硫酸钙(calcium sulfate)是一种无机化合物,又名无水硫酸钙,化学式为$$\mathrm{CaSO_4,}$$白色结晶性粉末,无臭,具涩味,密度2.960克/立方厘米,微溶于水、甘油,不溶于乙醇。
硫酸钙为白色结晶性粉末,无臭,具涩味,密度 $2.960$ 克/立方厘米,微溶于水、甘油,不溶于乙醇。具有吸湿性,通常含有2 个结晶水, $128^{\circ} \mathrm{C}$ 失去1分子结晶水, $163^{\circ} \mathrm{C}$ 全部失水,自然界中以石膏矿形式存在。分子量为 $136.14 ,$ 为无色单斜晶系,天然产 的因含有不纯物稍带青色,也有准安定单斜晶系,在 $1193^{\circ} \mathrm{C}$ 时转为单斜晶系。解离压:1200摄氏度时为 400 帕,1360摄氏度时为 5400帕。折射率 $\alpha: 1.570 ; \beta: 1.575 ; \mathrm{\gamma}: 1.614$ 。硬度2.5-3.5,光轴角为 $+42^{\circ}$ ,线膨胀系数 $(12 \sim 25$ 摄氏度时) 为 $0.000025$ 每 摄氏度。弹性模数为 3600 牛顿每平方毫米,压缩系数为 $2.45-1.53 \times 10{ }^6$ 兆帕每平方厘米,磁化率为-49.7。硫酸钙溶解度及比热如下:
硫酸钙溶解度
$$\begin{array}{|l|l|l|l|l|l|l|l|l|l|}\hline 温度 (摄氏度) & 0 & 10 & 30 & 40 & 60 & 70 & 100 \\\hline 溶解度 (克每百毫升溶液) & 0.1959 & 0.1928 & 0.2090 & 0.2097 & 0.2047 & 0.1996 & 0.1619 \\\hline\end{array}$$
硫酸钙比热
$$\begin{array}{|l|l|l|l|l|l|l|l|l|}\hline 温度 (\mathrm{K}) & 53.5 & 94.6 & 140.7 & 192.2 & 230.3 & 278.7 & 295.7 \\\hline 比热 (\mathrm{J} / \mathrm{g} \cdot \mathrm{K}) & 0.03313 & 7.595 & 0.1094 & 1.367 & 1.523 & 1.694 & 1.744 \\\hline\end{array}$$
受热分解
硫酸钙加热到 1000 摄氏度分解,化学方程式: $$2 \mathrm{CaSO}_4 \triangleq 2 \mathrm{CaO}+2 \mathrm{SO}_2 \uparrow+\mathrm{O}_2 \uparrow.$$
与酸反应
硫酸钙和浓硫酸反应,溶解为硫酸氢钙,化学方程式: $$\mathrm{CaSO}_4+\mathrm{H}_2 \mathrm{SO}_4(浓)=\mathrm{Ca}\left(\mathrm{HSO}_4\right)_2.$$
与气体反应
硫酸钙溶液和氨气、二氧化碳反应,生成碳酸钙沉淀和硫酸铵,化学方程式: $$\mathrm{H}_2 \mathrm{O}+\mathrm{CaSO}_4+2 \mathrm{NH}_3+\mathrm{CO}_2=\mathrm{CaCO}_3+\left(\mathrm{NH}_4\right)_2 \mathrm{SO}_4.$$
和盐反应
硫酸钙和钾盐在80摄氏度条件反应,生成钾石膏: $$\mathrm{K}_2\mathrm{SO}_4+\mathrm{CaSO}_4+\mathrm{H}_2 \mathrm{O} \triangleq \mathrm{K}_2 \mathrm{SO}_4 \cdot \mathrm{CaSO}_4 \cdot \mathrm{H}_2 \mathrm{O};$$ 或 $$\mathrm{K}_2\mathrm{SO}_4+5\mathrm{CaSO}_4+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}\triangleq \mathrm{K}_2 \mathrm{SO}_4 \cdot 5\mathrm{CaSO}_4\cdot\mathrm{H}_2\mathrm{O}.$$
硫酸钙与碳酸铵反应则产生碳酸钙沉淀和硫酸铵溶液: $$\mathrm{CaSO}_4+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}+\left(\mathrm{NH}_4\right)_2 \mathrm{CO}_3=\mathrm{CaCO}_3+\left(\mathrm{NH}_4\right)_2 \mathrm{SO}_4.$$
实验室制法实验室制法
硫酸钙在实验室通常可用可溶性钙盐与硫酸盐作用制取,如:$$\mathrm{Ca}\left(\mathrm{H}_2 \mathrm{PO}_4\right)_2+\mathrm{Fe}_2 \mathrm{SO}_4=\mathrm{CaSO}_4+2 \mathrm{FePO}_4+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{SO}_4 \quad$$
工业制备
1.由天然石膏矿除净杂质、泥土于电炉上加热至 $300^{\circ} C$ 煅烧磨粉而得硫酸钲。
2.氨碱法的副产物氯化铂中加入硫酸钠,通过氯化钙一硫酸钠沉淀法,产物经精制而得,反应方程式:
$$\mathrm{CaCl}_2+\mathrm{Na}_2 \mathrm{SO}_4=\mathrm{CaSO}_{4 \downarrow}+\mathrm{NaCl}$$
3.有机酸制造时的副产物。例如,制造草酸时所得的草酸钙用硫酸分解,精制而得。反应方程式:
$$\mathrm{CaC}_2 \mathrm{O}_4+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{SO}_4=\mathrm{CaSO}_4+2 \mathrm{CO}_2 \uparrow+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}+\mathrm{SO}_2 \uparrow$$
4. 以二水硫酸钙为原料,溶于水形成的悬浮液在密闭反应釜中不断搅拌,加热到一定的温度,达到一定的压力后即得到硫酸钙晶须。或者在一定的温度下,使高浓度的二水硫酸钘在酸生溶液中转变为针状或纤维状的晶须。
食品加工
硫酸钙可作面粉处理剂(作为过氧化苯甲酰的稀释剂),最大使用量1.5克每千克;在食品加工中作凝固剂。用于制造豆腐,每升大豆约添加14-20克于豆乳内(过量会发生苦味)。按0.15%添加于小麦粉内,用作酵母食料、面团调节剂。添加于番茄、土豆罐头用作组织强化剂。酿造啤酒用作水的硬化剂、酒的风味增强剂。还可用作营养增补剂。
工业生产
建筑工业:硫酸钙在建筑工业中可用于建材、隔热材料、涂料、增强材料等。硫酸钙晶须具有良好的摩擦、保温、隔热、防火、非导体绝缘等性能,可代替石棉作为摩擦材料、保温隔热材料以及防火(阻燃)材料。在混凝土外加剂中作为早强剂,一般掺量在3%左右,用以调节凝结时间且混磨于水泥中。当混凝土中掺入硫酸钙时则有明显的早强作用。
造纸工业:硫酸钙用于造纸工业,可代替部分或大部分纸浆。长径比小于等于50的可作纸张的高级填料,这样可以大大增加纸的产量,减少木材消耗,有利于保护环境,减少废水污染。
化工工业:在化工工业可做增强材料,无水硫酸钙晶须可在塑料造粒时使用,以增强塑料粒子的强度,耐高温性能,并降低成本。在聚氯乙烯、聚乙烯、丙烯、聚苯烯等塑料生产中可以增强产品各个方面的性能,提高精细度、尺寸的稳定性、表面光洁度、拉伸强度、弯曲强度、弯曲弹性率和热变形温度,并减少设备的磨损。作为沥青填料可以显著提高沥青的软化点。
农业
硫酸钙在农业中可用作化肥,能降低土壤碱度,改善土壤性能。
医药
硫酸钙用作骨移植替代物已有很长的历史。早在1892年,Dreesman就用硫酸钙填充治疗骨缺损,9例中6例完全治愈。以后许多学者进行了类似的探索并获得成功,未发现与硫酸钙相关的并发症。众多研究和成功的临床应用表明硫酸钙陶瓷具有以下特点:生物相容性良好;植入体内后可被生物降解;具有骨传导性;具有良好的微孔性;强度较低。
取试样约0.2克,精密称定,加稀盐酸10毫升,水100毫升,使溶解,在搅拌情况下,加入0.05摩尔每升乙二胺四醋酸二钠液20毫升,再加入20%氢氧化钠溶液15毫升,紫脲酸铵指示剂(取紫脲酸铵0.1克,加氯化钠使成20克,即得)0.2-0.3克,继续用0.05摩尔每升乙二胺四醋酸二钠液滴至溶液由桃红色变为紫色。每1毫升的0.05摩尔每升乙二胺四醋酸二钠液相当于6.307毫克的硫酸钙,进而计算纯度。