Сульфат кальция

CaSO₄

Сульфат кальция широко распространен в природе в виде дигидрата — гипса (селепит) СаSO₄∙2Н₂O и в безводном состоянии в виде ангидрита (карстонит, муриацит).

В питьевой воде сульфат кальция нередко содержится в растворенном состоянии и обусловливает поэтому постоянную или неустранимую жесткость воды (т. е. ту жесткость, которая не исчезает после кипячения). Однако растворимость сульфата кальция в воде все же невелика. При 18 °С она составляет 202 мг в 100 г воды и лишь незначительно изменяется с температурой. Кривая его растворимости имеет плоский максимум между 30 и 40 °С. Присутствие других сульфатов понижает растворимость СаSO₄, однако наличие в воде других солей, а также кислот, не исключая и серной кислоты, наоборот, довольно значительно повышает растворимость сульфата кальция. С серной кислотой СаSO₄ довольно легко образует растворимые в воде продукты присоединения, например СаSO₄∙Н₂SO₄ и СаSO₄∙3Н₂SO₄, которые были выделены в свободном состоянии. С сульфатами щелочных металлов СаSO₄ образует труднорастворимые двойные соли, встречающиеся также в природе, например глауберит Na₂SO₄∙СаSO₄ и сингенит К₂SO₄∙СаSO₄∙Н₂О.

Из водных растворов при температуре ниже 66 ºC сульфат кальция всегда кристаллизуется в виде дигидрата СаSO₄∙2Н₂O (гипс), образующего шестигранные моноклинные призмы удельного веса 2,32. Кристаллы гипса имеют заметную склонность к образованию двойников (в форме ласточкиного хвоста). Гипс распространен в природе в очень больших количествах; иногда встречаются большие, красивые, правильные кристаллы, а чаще — порода, состоящая из мелких и мельчайших кристаллов и имеющая волокнистое, зернистое или совершенно плотное строение. Гипсовые породы встречаются во всех геологических формациях, но главным образом они распространены в пермской формации или диасе, в триасе и четвертичной формации, иногда образуя мощные залегания и штоки. Гипс легко отличить, по его незначительной твердости (1,5-2) и прекрасно выраженной способности раскалываться (спайности). Подобно всем минералам, кристаллизующимся в моноклинной системе, он обладает двойным лучепреломлением. Разновидностями гипса являются мариенелос, или фрауенглас, и алебастр. Последний очень похож на белый мрамор, но вследствие незначительной теплопроводности не дает при прикосновении, подобно мрамору, ощущения холода. Чистый гипс бесцветен, или, если он представляет кристаллический агрегат, имеет болый цвет. Различные примеси иногда сообщают ему серую, желтоватую, коричневатую или красноватую, а иногда даже почти черную окраску.

При нагревании до 100 °С гипс отщепляет 3/4 своей кристаллизационной воды и переходит в метастабильный семигидрат (полугидрат) СаSO₄∙1/2Н2О. При обычной температуре последний снова поглощает воду с заметным разогреванием. Если его замесить с водой в виде жидкого теста, то он довольно скоро застывает, образуя твердую массу, состоящую из тонковолокнистых, переплетенных между собой кристаллов гипса. На этом свойстве основано применение гипса в строительном деле, а также при изготовлении скульптур (для отливок). Применяемый в этих случаях жженый гипс («штукатурный») обычно содержит еще меньше воды, чем полугидрат; однако он не должен быть полностью обезвожен. Если гипс настолько сильно обжечь, что он отдаст всю воду, то он теряет способность в дальнейшем «схватываться», т. е. присоединять воду. Таной гипс называют «пережженым». Природный безводный сульфат кальция — ангидрит — также не способен «схватываться». Однако при очень длительном выдерживании в присутствии воды ангидрит все-таки переходит в гипс. Значительная часть встречающегося в природе гипса образовалась таким путем. Иногда, наоборот, природный ангидрит образуется из гипса. Из подлых растворов ангидрит кристаллизуется при температуре выше 66 ºС. Однако если раствор содержит одновременно и другие соли, то ангидрит может выделяться и при значительно более низких температурах. Так, из раствора, который одновременно насыщеп хлористым натрием, сульфат кальция выделяется в виде ацгидрита уже выше 30 °С. Кроме ангидрита, существует еще одна модификация безводного сульфата кальция. Она растворима лучше, чем ангидрит, и поэтому неустойчива.

Природный ангидрит встречается в виде прослоек в залежах каменной соли, а иногда составляет промежуточный слой между залежами каменной соли и калийных солей. Он чрезвычайно распространен и встречается почти в каждой геологической формации, большей частью в смеси с гипсом, который образовался из него. Ангидрит кристаллизуется в ромбической системе, хорошо раскалывается, однако не в такой степени, как гипс. Он превосходит гипс по твердости (3-3,5) и плотности. Его удельный вес равен 2,8-3. В чистом состоянии он бесцветен, однако нередко бывает окрашен примесями в синеватый, синевато-серый и другие цвета.

Если гипс или ангидрит нагреть выше 1000 °С, то они начинают выделять трехокись серы. Получающийся продукт (твердый раствор СаО в СаSO₄) отличается способностью поглощать воду; при замешивании с небольшим количеством воды он скорее, чем раствор из извести и песка, образует очень твердую, плотную массу, устойчивую к выветриванию. На этом свойстве основано использование гипса, обожженного при высоких температурах (1300 °C), для изготовления цементирующих растворов (гипс для строительных растворов, гипс для затирки каменных полов) которые были известны еще древним египтянам. Кроме того, «штукатурный гипс» широко применяют для изготовления форм для керамических изделий, а именно для литья фарфора (для чего он осабенно удобен благодаря своей пористости). Тонко размолотый необожженный гипс служит добавкой к минеральным краскам (в обойном производстве и в бумажной промышленности).

Применение

Природный ангидрит применяют в производстве вяжущих материалов. Сульфат кальция применяют для изготовления фигур, слепков, как строительный материал (гипс) и в медицине (кальций). Из гипса изготавливают сухую штукатурку, плиты и панели для перегородок, гипсовые камни, архитектурные детали и др. Изделия из гипса характеризуются сравнительно небольшой плотностью, несгораемостью и относительно невысокой теплопроводностью. Алебастр при смешении с водой твердеет, образуя дигидрат и широко используется в строительстве. Это свойство гипса широко используют в ортопедии, травматологии и хирургии для изготовления гипсовых повязок, обеспечивающих фиксацию отдельных частей тела. Отвердевание замешанного с водой гипса сопровождается небольшим увеличением объема. Это позволяет проводить тонкое воспроизведение всех деталей лепной формы, что широко используют скульпторы и архитекторы.

Дополнительно

Находится в природе в виде дигидрата CaSO4 ∙ 2H2O (гипс, селенит) и в безводном состоянии — ангидрит.

Безводный сульфат кальция — бесцветные кристаллы, плотность 2,96 г/см³, температура плавления 1450 °C. Очень медленно присоединяет воду. В воде растворим незначительно. При повышении температуры до 220°C двуводный гипс полностью теряет воду, образуя безводный CaSO4, который лишь при длительном хранении поглощает влагу и переходит в полугидрат. Однако если обжиг вести при температуре вышЕ-220°C, то получается безводный CaSO4, который влагу уже не поглощает и не «схватывается» при затворении водой. В промышленных условиях также получают полугидрат сульфата кальция (алебастр)CaSO4 ∙ 0,5H2O путем нагревания дигидрата примерно до 140°C, по уравнению реакции: CaSO4·2H2О = CaSO4·0,5H2О + 1,5H2О.