SILICAT DE CALCIU: PROPRIETĂȚI, STRUCTURĂ, OBȚINERE, UTILIZĂRI - CHIMIE - 2025

Silicat de calciu este numele care este atribuit unui grup de compuși chimici formați din oxid de calciu (CaO) și dioxid de siliciu (SiO ₂ ). Formula generală a acestor compuși este xCaO • ySiO ₂ • zH ₂ O.

Sunt solide albe sau galbene. Ele pot fi anhidră, adică fără apă (H ₂ O) în structura lor, sau le pot conține. Ele fac parte din mai multe tipuri de minerale din natură.

Silicat de calciu mineral. Dave Dyet http://www.shutterstone.com http://www.dyet.com / Domeniu public. Sursa: Wikimedia Commons.

Silicații de calciu sunt insolubili în apă, dar atunci când se unesc cu ea formează geluri hidratate (materiale precum gelatina) care, după curbare, sunt foarte dure, rezistente și aproape impermeabile.

Acest lucru a dus la utilizarea lor în industria construcțiilor, deoarece sunt utilizate în ciment, cărămizi și panouri termoizolante. De asemenea, fac parte din materiale pentru vindecarea perforațiilor dinților și chiar au fost studiate pentru a fi utilizate în regenerarea oaselor, adică ca biomaterial.

Li s-a propus reducerea poluării generate de unele industrii metalurgice. De asemenea, sunt utilizate ca generatoare de frecare la frânele și ambreiajele vehiculului.

Structura

Silicatul de calciu poate conține o cantitate variabilă de oxid de calciu (CaO) și silice (SiO ₂ ). Formula sa generală este:

xCaO • Ysio ₂ • Zh ₂ O

unde x, y și z sunt numere care pot avea diverse valori.

Cantitatea de CaO trebuie să fie între 3% și 35% (în greutate raportat la substanța uscată) și SiO ₂ conținut trebuie să fie între 50-95% (în greutate raportat la substanța uscată). Pot fi anhidre (fără apă în structura sa, adică z = 0 în formulă) sau pot fi hidratate (apa este conformația sa).

Nomenclatură

• Silicat de calciu
• Sare de calciu acid silicic
• Oxid de calciu și siliciu

Proprietăți

Stare fizică

Solid alb foarte fin sau alb decolorat.

Greutate moleculară

Calciu meta- silicat CaO • SiO ₂ sau casio ₃ = 116.16 g / mol

Punct de topire

Metasilicat de calciu CaSiO ₃ = 1540 ° C

Densitate

Metasilicat de calciu CaSiO ₃ = 2,92 g / cc

Solubilitate

Insolubil în apă și etanol.

pH

Un noroi preparat cu silicat de calciu 5% poate avea un pH de 8,4-1,5,5.

Alte proprietăți

Silicat de calciu poate fi hidratat (cu apă în moleculă) sau anhidră (fără apă în moleculă) , cu diferite proporții de calciu sub forma de oxid de calciu CaO și dioxid de siliciu sub formă de dioxid de siliciu SiO ₂ .

Are o capacitate mare de absorbție a apei. Metasilicat de calciu (CaO • SiO ₂ sau casio ₃ ) iese în evidență strălucirea și albeață, umiditate scăzută, conținut scăzut de substanțe volatile și absorbție bună de ulei.

Metasilicat de calciu CaSiO ₃ . Ondřej Mangl / Domeniu public. Sursa: Wikimedia Commons.

Dintre hidraților de silicat de calciu, cele formate prin adăugarea de apă la Ca ₂ SiO ₅ și Ca ₃ SiO ₅ se disting . Produsele de hidratare ale acestor doi compuși sunt cele mai abundente în anumite tipuri de ciment.

Obținerea

Silicatul de calciu este obținut în diverse moduri prin reacția materialului siliceu (cum ar fi pământul diatomac) și a compușilor de calciu (cum ar fi hidroxidul de calciu (Ca (OH) ₂ ).

Silicat de calciu poate fi preparat , de exemplu , prin calcinarea oxid de calciu (CaO) cu silice (SiO ₂ ) , la temperaturi ridicate.

Când reacția este realizată la un raport molar 1: 1 (asta înseamnă că există același număr de molecule de CaO ca SiO ₂ ), _rezultă metasilicatul de calciu CaSiO ₃ sau CaO • SiO ₂ :

CaO + SiO ₂ + căldură → CaSiO ₃

Aplicații

În obținerea cărămizilor

Cu unități de silicat de calciu sau cărămizi pentru construcție sunt realizate. Sunt obținute cu material siliceos fin și var rapid sau var hidratat. Se pot adăuga pigmenți inerți pentru a da cărămizii o culoare diferită.

Unitățile sunt turnate sub presiune și întărite într-un autoclav (cuptor cu aburi) la 170 ° C timp de 4-6 ore. În timpul întăririi, o parte din var reacționează cu materialul siliceos pentru a forma un hidrat de silicat de calciu, care ține cărămida împreună.

Caramizi de silicat de calciu. Holger.Ellgaard / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Sursa: Wikimedia Commons.

Cu toate acestea, cărămizile cu silicat de calciu tind să se extindă și să se micșoreze mai mult decât cărămizile de lut, ceea ce poate provoca uneori fisurarea zidăriei.

Acest lucru a atras atenția și au fost considerate potențial periculoase.

În cimentul Portland

Silicații de calciu fac parte din cimentul Portland, care este un material utilizat pe scară largă în industria construcțiilor.

Cimentul Portland este un ciment hidraulic care este produs prin pulverizarea materialelor formate în principal din silicați de calciu hidratat și sulfat de calciu CaSO ₄ (gips).

Suprafață cu ciment. Cimentul conține silicati de calciu în compoziția sa. Autor: Pexels. Sursa: Pixabay.

Se întărește rapid datorită reacției de hidratare care generează un gel de silicat de calciu hidratat. Rezultă un material puternic, dens și slab permeabil (care nu lasă să treacă apa).

Silicații le conține sunt tricalcic silicat Ca ₃ SiO ₅ sau 3CaO.SiO ₂ și silicat dicalcic Ca ₂ SiO ₄ sau 2CaO.SiO ₂ .

Pentru imobilizarea gunoiului radioactiv

Silicații de calciu din ciment pot varia în procente în greutate. Compoziția cimentului Portland se poate modifica în funcție de tipul de structură de construcție pentru care este destinat.

Unele tipuri de ciment sunt utilizate pentru imobilizarea deșeurilor radioactive, astfel încât să nu producă rău oamenilor sau mediului.

Ca izolator pentru clădiri

Silicatul de calciu este utilizat pentru a obține plăci de spumă minerală sau plăci minerale izolante.

Foi de silicat de calciu. Achim Hering / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0). Sursa: Wikimedia Commons.

Acestea servesc la izolarea pereților de umiditate. CaO și SiO ₂ sunt amestecate cu apă și 3-6% celuloză se adaugă, care îmbunătățește flexibilitatea și stabilitatea marginilor.

Nămolul rezultat este turnat în matrițe și apoi încălzit cu abur la presiune ridicată și temperatură într-un cuptor cu abur special numit autoclav.

Rezultatul este o spumă rigidă, foarte porită, care este tăiată în foi sau plăci și tratată cu aditivi speciali, astfel încât să poată respinge apa.

Spuma de silicat de calciu este folosită în sectorul construcțiilor, în special pentru izolarea pereților și îmbunătățirea protecției împotriva umidității, fiind utilă mai ales în renovarea clădirilor vechi.

Pentru a reduce poluarea în industria metalurgică

Dicalciu silicat de Ca ₂ SiO ₄ sau 2CaO.SiO ₂ găsite în zgură sau deșeuri din producția de oțel a fost utilizat pentru precipitarea metalelor dizolvate în efluenți acide din alte procese metalurgice.

Precipitarea înseamnă că metalul dizolvat devine parte dintr-un compus solid care merge pe fundul recipientului și poate fi colectat.

Unele deșeuri din industria oțelului au silicati de calciu utili pentru precipitarea metalelor din soluții acide. Autor: Skeeze. Sursa: Pixabay.

Incluziunile Ca ₂ SiO ₄ prezent în oțel zgură reacționează cu apă și produce Ca (OH) _2, care are capacitatea de a neutraliza aciditatea soluțiilor acide ale metalelor din alte procese:

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

În plus față de neutralizare, compusul silicat de calciu poate adsorbi o parte din ionii metalici M ²⁺ prin schimbul cu ionul de calciu Ca ²⁺ . Iată o prezentare:

≡Si-O-Ca + M ²⁺ → ≡Si-OM + Ca ²⁺

Compusul solid care conține metalul poate fi apoi utilizat în alt scop și nu este aruncat. Acesta este un exemplu de ecologie industrială.

În biomateriale

Ceramica din silicatul de calciu a început să fie testată ca biomateriale începând cu 1990. Au fost studiate pentru utilizarea lor potențială în regenerarea țesutului osos, deoarece posedă o bioactivitate superioară decât alte materiale.

Acest lucru se atribuie faptului că au siliciu (Si), care joacă un rol esențial în mecanismele care duc la formarea de oase noi.

Cimenturile pe bază de silicat de calciu au capacitatea de a induce formarea de acoperire cu fosfat de calciu / apatit atunci când sunt cufundați în lichide biologice și promovează regenerarea țesuturilor.

Silicații de calciu pot funcționa ca bază pentru biomateriale care permit repararea oaselor. https://www.scientificaimations.com/ / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0). Sursa: Wikimedia Commons.

Din aceste motive, este considerat un material adecvat pentru repararea oaselor.

În biodentină

Silicatul de calciu face parte din biodentină. Acesta este un material care este utilizat pentru repararea perforațiilor dentare, resorbții osoase și ca umplutură pentru sfârșitul rădăcinilor dinților.

Biodentina este un ciment bioactiv cu porozitate scăzută, care are o rezistență mecanică sau o duritate mai mare decât alte materiale și este similar cu dentina.

Silicații de calciu fac parte din materialele utilizate pentru acoperirea perforațiilor dinților. Jak / Domeniu public. Sursa: Wikimedia Commons.

Acesta este alcătuit din silicat tricalcic (Ca ₃ SiO ₅ ), silicat dicalcic (Ca ₂ SiO ₅ ), carbonat de calciu (CaCO ₃ ) și oxid de zirconiu. Când sunt amestecate cu apă, silicații de calciu formează un gel hidratat lipicios care se solidifică după un timp creând o structură dură.

El exercită un efect pozitiv asupra celulelor pulpei dentare și accelerează formarea punților în dentină, unde rezistența legăturilor sale, microhardness și rezistența la compresiune.

Tub cu silicat de calciu pentru a vindeca dinții. Shaimaa Abdellatif / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0). Sursa: Wikimedia Commons.

Alte aplicatii

Silicații de calciu sunt, de asemenea, folosiți ca agenți anti-coaking și auxiliari de filtrare.

Metasilicatul de calciu CaSiO ₃ este utilizat în ceramică, în dispozitivele în care este necesară o fricțiune, cum ar fi frânele și ambreiajele vehiculului și la obținerea de metale.

Datorită strălucirii și albului ridicat, CaSiO ₃ este utilizat pentru umplerea vopselelor și a materialelor plastice.

Referințe

1. Ropp, RC (2013). Grupul 14 (C, Si, Ge, Sn și Pb) Compuși alcalini ai Pământului. Silicații de calciu. În enciclopedia compușilor pământului alcalini Recuperat de la sciencedirect.com.
2. FAO (2015). Silicat de calciu. Specificații pregătite la cea de-a 80- ^a JECFA (2015) și FAO JECFA Monografii publicate în 17. Recuperat de fao.org.
3. Harrisson, AM (2019). Constituția și specificația cimentului Portland. Silicat de calciu hidratat. În chimia Lea a cimentului și betonului (ediția a cincea). Recuperat de la sciencedirect.com.
4. Gellert, R. (2010). Materiale minerale anorganice pentru izolare în clădiri. Spumă de silicat de calciu și spumă minerală. În Materiale pentru eficiență energetică și confort termic în clădiri. Recuperat de la sciencedirect.com.
5. Goudouri, OM. și colab. (2016). Cgaracterizarea comportamentului de degradare a schelei bioceramice. Schele de apatit / wollastonite. În caracterizarea și proiectarea de schele de țesut. Recuperat de la sciencedirect.com.
6. Rani, P. și colab. (2019). Nanocompozite pentru acoperirea pulpei dentare. Biodentin. În aplicațiile materialelor nanocompozite în stomatologie. Recuperat de la sciencedirect.com.
7. Ingham, JP (2013). Produse din beton. Unități de silicat de calciu În Geomateriale sub microscop. Recuperat de la sciencedirect.com.
8. Ojovan, MI și Lee, WE (2005). Imobilizarea deșeurilor radioactive în ciment. Cimenturi hidraulice. Într-o introducere în imobilizarea deșeurilor nucleare. Recuperat de la sciencedirect.com.
9. Ramachandra Rao, S. (2006). Recuperarea și reciclarea resurselor din deșeuri metalurgice. Silicat de calciu ca precipitat pentru metale dizolvate. În seria de gestionare a deșeurilor. Recuperat de la sciencedirect.com.
10. Prati, C. și Gandolfi, MG (2015). Cimenturi bioactive din silicat de calciu: perspective biologice și aplicații clinice. Dent Mater, 2015 Apr; 31 (4): 351-70. Recuperat din ncbi.nlm.nih.gov.