Сульфат кальцію

Сульфа́т ка́льцію, ка́льцій сульфа́т — неорганічна сполука, кальцієва сіль ряду сульфатів складу CaSO₄. Речовина є білими, гігроскопічними кристалами, малорозчинними у воді. Утворює кристалогідрати складу CaSO₄·2H₂O та CaSO₄·0,5H₂O.

Сульфат кальцію
Назва за IUPAC	кальцій сульфат
Ідентифікатори
Номер CAS	7778-18-9
Номер EINECS	231-900-3
DrugBank	DB15533
KEGG	D09201
Назва MeSH	D01.146.375, D01.578.215 і D01.875.800.800.850.125
ChEBI	31346
RTECS	WS6920000
SMILES	[O-]S(=O)(=O)[O-].[Ca+2][1]
InChI	InChI=1S/Ca.H2O4S/c;1-5(2,3)4/h;(H2,1,2,3,4)/q+2;/p-2
Номер Гмеліна	7487
Властивості
Молекулярна формула	CaSO4
Молярна маса	136,142 г/моль
Зовнішній вигляд	білі кристали
Густина	2,96 г/см³
Тпл	1460 °C
Розчинність (вода)	0,205 г/100 г
Структура
Кристалічна структура	орторомбічна
Термохімія
Ст. ентальпія утворення ΔfHo 298	-342,76 ккал/моль
Ст. ентропія So 298	25,50 кал/(моль·K)
Теплоємність, co p	23,82 кал/(моль·K)
Пов'язані речовини
Інші аніони	сульфід кальцію
Інші катіони	сульфат магнію
Якщо не зазначено інше, дані наведено для речовин у стандартному стані (за 25 °C, 100 кПа)
Інструкція з використання шаблону
Примітки картки

Сульфат кальцію переважно застосовується у виготовленні будівельних матеріалів, зокрема як компонент цементів. Також він використовується як осушувач, кальцієвмісна харчова добавка, добриво.

Поширення у природі

Ангідрит (з родовища у Чіуауа, Мексика)

Основна частина сульфату кальцію, розповсюдженого у природі, перебуває у вигляді двох основних мінералів: як ангідрит (CaSO₄) та кристалогідрат сульфату — гіпс (CaSO₄·2H₂O). Дані мінерали лише зрідка трапляються у чистому вигляді, здебільшого вони мають домішки карбонатів кальцію та магнію, оксиду силіцію, невеликі вкраплення глин та деяких розчинних солей.

Окрім розповсюдження у земних надрах, за даними НАСА значні поклади гіпсу були знайдені на Марсі (за допомогою марсоходу «Опортюніті»).^[2]

Іншим розповсюдженим мінералом, що містить CaSO₄, є глауберит Na₂SO₄·CaSO₄. Також сульфат кальцію перебуває у морській воді. Так, у воді із середньою солоністю у 35 ‰ концентрація CaSO₄ складає 0,00115 г/кг. Наявність його у воді визначає її постійну твердість.

Фізичні властивості

Сульфат кальцію є білими, гігроскопічними кристалами. Зволожений, він утворює дигідрат CaSO₄·2H₂O, який при невеликому нагріванні переходить у гемігідрат CaSO₄·0,5H₂O (2CaSO₄·H₂O) — так званий алебастр.

У воді речовина розчиняється слабко (добуток розчинності 4,93⋅10^-5)

Розчинність CaSO₄ у воді (у відсотках)

0 °C	10 °C	20 °C	25 °C	30 °C	40 °C	50 °C	60 °C	70 °C	80 °C	90 °C	100 °C
0,174	0,191	0,202	0,205	0,208	0,210	0,207	0,201	0,193	0,184	0,173	0,163

Отримання

Синтетичні методи отримання сульфату кальцію здебільшого базуються на добуванні його як побічного продукту при переробці мінеральної сировини або використанні у синтезі відходів інших виробництв.

Широко розповсюдженими є методи виробництва CaSO₄, які використовують сірковмісні гази з переробки викопного палива (вугілля, лігніту, нафти). На першій стадії очищений від пилу оксид сірки(IV), впорскується у суспензію вапняку і за нейтрального pH (7–8) утворюється малорозчинний кристалогідрат сульфіту кальцію:

${\displaystyle \mathrm {2SO_{2}+2CaCO_{3}+H_{2}O\longrightarrow 2CaSO_{3}\cdot H_{2}O+CO_{2}} }$

Згодом, у підкисленому розчині (pH 5), сульфіт окиснюється атмосферним киснем до сульфату:

${\displaystyle \mathrm {2CaSO_{3}\cdot H_{2}O+2O_{2}+6H_{2}O\longrightarrow CaSO_{4}\cdot 2H_{2}O} }$

Від отриманого малорозчинного гіпсу промиванням відокремлюють домішки хлоридів, солей магнію та висушують. Кінцевий технічний продукт має менше 10 % вологи.

Іншим поширеним способом отримання сульфату кальцію є переробка флуорапатиту, яка є ключовим етапом у багатостадійному синтезі ортофосфатної кислоти:

${\displaystyle \mathrm {Ca_{5}(PO_{4})_{3}F+5H_{2}SO_{4}+10H_{2}O\rightarrow 5(CaSO_{4}\cdot 2H_{2}O)\downarrow +3H_{3}PO_{4}+HF} }$

Кінцевий продукт має вміст вологи близько 20–30 %. З однієї тонни вихідного флуорапатиту утворюється близько 1,7 тонн сульфату. За цим методом щороку синтезується 100 млн. тонн сульфату кальцію.

Також сульфат кальцію утворюється при обробці флюориту сульфатною кислотою і добуванні газуватого фтороводню:

${\displaystyle \mathrm {CaF_{2}+H_{2}SO_{4}\longrightarrow CaSO_{4}+2HF\uparrow } }$

З однієї тонни флюориту утворюється 1,75 тонн сульфату кальцію.

Хімічні властивості

Сульфат кальцію активно поглинає вологу, утворюючи дигідрат:

${\displaystyle \mathrm {CaSO_{4}+2H_{2}O\longrightarrow CaSO_{4}\cdot 2H_{2}O} }$

При невеликому нагріванні дигідрату утворюється гемігідрат — алебастр, а при температурах, вищих за 163 °C — знову безводний сульфат:

${\displaystyle \mathrm {2(CaSO_{4}\cdot 2H_{2}O){\xrightarrow {100-128^{o}C}}\ 2CaSO_{4}\cdot H_{2}O+3H_{2}O} }$

${\displaystyle \mathrm {2CaSO_{4}\cdot H_{2}O{\xrightarrow {163-200^{o}C}}\ 2CaSO_{4}+H_{2}O} }$

Він взаємодіє із концентрованою сульфатною кислотою із утворенням кислої солі — гідросульфату кальцію:

${\displaystyle \mathrm {CaSO_{4}+H_{2}SO_{4(conc.)}\longrightarrow Ca(HSO_{4})_{2}} }$

Сульфат може вступати в реакції обміну за умови, якщо в результаті взаємодії утворюється нерозчинна сполука:

${\displaystyle \mathrm {CaSO_{4}+Na_{2}CO_{3}\longrightarrow CaCO_{3}\downarrow +\ Na_{2}SO_{4}} }$

CaSO₄ може відновлюватися CO або коксом до сульфіду кальцію:

${\displaystyle \mathrm {CaSO_{4}+4CO{\xrightarrow {600-800^{o}C}}\ CaS+4CO_{2}} }$

${\displaystyle \mathrm {CaSO_{4}+3C{\xrightarrow {900^{o}C}}\ CaS+2CO+CO_{2}} }$

Застосування

Осушувач Drierite (ліворуч — сухий, праворуч — зволожений)

Основною галуззю, яка споживає сульфат кальцію, є будівництво — на виробництво будівельних матеріалів йде близько 90% усього сульфату (переважно у вигляді гідрату — гіпсу), а на виробництво цементу — 50 % (сульфат кальцію є важливою добавкою до портландцементу).

Завдяки своїй високій гігроскопічності, сульфат широко використовується як осушувач. Наприклад, для осушування газів використовується трубка, наповнена сульфатом кальцію із кількавідсотковою добавкою хлориду кобальту(II) (суміш є зареєстрованою маркою Drierite). При граничному насиченні осушувача вологою, він змінить колір із блакитного на рожевий, сигналізуючи про необхідність його заміни.

Сульфат кальцію також застосовується у сільському господарстві: для підживлення ґрунтів і підтримування балансу pH. У харчовій промисловості сульфат використовується як кальцієвмісна добавка, якою збагачують продукти на кшталт пластівців, як поліпшувач, коагулянт у виробництві тофу. Він є відбілювачем для споживчих продуктів: паперу, морозива, зубної пасти тощо.

Див. також

• Алебастр
• Алебастр (гіпсове в'яжуче)
• Гіпс
• Твердість води