El sulfato de calcio (o sulfato de calcio ) es un compuesto inorgánico con la fórmula CaSO4 e hidratos relacionados . En forma de γ- anhidrita (la forma anhidra ), se utiliza como desecante . Un hidrato en particular es mejor conocido como yeso de París , y otro se presenta de forma natural como el mineral yeso . Tiene muchos usos en la industria. Todas las formas son sólidos blancos que son poco solubles en agua. [5] El sulfato de calcio causa dureza permanente en el agua.
El compuesto existe en tres niveles de hidratación correspondientes a diferentes estructuras cristalográficas y minerales:
El principal uso del sulfato de calcio es producir yeso y estuco . Estas aplicaciones aprovechan el hecho de que el sulfato de calcio, que se ha pulverizado y calcinado, forma una pasta moldeable al hidratarse y se endurece como sulfato de calcio dihidratado cristalino. También resulta conveniente que el sulfato de calcio sea poco soluble en agua y no se disuelva fácilmente en contacto con el agua después de su solidificación.
Con un calentamiento adecuado, el yeso se convierte en un mineral parcialmente deshidratado llamado bassanita o yeso de París. Este material tiene la fórmula CaSO4·(nH2O ) , donde 0,5 ≤ n ≤ 0,8 . [ 8 ] Se requieren temperaturas entre 100 y 150 °C (212–302 °F) para eliminar el agua dentro de su estructura. Los detalles de la temperatura y el tiempo dependen de la humedad ambiental. Se utilizan temperaturas tan altas como 170 °C (338 °F) en la calcinación industrial, pero a estas temperaturas comienza a formarse γ-anhidrita. La energía térmica entregada al yeso en este momento (el calor de hidratación) tiende a destinarse a eliminar el agua (como vapor de agua) en lugar de aumentar la temperatura del mineral, que aumenta lentamente hasta que el agua desaparece, y luego aumenta más rápidamente. La ecuación para la deshidratación parcial es:
La propiedad endotérmica de esta reacción es relevante para el desempeño de los paneles de yeso , ya que confiere resistencia al fuego a las estructuras residenciales y de otro tipo. En caso de incendio, la estructura detrás de una lámina de paneles de yeso permanecerá relativamente fría a medida que se pierde agua del yeso, lo que evita (o retarda sustancialmente) el daño al armazón (a través de la combustión de los elementos de madera o la pérdida de resistencia del acero a altas temperaturas) y el consiguiente colapso estructural. Pero a temperaturas más altas, el sulfato de calcio liberará oxígeno y actuará como un agente oxidante . Esta propiedad se utiliza en aluminotermia . A diferencia de la mayoría de los minerales, que cuando se rehidratan simplemente forman pastas líquidas o semilíquidas, o permanecen en polvo, el yeso calcinado tiene una propiedad inusual: cuando se mezcla con agua a temperaturas normales (ambiente), rápidamente vuelve químicamente a la forma dihidrato preferida, mientras que "fragúa" físicamente para formar una red cristalina de yeso rígida y relativamente fuerte:
Esta reacción es exotérmica y es responsable de la facilidad con la que el yeso puede moldearse en diversas formas, incluyendo láminas (para paneles de yeso ), barras (para tizas de pizarra) y moldes (para inmovilizar huesos rotos o para fundición de metales). Mezclado con polímeros, se ha utilizado como cemento para reparar huesos. Se añaden pequeñas cantidades de yeso calcinado a la tierra para crear estructuras fuertes directamente a partir de tierra moldeada , una alternativa al adobe (que pierde su resistencia cuando se moja). Las condiciones de deshidratación se pueden cambiar para ajustar la porosidad del hemihidrato, lo que da como resultado los llamados α- y β-hemihidratos (que son más o menos idénticos químicamente).
Al calentar a 180 °C (356 °F), se produce la forma casi libre de agua, llamada γ-anhidrita (CaSO 4 · n H 2 O donde n = 0 a 0,05). La γ-anhidrita reacciona lentamente con el agua para volver al estado dihidrato, una propiedad explotada en algunos desecantes comerciales. Al calentar por encima de 250 °C, se forma la forma completamente anhidra llamada β-anhidrita o anhidrita "natural" . La anhidrita natural no reacciona con el agua, incluso en escalas de tiempo geológicas, a menos que esté muy finamente molida.
La composición variable del hemihidrato y la γ-anhidrita, y su fácil interconversión, se deben a sus estructuras cristalinas casi idénticas que contienen "canales" que pueden acomodar cantidades variables de agua u otras moléculas pequeñas como el metanol .
Los hidratos de sulfato de calcio se utilizan como coagulante en productos como el tofu . [9]
Para la FDA , está permitido en quesos y productos relacionados con el queso; harinas de cereales; productos de panadería; postres helados; edulcorantes artificiales para gelatinas y conservas; verduras para condimentar; y tomates para condimentar y algunos dulces. [10]
Se le conoce en la serie de números E como E516 , y la FAO de la ONU lo conoce como un agente reafirmante, un agente de tratamiento de la harina, un secuestrante y un agente leudante. [10]
El sulfato de calcio tiene una larga historia de uso en odontología. [11] Se ha utilizado en la regeneración ósea como material de injerto y aglutinante (o extensor) de injerto y como barrera en la regeneración guiada de tejido óseo. Es un material biocompatible y se reabsorbe por completo después de la implantación. [12] No evoca una respuesta significativa del huésped y crea un entorno rico en calcio en el área de implantación. [13]
Cuando se vende en estado anhidro como desecante con un agente indicador de color bajo el nombre de Drierite , aparece azul (anhidro) o rosa (hidratado) debido a la impregnación con cloruro de cobalto (II) , que funciona como indicador de humedad.
Hasta la década de 1970, se producían cantidades comerciales de ácido sulfúrico a partir de sulfato de calcio anhidro. [14] Al mezclarse con pizarra o marga y tostarse a 1400 °C, el sulfato libera gas de dióxido de azufre , un precursor del ácido sulfúrico . La reacción también produce silicato de calcio , utilizado en la producción de clínker de cemento . [15] [16]
Algunas reacciones de componentes relacionados con el sulfato de calcio:
Las principales fuentes de sulfato de calcio son el yeso y la anhidrita naturales , que se encuentran en muchos lugares del mundo en forma de evaporitas . Estos pueden extraerse mediante canteras a cielo abierto o mediante minería profunda. La producción mundial de yeso natural es de alrededor de 127 millones de toneladas por año. [17]
Además de las fuentes naturales, el sulfato de calcio se produce como subproducto en varios procesos:
Los métodos relacionados de captura de azufre utilizan cal y algunos producen un sulfito de calcio impuro , que se oxida durante el almacenamiento a sulfato de calcio.
Estos procesos de precipitación tienden a concentrar elementos radiactivos en el producto de sulfato de calcio. Este problema es particular con el subproducto fosfato, ya que los minerales de fosfato contienen naturalmente uranio y sus productos de desintegración, como el radio-226 , el plomo-210 y el polonio-210 . La extracción de uranio de los minerales de fósforo puede ser económica por sí sola dependiendo de los precios en el mercado del uranio o la separación del uranio puede ser obligatoria por la legislación ambiental y su venta se utiliza para recuperar parte del costo del proceso. [19] [20] [21]
El sulfato de calcio también es un componente común de los depósitos de suciedad en los intercambiadores de calor industriales, porque su solubilidad disminuye con el aumento de la temperatura (véase la sección específica sobre la solubilidad retrógrada).
La solubilidad del sulfato de calcio disminuye a medida que aumenta la temperatura. Este comportamiento ("solubilidad retrógrada") es poco común: la disolución de la mayoría de las sales es endotérmica y su solubilidad aumenta con la temperatura. La solubilidad retrógrada del sulfato de calcio también es responsable de su precipitación en la zona más caliente de los sistemas de calefacción y de su contribución a la formación de incrustaciones en las calderas junto con la precipitación de carbonato de calcio cuya solubilidad también disminuye cuando el CO 2 se desgasifica del agua caliente o puede escapar fuera del sistema.