Właściwości, struktura, otrzymywanie, zastosowania krzemianu wapnia

4741
David Holt

Plik krzemian wapnia to nazwa nadana grupie związków chemicznych powstałych z tlenku wapnia (CaO) i krzemionki (SiO)dwa). Ogólny wzór tych związków to xCaO • ySiOdwa• zHdwaLUB.

Są to białe lub żółtawo-białe ciała stałe. Mogą być bezwodne, czyli bez wody (H.dwaO) w swojej strukturze lub może go zawierać. Są częścią kilku rodzajów minerałów w przyrodzie.

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 po połączeniu z nią tworzą uwodnione żele (materiały takie jak żelatyna), które są bardzo twarde, odporne i prawie wodoodporne po związaniu.

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 badano ich wykorzystanie 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..

Indeks artykułów

  • 1 Struktura
  • 2 Nazewnictwo
  • 3 Właściwości
    • 3.1 Stan fizyczny
    • 3.2 Masa cząsteczkowa
    • 3.3 Temperatura topnienia
    • 3.4 Gęstość
    • 3.5 Rozpuszczalność
    • 3,6 pH
    • 3.7 Inne właściwości
  • 4 Otrzymywanie
  • 5 zastosowań
    • 5.1 W zdobywaniu cegieł
    • 5.2 W cemencie portlandzkim
    • 5.3 Unieruchamianie odpadów radioaktywnych
    • 5.4 Jako izolacja budynków
    • 5.5 Zmniejszenie zanieczyszczenia w przemyśle metalurgicznym
    • 5.6 W biomateriałach
    • 5.7 W biodentynie
    • 5.8 Inne aplikacje
  • 6 Odnośniki

Struktura

Krzemian wapnia może zawierać zmienną ilość tlenku wapnia (CaO) i krzemionki (SiO)dwa). Jego ogólna formuła to:

xCaO • ySiOdwa• zHdwaLUB

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

Ilość CaO musi wynosić od 3% do 35% (wagowo w przeliczeniu na suchą masę), a zawartość SiOdwa Powinien wynosić 50-95% (wagowo w przeliczeniu na suchą masę). Mogą być bezwodne (bez wody w swojej strukturze, czyli z = 0 we wzorze) lub mogą być 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 • SiOdwa lub CaSiO3 = 116,16 g / mol

Temperatura topnienia

Metakrzemian wapnia CaSiO3 = 1540 ° C

Gęstość

Metakrzemian wapnia CaSiO3 = 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 SiOdwa.

Posiada wysoką zdolność wchłaniania wody. Metakrzemian wapnia (CaO • SiOdwa lub CaSiO3) wyróżnia się blaskiem i białością, niską wilgotnością, niską zawartością substancji lotnych i dobrą wchłanialnością oleju.

Metakrzemian wapnia CaSiO3. Ondřej Mangl / Public domain. Źródło: Wikimedia Commons.

Wśród hydratów krzemianu wapnia są te utworzone przez dodanie wody do Cadwatak5 i do Ca3tak5. Produkty hydratacji tych dwóch związków występują najczęściej w niektórych typach cementu..

Otrzymywanie

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

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

Gdy reakcja przebiega w stosunku molowym 1: 1 (oznacza to, że jest taka sama liczba cząsteczek CaO jak SiOdwa) daje metakrzemian wapnia CaSiO3 o CaO • SiOdwa:

CaO + SiOdwa + ciepło → CaSiO3

Aplikacje

W zdobywaniu cegieł

Z krzemianu wapnia wykonuje się bloki lub cegły do ​​budowy. Uzyskuje się je z drobnego materiału krzemionkowego i wapna palonego lub hydratyzowanego. Można dodać obojętne pigmenty, aby nadać cegle inny kolor.

Jednostki są formowane pod ciśnieniem i utwardzane w autoklawie (piecu parowym) 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..

Zwróciło 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 wytwarzany przez sproszkowanie materiałów utworzonych głównie z uwodnionych krzemianów wapnia i siarczanu wapnia CaSO4 (odlew).

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. Skutkuje to mocnym, gęstym i słabo przepuszczalnym materiałem (który nie przepuszcza wody).

Zawarte w nim krzemiany to krzemian trójwapniowy Ca3tak5 o 3CaO.SiOdwa i krzemian dwuwapniowy Cadwatak4 lub 2CaO.SiOdwa.

Aby unieruchomić radioaktywne śmieci

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

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

Jako izolacja 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 do izolacji ścian przed wilgocią. CaO i SiO są mieszanedwa z dodatkiem wody i 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, szczególnie do ocieplania ścian i poprawy ochrony przed wilgocią, przydatna zwłaszcza przy renowacji starych budynków.

Zmniejszenie zanieczyszczeń w przemyśle metalurgicznym

Krzemian diwapniowy Cadwatak4 lub 2CaO.SiOdwa występujący 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.

Okołodwatak4 obecny w żużlu stalowniczym reaguje z wodą i wytwarza Ca (OH)dwa który posiada zdolność neutralizowania kwasowości kwaśnych roztworów metali pochodzących z innych procesów:

2 Cadwatak4 + 4 godzdwaO → 3CaO.2SiOdwa.3HdwaO + Ca (OH)dwa

Oprócz zobojętniania związek krzemianu wapnia może adsorbować niektóre jony metali Mdwa+ przez wymianę z jonem wapnia Cadwa+. Oto zarys:

≡Si-O-Ca + Mdwa+ → ≡Si-O-M + Cadwa+

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 badać jako biomateriały od 1990 roku. Badano je pod kątem ich potencjalnego zastosowania w regeneracji tkanki kostnej ze względu na ich bioaktywność przewyższającą inne materiały..

Wynika to z faktu, że posiadają 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, które umożliwiają 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 przypomina zębinę.

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

Składa się z krzemianu trójwapniowego (Ca3tak5), krzemian dwuwapniowy (Cadwatak5), węglan wapnia (CaCO3) i tlenek 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 mostków w zębinie, w których podkreśla się wytrzymałość jej wiązań, 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 używane jako środki przeciwzbrylające i pomocnicze w filtracji..

Metakrzemian wapnia CaSiO3 stosowany w ceramice, w urządzeniach wymagających tarcia, takich jak hamulce i sprzęgła pojazdów oraz do otrzymywania metali.

Ze względu na wysoką jasność i białość CaSiO3 Służy do wypełniania farb i tworzyw sztucznych.

Bibliografia

  1. Ropp, R.C. (2013). Związki ziem alkalicznych z grupy 14 (C, Si, Ge, Sn i Pb). Krzemiany wapnia. W Encyclopedia of the Alkaline Earth Compounds. Odzyskany z sciencedirect.com.
  2. FAO (2015). Krzemian wapnia. Specyfikacje przygotowane w latach 80th JECFA (2015) i opublikowane w monografiach FAO JECFA 17. Pobrane z fao.org.
  3. Harrisson, A.M. (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 silikatowo-wapniowa i pianka mineralna. W materiałach zwiększających efektywność energetyczną i komfort cieplny w budynkach. Odzyskany z sciencedirect.com.
  5. Goudouri, O-M. 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, J.P. (2013). Wyroby betonowe. Jednostki krzemianu wapnia. W Geomaterials Under the Microscope. Odzyskany z sciencedirect.com.
  8. Ojovan, M.I. i Lee, W.E. (2005). Immobilizacja odpadów radioaktywnych w cemencie. Cementy hydrauliczne. We wstępie do unieruchamiania odpadów jądrowych. Odzyskany z sciencedirect.com.
  9. Ramachandra Rao, S. (2006). Odzyskiwanie i recykling zasobów z odpadów metalurgicznych. Krzemian wapnia jako środek strącający dla rozpuszczonych metali. W serii zarządzania odpadami. Odzyskany z sciencedirect.com.
  10. Prati, C. i Gandolfi, M.G. (2015). Bioaktywne cementy krzemianowo-wapniowe: perspektywy biologiczne i zastosowania kliniczne. Dent Mater, 2015 kwiecień; 31 (4): 351–70. Odzyskany z ncbi.nlm.nih.gov.

Jeszcze bez komentarzy