Сульфат кальция

Сульфат кальция
Имена
	Другие имена Сульфат извести ; Гипс ; Дриерит ; Гипс
Идентификаторы
Номер CAS	7778-18-9 ; (полугидрат): 10034-76-1 ; (дигидрат): 10101-41-4 ;
3D model ( JSmol )	Интерактивное изображение ;
КЭБ	ЧЕБИ:31346 ; (дигидрат): CHEBI:32583 ;
ХЭМБЛ	ХЕМБЛ2106140 ;
ХимическийПаук	22905 ;
Лекарственный Банк	ДБ15533 ;
Информационная карта ECHA	100.029.000
Номер ЕС	231-900-3 ;
номер Е	Е516 (регуляторы кислотности,...)
Справочник Гмелина	7487
КЕГГ	C13194 ; Д09201 ;
ПабХим CID	(дигидрат): 24928 ;
номер РТЭКС	WS6920000 ; (дигидрат): MG2360000 ;
НЕКОТОРЫЙ	E934B3V59H ; (полугидрат): 3RW091J48V ; (дигидрат): 4846Q921YM ;
Панель управления CompTox ( EPA )	DTXSID9029699 ;
	показывать ИнЧИ
	показывать УЛЫБКИ
Характеристики
Химическая формула	СаSO 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 ° C (2660 ° F; 1730 К) (безводный)
Растворимость в воде	0,26 г/100 мл при 25 °C (дигидрат)
Произведение растворимости ( K sp )	4.93 × 10 −5 моль 2 л −2 (безводный) ; 3.14 × 10 −5 (дигидрат) ;
Растворимость в глицерине	малорастворимый (дигидрат)
Кислотность ( pKa )	10,4 (безводный) ; 7,3 (дигидрат)
Магнитная восприимчивость (χ)	-49.7·10 −6 см 3 /моль
Структура
Кристаллическая структура	орторомбический
Термохимия
Стандартный моляр ; энтропия ( S ⦵ 298 )	107 Дж·моль −1 ·К −1
Стандартная энтальпия ; образование (Δ f H ⦵ 298 )	-1433 кДж/моль
Опасности
NFPA 704 (огненный алмаз)	1 0 0
точка возгорания	Невоспламеняющийся
	NIOSH (пределы воздействия на здоровье в США):
ПЭЛ (допустимо)	СВВ 15 мг/м 3 (всего) TWA 5 мг/м 3 (соответственно) [только для безводной формы]
РЕЛ (рекомендуется)	СВВ 10 мг/м 3 (всего) TWA 5 мг/м 3 (соответственно) [только безводный]
IDLH (Непосредственная опасность)	без даты
Паспорт безопасности (SDS)	КМГС 1589
Родственные соединения
Другие катионы	Сульфат магния ; Сульфат стронция ; Сульфат бария
Родственные осушители	Хлорид кальция ; Сульфат магния
Родственные соединения	Гипс ; Гипс
	Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). проверить ( что такое ?) Ссылки на инфобоксы

Сульфат кальция (или сульфат кальция ) — неорганическое соединение формулы CaSO ₄ и родственные ему гидраты . В форме γ- ангидрита ( безводная форма) он используется в качестве осушителя . Один конкретный гидрат более известен как Парижский гипс , а другой встречается в природе как минеральный гипс . Он имеет множество применений в промышленности. Все формы представляют собой белые твердые вещества, плохо растворимые в воде. ^{[ 5 ]} Сульфат кальция вызывает постоянную жесткость воды.

Гидратационные состояния и кристаллографические структуры.

В структуре полугидрата сульфата кальция обнаруживается густая сеть связей Ca-OS. Цветовой код: красный (O), зеленый (Ca), оранжевый (S).

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

Случай
₄ ( ангидрит ): безводное состояние. ^{[ 6 ]} Структура близка к структуре ортосиликата циркония (циркона): Ca ²⁺
является 8-координатным, ТАК ²⁻
₄ – тетраэдрический, О – 3-координатный.
Случай
₄ · 2ч
₂ O ( гипс и селенит (минерал) ): дигидрат. ^{[ 7 ]}
Случай
₄· ⁠ 1 / 2 ⁠ H
₂ O ( бассанит ): полугидрат, также известный как парижский гипс . Иногда выделяют специфические полугидраты: α-полугидрат и β-полугидрат. ^{[ 8 ]}

Использование

Основное применение сульфата кальция — производство гипса и лепнины . В этих применениях используется тот факт, что сульфат кальция, измельченный и прокаленный, образует формуемую пасту при гидратации и затвердевает в виде кристаллического дигидрата сульфата кальция. Удобно также то, что сульфат кальция плохо растворяется в воде и плохо растворяется при контакте с водой после ее затвердевания.

Реакции гидратации и дегидратации

При разумном нагревании гипс превращается в частично обезвоженный минерал, называемый бассанитом или парижским гипсом . Этот материал имеет формулу CaSO ₄ ·( n H ₂ O), где 0,5 ≤ n ≤ 0,8. ^{[ 8 ]} Для удаления воды из его структуры необходимы температуры от 100 до 150 ° C (212–302 ° F). 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 в это время гипсу (тепло гидратации), имеет тенденцию идти на отвод воды (в виде водяного пара), а не на повышение температуры минерала, которая медленно повышается до тех пор, пока вода не исчезнет, а затем увеличивается быстрее. . Уравнение частичной дегидратации:

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

Эндотермическое свойство этой реакции имеет отношение к характеристикам гипсокартона , придавая огнестойкость жилым и другим постройкам. При пожаре конструкция за листом гипсокартона будет оставаться относительно прохладной, поскольку вода теряется из гипса, что предотвращает (или существенно замедляет) повреждение каркаса ( из-за элементов или возгорания деревянных потери прочности стали при высоких температурах). и, как следствие, 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 обладает необычным свойством: при смешивании с водой при нормальной (окружающей) температуре он быстро химически возвращается в предпочтительную дигидратную форму, при этом физически «схватывается» с образованием жесткой и относительно прочной кристаллической решетки гипса:

СаSO ₄ · ⁠ 1/2 + ⁠ Ч ₂ О ⁠1 1/2 O ⁠ H ₂ → CaSO ₂ · 2 _H O

Эта реакция является экзотермической и отвечает за легкость, с которой гипсу можно отливать различные формы, включая листы (для гипсокартона ), палочки (для мела для доски) и формы (для иммобилизации сломанных костей или для литья металла). Смешанный с полимерами, он использовался в качестве цемента для восстановления костей. В землю добавляют небольшое количество обожженного гипса для создания прочных конструкций непосредственно из литой земли , альтернативы саману (который теряет прочность при намокании). Условия дегидратации можно изменять, чтобы регулировать пористость полугидрата, в результате чего образуются так называемые α- и β-полугидраты (которые более или менее химически идентичны).

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

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

Пищевая промышленность

Гидраты сульфата кальция используются в качестве коагулянта в таких продуктах, как тофу . ^{[ 9 ]}

По данным FDA , это разрешено для сыра и связанных с ним сырных продуктов; мука зерновая; хлебобулочные изделия; замороженные десерты; искусственные подсластители для желе и консервов; овощи-приправы; и помидоры с приправой и немного конфет. ^{[ 10 ]}

Он известен в серии номеров E как E516 ООН , а ФАО знает его как укрепляющий агент, агент для обработки муки, секвестрант и разрыхлитель. ^{[ 10 ]}

Стоматология

Сульфат кальция имеет давнюю историю использования в стоматологии. ^{[ 11 ]} Он использовался при регенерации кости в качестве трансплантационного материала и связующего материала (или наполнителя), а также в качестве барьера при направленной регенерации костной ткани. Это биосовместимый материал, который полностью рассасывается после имплантации. ^{[ 12 ]} Он не вызывает значительной реакции организма хозяина и создает богатую кальцием среду в области имплантации. ^{[ 13 ]}

осушитель

При продаже в безводном состоянии в качестве осушителя с цветоиндикатором под названием Дриерит он кажется синим (безводным) или розовым (гидратированным) из-за пропитки хлоридом кобальта (II) , который действует как индикатор влажности.

Производство серной кислоты

До 1970-х годов серная кислота в промышленных количествах производилась из безводного сульфата кальция. ^{[ 14 ]} При смешивании со сланцем или мергелем и обжиге при 1400°C сульфат высвобождает газообразный диоксид серы , предшественник серной кислоты . В результате реакции также образуется силикат кальция , используемый в производстве цементного клинкера . ^{[ 15 ]}^{[ 16 ]}

2 CaSO ₄ + 2 SiO ₂ + C → 2 CaSiO ₃ + 2 SO ₂ + CO ₂

Некоторые реакции компонентов, относящиеся к сульфату кальция:

CaSO ₄ + 2 C → CaS + 2 CO ₂

3 CaSO ₄ + CaS + 2 SiO ₂ → 2 Ca ₂ SiO ₄ + 4 SO ₂

3 CaSO ₄ + CaS → 4 CaO + 4 SO ₂

Са ₂ SiO ₄ + СаО → Са ₃ OSiO ₄

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 глубокими разработками. Мировое производство природного гипса составляет около 127 миллионов тонн в год. ^{[ 17 ]}

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 диоксида серы путем впрыскивания тонкоизмельченного известняка : ^{[ 18 ]}

SO ₂ + 0,5 O ₂ + CaCO ₃ → CaSO ₄ + CO ₂

В родственных методах улавливания серы используется известь , а в некоторых из них образуется примесный сульфит кальция , который при хранении окисляется до сульфата кальция.

При производстве фосфорной кислоты из фосфоритной руды фосфат кальция обрабатывают серной кислотой и выпадает в осадок сульфат кальция. Продукт, получивший название фосфогипс, часто загрязнен примесями, что делает его использование нерентабельным.
При производстве фтористого водорода фторид кальция обрабатывают серной кислотой, осаждавая сульфат 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 отходов гипсокартона на строительных площадках.

Эти процессы осаждения имеют тенденцию концентрировать радиоактивные элементы в продукте сульфата кальция. Эта проблема особенно актуальна в отношении побочного фосфатного продукта, поскольку фосфатные руды естественным образом содержат уран и продукты его распада, такие как радий-226 , свинец-210 и полоний-210 . Извлечение урана из фосфорных руд само по себе может быть экономически выгодным в зависимости от цен на урановом рынке , либо разделение урана может быть предписано природоохранным законодательством, и его продажа используется для возмещения части стоимости процесса. ^{[ 19 ]}^{[ 20 ]}^{[ 21 ]}

Сульфат кальция также является частым компонентом отложений в промышленных теплообменниках, поскольку его растворимость снижается с повышением температуры (см. специальный раздел, посвященный ретроградной растворимости).

Растворимость

Растворимость сульфата кальция уменьшается с повышением температуры. Такое поведение («ретроградная растворимость») встречается редко: растворение большинства солей является эндотермическим , и их растворимость увеличивается с температурой. Ретроградная растворимость сульфата кальция также ответственна за его осаждение в самой горячей зоне систем отопления и за его вклад в образование накипи в котлах вместе с выпадением в осадок карбоната кальция которого , растворимость также снижается при дегазации CO ₂ из горячей воды или при выходе его из системы.

См. также

Ссылки

^ Лебедев А.Л.; Косоруков, В.Л. (2017). «Растворимость гипса в воде при 25 ° C» (PDF) . Геохимия Интернэшнл . 55 (2): 171–177. дои : 10.1134/S0016702917010062 . S2CID 132916752 .
^ Д. Р. Линде (редактор) "Справочник CRC по химии и физике", 83-е издание, CRC Press, 2002 г.
^ Jump up to: ^а ^б Зумдал, Стивен С. (2009). Химические принципы 6-е изд . Компания Хоутон Миффлин. п. А21. ISBN 978-0-618-94690-7 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям. «#0095» . Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
^ Франц Виршинг «Сульфат кальция» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана, 2012 Wiley-VCH, Вайнхайм. два : 10.1002/14356007.a04_555
^ Морикава, Х.; Минато, И.; Томита, Т.; Иваи, С. (1975). «Ангидрит: уточнение». Acta Crystallographica Раздел B. 31 (8): 2164. doi : 10.1107/S0567740875007145 .
^ Коул, ВФ; Ланкуки, CJ (1974). «Уточнение кристаллической структуры гипса CaSO
₄ · 2ч
₂ О ". Acta Crystallographica Раздел B. 30 ( 4): 921. doi : 10.1107/S0567740874004055 .
^ Jump up to: ^а ^б Тейлор HFW (1990) Химия цемента . Академическая пресса, ISBN 0-12-683900-X , стр. 186-187.
^ «О коагулянте тофу» . www.soymilkmaker.com . Sanlinx Inc. 31 августа 2015 г. Архивировано из оригинала 14 марта 2015 г. . Проверено 10 января 2008 г.
^ Jump up to: ^а ^б «Краткая информация о соединениях для CID 24497 — сульфат кальция» . ПабХим.
^ Титус, Гарри В.; МакНелли, Эдмунд; Хилберг, Фрэнк К. (1 января 1933 г.). «Влияние карбоната и сульфата кальция на развитие костей» . Птицеводство . 12 (1): 5–8. дои : 10.3382/ps.0120005 . ISSN 0032-5791 .
^ Томас, Марк В.; Пулео, Дэвид А.; Аль-Саббах, Моханад (2005). «Сульфат кальция: обзор» . Журнал долгосрочных эффектов медицинских имплантатов . 15 (6): 599–607. doi : 10.1615/jlongtermeffmedimplants.v15.i6.30 . ISSN 1050-6934 . ПМИД 16393128 .
^ «Двухфазный сульфат кальция — обзор» . Биоматериалы Аугма . 25 марта 2020 г. Проверено 16 июля 2020 г.
^ Цементный завод Уайтхейвен
^ Ангидритовый процесс
^ АВСТРАЛИЙСКОЕ СОдружество. ОТДЕЛ ПОСТАВКИ И ДОСТАВКИ. БЮРО МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ ГЕОЛОГИИ И ГЕОФИЗИКИ. ОТЧЕТ № 1949/44 (Геол. сер. № 27) Э. К. Штурмфельса ПРОИЗВОДСТВО СЕРНОЙ КИСЛОТЫ И ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА ИЗ СУЛЬФАТА КАЛЬЦИЯ И АЛЮМИНИЙСИЛИКАТОВ
^ Гипс , Геологическая служба США, 2008 г.
^ Спейт, Джеймс Г. (2000). «Топливо синтетическое, газообразное». Энциклопедия химической технологии Кирка-Отмера . дои : 10.1002/0471238961.0701190519160509.a01 . ISBN 9780471484943 .
^ Ван, Р.Д.; Филд, Луизиана; Жилле д'Ориак, Ф.С. «Извлечение урана из фосфоритных пород» . ОСТИ 6654998 .
^ «Уран из фосфатов | Фосфоритный уран - Всемирная ядерная ассоциация» .
^ «Бразилия планирует завод по добыче фосфата урана в Санта-Китерии: Уран и топливо – World Nuclear News» .

Внешние ссылки

[1] Лебедев А.Л.; Косоруков, В.Л. (2017). «Растворимость гипса в воде при 25 ° C» (PDF) . Геохимия Интернэшнл . 55 (2): 171–177. дои : 10.1134/S0016702917010062 . S2CID 132916752 .

[2] Д. Р. Линде (редактор) "Справочник CRC по химии и физике", 83-е издание, CRC Press, 2002 г.

[b1-3] Jump up to: ^а ^б Зумдал, Стивен С. (2009). Химические принципы 6-е изд . Компания Хоутон Миффлин. п. А21. ISBN 978-0-618-94690-7 .

[PGCH-4] Jump up to: ^а ^б ^с Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям. «#0095» . Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).

[Ullmanns-5] Франц Виршинг «Сульфат кальция» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана, 2012 Wiley-VCH, Вайнхайм. два : 10.1002/14356007.a04_555

[6] Морикава, Х.; Минато, И.; Томита, Т.; Иваи, С. (1975). «Ангидрит: уточнение». Acta Crystallographica Раздел B. 31 (8): 2164. doi : 10.1107/S0567740875007145 .

[7] Коул, ВФ; Ланкуки, CJ (1974). «Уточнение кристаллической структуры гипса CaSO
₄ · 2ч
₂ О ". Acta Crystallographica Раздел B. 30 ( 4): 921. doi : 10.1107/S0567740874004055 .

[t-8] Jump up to: ^а ^б Тейлор HFW (1990) Химия цемента . Академическая пресса, ISBN 0-12-683900-X , стр. 186-187.

[9] «О коагулянте тофу» . www.soymilkmaker.com . Sanlinx Inc. 31 августа 2015 г. Архивировано из оригинала 14 марта 2015 г. . Проверено 10 января 2008 г.

[pc-10] Jump up to: ^а ^б «Краткая информация о соединениях для CID 24497 — сульфат кальция» . ПабХим.

[11] Титус, Гарри В.; МакНелли, Эдмунд; Хилберг, Фрэнк К. (1 января 1933 г.). «Влияние карбоната и сульфата кальция на развитие костей» . Птицеводство . 12 (1): 5–8. дои : 10.3382/ps.0120005 . ISSN 0032-5791 .

[12] Томас, Марк В.; Пулео, Дэвид А.; Аль-Саббах, Моханад (2005). «Сульфат кальция: обзор» . Журнал долгосрочных эффектов медицинских имплантатов . 15 (6): 599–607. doi : 10.1615/jlongtermeffmedimplants.v15.i6.30 . ISSN 1050-6934 . ПМИД 16393128 .

[13] «Двухфазный сульфат кальция — обзор» . Биоматериалы Аугма . 25 марта 2020 г. Проверено 16 июля 2020 г.

[14] Цементный завод Уайтхейвен

[anhydrite_process-15] Ангидритовый процесс

[16] АВСТРАЛИЙСКОЕ СОдружество. ОТДЕЛ ПОСТАВКИ И ДОСТАВКИ. БЮРО МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ ГЕОЛОГИИ И ГЕОФИЗИКИ. ОТЧЕТ № 1949/44 (Геол. сер. № 27) Э. К. Штурмфельса ПРОИЗВОДСТВО СЕРНОЙ КИСЛОТЫ И ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА ИЗ СУЛЬФАТА КАЛЬЦИЯ И АЛЮМИНИЙСИЛИКАТОВ

[17] Гипс , Геологическая служба США, 2008 г.

[18] Спейт, Джеймс Г. (2000). «Топливо синтетическое, газообразное». Энциклопедия химической технологии Кирка-Отмера . дои : 10.1002/0471238961.0701190519160509.a01 . ISBN 9780471484943 .

[19] Ван, Р.Д.; Филд, Луизиана; Жилле д'Ориак, Ф.С. «Извлечение урана из фосфоритных пород» . ОСТИ 6654998 .

[20] «Уран из фосфатов | Фосфоритный уран - Всемирная ядерная ассоциация» .

[21] «Бразилия планирует завод по добыче фосфата урана в Санта-Китерии: Уран и топливо – World Nuclear News» .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

v т и Соединения кальция
Hydrogen & halogens	CaH₂ CaF₂ CaCl₂ Ca(ClO)₂ Ca(ClO₃)₂ Ca(ClO₄)₂ CaBr₂ Ca(BrO₃)₂ CaI₂ Ca(IO₃)₂ Ca^ICl
Chalcogens	CaO CaO₂ Ca(OH)₂ CaS CaSO₃ CaH₂S₂O₆ CaSO₄ CaSe
Pnictogens	Ca₃N₂ CaN₆ Ca(NO₂)₂ Ca(NO₃)₂ Ca₃P₂ CaP Ca₄(PO₄)₂O Ca₃(PO₄)₂ CaHPO₄ Ca(H₂PO₄)₂ Ca₂P₂O₇ CaAs Ca₃(AsO₄)₂
Group 13 & 14	CaC₂ Ca(CN)₂ CaCN₂ CaCO₃ Ca(HCO₃)₂ CaSi CaSi₂ Ca₂SiO₄ Ca₃(BO₃)₂ CaAl₂O₄ Ca₃Al₂O₆
Trans metals	Ca(MnO₄)₂ CaCrO₄ CaTiO₃
Organics	CaC₂O₄ Ca(HCO₂)₂ Ca(CH₃CO₂)₂ Ca(C₃H₅O₂)₂ CaC₄H₂O₄ Ca₃(C₆H₅O₇)₂ C₃H₇CaO₆P Ca(C₆H₅O₅S)₂ Ca(C₆H₇O₆)₂ C₁₀H₁₁CaN₄O₈P CaC₁₀H₁₂O₄N₅PO₄ C₁₀H₁₆CaN₂O₈ C₁₂H₂₂CaO₁₄ C₁₄H₂₆CaO₁₆ C₁₈H₃₂CaO₁₉ C₃₆H₇₀CaO₄ C₂₄H₄₀B₂CaO₂₄