سيليكات الكالسيوم: الخصائص ، الهيكل ، الحصول ، الاستخدامات - كيمياء - 2025

و سيليكات الكالسيوم هي الاسم الذي تم تعيينه لمجموعة من المركبات الكيميائية التي تشكلت من أكسيد الكالسيوم (كاو) والسليكا (شافي ₂). الصيغة العامة لهذه المركبات هي xCaO • ySiO ₂ • zH ₂ O.

هم مواد صلبة بيضاء أو صفراء بيضاء. يمكن أن تكون لا مائية ، أي بدون ماء (H ₂ O) في بنيتها ، أو يمكنها احتوائها. هم جزء من عدة أنواع من المعادن في الطبيعة.

معدن سيليكات الكالسيوم. ديف دايت http://www.shutterstone.com http://www.dyet.com / المجال العام. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

سيليكات الكالسيوم غير قابلة للذوبان في الماء ولكن عندما تنضم إليها تشكل مواد هلامية رطبة (مواد مثل الجيلاتين) والتي ، بعد التخثر ، تكون شديدة الصلابة ومقاومة ومقاومة للماء تقريبًا.

وقد أدى ذلك إلى استخدامها في صناعة البناء ، حيث يتم استخدامها في الأسمنت والطوب والألواح العازلة للرطوبة. كما أنها جزء من مواد لعلاج الثقوب في الأسنان وقد تمت دراستها لاستخدامها في تجديد العظام ، أي كمواد حيوية.

تم اقتراحها للحد من التلوث الناتج عن بعض الصناعات المعدنية. كما أنها تستخدم كمولدات احتكاك في مكابح السيارات والقوابض.

بناء

يمكن أن تحتوي سيليكات الكالسيوم على كمية متغيرة من أكسيد الكالسيوم (CaO) والسيليكا (SiO ₂). صيغته العامة هي:

xCaO • Ysio ₂ • zH ₂ O

حيث x و y و z هي أرقام يمكن أن يكون لها قيم مختلفة.

يجب أن تكون كمية CaO بين 3٪ و 35٪ (بالوزن على أساس جاف) ويجب أن يكون محتوى SiO ₂ بين 50-95٪ (بالوزن على أساس جاف). يمكن أن تكون لا مائية (بدون ماء في هيكلها ، أي z = 0 في الصيغة) أو يمكن أن تكون رطبة (بالماء هو شكلها).

التسمية

• سيليكات الكالسيوم
• ملح كالسيوم حمض السيليك
• أكسيد الكالسيوم والسيليكون

الخصائص

الحالة الفيزيائية

أبيض ناعم جدًا أو صلب أبيض مصفر.

الوزن الجزيئي الغرامي

ميتا سيليكات الكالسيوم CaO • SiO ₂ أو CaSiO ₃ = 116.16 جم / مول

نقطة الانصهار

ميتاسيليكات الكالسيوم CaSiO ₃ = 1540 درجة مئوية

كثافة

ميتاسيليكات الكالسيوم CaSiO ₃ = 2.92 جم / سم مكعب

الذوبان

غير قابل للذوبان في الماء والإيثانول.

الرقم الهيدروجيني

الطين المحضر مع 5٪ سيليكات الكالسيوم يمكن أن يكون له درجة حموضة 8.4-12.5.

خصائص أخرى

يمكن ترطيب سيليكات الكالسيوم (مع وجود الماء في الجزيء) أو اللامائية (بدون ماء في الجزيء) بنسب مختلفة من الكالسيوم على شكل أكسيد الكالسيوم CaO والسيليكا على شكل ثاني أكسيد السيليكا SiO ₂.

لديها قدرة عالية على امتصاص الماء. يبرز ميتاسيليكات الكالسيوم (CaO • SiO ₂ أو CaSiO ₃) بسبب تألقه وبياضه وانخفاض الرطوبة ومحتوى متطاير منخفض وامتصاص جيد للزيت.

CaSiO ₃ ميتاسيليكات الكالسيوم. Ondřej Mangl / المجال العام. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

من بين هيدرات سيليكات الكالسيوم ، يتم تمييز تلك التي تتكون عن طريق إضافة الماء إلى Ca ₂ SiO ₅ و Ca ₃ SiO ₅. تعتبر منتجات الترطيب لهذين المركبين هي الأكثر وفرة في أنواع معينة من الأسمنت.

الحصول

يتم تصنيع سيليكات الكالسيوم بطرق مختلفة عن طريق تفاعل مادة سيليسية (مثل التراب الدياتومي) ومركبات الكالسيوم (مثل هيدروكسيد الكالسيوم (Ca (OH) ₂).

سيليكات الكالسيوم يمكن أن تكون مستعدة على سبيل المثال تكليس أكسيد الكالسيوم (كاو) مع السيليكا (شافي ₂) في درجات حرارة مرتفعة.

عندما يتم إجراء التفاعل بنسبة 1: 1 مولارية (وهذا يعني أن هناك نفس عدد جزيئات CaO مثل SiO ₂) ، فإن ميتاسيليكات الكالسيوم CaSiO ₃ أو CaO • SiO _{2 ينتج}:

CaO + SiO ₂ + heat → CaSiO ₃

التطبيقات

في الحصول على الطوب

مع وحدات سيليكات الكالسيوم أو الطوب للبناء. يتم الحصول عليها من مادة سيليسية دقيقة والجير الحي أو الجير المطفأ. يمكن إضافة أصباغ خاملة لإعطاء الطوب لونًا مختلفًا.

يتم تشكيل الوحدات تحت الضغط ومعالجتها في الأوتوكلاف (فرن بخاري) عند 170 درجة مئوية لمدة 4-6 ساعات. أثناء المعالجة ، يتفاعل بعض الجير مع المادة السليسية لتكوين هيدرات سيليكات الكالسيوم ، والتي تربط الطوب معًا.

طوب سيليكات الكالسيوم. Holger.Ellgaard / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

ومع ذلك ، تميل طوب سيليكات الكالسيوم إلى التمدد والانكماش أكثر من الطوب الطيني ، والذي يمكن أن يتسبب في بعض الأحيان في تكسير البناء.

لقد جذب هذا الانتباه واعتبروا خطرين محتملين.

في الاسمنت البورتلاندي

سيليكات الكالسيوم هي جزء من الأسمنت البورتلاندي ، وهو مادة مستخدمة على نطاق واسع في صناعة البناء.

الأسمنت البورتلاندي عبارة عن أسمنت هيدروليكي يتم إنتاجه بسحق المواد المكونة أساسًا من سيليكات الكالسيوم المائي وكبريتات الكالسيوم CaSO ₄ (الجبس).

السطح مع الاسمنت. يحتوي الأسمنت على سيليكات الكالسيوم في تركيبته. المؤلف: Pexels. المصدر: Pixabay.

يتصلب بسرعة بسبب تفاعل الماء الذي يولد هلام سيليكات الكالسيوم الرطب. ينتج عن ذلك مادة قوية وكثيفة وضعيفة النفاذية (لا تسمح بمرور الماء).

السيليكات التي تحتوي عليها هي سيليكات ثلاثي الكالسيوم Ca ₃ SiO ₅ أو 3CaO.SiO ₂ وسيليكات ثنائي الكالسيوم Ca ₂ SiO ₄ أو 2CaO.SiO ₂.

لشل حركة القمامة المشعة

يمكن أن تختلف سيليكات الكالسيوم في الأسمنت في نسبتها حسب الوزن. يمكن أن يتغير تكوين الأسمنت البورتلاندي اعتمادًا على نوع هيكل البناء المخصص له.

تستخدم بعض أنواع هذا الأسمنت لتثبيت النفايات المشعة بحيث لا تسبب ضررًا للناس أو البيئة.

كعازل للمباني

تستخدم سيليكات الكالسيوم للحصول على ألواح الرغوة المعدنية أو الألواح المعدنية العازلة.

صفائح سيليكات الكالسيوم. Achim Hering / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0). المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

تعمل هذه على عزل الجدران عن الرطوبة. يتم خلط CaO و SiO ₂ بالماء ويضاف 3-6٪ من السليلوز ، مما يحسن مرونة واستقرار الحواف.

يتم صب الحمأة الناتجة في قوالب ثم تسخينها بالبخار عند ضغط عالٍ ودرجة حرارة في فرن بخار خاص يسمى الأوتوكلاف.

والنتيجة هي رغوة صلبة رفيعة المسام يتم تقطيعها إلى ألواح أو ألواح ومعالجتها بإضافات خاصة حتى تتمكن من مقاومة الماء.

تُستخدم رغوة سيليكات الكالسيوم في قطاع البناء ، خاصةً لعزل الجدران وتحسين الحماية من الرطوبة ، وهي مفيدة خاصة في تجديد المباني القديمة.

للحد من التلوث في صناعة المعادن

الكلسيوم سيليكات الكالسيوم ₂ شافي ₄ أو 2CaO.SiO ₂ وجدت في الخبث أو النفايات من إنتاج الصلب تم استخدامها لترسيب المعادن الذائبة في مياه الصرف الحمضية من العمليات المعدنية الأخرى.

يعني الترسيب أن المعدن المذاب يصبح جزءًا من مركب صلب يذهب إلى قاع الحاوية ويمكن جمعه.

تحتوي بعض نفايات صناعة الصلب على سيليكات الكالسيوم المفيدة في ترسيب المعادن من المحاليل الحمضية. المؤلف: Skeeze. المصدر: Pixabay.

يتفاعل Ca ₂ SiO ₄ الموجود في خبث الصلب مع الماء وينتج Ca (OH) _{2 ،} والذي لديه القدرة على تحييد حموضة المحاليل الحمضية للمعادن من العمليات الأخرى:

2 كا ₂ شافي ₄ + 4 H ₂ O → 3CaO. 2SiO ₂.3H ₂ O + الكالسيوم (OH) ₂

بالإضافة إلى المعادلة ، يمكن لمركب سيليكات الكالسيوم أن يمتص بعض أيونات المعادن M ²⁺ عن طريق التبادل مع أيون الكالسيوم Ca ²⁺. هنا مخطط تفصيلي:

≡Si-O-Ca + M ²⁺ → ≡Si-OM + Ca ²⁺

يمكن بعد ذلك استخدام المركب الصلب الذي يحتوي على المعدن لغرض آخر ولا يتم التخلص منه. هذا مثال على علم البيئة الصناعية.

في المواد الحيوية

بدأ اختبار سيراميك سيليكات الكالسيوم كمواد حيوية منذ عام 1990. وقد تمت دراستها لاستخدامها المحتمل في تجديد أنسجة العظام لأنها تمتلك نشاطًا حيويًا أعلى من المواد الأخرى.

ويعزى ذلك إلى حقيقة أن لديهم السيليكون (Si) ، والذي يلعب دورًا أساسيًا في الآليات التي تؤدي إلى تكوين عظام جديدة.

الأسمنت القائم على سيليكات الكالسيوم لديه القدرة على تحفيز تكوين طلاء فوسفات الكالسيوم / الأباتيت عند غمره في السوائل البيولوجية وتعزيز تجديد الأنسجة.

يمكن أن تعمل سيليكات الكالسيوم كأساس للمواد الحيوية التي تسمح بإصلاح العظام. https://www.scientificaimations.com/ / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0). المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

لهذه الأسباب تعتبر مادة مناسبة لإصلاح العظام.

في بيودنتين

سيليكات الكالسيوم هي جزء من بيودنتين. هذه مادة تستخدم لإصلاح ثقوب الأسنان وارتشاف العظام وكملء لنهاية جذور الأسنان.

Biodentin عبارة عن أسمنت نشط حيويًا منخفض المسامية يتمتع بقوة ميكانيكية أو صلابة أكبر من المواد الأخرى ويشبه العاج.

سيليكات الكالسيوم هي جزء من المواد المستخدمة لتغطية الثقوب في الأسنان. جاك / المجال العام. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

يتكون من سيليكات الكالسيوم (Ca ₃ SiO ₅) وسيليكات الكالسيوم (Ca ₂ SiO ₅) وكربونات الكالسيوم (CaCO ₃) وأكسيد الزركونيوم. عند مزجها بالماء ، تشكل سيليكات الكالسيوم جلًا رطبًا لزجًا يتجمد بعد فترة مكونًا بنية صلبة.

له تأثير إيجابي على خلايا لب الأسنان ويسرع من تكوين الجسور في العاج ، حيث تبرز قوة روابطها وصلابتها الدقيقة ومقاومتها للضغط.

أنبوب مع سيليكات الكالسيوم لعلاج الأسنان. شيماء عبد اللطيف / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0). المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

تطبيقات أخرى

تستخدم سيليكات الكالسيوم أيضًا كعوامل مانعة للتكتل ومساعدات ترشيح.

يستخدم مركب سيليكات الكالسيوم CaSiO ₃ في صناعة السيراميك ، وفي الأجهزة التي تتطلب بعض الاحتكاك ، مثل فرامل وقوابض السيارة ، وفي الحصول على المعادن.

بسبب تألقها وبياضها العالي ، يتم استخدام CaSiO ₃ لملء الدهانات والبلاستيك.

المراجع

1. روب ، آر سي (2013). المجموعة 14 (C ، Si ، Ge ، Sn ، Pb) مركبات الأرض القلوية. سيليكات الكالسيوم. في موسوعة مركبات الأرض القلوية. تعافى من sciencedirect.com.
2. الفاو (2015). سيليكات الكالسيوم. مواصفات أعدت في 80 ^تشرين JECFA (2015)، ومنظمة الأغذية والزراعة JECFA مجموعة دراسات نشرت في 17. المستردة من fao.org.
3. هاريسون ، إيه إم (2019). دستور ومواصفات الأسمنت البورتلاندي. هيدرات سيليكات الكالسيوم. في كيمياء ليا للأسمنت والخرسانة (الإصدار الخامس). تعافى من sciencedirect.com.
4. جيليرت ، ر. (2010). مواد معدنية غير عضوية لعزل المباني. رغوة سيليكات الكالسيوم والرغوة المعدنية. في المواد الخاصة بكفاءة الطاقة والراحة الحرارية في المباني. تعافى من sciencedirect.com.
5. Goudouri ، OM. وآخرون. (2016). تحطيم سلوك تدهور السقالات الخزفية الحيوية. سقالات الأباتيت / ولاستونيت. في توصيف وتصميم السقالات النسيجية. تعافى من sciencedirect.com.
6. راني ، ب وآخرون. (2019). تركيب لب الأسنان النانوية. بيودنتين. في تطبيقات المواد النانوية المركب في طب الأسنان. تعافى من sciencedirect.com.
7. إنغام ، جي بي (2013). منتجات خرسانية. وحدات سيليكات الكالسيوم. في Geomaterials تحت المجهر. تعافى من sciencedirect.com.
8. Ojovan ، MI and Lee ، WE (2005). تجميد النفايات المشعة في الأسمنت. الأسمنت الهيدروليكي. في مقدمة لتثبيط النفايات النووية. تعافى من sciencedirect.com.
9. راماشاندرا راو ، س. (2006). استعادة الموارد وإعادة التدوير من النفايات المعدنية. سيليكات الكالسيوم كمرسب للمعادن الذائبة. في سلسلة إدارة النفايات. تعافى من sciencedirect.com.
10. براتي ، سي وجاندولفي ، إم جي (2015). الأسمنت النشط بيولوجيًا بسيليكات الكالسيوم: المنظورات البيولوجية والتطبيقات السريرية. دنت ماتر ، 2015 أبريل ؛ 31 (4): 351-70. تعافى من ncbi.nlm.nih.gov.