Sadra

Sadra je kalcijev sulfatni mineral s formulo CaSO₄·2H₂O. V naravi je zelo razširjena. Po navadi je bele barve, lahko pa je zaradi primesi tudi različno obarvana. Pogosta spremljajoča minerala sta halit in anhidrit. Drobnozrnata bela sadra se imenuje alabaster. Pri temperaturi 45-135 °C izgubi dve tretjini kristalne vode in preide v polhidrat (CaSO₄·0.5H₂O), bolj znan kot mavec. Sadra je mehek in zelo dobro razkolen mineral.

Sadra
Puščavska roža, dolga 47 cm
Splošno
Kategorija	VI. razred: Sulfatni minerali
Kemijska formula	CaSO4·2H2O
Lastnosti
Barva	brezbarvna do bela; če vsebuje nečistoče, je lahko rumena, svetlo rjava, modra, rožnata, rjava, rdečerjava ali siva
Kristalni habit	masiven, sploščen, raztegnjeni, praviloma prizmatični kristali
Kristalni sistem	monoklinska prizmatična 2/m
Dvojčičenje	zelo pogosto na {110}
Razkolnost	popolna na {010}, različna na {100}
Lom	školjkast na {100}, vzporedno cepljenje po [001]
Trdota	1,5 - 2
Sijaj	steklast do svilen, bisern ali voščen
Barva črte	bela
Prozornost	prozona do prosojna
Specifična teža	2,31 - 2,33
Optične lastnosti	dvoosen (+)
Lomni količnik	nα = 1,519 - 1,521 nβ = 1,522 - 1,523 nγ = 1,529 - 1,530
Dvolomnost	δ = 0,010
Pleohroizem	brez
Kot 2V	58°
Taljivost	3
Topnost	vroča razredčena HCl
Sklici	[1][2]
Glavne vrste
Satin spar	biserna vlaknata snov
selenit	prozorni listasti kristali
alabaster	drobnozrnat, rahlo obarvan

Kalcijev sulfat dihidrat

Mineral sadre v prozorni obliki - Selenit

Sadra oz. kalcijev sulfat dihidrat, s formulo CaSO₄·2H₂O, je naravni mineral, ki se nahaja v sedimentnih kamninah in je nastal pred sto milijoni leti pri izhlapevanju vode prostranih morij, ki so prekrivali kontinente. Trenutne svetovne zaloge naravne sadre ocenjujejo na 2,26 milijarde ton, od tega 35 odstotkov v Evropi.

Sadra v prahu

Kemijsko je sadra sestavljena iz ene molekule kalcijevega sulfata CaSO₄ in dveh molekul vode, ki sta kristalno vezani in predstavljata 20.9 % celote. Nad temperaturo 40 °C prične izhajati kristalna voda in sadra pridobi novo kristalno obliko.

Struktura dihidrata, kjer so poliedri CaO₇ (modri), tetraedri skupine SO₄ (rumeni) in vodne molekule (rdeče)

Struktura dihidrata^[3] je sestavljena iz plasti, kjer vodne molekule povezujejo plasti CaSO₄ Tako je cepljivost najlažja na plasteh, kjer so vodne molekule.

Sadra je edini naravni mineral, ki ga lahko zdrobimo, mu s segrevanjem odvzamemo vodo in mu nato povrnemo prvotno obliko z dodatkom vode. Spreminjamo ga lahko poljubno iz oblike v obliko po naslednji relaciji:

${\displaystyle {\mbox{CaSO}}_{4}\cdot 2{\mbox{H}}_{2}{\mbox{O}}\;{\xrightarrow[{-3/2\,H_{2}O}]{45-135\,^{\circ }C}}\;{\mbox{CaSO}}_{4}\cdot 1/2{\mbox{H}}_{2}{\mbox{O}}\;{\xrightarrow[{-1/2\,H_{2}O}]{135-360\,^{\circ }C}}\;{\mbox{CaSO}}_{4}\;{\xrightarrow[{+1/2\,H_{2}O}]{}}}$

${\displaystyle {\mbox{CaSO}}_{4}+1/2{\mbox{H}}_{2}{\mbox{O}}\;{\xrightarrow[{+3/2\,H_{2}O}]{\;}}{\mbox{CaSO}}_{4}+2{\mbox{H}}_{2}{\mbox{O}}}$

Pri teh pretvorbah pa ne smemo preseči temperature 1100 °C, pri kateri nastane mrtvo žgani CaSO₄. Druga zelo pomembna lastnost mavca je, da se mavčna malta zelo dobro vliva, pri strjevanju pa razširi in tako zapolni še tako majhne pore, luknjice in razpoke,^[4] na koncu procesa strjevanja pa zadrži reliefno strukturo kalupa. To omogoča izdelovanje zelo kvalitetnih odlitkov. Zaradi vsebnosti kristalne vode so izdelki iz sadre požarno odporni in odlični regulatorji vlage v prostoru, saj odvečno vlago zaradi svoje strukture vežejo nase, ob pomanjkanju pa jo sproščajo.

Ostale kristalne modifikacije

Kalcijev sulfat hemihidrat (mavec)

Kalcijev sulfat hemihidrat se običajno proizvaja z dehidracijo kalcijevega sulfata dihidrata po sledeči relaciji:

CaSO₄·2H₂O → CaSO₄·0.5H₂O + 1.5H₂O

Glede na način priprave lahko kalcijev sulfat hemihidrat delimo na alfa in beta mavec.

Alfa mavec

SEM-posnetek alfa mavca^[5]

Alfa mavec se proizvaja tako iz naravne, kot tudi iz kemijske sadre, v avtoklavih pri temperaturi do 150 °C in tlaku do 4 bare. Ta tako imenovani mokri način dehidracije dovoljuje kontrolirano nukleacijo in rast kristalov, kar vodi do zelo lepo oblikovanih kompaktnih kristalov. Ti so povečini zelo enakomerni in nekrušljivi. Posledica te enakomernosti oblike in velikosti kristalov je večja gostota oz. manjša specifična površina, kar se kaže predvsem v odličnih kasnejših obdelovalnih lastnostih, kot so manjša poraba vode, doseganje visoke tlačne in upogibne trdnosti. Zaradi teh lastnosti se uporablja predvsem za tekoči estrih.

Beta mavec

SEM posnetek beta mavca^[5]

Beta mavec ima daljšo zgodovino proizvodnje oz. uporabe v primerjavi z alfa mavcem.

Proizvodnja sloni na suhem načinu obdelave materiala v rotacijskih pečeh oz. novejših sušilnikih s fluidiziranim slojem pri temperaturi do 180 °C. Med kalcinacijo se pri tem procesu kristalna voda izloča v obliki pare, kar povzroči razpad sadrinih kristalov v porozne agregate malih delcev beta mavca. Ti delci so zelo krušljivi, neenakomerni in različnih oblik, kar povzroča dosti večjo potrebo po vodi in posledično nižje upogibne in tlačne trdnosti produktov.

Kalcijev sulfat anhidrit

Zadnja modifikacija je brezvodni kalcijev sulfat CaSO₄, ki se pojavlja kot topen-heksagonalni, netopen-ortorombski in visokotemperaturni oz. mrtvo-žgani kalcijev sulfat.

Izmed teh je gospodarsko pomembnejši prvi, ki se podobno kot beta mavec proizvaja večinoma v rotacijskih pečeh, vendar pri višjih temperaturah, ki dosežejo od 500-800 °C, po sledeči reakciji:

CaSO₄·2H₂O → CaSO₄ + 2H₂O

Kemijska sadra

Vse večja alternativa naravni sadri pa v razvitih deželah postaja kemijska sadra, ki je rezultat številnih kemijskih procesov. Preprost mehanizem nastanka sadre lahko zapišemo z naslednjo enačbo:

H₂SO₄ + CaCO₃ → CaSO₄·2H₂O + CO₂

Vsaka zase je imenovana po proizvodnji, v kateri nastaja in je specifična zaradi primesi, velikosti in oblike kristalov, ki jih vsebuje. Izmed teh je količinsko najpomembnejša fosforjeva sadra, ki nastaja pri proizvodnji fosforjeve kisline, v manjših količinah pa titanova sadra, ki nastaja pri proizvodnji titanovega dioksida. Poznamo še razne »organo sadre« iz proizvodnje organskih kislin kot npr: citronska, mravljična, vinska kislina in druge. V zadnjem času od omenjenih kemičnih sader v smislu količin prevladuje tako imenovana energetska sadra (REA Gips, FGD Gypsum), ki jo dobimo pri čiščenju žveplovega dioksida iz dimnih plinov v termoelektrarnah. Sadra predstavlja velik problem v rafinerijah, hidrometalurških procesih, desalnizaciji itd., saj s tvorjenjem oblog zmanjšuje učinkovitost procesov.^[6]

Vse strožji predpisi o zaščiti človekovega okolja so v večini razvitih držav že pripomogli, da je vsak večji vir SO₂ opremljen z razžvepljevalno napravo, s tem pa tudi na nastanek še večjih količin energetske sadre. Države kot so Japonska, Nemčija idr. že vso energetsko, kakor tudi kemično sadro z ustreznimi postopki predelave uporabljajo v številnih panogah, kot so proizvodnja cementa, gradbeništvo, poljedelstvo, sadjarstvo itd. V Sloveniji nastane približno 600.000 ton kemijske sadre, ki se deloma porabi v zgoraj omenjenih uporabah, deloma se z njo zapolnjujejo opuščeni rovi rudnikov, deloma pa se odlaga na posebnih odlagališčih.

Uporabnost sadre

Lastnosti sistema CaSO₄·H₂O se izkoriščajo že tisočletja. Stari Egipčani so mavec uporabljali pri gradnji piramid, Asirci pri vlivanju skulptur, Grki pa sadro (njeno prozorno obliko - selenit) kot nadomestek stekla.

Danes se kalcijev sulfat dihidrat uporablja predvsem v^[6]:

• gradbeništvu
  • dodatek (3-5 odstotkov) portlandskemu klinkerju za proizvodnjo cementa
  • v proizvodnji alfa in beta mavca (ometi, malte, izravnalne mase, mavčne plošče in zidaki)
  • v proizvodnji anhidrita (tekoči estrihi)
• poljedelstvu
  • eden pomembnejših virov kalcija in žvepla v prsti
  • regulator pH vrednosti v prsti
  • sredstvo za prezračevanje zemlje
• živinoreji
  • za preprečevanje vonja po urinu
• živilski industriji
  • dodatek pri vrenju piva, kot polnilo pri testeninah, sladoledu, hamburgerjih
• medicini
  • mavčne obloge in zobne zalivke
• filmski industriji
  • številni efekti (sneg).

Galerija

• Nenavadni primerki sadre s celega sveta
• 
  Zeleni kristali sadre iz Pernatty Lagoon, Mt Gunson, Južna Avstralija; zeleno barvo dajejo bakrovi ioni
• 
  Puščavska roža iz Tunizije, dolga 47 cm
• 
  Klasičen »ovnov rog«; Santa Eulalia, Chihuahua, Mehika; velikost: 7,5×4,3×3,8 cm
• 
  Selenit, Houston Museum of Natural Science
• 
  Sadra z vključki zelenega atakamita, Peru
• 
  Sadra z vključki kristalnega samorodnega bakra
• 
  Češnjevo rdeči kristali sadre, visoki 2,5 cm, obarvani z vključki zelo redkega minerala botriogena
• 
  Ognjeno oranžni kristali sadre
• 
  Nenavadna selenitna sadra iz Red Riverja, Winnipeg, Manitoba, Kanada