KRZEMIAN WAPNIA: WŁAŚCIWOŚCI, STRUKTURA, OTRZYMYWANIE, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2026

Krzemian wapnia jest nazwą która jest przypisana do grupy związków chemicznych powstałych z tlenku wapnia (CaO) i krzemionki (SiO ₂ ). Ogólny wzór tych związków to xCaO • ySiO ₂ • zH ₂ O.

Są białymi lub żółtawo-białymi ciałami stałymi. Mogą być bezwodne, czyli bez wody (H ₂ O) w swojej strukturze lub mogą ją zawierać. W naturze są częścią kilku rodzajów minerałów.

Mineralny krzemian wapnia. Dave Dyet http://www.shutterstone.com http://www.dyet.com / Public domain. Źródło: Wikimedia Commons.

Krzemiany wapnia są nierozpuszczalne w wodzie, ale łącząc się z nią tworzą uwodnione żele (materiały takie jak żelatyna), które po zsiadłym zsiadaniu są bardzo twarde, odporne i prawie wodoodporne.

Doprowadziło to do ich zastosowania w budownictwie, ponieważ są stosowane w cementach, cegłach i panelach izolujących wilgoć. Są również częścią materiałów do leczenia perforacji w zębach, a nawet zostały przebadane pod kątem zastosowania w regeneracji kości, czyli jako biomateriał.

Zaproponowano, aby zmniejszyć zanieczyszczenie generowane przez niektóre gałęzie przemysłu metalurgicznego. Są również wykorzystywane jako generatory tarcia w hamulcach i sprzęgłach pojazdów.

Struktura

Krzemian wapnia może zawierać zmienną ilość tlenku wapnia (CaO) i krzemionki (SiO ₂ ). Jego ogólny wzór to:

xCaO • Ysio ₂ • zH ₂ O

gdzie x, y i z to liczby, które mogą mieć różne wartości.

Ilość CaO musi wynosić od 3% do 35% (w przeliczeniu na suchą masę), a zawartość SiO _{2 w zakresie} od 50 do 95% (w przeliczeniu na suchą masę). Mogą być bezwodne (bez wody w swojej strukturze, czyli z = 0 we wzorze) lub uwodnione (z wodą jest to konformacja).

Nomenklatura

• Krzemian wapnia
• Sól wapniowa kwasu krzemowego
• Tlenek wapnia i krzem

Nieruchomości

Stan fizyczny

Bardzo drobne ciało stałe o barwie białej lub białawej.

Waga molekularna

Metakrzemian wapnia CaO • SiO ₂ lub CaSiO ₃ = 116,16 g / mol

Temperatura topnienia

Metakrzemian wapnia CaSiO ₃ = 1540 ° C

Gęstość

Metakrzemian wapnia CaSiO ₃ = 2,92 g / cm3

Rozpuszczalność

Nierozpuszczalny w wodzie i etanolu.

pH

Szlam przygotowany z 5% krzemianu wapnia może mieć pH 8,4-12,5.

Inne właściwości

Krzemian wapnia może być uwodniony (z wodą w cząsteczce) lub bezwodny (bez wody w cząsteczce) z różnymi proporcjami wapnia w postaci tlenku wapnia CaO i krzemionki w postaci dwutlenku krzemu SiO ₂ .

Posiada dużą zdolność wchłaniania wody. Metakrzemian wapnia (CaO • SiO ₂ lub CaSiO ₃ ) wyróżnia się blaskiem i białością, niską wilgotnością, niską zawartością substancji lotnych i dobrą wchłanialnością oleju.

Metakrzemian wapnia CaSiO ₃ . Ondřej Mangl / Public domain. Źródło: Wikimedia Commons.

Wśród hydratów krzemianu wapnia wyróżnia się te powstałe w wyniku dodania wody do Ca ₂ SiO ₅ i Ca ₃ SiO ₅ . Produkty hydratacji tych dwóch związków występują najczęściej w niektórych typach cementu.

Otrzymywanie

Krzemian wapnia jest wytwarzany na różne sposoby w wyniku reakcji materiału krzemionkowego (takiego jak ziemia okrzemkowa) i związków wapnia (takich jak wodorotlenek wapnia (Ca (OH) ₂ ).

Krzemian wapnia można otrzymać, na przykład, przez kalcynację tlenku wapnia (CaO) z krzemionką (SiO ₂ ) w podwyższonych temperaturach.

Gdy reakcja jest prowadzona w stosunku molowym 1: 1 (oznacza to, że jest taka sama liczba cząsteczek CaO jak SiO ₂ ), w wyniku metakrzemianu wapnia CaSiO ₃ lub CaO • SiO ₂ :

CaO + SiO ₂ + ciepło → CaSiO ₃

Aplikacje

W zdobywaniu cegieł

Wykonuje się elementy z krzemianu wapnia lub cegły do ​​budowy. Otrzymywane są z drobnoziarnistego materiału krzemionkowego oraz wapna palonego lub hydratyzowanego. Aby nadać cegle inny kolor, można dodać obojętne pigmenty.

Jednostki są formowane pod ciśnieniem i utwardzane w autoklawie (piec parowy) w 170 ° C przez 4-6 godzin. Podczas utwardzania część wapna reaguje z materiałem krzemionkowym, tworząc hydrat krzemianu wapnia, który utrzymuje cegłę razem.

Cegły silikatowe. Holger.Ellgaard / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Źródło: Wikimedia Commons.

Jednak cegły silikatowe mają tendencję do rozszerzania się i kurczenia bardziej niż cegły gliniane, co czasami może powodować pękanie muru.

Przyciągnęło to uwagę i zostały uznane za potencjalnie niebezpieczne.

W cemencie portlandzkim

Krzemiany wapnia są częścią cementu portlandzkiego, który jest szeroko stosowanym materiałem w przemyśle budowlanym.

Cement portlandzki to cement hydrauliczny, który jest wytwarzany przez sproszkowanie materiałów utworzonych głównie z uwodnionych krzemianów wapnia i siarczanu wapnia CaSO ₄ (gipsu).

Powierzchnia pokryta cementem. Cement zawiera w swoim składzie krzemiany wapnia. Autor: Pexels. Źródło: Pixabay.

Szybko twardnieje dzięki reakcji hydratacji, w wyniku której powstaje uwodniony żel krzemianowo-wapniowy. W rezultacie powstaje mocny, gęsty i słabo przepuszczalny materiał (który nie przepuszcza wody).

Zawarte w nim krzemiany to krzemian trójwapniowy Ca ₃ SiO ₅ lub 3CaO.SiO ₂ oraz krzemian diwapniowy Ca ₂ SiO ₄ lub 2CaO.SiO ₂ .

Aby unieruchomić radioaktywne śmieci

Krzemiany wapnia w cemencie mogą różnić się procentem wagowym. Skład cementu portlandzkiego może się zmieniać w zależności od rodzaju konstrukcji budowlanej, do której jest przeznaczony.

Niektóre rodzaje tego cementu służą do unieruchamiania odpadów promieniotwórczych tak, aby nie powodowały szkód dla ludzi i środowiska.

Jako izolator budynków

Krzemian wapnia służy do otrzymywania mineralnych płyt piankowych lub izolacyjnych płyt mineralnych.

Arkusze krzemianu wapnia. Achim Hering / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0). Źródło: Wikimedia Commons.

Służą one do izolacji ścian przed wilgocią. CaO i SiO ₂ miesza się z wodą i dodaje 3-6% celulozy, co poprawia elastyczność i stabilność krawędzi.

Powstały szlam wlewa się do form, a następnie ogrzewa parą pod wysokim ciśnieniem i temperaturą w specjalnym piecu parowym zwanym autoklawem.

Rezultatem jest sztywna pianka o bardzo drobnych porach, która jest cięta na arkusze lub płyty i traktowana specjalnymi dodatkami, aby mogła odpychać wodę.

Pianka silikatowo-wapniowa stosowana jest w budownictwie, w szczególności do ocieplania ścian i poprawy ochrony przed wilgocią, przydatna zwłaszcza przy renowacji starych budynków.

Zmniejszenie zanieczyszczeń w przemyśle metalurgicznym

Krzemian dwuwapniowy Ca ₂ SiO ₄ lub 2CaO.SiO ₂ znajdujący się w żużlu lub odpadach z produkcji stali był używany do wytrącania rozpuszczonych metali w kwaśnych ściekach z innych procesów metalurgicznych.

Wytrącanie oznacza, że ​​rozpuszczony metal staje się częścią stałego związku, który trafia na dno pojemnika i może zostać zebrany.

Niektóre odpady z przemysłu stalowego zawierają krzemiany wapnia przydatne do wytrącania metali z kwaśnych roztworów. Autor: Skeeze. Źródło: Pixabay.

Ca ₂ SiO ₄ obecny w żużlu stalowniczym reaguje z wodą i wytwarza Ca (OH) _2, który ma zdolność neutralizowania kwasowości kwaśnych roztworów metali z innych procesów:

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

Oprócz neutralizacji, związek krzemianu wapnia może adsorbować niektóre jony metalu M ²⁺ poprzez wymianę na jon wapnia Ca ²⁺ . Oto zarys:

≡Si-O-Ca + M ²⁺ → ≡Si-OM + Ca ²⁺

Stały związek zawierający metal może być następnie użyty do innego celu i nie jest wyrzucany. To przykład ekologii przemysłowej.

W biomateriałach

Ceramikę krzemianowo-wapniową zaczęto testować jako biomateriały od 1990 roku. Badano je pod kątem ich potencjalnego zastosowania w regeneracji tkanki kostnej, ponieważ mają lepszą bioaktywność niż inne materiały.

Wynika to z faktu, że mają one krzem (Si), który odgrywa istotną rolę w mechanizmach prowadzących do powstania nowej kości.

Cementy na bazie krzemianu wapnia mają zdolność indukowania tworzenia się powłoki z fosforanu wapnia / apatytu po zanurzeniu w płynach biologicznych i sprzyjają regeneracji tkanek.

Krzemiany wapnia mogą służyć jako baza dla biomateriałów umożliwiających naprawę kości. https://www.scientificaimations.com/ / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0). Źródło: Wikimedia Commons.

Z tego powodu jest uważany za odpowiedni materiał do naprawy kości.

W biodentynie

Krzemian wapnia jest częścią biodentyny. To materiał, który służy do naprawy perforacji zębów, resorpcji kości oraz jako wypełnienie końców korzeni zębów.

Biodentyna to bioaktywny cement o niskiej porowatości, który ma większą wytrzymałość mechaniczną lub twardość niż inne materiały i jest podobny do zębiny.

Krzemiany wapnia są częścią materiałów używanych do pokrywania perforacji w zębach. Jak / Public domain. Źródło: Wikimedia Commons.

Składa się z krzemianu trójwapniowego (Ca ₃ SiO ₅ ), krzemianu diwapniowego (Ca ₂ SiO ₅ ), węglanu wapnia (CaCO ₃ ) i tlenku cyrkonu. Krzemiany wapnia po zmieszaniu z wodą tworzą lepki uwodniony żel, który po pewnym czasie zestala się tworząc twardą strukturę.

Wpływa pozytywnie na komórki miazgi zębowej i przyspiesza tworzenie mostów w zębinie, w których wyróżnia się siła jej wiązań, jej mikrotwardość i odporność na ściskanie.

Rurka z krzemianem wapnia do leczenia zębów. Shaimaa Abdellatif / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0). Źródło: Wikimedia Commons.

Inne aplikacje

Krzemiany wapnia są również stosowane jako środki przeciwzbrylające i pomocnicze w filtracji.

Metakrzemian wapnia CaSiO ₃ znajduje zastosowanie w ceramice, w urządzeniach wymagających pewnego tarcia, takich jak hamulce i sprzęgła pojazdów oraz do otrzymywania metali.

Ze względu na wysoki połysk i białość CaSiO ₃ służy do wypełniania farb i tworzyw sztucznych.

Bibliografia

1. Ropp, RC (2013). Grupa 14 (C, Si, Ge, Sn i Pb) związki ziem alkalicznych. Krzemiany wapnia. W Encyclopedia of the Alkaline Earth Compounds. Odzyskany z sciencedirect.com.
2. FAO (2015). Krzemian wapnia. Dane przygotowane w 80 ^th JECFA (2015) i FAO JECFA Monographs opublikowane w 17. Odzyskany z fao.org.
3. Harrisson, AM (2019). Skład i specyfikacja cementu portlandzkiego. Wodzian krzemianu wapnia. W: Lea's Chemistry of Cement and Concrete (piąte wydanie). Odzyskany z sciencedirect.com.
4. Gellert, R. (2010). Nieorganiczne materiały mineralne do izolacji budynków. Pianka krzemianowo-wapniowa i pianka mineralna. W materiałach zwiększających efektywność energetyczną i komfort cieplny w budynkach. Odzyskany z sciencedirect.com.
5. Goudouri, OM. et al. (2016). Charakterystyka degradacji rusztowań bioceramicznych. Rusztowania apatytowe / wolastonitowe. Charakteryzacja i projektowanie rusztowań tkankowych. Odzyskany z sciencedirect.com.
6. Rani, P. i in. (2019). Nanokompozyty pokrywające miazgę dentystyczną. Biodentin. W zastosowaniach materiałów nanokompozytowych w stomatologii. Odzyskany z sciencedirect.com.
7. Ingham, JP (2013). Wyroby betonowe. Jednostki krzemianu wapnia. W Geomaterials Under the Microscope. Odzyskany z sciencedirect.com.
8. Ojovan, MI i Lee, WE (2005). Immobilizacja odpadów radioaktywnych w cemencie. Cementy hydrauliczne. We wprowadzeniu do immobilizacji odpadów jądrowych. Odzyskany z sciencedirect.com.
9. Ramachandra Rao, S. (2006). Odzyskiwanie i recykling zasobów z odpadów metalurgicznych. Krzemian wapnia jako czynnik strącający dla rozpuszczonych metali. W serii zarządzania odpadami. Odzyskany z sciencedirect.com.
10. Prati, C. i Gandolfi, MG (2015). Bioaktywne cementy krzemianowo-wapniowe: perspektywy biologiczne i zastosowania kliniczne. Dent Mater, 2015 kwiecień; 31 (4): 351–70. Odzyskany z ncbi.nlm.nih.gov.