СИЛИКАТ КАЛЬЦИЯ: СВОЙСТВА, СОСТАВ, ПОЛУЧЕНИЕ, ПРИМЕНЕНИЕ. - ХИМИЯ - 2024

Силикат кальция этого имя , которое присваивается к группе химических соединений , образованным из оксида кальция (СаО) и диоксида кремния (SiO ₂ ). Общая формула этих соединений: xCaO • ySiO ₂ • zH ₂ O.

Это белые или желтовато-белые твердые вещества. Они могут быть безводными, то есть без воды (H ₂ O) в своей структуре, или могут содержать ее. В природе они входят в состав нескольких видов минералов.

Минерал силикат кальция. Дэйв Дайет http://www.shutterstone.com http://www.dyet.com / Общественное достояние. Источник: Wikimedia Commons.

Силикаты кальция нерастворимы в воде, но когда они соединяются с ней, они образуют гидратированные гели (такие материалы, как желатин), которые после свертывания становятся очень твердыми, стойкими и почти водонепроницаемыми.

Это привело к их использованию в строительной отрасли, так как они используются в цементе, кирпиче и влагоизоляционных панелях. Они также являются частью материалов для заживления перфораций в зубах и даже были изучены для использования при регенерации костей, то есть в качестве биоматериала.

Они были предложены для уменьшения загрязнения окружающей среды некоторыми металлургическими предприятиями. Они также используются в качестве генераторов трения в тормозах и сцеплениях транспортных средств.

Структура

Силикат кальция может содержать различное количество оксида кальция (CaO) и кремнезема (SiO ₂ ). Его общая формула:

xCaO • Ysio ₂ • zH ₂ O

где x, y и z - числа, которые могут иметь различные значения.

Количество CaO должно составлять от 3% до 35% (по весу в пересчете на сухое вещество), а содержание SiO ₂ должно составлять от 50 до 95% (по весу в пересчете на сухое вещество). Они могут быть безводными (без воды в своей структуре, т. Е. В формуле z = 0) или могут быть гидратированными (вода является ее конформацией).

Номенклатура

• Силикат кальция
• Кальциевая соль кремниевой кислоты
• Оксид кальция и кремний

Свойства

Физическое состояние

Очень мелкое твердое вещество белого или не совсем белого цвета.

Молекулярный вес

Метасиликат кальция CaO • SiO ₂ или CaSiO ₃ = 116,16 г / моль

Температура плавления

Метасиликат кальция CaSiO ₃ = 1540 ° C

плотность

Метасиликат кальция CaSiO ₃ = 2,92 г / куб.

Растворимость

Нерастворим в воде и этаноле.

pH

Грязь, приготовленная с 5% силикатом кальция, может иметь pH 8,4-12,5.

Другие свойства

Силикат кальция может быть гидратированным (с водой в молекуле) или безводным (без воды в молекуле) с различными пропорциями кальция в виде оксида кальция CaO и диоксида кремния в виде диоксида кремния SiO ₂ .

Обладает высокой водопоглощающей способностью. Метасиликат кальция (CaO • SiO ₂ или CaSiO ₃ ) выделяется своим блеском и белизной, низкой влажностью, низким содержанием летучих веществ и хорошей абсорбцией масла.

CaSiO ₃ метасиликат кальция . Ондржей Мангл / Общественное достояние. Источник: Wikimedia Commons.

Среди гидратов силиката кальция выделяются гидраты, образованные добавлением воды к Ca ₂ SiO ₅ и Ca ₃ SiO ₅ . Продукты гидратации этих двух соединений наиболее распространены в определенных типах цемента.

получение

Силикат кальция получают различными способами в результате реакции кремнийсодержащего материала (такого как диатомовая земля) и соединений кальция (таких как гидроксид кальция (Ca (OH) ₂ ).

Силикат кальция можно получить, например, прокаливанием оксида кальция (CaO) с кремнеземом (SiO ₂ ) при повышенных температурах.

Когда реакция проводится при молярном соотношении 1: 1 (это означает, что количество молекул CaO такое же, как и в SiO ₂ ), метасиликат кальция CaSiO ₃ или CaO • SiO _{2 дает} :

CaO + SiO ₂ + тепло → CaSiO ₃

Приложения

При получении кирпичей

Из силиката кальция изготавливаются блоки или кирпичи для строительства. Их получают из мелкодисперсного кремнеземистого материала и негашеной или гашеной извести. Можно добавить инертные пигменты, чтобы придать кирпичу другой цвет.

Блоки формуют под давлением и выдерживают в автоклаве (паровой печи) при 170 ° C в течение 4-6 часов. Во время отверждения часть извести вступает в реакцию с кремнеземистым материалом с образованием гидрата силиката кальция, который скрепляет кирпичи.

Кирпич силикатный кальций. Holger.Ellgaard / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Источник: Wikimedia Commons.

Однако кирпичи из силиката кальция имеют тенденцию к расширению и усадке больше, чем кирпичи из глины, что иногда может вызвать растрескивание кладки.

Это привлекло внимание, и они были признаны потенциально опасными.

В портландцементе

Силикаты кальция входят в состав портландцемента, который является широко используемым материалом в строительной индустрии.

Портландцемент - это гидравлический цемент, который получают путем измельчения материалов, состоящих в основном из гидратированных силикатов кальция и сульфата кальция CaSO ₄ (гипса).

Поверхность цементная. Цемент содержит в своем составе силикаты кальция. Автор: Pexels. Источник: Pixabay.

Он быстро затвердевает из-за реакции гидратации, в результате которой образуется гель гидратированного силиката кальция. В результате получается прочный, плотный и плохо проницаемый материал (который не пропускает воду).

Силикаты, которые он содержит, представляют собой силикат трикальция Ca ₃ SiO ₅ или 3CaO.SiO ₂ и силикат дикальция Ca ₂ SiO ₄ или 2CaO.SiO ₂ .

Обездвижить радиоактивный мусор

Силикаты кальция в цементе могут варьироваться по весу. Состав портландцемента может меняться в зависимости от типа строительной конструкции, для которой он предназначен.

Некоторые виды этого цемента используются для иммобилизации радиоактивных отходов, чтобы они не причиняли вреда людям или окружающей среде.

Как изолятор для зданий

Силикат кальция используется для получения плит из пенопласта или изоляционных плит из минерального сырья.

Листы силиката кальция. Ахим Геринг / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0). Источник: Wikimedia Commons.

Они служат для изоляции стен от влаги. CaO и SiO ₂ смешивают с водой и добавляют 3-6% целлюлозы, что улучшает гибкость и стабильность кромок.

Образовавшийся шлам разливают в формы, а затем нагревают паром при высоком давлении и температуре в специальной паровой печи, называемой автоклавом.

В результате получается жесткая пена с очень мелкими порами, которую разрезают на листы или доски и обрабатывают специальными добавками, чтобы она могла отталкивать воду.

Пена из силиката кальция используется в строительном секторе, особенно для изоляции стен и улучшения защиты от влаги, особенно полезна при ремонте старых зданий.

Снизить загрязнение в металлургической промышленности

Силикат дикальция Ca ₂ SiO ₄ или 2CaO.SiO _2, обнаруженный в шлаке или отходах сталеплавильного производства, использовался для осаждения растворенных металлов в кислотных стоках других металлургических процессов.

Осаждение означает, что растворенный металл становится частью твердого соединения, которое поступает на дно контейнера и может быть собрано.

Некоторые отходы сталелитейной промышленности содержат силикаты кальция, полезные для осаждения металлов из кислых растворов. Автор: Skeeze. Источник: Pixabay.

Ca ₂ SiO _4, присутствующий в стальном шлаке, реагирует с водой и производит Ca (OH) _2, который обладает способностью нейтрализовать кислотность кислотных растворов металлов из других процессов:

2 Ca ₂ SiO ₄ + 4 Н ₂ O → 3CaO. 2SiO ₂ · 3H ₂ O + Са (ОН) ₂

В дополнение к нейтрализации соединение силиката кальция может адсорбировать некоторые ионы металлов M ²⁺ путем обмена с ионом кальция Ca ²⁺ . Вот схема:

≡Si-O-Ca + M ²⁺ → ≡Si-OM + Ca ²⁺

Твердое соединение, содержащее металл, затем можно использовать для другой цели и не выбрасывается. Это пример промышленной экологии.

В биоматериалах

Керамика из силиката кальция начала испытываться в качестве биоматериала с 1990 года. Ее изучали на предмет потенциального использования в регенерации костной ткани, поскольку они обладают более высокой биологической активностью, чем другие материалы.

Это связано с тем, что они содержат кремний (Si), который играет важную роль в механизмах, которые приводят к образованию новой кости.

Цементы на основе силиката кальция обладают способностью вызывать образование покрытия из фосфата / апатита кальция при погружении в биологические жидкости и способствовать регенерации тканей.

Силикаты кальция могут служить основой для биоматериалов, которые позволяют восстанавливать кости. https://www.scientificaimations.com/ / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0). Источник: Wikimedia Commons.

По этим причинам он считается подходящим материалом для восстановления костей.

В биодентине

Силикат кальция входит в состав биодентина. Это материал, который используется для заживления перфораций зубов, резорбции кости и в качестве пломбы для концов корней зубов.

Биодентин - это биоактивный цемент с низкой пористостью, который имеет большую механическую прочность или твердость, чем другие материалы, и похож на дентин.

Силикаты кальция являются частью материалов, используемых для покрытия перфорационных отверстий в зубах. Як / Общественное достояние. Источник: Wikimedia Commons.

Он состоит из силиката трикальция (Ca ₃ SiO ₅ ), силиката дикальция (Ca ₂ SiO ₅ ), карбоната кальция (CaCO ₃ ) и оксида циркония. При смешивании с водой силикаты кальция образуют липкий гидратированный гель, который через некоторое время затвердевает, создавая твердую структуру.

Он оказывает положительное влияние на клетки пульпы зуба и ускоряет образование мостиков в дентине, где выделяются прочность сцепления, микротвердость и сопротивление сжатию.

Трубка с силикатом кальция для лечения зубов. Шайма Абделлатиф / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0). Источник: Wikimedia Commons.

Другие приложения

Силикаты кальция также используются в качестве агентов, препятствующих слеживанию, и фильтрующих добавок.

Метасиликат кальция CaSiO ₃ используется в керамике, в устройствах, где требуется некоторое трение, таких как автомобильные тормоза и сцепления, а также для получения металлов.

Из-за его высокого блеска и белизны CaSiO ₃ используется для заливки красок и пластмасс.

Ссылки

1. Ропп, RC (2013). Группа 14 (C, Si, Ge, Sn и Pb) Щелочноземельные соединения. Силикаты кальция. В энциклопедии щелочноземельных соединений. Восстановлено с sciencedirect.com.
2. ФАО (2015). Силикат кальция. Спецификации подготовлены на 80- ^м совещании JECFA (2015 г.) и Монографии FAO JECFA опубликованы в 17-м заседании. Получено с fao.org.
3. Харриссон, AM (2019). Состав и спецификация портландцемента. Гидрат силиката кальция. В «Химии цемента и бетона» Ли (пятое издание). Восстановлено с sciencedirect.com.
4. Геллерт, Р. (2010). Неорганические минеральные материалы для утепления зданий. Пена силиката кальция и минеральная пена. В материалах для энергоэффективности и теплового комфорта в зданиях. Восстановлено с sciencedirect.com.
5. Гудури, ОМ. и другие. (2016). Cgaracterizing поведение биокерамических каркасов деградации. Каркасы из апатита / волластонита. В характеристике и дизайне тканевых каркасов. Восстановлено с sciencedirect.com.
6. Рани, П. и др. (2019). Нанокомпозиты для покрытия пульпы зубов. Биодентин. В применении нанокомпозитных материалов в стоматологии. Восстановлено с sciencedirect.com.
7. Ингхэм, JP (2013). Бетонные изделия. Агрегаты силиката кальция. В геоматериалах под микроскопом. Восстановлено с sciencedirect.com.
8. Оджован, М.И. и Ли, В.Е. (2005). Иммобилизация радиоактивных отходов в цемент. Гидравлические цементы. Во введении к иммобилизации ядерных отходов. Восстановлено с sciencedirect.com.
9. Рамачандра Рао, С. (2006). Восстановление и переработка ресурсов из отходов металлургии. Силикат кальция как осадитель растворенных металлов. В серии «Управление отходами». Восстановлено с sciencedirect.com.
10. Прати, К. и Гандольфи, М.Г. (2015). Биоактивные цементы из силиката кальция: биологические перспективы и клиническое применение. Dent Mater, 2015 апр; 31 (4): 351-70. Восстановлено с ncbi.nlm.nih.gov.