КАЛЦИЕВ СИЛИКАТ: СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, ПОЛУЧАВАНЕ, ПРИЛОЖЕНИЯ - ХИМИЯ - 2025

В силикат калций е името, което се определя на група на химични съединения, образувани от калциев оксид (СаО) и силициев диоксид (SiO ₂). Общата формула на тези съединения е xCaO • ySiO ₂ • ZH ₂ O.

Те са бели или жълтеникави бели твърди вещества. Те могат да бъдат безводен, което означава, без вода (H ₂ O) в тяхната структура, или те могат да съдържат. Те са част от няколко вида минерали в природата.

Минерал калциев силикат. Дейв Диет http://www.shutterstone.com http://www.dyet.com / Публично достояние. Източник: Wikimedia Commons.

Калциевите силикати са неразтворими във вода, но когато се съединят с нея, образуват хидратирани гелове (материали като желатин), които след изварата са много твърди, устойчиви и почти водоустойчиви.

Това доведе до използването им в строителната индустрия, тъй като те се използват в цимент, тухли и влагоизолационни панели. Те също са част от материали за заздравяване на перфорации в зъбите и дори са изследвани за използване при регенерацията на костите, тоест като биоматериал.

Предложено е да се намали замърсяването, генерирано от някои металургични отрасли. Те се използват и като генератори на триене в спирачките и съединителите на автомобила.

структура

Калциев силикат може да съдържа променлив размер на калциев оксид (СаО) и силициев диоксид (SiO ₂). Общата му формула е:

xCaO • Ysio ₂ • Zh ₂ O

където x, y и z са числа, които могат да имат различни стойности.

Количеството на СаО трябва да бъде между 3% и 35% (тегловни на база сухо вещество) и SiO ₂ съдържание трябва да бъде между 50-95% (тегловни на база сухо вещество). Те могат да бъдат безводни (без вода в структурата си, тоест z = 0 във формулата) или могат да бъдат хидратирани (с вода е нейната конформация).

номенклатура

• Калциев силикат
• Калциева сол на силициева киселина
• Калциев оксид и силиций

Имоти

Физическо състояние

Много фино бяло или почти бяло твърдо вещество.

Молекулно тегло

Калциев мета- силикат CaO • SiO ₂ или CaSiO ₃ = 116.16 g / mol

Точка на топене

Калциев метасиликат CaSiO ₃ = 1540 ° C

плътност

Калциев метасиликат CASIO ₃ = 2,92 грама / см

разтворимост

Неразтворим във вода и етанол.

рН

Кал, приготвена с 5% калциев силикат, може да има рН 8,4-12,5.

Други свойства

Калциев силикат може да се хидратира (с вода в молекулата) или безводен (без вода в молекулата) с различни пропорции на калций под формата на калциев оксид СаО и силициев диоксид под формата на силициев двуокис SiO ₂.

Той има висок капацитет за поглъщане на вода. Калциевият метасиликат (CaO • SiO ₂ или CaSiO ₃) се откроява със своя блясък и белота, ниска влажност, ниско летливо съдържание и добро усвояване на маслото.

CASIO ₃ калциев метасиликат. Ondřej Mangl / Public domain. Източник: Wikimedia Commons.

Сред калциевите силикатни хидрати се отличават тези, образувани чрез добавяне на вода към Са ₂ SiO ₅ и Са ₃ SiO ₅. Продуктите на хидратация на тези две съединения са най-изобилни при определени видове цимент.

Получаване

Калциевият силикат се получава по различни начини чрез взаимодействие на силициев материал (като диатомитна земя) и калциеви съединения (като калциев хидроксид (Са (ОН) ₂).

Калциев силикат може да бъде получено например чрез калциниране калциев оксид (СаО) със силициев диоксид (SiO ₂) при повишени температури.

Когато реакцията се извършва при моларно съотношение 1: 1 (това означава, че има същия брой CaO молекули като SiO ₂), калциев метасиликат CASIO ₃ или СаО • SiO _{2 резултати}:

CaO + SiO ₂ + топлина → CaSiO ₃

Приложения

При получаване на тухли

С калциев силикат се правят единици или тухли за строителство. Те се получават с фин силикатен материал и варовик или хидратирана вар. Могат да се добавят инертни пигменти, за да придадат на тухлата различен цвят.

Агрегатите се формоват под налягане и се втвърдяват в автоклав (парна пещ) при 170 ° С за 4-6 часа. По време на втвърдяването част от вар реагира със силициевия материал и образува калциев силикат хидрат, който държи тухлата заедно.

Калциеви силикатни тухли. Holger.Ellgaard / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Източник: Wikimedia Commons.

Въпреки това, калциевите силикатни тухли са склонни да се разширяват и свиват повече от глинените тухли, което понякога може да причини напукване на зидарията.

Това привлече вниманието и те бяха счетени за потенциално опасни.

В портланд цимент

Калциевите силикати са част от портланд цимента, който е широко използван материал в строителната индустрия.

Портланд циментът е хидравличен цимент, който се получава от прахообразни материали, образувани главно от хидратирани калциеви силикати и калциев сулфат CaSO ₄ (гипс).

Повърхност с цимент. Циментът съдържа калциеви силикати в състава си. Автор: Pexels Източник: Pixabay

Втвърдява се бързо поради реакцията на хидратация, която генерира хидратиран калциев силикатен гел. Това води до силен, плътен и лошо пропусклив материал (който не пропуска вода).

Силикатите, които съдържа са трикалциев силикат Ca ₃ SiO ₅ или 3CaO.SiO ₂ и дикалциев силикат Ca ₂ SiO ₄ или 2CaO.SiO ₂.

За обездвижване на радиоактивен боклук

Калциевите силикати в цимента могат да варират в техния процент на тегло. Съставът на портланд цимент може да се променя в зависимост от типа строителна конструкция, за която е предназначен.

Някои видове този цимент се използват за обездвижване на радиоактивни отпадъци, така че да не причинява вреда на хората или околната среда.

Като изолатор за сгради

Калциевият силикат се използва за получаване на плочи от минерална пяна или изолационни минерални плочи.

Листове от калциев силикат. Achim Hering / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0). Източник: Wikimedia Commons.

Те служат за изолация на стените от влага. СаО и SiO ₂ се смесват с вода и 3-6% целулоза се добавя, което подобрява гъвкавостта и стабилността на ръбовете.

Получената утайка се излива във форми и след това се загрява с пара при високо налягане и температура в специална парна фурна, наречена автоклав.

Резултатът е твърда, много фина пяна, която се нарязва на листове или дъски и се обработва със специални добавки, за да може да отблъсне вода.

Калциевата силикатна пяна се използва в строителния сектор, особено за изолация на стени и подобряване на защитата срещу влажност, като е полезна особено при обновяването на стари сгради.

За намаляване на замърсяването в металургичната промишленост

Дикалциевият силикат Ca ₂ SiO ₄ или 2CaO.SiO _2, открит в шлака или отпадъци от производството на стомана, е използван за утаяване на разтворени метали в кисели отпадни води от други металургични процеси.

Утаяването означава, че разтвореният метал става част от твърдо съединение, което отива на дъното на контейнера и може да бъде събрано.

Някои отпадъци от стоманодобивната промишленост имат калциеви силикати, полезни за утаяване на метали от киселинни разтвори. Автор: Skeeze. Източник: Pixabay

Съдържащият се в стоманена шлака Ca ₂ SiO ₄ реагира с вода и произвежда Ca (OH) _2, който има способността да неутрализира киселинността на киселинните разтвори на метали от други процеси:

2 Ca ₂ SiO ₄ + 4 H ₂ O → 3CaO. 2SiO _2. 3H ₂ O + Ca (OH) ₂

В допълнение към неутрализирането, съединението на калциевия силикат може да абсорбира някои от металните йони на ^M2+ чрез обмен с калциевия йон Ca ²⁺. Ето очертание:

≡Si-O-Ca + M ²⁺ → ≡Si-OM + Ca ²⁺

Твърдото съединение, което съдържа метала, може след това да се използва за друга цел и не се изхвърля. Това е пример за индустриална екология.

В биоматериалите

Калциевата силикатна керамика започва да се тества като биоматериали от 1990 г. Те са изследвани за потенциалната им употреба при регенерацията на костната тъкан, тъй като притежават по-добра биоактивност от другите материали.

Това се дължи на факта, че те имат силиций (Si), който играе съществена роля в механизмите, които водят до образуването на нова кост.

Калциевите силикатни цименти имат способността да индуцират образуването на калциев фосфат / апатитно покритие, когато се потапят в биологични течности и насърчават регенерацията на тъканите.

Калциевите силикати могат да функционират като основа за биоматериали, които позволяват възстановяване на костите. https://www.scientificaimations.com/ / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0). Източник: Wikimedia Commons.

Поради тези причини той се счита за подходящ материал за възстановяване на костите.

В биодентина

Калциевият силикат е част от биодентина. Това е материал, който се използва за поправяне на зъбни перфорации, костни резорбции и като пълнеж за края на корените на зъбите.

Биодентинът е биоактивен цимент с порьозност, който има по-голяма механична якост или твърдост от другите материали и е подобен на дентина.

Калциевите силикати са част от материалите, използвани за покриване на перфорации в зъбите. Jak / Публично достояние. Източник: Wikimedia Commons.

Съставен е от трикалциев силикат (Ca ₃ SiO ₅), дикалциев силикат (Ca ₂ SiO ₅), калциев карбонат (CaCO ₃) и циркониев оксид. Когато се смесят с вода, калциевите силикати образуват лепкав хидратиран гел, който се втвърдява след известно време, създавайки твърда структура.

Той упражнява положителен ефект върху клетките на зъбната пулпа и ускорява образуването на мостове в дентина, където се открояват силата на връзките му, неговата микротвердост и устойчивост на компресия.

Епруветка с калциев силикат за излекуване на зъбите. Shaimaa Abdellatif / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0). Източник: Wikimedia Commons.

Други приложения

Калциевите силикати се използват и като средства против слепване и помощни филтри.

Калциев метасиликат CASIO ₃ се използва в керамика, в устройства, където се изисква някои триене, като спирачки на превозни средства и съединители, и за получаване на метали.

Поради високия си блясък и белота, CaSiO ₃ се използва за пълнене на бои и пластмаси.

Препратки

1. Ropp, RC (2013). Група 14 (C, Si, Ge, Sn и Pb) алкалноземни съединения. Калциеви силикати. В енциклопедия на алкалоземните съединения. Възстановени от sciencedirect.com.
2. FAO (2015). Калциев силикат. Спецификации, подготвени в 80 ^-те JECFA (2015) и FAO JECFA монографии, публикувани в 17. Възстановени от fao.org.
3. Харисън, AM (2019). Конституция и спецификация на Портланд цимент. Калциев силикат хидрат. В „Химия на цимента и бетона на Леа“ (пето издание). Възстановени от sciencedirect.com.
4. Gellert, R. (2010). Неорганични минерални материали за изолация в сгради. Калциева силикатна пяна и минерална пяна. В материали за енергийна ефективност и топлинен комфорт в сградите. Възстановени от sciencedirect.com.
5. Goudouri, OM. и др. (2016 г.). Охарактеризиране на деградационното поведение на биокерамичните скелета. Скелета от апатит / вълластонит. В Характеристика и дизайн на тъканни скелета. Възстановени от sciencedirect.com.
6. Rani, P. et al. (2019). Нанокомпозити на зъбната пулпа. Biodentin. В приложения на нанокомпозитни материали в стоматологията. Възстановени от sciencedirect.com.
7. Ingham, JP (2013). Бетонни изделия. Калциеви силикатни единици. В геоматериали под микроскоп. Възстановени от sciencedirect.com.
8. Ojovan, MI и Lee, WE (2005). Имобилизация на радиоактивни отпадъци в цимент. Хидравлични цименти. Въведение в обездвижването на ядрените отпадъци. Възстановени от sciencedirect.com.
9. Рамачандра Рао, С. (2006). Възстановяване на ресурси и рециклиране от металургични отпадъци. Калциев силикат като утайка за разтворени метали. В серия за управление на отпадъците. Възстановени от sciencedirect.com.
10. Prati, C. и Gandolfi, MG (2015). Биоактивни цименти на калциев силикат: Биологични перспективи и клинични приложения. Dent Mater, 2015 април; 31 (4): 351-70. Възстановени от ncbi.nlm.nih.gov.