Kalcijev sulfat

Kalcijev sulfat
Kalcijev sulfat polhidrat
Imena
Druga imena
mavec
gips
drierit
Identifikatorji
3D model (JSmol)
ChEBI
ChemSpider
ECHA InfoCard 100.029.000
Število E E516 (sredstva za uravnavanje Ph, ...)
KEGG
RTECS število
  • WS6920000
UNII
  • InChI=1S/Ca.H2O4S/c;1-5(2,3)4/h;(H2,1,2,3,4)/q+2;/p-2
    Key: OSGAYBCDTDRGGQ-UHFFFAOYSA-L
  • InChI=1/Ca.H2O4S/c;1-5(2,3)4/h;(H2,1,2,3,4)/q+2;/p-2
    Key: OSGAYBCDTDRGGQ-NUQVWONBAU
  • [Ca+2].[O-]S([O-])(=O)=O
Lastnosti
CaSO4
Molska masa 136,14 g/mol (brezvodni)
145,15 g/mol (polhidrat)
172,172 g/mol (dihidrat)
Videz bela trdnina
Vonj brez vonja
Gostota 2,96 g/cm3 (brezvodni)
2,32 g/cm3 (dihidrat)
Tališče 1.460 °C (2.660 °F; 1.730 K)
0,21g/100 ml pri 20 °C (brezvodni)[1]
0,24 g/100 ml pri 20  °C (dihidrat)[2]
Topnostni produkt (Ksp)
 4.93 × 10−5 mol2L−2 (brezvodni)
3,14 × 10−5 (dihidrat)
[3]
Topnost (glicerol) rahlo topen (dihidrat)
Kislost (pKa) 10,4 (brezvodni)
7,3 (dihidrat)
Struktura
Kristalna struktura ortorombska
Termokemija
Standardna molarna
entropija So298 		107 J·mol−1·K−1 [4]
-1433 kJ/mol[4]
Nevarnosti
NFPA 704 (diamant ognja)
NFPA 704 four-colored diamondFlammability code 0: Will not burn. E.g. waterHealth code 1: Exposure would cause irritation but only minor residual injury. E.g. turpentineReactivity code 0: Normally stable, even under fire exposure conditions, and is not reactive with water. E.g. liquid nitrogenSpecial hazards (white): no code
0
1
0
Plamenišče ni vnetljiv
NIOSH (ZDA varnostne meje):
PEL (Dopustno)
 TWA 15 mg/m3 (celotna) TWA 5 mg/m3 (vdihavanje) [samo za brezvodno obliko][5]
REL (Priporočeno)
 TWA 10 mg/m3 (celotna) TWA 5 mg/m3 (vdihavanje) [samo za brezvodno obliko][5]
IDLH (Takojšnja nevarnost)
 N.D.[5]
Sorodne snovi
Drugi kationi magnezijev sulfat
stroncijev sulfat
barijev sulfat
Sorodno sušilno sredstvo kalcijev klorid
magnezijev sulfat
Sorodne snovi mavec
sadra
Če ni navedeno drugače, podatki veljajo za material v standardnem stanju pri 25 °C, 100 kPa).
Sklici infopolja

Kalcijev sulfat je pogosta laboratorijska in industrijska kemikalija s formulo CaSO. Kot γ-anhidrit, ki je skoraj brezvodna oblika, se uporablja kot sušilno sredstvo. Uporablja se lahko tudi kot koagulant za proizvode, kot je na primer tofu.[6] Naravni nerafinirani kalcijev sulfat je prosojna kristalasta bela kamnina. V prodaji je njegov s kobaltovim(II) kloridom impregniran različek s trgovskim imenom drierit, ki deluje kot indikator vlažnosti in je lahko modro ali rožnato obarvan. Polhidrat (CaSO4·~ 0.5 H2O ali (CaSO4)2·H2O) je bolj znan kot mavec, medtem ko se dihidrat (CaSO4·2H2O) v naravi pojavlja kot mineral sadra. Naravna brezvodna oblika kalcijevega sulfata je β-anhidrit. Iz dihidrata se z različnimi postopki kalciniranja lahko proizvedejo različni polhidrati, na primer α-polhidrat in β-polhidrat,[7] ki se razlikujeta samo po obliki kristalov. Kristali α-polhidrata so bolj prizmatični kot kristali β-polhidrata in imajo po mešanju z vodo močnejšo in tršo strukturo.[8]

Pridobivanje in industrijska proizvodnja

Glavna naravna vira kalcijevega sulfata sta minerala sadra (CaSO4·2H2O) in anhidrit (CaSO4), ki se pojavljata v evaporitnih sedimentih. Pridobivata se na površinskih kopih ali v rudnikih. Svetovna letna proizvodnja kalcijevega sulfata je približno 127 milijonov ton.[9]

Drug pomemben vir so stranski produkti v različnih industrijskih kemičnih procesih.

  • Razžveplanje dimnih plinov v termoelektrarnah na fosilna goriva in drugih industrijskih procesih, na primer v proizvodnji cementa. V dimne pline se vpihavata fino uprašena apnenec ali apno, pri čemer nastane kalcijev sulfit, ki se z oksidacijo pretvori v sulfat:
SO2 + CaO → CaSO3
SO2 + CaCO3 → CaSO3
2 CaSO3 + O2 → 2 CaSO4
Ca3(PO4)2 + 3H2SO4 → 2H3PO4 + 3CaSO4

Omenjeni obarjalni procesi so nagnjeni h koncentriranju radioaktivnih elementov v kalcijevem sulfatu, zlasti pri proizvodnji fosforne kisline, ker naravni fosfati vsebujejo aktinoide.

Dehidracijske reakcije

Sadra med segrevanjem pri 100−150 °C odcepi približno 75 odstotkov kristalno vezane vode. Temperatura in čas kalciniranja sta odvisna od delnega tlaka vode v okolju. Industrijsko kalciniranje poteka pri 170 °C, čeprav se pri tej temperaturi že začne tvoriti γ-anhidrit (brezvodni CaSO4). V procesu delne dehidracije potekata naslednji reakciji:

CaSO4·2H2O → CaSO4·0.5H2O + 1.5H2O
CaSO4·0.5H2O → CaSO4 + 0.5H2O

Delno dehidrirana sadra se imenuje kalcijev sulfat polhidrat ali kalcinirana sadra, ki je bolj znana kot mavec (CaSO4·nH2O, pri čemer n znaša od 0,5−0,8).[7] Dehidracija (kalcinacija) se začne pri približno 80 °C, v suhem zraku že pri 50 °C. Dovedena toplota se porablja predvsem za odcepljanje kristalno vezane vode kot vodne pare, zato temperatura narašča počasi. Ko se odcepi vsa voda, začne temperatura naraščati hitreje.

Endotermne lastnosti reakcije se izkorišča v mavčnih ploščah za oblaganje zidov, ki med požarom absorbirano toploto porabijo za odcepljanje kristalno vezane vode in s tem za nekaj časa zadržijo ali celo preprečijo vžig lesa ali izgubo trdnosti jekla zaradi visoke temperature. Pri zelo visokih temperaturah začne kalcijev sulfat sproščati kisik in postane oksidant.

Večina dehidriranih mineralov pri ponovni vezavi kristalne vode tvori tekoče ali pol tekoče paste, kalciniran kalcijev sulfat pa ima nenavadno lastnost, da se v zmesi z vodo že pri sobni temperaturi hitro rehidrira in tvori trdno in relativno močno kristalno mrežo:

CaSO4·0.5H2O + 1.5H2O → CaSO4·2H2O

Reakcija je eksotermna in omogoča enostavno ulivanje v različne oblike, na primer mavčne stenske plošče, palčke za pisanje na tablo (kreda) in mavčne obloge za zlomljene kosti. V zmesi s polimeri se uporablja kot cement za krpanje kosti. Majhne količine kalcinirane sadre se dodajajo zemlji kot vir kalcija in žvepla ter sredstvo za prezračevanje in regulacijo kislosti. S krmiljenjem pogojev dehidracije se lahko spreminja poroznost polhidrata, kar daje α- ali β-polhidrat, ki sta kemično bolj ali manj enaka.

Pri segrevanju pri 180 °C nastane skoraj brezvodna sol γ-anhidrit s formulo CaSO4·nH2O, v kateri n znaša 0−0,05. γ-anhidrit počasneje reagira z vodo in se vrača v obliko dihidrata. To lastnost se izkorišča v nekaterih komercialnih sušilnih sredstvih (sikativih). Pre segrevanju nad 250 °C nastane popolnoma brezvodna oblika β-anhidrit ali »naravni« anhidrit, ki ne reagira z vodo tudi v geloškem časovnem merilu, razen če je zelo fino uprašen.

Spremenljiva sestava polhidrata in γ-anhidrita in enostavno pretvarjanje ene oblike v drugo je posledica njihove skoraj identične kristalne strukture, ki vsebujejo »kanale«, ki lahko sprejmejo različne količine vode ali druge majhne molekule, na primer metanol.

Temperaturna odvisnost topnosti kalcijevega sulfata v čisti vodi

Sinteza žveplove kisline

Do 1970. let so se iz brezvodnega kalcijevega sulfata proizvajale znatne količine žveplove kisline. Anhidrit se je pomešal s skrilavci ali laporjem in pražil, pri čemer se je sproščal žveplov dioksid (SO2), surovina za žveplovo kislino. V reakciji je nastal tudi kalcijev silikat (Ca2SiO4), ki je surovina za proizvodnjo cementa.[10]

Nezaželena obloga

Kalcijev sulfat je pogosto komponenta nezaželenih oblog na stenah industrijskih toplotnih izmenjevalcev, ki so posledica zmanjšanja njegove topnosti pri povišani temperaturi.

Odkritje na Marsu

Nasin rover Opportunity, ki je 25. januarja 2004 uspešno pristal na Marsu, je odkril kalcijev sulfat v žilah na planetovi površini. Slike kažejo na sadro.[11]

Glej tudi

Sklici

  1. ↑ S. Gangolli (1999). The Dictionary of Substances and Their Effects: C. Royal Society of Chemistry. str. 71. ISBN 0-85404-813-8.
  2. ↑ American Chemical Society (2006). Reagent chemicals: specifications and procedures: American Chemical Society specifications, official from January 1, 2006. Oxford University Press. str. 242. ISBN 0-8412-3945-2.
  3. ↑ D.R. Linde (urednik). CRC Handbook of Chemistry and Physics, 83. izdaja. CRC Press, 2002.
  4. ↑ 4,0 4,1 Zumdahl, Steven S. (2009). Chemical Principles 6th Ed. Houghton Mifflin Company. str. A21. ISBN 0-618-94690-X.
  5. ↑ 5,0 5,1 5,2 NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards #0095. National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH).
  6. ↑ About Tofu Coagulant Arhivirano 2015-03-14 na Wayback Machine.. Pridobljeno 9. januarja 2008.
  7. ↑ 7,0 7,1 H.F.W. Taylor. Cement Chemistry. Academic Press, ISBN 0-12-683900-X, str. 186-187.
  8. ↑ What the heck is plaster anyway? Arhivirano 2009-09-25 na Wayback Machine..[Mrtva povezava]
  9. ↑ Gypsum. USGS, 2008.
  10. ↑ http://www.lakestay.co.uk/whitehavenmininghistory.html Whiteheaven Coast Archeological Survey.
  11. ↑ NASA Mars Rover Finds Mineral Vein Deposited by Water. NASA Jet Propulsion Laboratory. 7. december 2011. Pridobljeno 23. aprila 2013.

Viri

  • R.J. Hand. Calcium Sulphate hydrates: a review. British Ceramic Transactions 96 (1997): 116-120.
  • P.M. Gay. Some crystallographic studies in the system CaSO4- CaSO4.2H2O. Dep. of Miner. And Petrol (1965): 347-362. University of Cambridge.
  • D. Aquilano, M. Rubbo, M. Catti, A. Pavese, P. Ugliengo (1992). Theoretical Equilibrium and Growth Morphology of Anhydritte (CaSO4) crystals. J.Crystal Growth 125: 519-532.