Взаимодействие сульфата кальция с водой

Сульфат кальция: способы получения и химические свойства

Сульфат кальция CaSO₄ — соль металла кальция и серной кислоты. Белый. Весьма гигроскопичный. При плавлении разлагается. Мало растворяется в воде.

Относительная молекулярная масса M_r = 136,14; относительная плотность для тв. и ж. состояния d = 2,96; t_пл = 1450º C (разлагается).

Способ получения

1. В результате взаимодействия хлорида кальция и сульфата калия при 800º С образуется сульфат кальция и хлорид калия:

2. Сульфат магния взаимодействует с перхлоратом кальция с образованием сульфата кальция и перхлората магния:

3. Гидроксид кальция вступает в реакцию с серной кислотой и образует сульфат кальция и воду:

Качественная реакция

Качественная реакция на сульфат кальция — взаимодействие его с хлоридом бария, в результате реакции происходит образование белого осадка , который не растворим в азотной кислоте:

1. При взаимодействии с хлоридом бария , сульфат кальция образует сульфат бария и хлорид кальция:

Химические свойства

1. Сульфат кальция реагирует с простыми веществами :

1.1. Сульфат кальция взаимодействует с углеродом (коксом) при 900º С и образует сульфид кальция, угарный газ или углекислый газ:

CaSO₄ + 4C = CaS + 4CO

2. Сульфат кальция вступает в реакцию со многими сложными веществами :

2.1. Сульфат кальция взаимодействует с оксидами :

2.1.1. Сульфат в результате реакции с угарным газом при 600 — 800º С образует сульфид кальция и углекислый газ:

CaSO₄ + 4CO = CaS + 4CO₂

2.2. Сульфат кальция может реагировать с кислотами :

2.2.1. При взаимодействии с концентрированной серной кислотой сульфат кальция образует гидросульфат кальция:

2.3. Сульфат кальция реагирует с солями :

2.3.1. Сульфат кальция взаимодействует с концентрированным раствором карбоната натрия . При этом образуются карбонат кальция и сульфат натрия:

3. Сульфат кальция разлагается при температуре выше 1450º С, образуя оксид кальция, оксид серы и кислород:

Источник

Сульфат кальция — Calcium sulfate

Сульфат кальция

Имена
Другие имена

• 7778-18-9 Y
• (полугидрат): 10034-76-1 Y
• (дигидрат): 10101-41-4 Y

• ЧЕБИ: 31346Y
• (дигидрат) : CHEBI: 32583

• 22905Y

• C13194N
• D09201

• E934B3V59HY
• (полугидрат): 3RW091J48VY
• (дигидрат): 4846Q921YMY

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) -1433 кДж / моль Опасности Паспорт безопасности См .: страницу данных
ICSC 1589 NFPA 704 (огненный алмаз)

точка возгорания Не воспламеняется NIOSH (пределы воздействия на здоровье в США): TWA 15 мг / м 3 (всего) TWA 5 мг / м 3 (соответственно) [только для безводной формы] TWA 10 мг / м 3 (всего) TWA 5 мг / м 3 (соответственно) [только безводный] N проверить ( что есть ?) Y N 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. Сульфат кальция вызывает постоянную жесткость воды.

СОДЕРЖАНИЕ

Состояния гидратации и кристаллографические структуры

Соединение существует на трех уровнях гидратации, соответствующих различным 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 · 1 ⁄ 2 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 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. 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 / 2 Н ₂ О + 1 + 1 / 2 Н 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 / 2 Н ₂ О + 1 + 1 / 2 H ₂ O → CaSO ₄ · 2 H ₂ O

Эта реакция является экзотермической и отвечает за легкость, с которой из гипса можно отливать 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

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 .

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.

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 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) 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. Таким образом, 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 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 .

Источник