Сульфат кальцію

Ангідрит (з родовища у Чіуауа, Мексика)

Основна частина сульфат 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.

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)

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 сульфуровмісні 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.

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:

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

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

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 оcушувача 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.

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

• CRC Handbook of Chemistry and Physics / D. R. Lide. — 86th. — Boca Raton (FL) : CRC Press, 2005. — 2656 p. — ISBN 0-8493-0486-5. (англ.)
• Patnaik P. Handbook of Inorganic Chemicals. — McGraw-Hill, 2003. — 1086 p. — ISBN 0-07-049439-8. (англ.)
• Lancia A., Musmarra D., Prisciandaro M. Calcium Sulfate // Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. — 4th. — New York : John Wiley & Sons, 2004. — Vol. 4. — P. 418-422. — ISBN 978-0-471-48517-9. — DOI:10.1002/0471238961.0301120316052005.a01.pub3. (англ.)
• Myers Richard L. The 100 Most Important Chemical Compounds. — Westport, CT : Greenwood Press, 2007. — 326 p. — ISBN 978-0-313-33758-1. (англ.)
• Wirsching F. Calcium Sulfate // Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. — 6th. — Weinheim : Wiley-VCH, 2005. — DOI:10.1002/14356007.a04_555. (англ.)
• Лидин Р. А., Молочко В. А., Андреева Л. Л. Химические свойства неорганических веществ / Под ред. Р. А. Лидина. — 3-е. — М. : «Химия», 2000. — 480 с. — ISBN 5-7245-1163-0. (рос.)

• КАЛЬЦІЮ СУЛЬФАТ //Фармацевтична енциклопедія