كبريتات الكالسيوم

📅 آخر تحديث: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة

كبريتات الكالسيوم (أو كبريتات الكالسيوم ) هي ملح غير عضوي صيغته الكيميائية CaSO4٤. يوجد كبريتات الكالسيوم في عدةمائية؛اللامائية(المعروفة باسمالأنهيدريت) هي مادة صلبة بلورية بيضاء توجد غالبًا فيرواسب المتبخرات. أما شكله ثنائي الهيدرات فهو معدنالجبس، الذي يمكن تجفيفه لإنتاجالباسانيت، وهو الشكل نصف المائي. يوجد الجبس في الطبيعة على شكل بلورات (سيلينيت) أو كتل ليفية (سبار ساتيني)، وعادةً ما يكون عديم اللون إلى أبيض، على الرغم من أن الشوائب قد تُضفي ألوانًا أخرى. جميع أشكال كبريتات الكالسيومقليلة الذوبانفيالماء [ ٥ ] وتُسببصلابة دائمةعند ذوبانها فيه.

حالات الترطيب

يوجد كبريتات الكالسيوم في ثلاثة مستويات من الترطيب مع هياكل بلورية مختلفة: لا مائي، ثنائي الهيدرات، ونصف الهيدرات.

كبريتات الكالسيوم اللامائية4 (أنهيدريت) [ 6 ] يتبلور على شكل شبكة معينية قائمةمترابطة بإحكاممعالمجموعة الفراغيةPnma، حيث كلCa 2+وهو مُنسق ثمانيًا، أو محاط بثماني ذرات أكسجين من رباعي السطوح SO 2− 4. وهو مشابه في بنيته للزركون .

ثنائي هيدرات كبريتات الكالسيوم4 ·2Hيشكلالجبس( 2O ) [ 7 ] بلورة أحادية الميلذات زمرة فراغية C2/c. ويتكون تركيبه من طبقات متناوبة: إحداها تحتويعلىCa2 +يتم تنسيقها مع رباعي السطوح SO 2− 4 وأخرى مع جزيئات الماء البينية.

هيميهيدرات CaSO44 · 1/2 H​​​​يُعرف 2O (الباسانيتجبس باريس،مثل هيميهيدرات ألفا وهيميهيدرات بيتا. [ 8 ]

يتكون تركيب كبريتات الكالسيوم نصف المائية من شبكة من روابط Ca-OS. رموز الألوان: أحمر (O)، أخضر (Ca)، أصفر (S).

الاستخدامات

يُستخدم كبريتات الكالسيوم بشكل أساسي في إنتاج الجبس والطلاء الخارجي . وتعتمد هذه التطبيقات على خاصية أن كبريتات الكالسيوم المطحونة والمكلسة تُشكّل عجينة قابلة للتشكيل عند ترطيبها، ثم تتصلب على هيئة بلورات ثنائية هيدرات كبريتات الكالسيوم. ومن المزايا الأخرى أن كبريتات الكالسيوم قليلة الذوبان في الماء، ولا تذوب بسهولة عند ملامستها للماء بعد تصلبها.

تفاعلات الإماهة والجفاف

مع التسخين المُحكم، يتحول الجبس إلى معدن مُجفف جزئيًا يُسمى الباسانيت أو جبس باريس . صيغته الكيميائية CaSO₄ · ( nH₂O )، حيث 0.5 ≤ n ≤ 0.8. [ 8 ] تتطلب عملية التجفيف الجزئي درجات حرارة تتراوح بين 100 و150 درجة مئوية (212-302 درجة فهرنهايت). وتعتمد تفاصيل درجة الحرارة والوقت على الرطوبة المحيطة. تُستخدم درجات حرارة تصل إلى 170 درجة مئوية (338 درجة فهرنهايت) في التكليس الصناعي، ولكن عند هذه الدرجات يبدأ تكوّن غاما-أنهيدريت. تميل الطاقة الحرارية المُوَصَّلة إلى الجبس في هذه المرحلة (حرارة التميؤ) إلى التحوّل إلى بخار ماء بدلًا من رفع درجة حرارة المعدن، التي ترتفع ببطء حتى يتبخر الماء، ثم ترتفع بسرعة أكبر. معادلة التجفيف الجزئي هي:    

CaSO 4 · 2 H 2 O  →  CaSO 4 · ⁠ 1 / 2 ⁠ H 2 O + ⁠ 1 + 1 / 2 ⁠ H 2 O↑

تُعدّ خاصية امتصاص الحرارة لهذا التفاعل مهمة لأداء ألواح الجبس ، إذ تُكسب المباني السكنية وغيرها مقاومةً للحريق. ففي حالة نشوب حريق، يبقى الهيكل خلف لوح الجبس باردًا نسبيًا مع فقدان الماء من الجبس، مما يمنع (أو يُبطئ بشكل كبير) تلف الهيكل ( عن طريق احتراق العناصر الخشبية أو فقدان الفولاذ لمتانته عند درجات الحرارة العالية) وما يترتب على ذلك من انهيار هيكلي. ولكن عند درجات حرارة أعلى، يُطلق كبريتات الكالسيوم الأكسجين ويعمل كعامل مؤكسد . تُستخدم هذه الخاصية في صناعة الألومنيوم الحراري . وعلى عكس معظم المعادن، التي تُشكّل عند إعادة ترطيبها معاجين سائلة أو شبه سائلة، أو تبقى مسحوقية، يتميز الجبس المُكلس بخاصية فريدة: فعند مزجه بالماء في درجات الحرارة العادية (المحيطة)، يعود كيميائيًا بسرعة إلى شكله ثنائي الهيدرات المُفضّل، بينما "يتصلب" فيزيائيًا ليُشكّل شبكة بلورية صلبة وقوية نسبيًا من الجبس.

CaSO 4 · ⁠ 1 / 2 ⁠ H 2 O + ⁠ 1 + 1 / 2 ⁠ H 2 O → CaSO 4 · 2 H 2 O  

هذا التفاعل طارد للحرارة، وهو المسؤول عن سهولة صب الجبس في أشكال متنوعة، بما في ذلك الألواح ( للجدران الجافة )، والعصي (لطباشير السبورة)، والقوالب (لتثبيت العظام المكسورة، أو لصب المعادن). وعند مزجه مع البوليمرات، يُستخدم كإسمنت لترميم العظام. تُضاف كميات صغيرة من الجبس المكلس إلى التربة لإنشاء هياكل قوية مباشرة من التربة المصبوبة ، كبديل للطوب اللبن (الذي يفقد قوته عند البلل). يمكن تغيير ظروف التجفيف لضبط مسامية نصف الهيدرات، مما ينتج عنه ما يُسمى بنصف الهيدرات ألفا وبيتا (وهما متطابقان كيميائيًا تقريبًا).

عند التسخين إلى 180 درجة مئوية (356 درجة فهرنهايت) ، يتكون الشكل شبه الخالي من الماء، والذي يُسمى غاما-أنهيدريت (CaSO₄ ·nH₂O حيث n = 0 إلى 0.05). يمتص غاما- أنهيدريت الماء ببطء ليعود إلى حالة ثنائي الهيدرات، وهي خاصية تُستغل في بعض المجففات التجارية . عند التسخين فوق 250 درجة مئوية، يتكون الشكل اللامائي تمامًا والذي يُسمى بيتا-أنهيدريت أو الأنهيدريت "الطبيعي" . لا يمتص الأنهيدريت الطبيعي الماء، حتى على مدى فترات زمنية جيولوجية، إلا إذا طُحن طحنًا ناعمًا جدًا.   

يرجع التركيب المتغير للهيميهيدرات و γ-أنهيدريت، وسهولة تحويلهما المتبادل، إلى بنيتهما البلورية المتطابقة تقريبًا والتي تحتوي على "قنوات" يمكنها استيعاب كميات متغيرة من الماء، أو جزيئات صغيرة أخرى مثل الميثانول .

صناعة الأغذية

تُستخدم هيدرات كبريتات الكالسيوم كمادة مخثرة في منتجات مثل التوفو . [ 9 ]

تسمح إدارة الغذاء والدواء الأمريكية باستخدامه في الجبن ومنتجات الجبن ذات الصلة؛ ودقيق الحبوب، ومنتجات المخابز، والحلويات المجمدة، والمحليات الصناعية المستخدمة في الهلام والمربى، والخضراوات والطماطم المستخدمة في التوابل، وبعض أنواع الحلوى. [ 10 ]

يُعرف في سلسلة الأرقام E باسم E516 ، وتعرفه منظمة الأغذية والزراعة التابعة للأمم المتحدة كعامل تماسك، وعامل معالجة الدقيق، وعامل عزل، وعامل تخمير. [ 10 ]

طب الأسنان

يُستخدم كبريتات الكالسيوم منذ زمن طويل في طب الأسنان. [ 11 ] وقد استُخدم في تجديد العظام كمادة تطعيم ومادة رابطة (أو مُطيلة) للتطعيم، وكحاجز في تجديد أنسجة العظام الموجه. وهو مادة متوافقة حيوياً، ويتم امتصاصه بالكامل بعد الزرع. [ 12 ] ولا يُثير استجابة مناعية كبيرة، ويُهيئ بيئة غنية بالكالسيوم في منطقة الزرع. [ 13 ]

مادة مجففة

مادة التجفيف درايريت

عند بيعه في الحالة اللامائية كمادة مجففة مع عامل مؤشر للون تحت اسم Drierite ، فإنه يظهر باللون الأزرق (اللامائي) أو الوردي (المائي) بسبب التشريب بكلوريد الكوبالت (II) ، والذي يعمل كمؤشر للرطوبة.

إنتاج حمض الكبريتيك

حتى سبعينيات القرن العشرين، كان يتم إنتاج كميات تجارية من حمض الكبريتيك من كبريتات الكالسيوم اللامائية. [ 14 ] عند مزجها مع الصخر الزيتي أو المارل ، وتحميصها عند درجة حرارة 1400 درجة مئوية، تُطلق الكبريتات غاز ثاني أكسيد الكبريت ، وهو مُركّب أولي لحمض الكبريتيك . ينتج عن هذا التفاعل أيضًا سيليكات الكالسيوم ، المستخدمة في إنتاج الكلنكر الإسمنتي . [ 15 ] [ 16 ]

2 CaSO 4 + 2 SiO 2 + C → 2 CaSiO 3 + 2 SO 2 + CO 2

بعض التفاعلات المكونة لكبريتات الكالسيوم:

CaSO₄ + 2 C → CaS + 2 CO₂
3 CaSO 4 + CaS + 2 SiO 2 → 2 Ca 2 SiO 4 + 4 SO 2
3 CaSO 4 + CaS → 4 CaO + 4 SO 2
Ca 2 SiO 4 + CaO → Ca 3 OSiO 4

الإنتاج والوجود

المصادر الرئيسية لكبريتات الكالسيوم هي الجبس الطبيعي والأنهيدريت ، اللذان يتواجدان في العديد من المواقع حول العالم على شكل رواسب تبخرية . ويمكن استخراجهما عن طريق التعدين السطحي أو التعدين العميق. ويبلغ الإنتاج العالمي من الجبس الطبيعي حوالي 127 مليون طن سنوياً. [ 17 ]

بالإضافة إلى المصادر الطبيعية، يتم إنتاج كبريتات الكالسيوم كمنتج ثانوي في عدد من العمليات:

SO 2 + 0.5 O 2 + CaCO 3 → CaSO 4 + CO 2

تستخدم طرق احتجاز الكبريت ذات الصلة الجير ، وينتج بعضها كبريتيت الكالسيوم غير النقي ، والذي يتأكسد عند التخزين إلى كبريتات الكالسيوم.

تميل عمليات الترسيب هذه إلى تركيز العناصر المشعة في منتج كبريتات الكالسيوم. وتبرز هذه المشكلة بشكل خاص مع منتج الفوسفات الثانوي، إذ تحتوي خامات الفوسفات بشكل طبيعي على اليورانيوم ونواتج تحلله مثل الراديوم-226 والرصاص -210 والبولونيوم -210 . ويمكن أن يكون استخلاص اليورانيوم من خامات الفوسفور اقتصاديًا بحد ذاته، وذلك تبعًا لأسعار سوق اليورانيوم، أو قد يُلزم التشريع البيئي بفصل اليورانيوم، ويُستخدم بيعه لاسترداد جزء من تكلفة العملية. [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]

كما أن كبريتات الكالسيوم هي مكون شائع للرواسب المتراكمة في المبادلات الحرارية الصناعية، لأن قابليتها للذوبان تنخفض مع ارتفاع درجة الحرارة (انظر القسم المحدد حول الذوبان العكسي).

الذوبانية

تأثير درجة الحرارة على قابلية ذوبان كبريتات الكالسيوم (3 أطوار) في الماء النقي.

تقل ذوبانية كبريتات الكالسيوم مع ارتفاع درجة الحرارة. هذا السلوك ("الذوبانية العكسية") غير شائع، إذ أن ذوبان معظم الأملاح ماص للحرارة ، وتزداد ذوبانيتها مع ارتفاع درجة الحرارة. كما أن الذوبانية العكسية لكبريتات الكالسيوم مسؤولة عن ترسبها في أكثر مناطق أنظمة التدفئة سخونة، وعن مساهمتها في تكوين الترسبات الكلسية في الغلايات، إلى جانب ترسب كربونات الكالسيوم التي تقل ذوبانيتها أيضًا عند انطلاق غاز ثاني أكسيد الكربون من الماء الساخن أو عند تسربه من النظام.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ ليبيديف، أ. ل.؛ كوسوروكوف، ف. ل. (2017). "ذوبانية الجبس في الماء عند 25 درجة مئوية" (ملف PDF) . مجلة الجيوكيمياء الدولية . 55 (2): 171-177 . رمز Bibcode : 2017GeocI..55..205L . doi : 10.1134/S0016702917010062 . S2CID 132916752 . 
  2. ↑ د. ر. ليند (محرر) "دليل سي آر سي للكيمياء والفيزياء"، الطبعة 83، مطبعة سي آر سي، 2002
  3. 1 2 زومدال، ستيفن س. (2009). المبادئ الكيميائية، الطبعة السادسة . شركة هوتون ميفلين. ص. A21. ISBN  978-0-618-94690-7.
  4. 1 2 3 دليل الجيب الخاص بالمعهد الوطني للسلامة والصحة المهنية (NIOSH) حول المخاطر الكيميائية. "#0095" . المعهد الوطني للسلامة والصحة المهنية (NIOSH).
  5. ^ فرانز ويرشينج “كبريتات الكالسيوم” في موسوعة أولمان للكيمياء الصناعية، 2012 Wiley-VCH، Weinheim. دوى : 10.1002/14356007.a04_555
  6. ↑ موريكاوا، هـ.؛ ميناتو، إ.؛ توميتا، ت.؛ إيواي، س. (1975). "الأنهيدريت: تحسين". مجلة أكتا كريستالوغرافيكا، القسم ب . 31 (8): 2164. رمز Bibcode : 1975AcCrB..31.2164M . doi : 10.1107/S0567740875007145 .
  7. ↑ كول، دبليو إف؛ لانكوكي، سي جيه (1974). "تحسين البنية البلورية للجبس CaSO44 ·2H2 O".Acta Crystallographica Section B.30(4): 921.doi:10.1107/S0567740874004055.
  8. 1 2 تايلور إتش إف دبليو (1990) كيمياء الأسمنت . دار النشر الأكاديمية، رقم ISBN 0-12-683900-X، الصفحات 186-187.
  9. ↑ "حول مُخثِّر التوفو" . www.soymilkmaker.com . شركة سانلينكس. 31 أغسطس 2015. مؤرشف من الأصل في 14 مارس 2015. تم الاطلاع عليه في 10 يناير 2008 .
  10. 1 2 "ملخص المركب CID 24497 - كبريتات الكالسيوم" . PubChem.
  11. ↑ تيتوس، هاري و.؛ ماكنالي، إدموند؛ هيلبرغ، فرانك س. (1933-01-01). "تأثير كربونات الكالسيوم وكبريتات الكالسيوم على نمو العظام" . مجلة علوم الدواجن . 12 (1): 5-8 . doi : 10.3382/ps.0120005 . ISSN 0032-5791 . 
  12. ↑ توماس، مارك ف.؛ بوليو، ديفيد أ.؛ الصباغ، مهند (2005). "كبريتات الكالسيوم: مراجعة". مجلة الآثار طويلة المدى للزرعات الطبية . 15 (6): 599-607 . doi : 10.1615/jlongtermeffmedimplants.v15.i6.30 . ISSN 1050-6934 . PMID 16393128 .  
  13. ↑ "كبريتات الكالسيوم ثنائية الطور - نظرة عامة" . أوغما للمواد الحيوية . 25 مارس 2020. مؤرشف من الأصل في 16 يوليو 2020. تم الاطلاع عليه في 16 يوليو 2020 .
  14. ↑ مصنع أسمنت وايت هافن
  15. ↑ عملية الأنهيدريت
  16. ↑ كومنولث أستراليا. وزارة التموين والشحن. مكتب موارد المعادن - الجيولوجيا والجيوفيزياء. التقرير رقم 1949/44 (السلسلة الجيولوجية رقم 27) بقلم إي كي ستورمفيلز: إنتاج حمض الكبريتيك وأسمنت بورتلاند من كبريتات الكالسيوم وسيليكات الألومنيوم
  17. ↑ الجبس، مؤرشف بتاريخ 28-04-2017 في أرشيف الإنترنت ، هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية، 2008
  18. ↑ سبيت، جيمس ج. (2000). "الوقود، الوقود الاصطناعي، الوقود الغازي". موسوعة كيرك-أوتمير للتكنولوجيا الكيميائية . doi : 10.1002/0471238961.0701190519160509.a01 . ISBN 9780471484943.
  19. ↑ وانغ، آر دي؛ فيلد، إل إيه؛ جيليه دورياك، إف إس "استخلاص اليورانيوم من صخور الفوسفات" . OSTI 6654998 . 
  20. ↑ "اليورانيوم من الفوسفات | اليورانيوم الفوسفوريتي - الرابطة النووية العالمية" .
  21. ↑ "البرازيل تخطط لإنشاء مصنع لاستخراج فوسفات اليورانيوم في سانتا كيتيريا : اليورانيوم والوقود - أخبار الطاقة النووية العالمية" . 30 سبتمبر 2020.