · n H 2 O, gdzie n = 0 do 0,05). γ-Anhydryt powoli reaguje z wodą, aby powrócić do stanu dihydratu, co jest właściwością wykorzystywaną w niektórych komercyjnych środkach osuszających . Podczas ogrzewania powyżej 250 °C powstaje całkowicie bezwodna forma zwana β-anhydrytem lub „naturalnym” anhydrytem . Naturalny anhydryt nie reaguje z wodą nawet w geologicznej skali czasu, chyba że jest bardzo drobno zmielony.

Zmienny skład hemihydratu i γ-anhydrytu oraz ich łatwa wzajemna konwersja wynika z ich prawie identycznych struktur krystalicznych zawierających „kanały”, które mogą pomieścić zmienne ilości wody lub innych małych cząsteczek, takich jak metanol .

Przemysł spożywczy

Hydraty siarczanu wapnia są stosowane jako koagulanty w produktach takich jak tofu .

W przypadku FDA jest to dozwolone w przypadku sera i produktów z sera pokrewnego; mąki zbożowe; Pieczywo; Desery mrożone; Sztuczne słodziki do galaretek i konserw; Warzywa przyprawowe; i pomidory z przyprawami i trochę cukierków.

Jest znany w serii E jako E516 , a FAO ONZ zna go jako środek ujędrniający, środek do przetwarzania mąki, środek maskujący i środek spulchniający.

Stomatologia

Siarczan wapnia ma długą historię stosowania w stomatologii. Jest stosowany w regeneracji kości jako materiał do przeszczepu i spoiwo/przedłużacz przeszczepu oraz jako bariera w sterowanej regeneracji tkanek. Jest to niezwykle biokompatybilny materiał, który po implantacji ulega całkowitej resorpcji. Nie wywołuje znaczącej odpowiedzi gospodarza i tworzy środowisko bogate w wapń w obszarze implantacji.

Inne zastosowania

Drierite

Sprzedawany w stanie bezwodnym jako środek osuszający ze środkiem barwiącym pod nazwą Drierite , wydaje się niebieski (bezwodny) lub różowy (uwodniony) ze względu na impregnację chlorkiem kobaltu(II) , który działa jako wskaźnik wilgoci.

Do lat siedemdziesiątych w Whitehaven ( Kumbria , Wielka Brytania) produkowano komercyjne ilości kwasu siarkowego z bezwodnego siarczanu wapnia. Po zmieszaniu z łupkiem lub marglem i prażeniu, siarczan uwalnia gazowy trójtlenek siarki , prekursor w produkcji kwasu siarkowego , w wyniku reakcji powstaje również krzemian wapnia , faza mineralna niezbędna w produkcji klinkieru cementowego .

CaSO 4 + SiO 2 → Casio 3 + SO 3

Produkcja i występowanie

Głównymi źródłami siarczanu wapnia są naturalnie występujące gipsy i anhydryty , które w wielu miejscach na świecie występują w postaci ewaporatów . Mogą one być wydobywane w kopalniach odkrywkowych lub w kopalniach głębinowych. Światowa produkcja gipsu naturalnego wynosi około 127 milionów ton rocznie.

Oprócz źródeł naturalnych, siarczan wapnia powstaje jako produkt uboczny w wielu procesach:

Te procesy wytrącania mają tendencję do koncentracji pierwiastków radioaktywnych w produkcie siarczanu wapnia. Problem ten dotyczy zwłaszcza fosforanowego produktu ubocznego, ponieważ rudy fosforanowe naturalnie zawierają uran i produkty jego rozpadu, takie jak rad-226 , ołów-210 i polon-210 .

Siarczan wapnia jest również powszechnym składnikiem osadów zanieczyszczających w przemysłowych wymiennikach ciepła, ponieważ jego rozpuszczalność spada wraz ze wzrostem temperatury (patrz szczegółowy rozdział dotyczący rozpuszczalności wstecznej).

Rozpuszczalność wsteczna

Rozpuszczanie różnych faz krystalicznych siarczanu wapnia w wodzie jest egzotermiczne i uwalnia ciepło (spadek entalpii : ΔH < 0). Jako bezpośrednią konsekwencję, aby postępować, reakcja rozpuszczania musi usunąć to ciepło, które można uznać za produkt reakcji. Jeśli układ zostanie schłodzony, równowaga rozpuszczania będzie ewoluować w prawo zgodnie z zasadą Le Chateliera, a siarczan wapnia będzie się łatwiej rozpuszczał. Tak więc rozpuszczalność siarczanu wapnia wzrasta wraz ze spadkiem temperatury i odwrotnie. Jeśli temperatura układu wzrośnie, ciepło reakcji nie może się rozproszyć i równowaga cofnie się w lewo zgodnie z zasadą Le Chateliera. Rozpuszczalność siarczanu wapnia zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury. To sprzeczne z intuicją zachowanie rozpuszczalności nazywa się rozpuszczalnością wsteczną. Jest mniej powszechny niż w przypadku większości soli, których reakcja rozpuszczania jest endotermiczna (tzn. reakcja zużywa ciepło: wzrost entalpii : ΔH > 0) i których rozpuszczalność wzrasta wraz z temperaturą. Inny związek wapnia, wodorotlenek wapnia (Ca(OH) 2 , portlandyt ) również wykazuje rozpuszczalność wsteczną z tego samego powodu termodynamicznego: ponieważ jego reakcja rozpuszczania jest również egzotermiczna i uwalnia ciepło. Tak więc, aby rozpuścić maksymalną ilość siarczanu wapnia lub wodorotlenku wapnia w wodzie, konieczne jest schłodzenie roztworu blisko jego temperatury zamarzania, zamiast zwiększania jego temperatury.

Zależność temperaturowa rozpuszczalności siarczanu wapnia (3 fazy) w czystej wodzie.

Rozpuszczalność wsteczny siarczanu wapnia, jest również odpowiedzialna za jego wytrącania w najgorętszej strefie systemów ogrzewania i jego wkład do tworzenia skali w kotłach wraz z wytrącania węglanu wapnia , którego rozpuszczalność również zmniejsza się, gdy CO 2 odgazowuje z gorącą wodą lub puszki uciec z systemu.

Na planecie Mars

Odkrycia łazika Opportunity z 2011 roku na planecie Mars pokazują formę siarczanu wapnia w żyle na powierzchni. Obrazy sugerują, że minerałem jest gips .

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki