Оксид кальция: свойства, применение и производство

Введение

Быстрая известь относительно недорога. Как она, так и её химический производный гидроксид кальция (из которого быстрая известь является основным ангидридом) являются важными промышленными химикатами.

Применение

Основное применение негашеной извести – в процессе производства стали в кислородном конвертере (BOS). Ее расход варьируется от приблизительно тонны стали. Негашеная известь нейтрализует кислые оксиды, SiO2, Al2O3 и Fe2O3, образуя основную расплавленную шлаку. CaO (s) + H2O (l) → Ca(OH)2 (aq) (ΔHr = −63.7 кДж/моль CaO).
При гидратации происходит экзотермическая реакция, и твердое вещество увеличивается в объеме. Гидрат можно реконвертировать в негашеную известь, удалив воду путем нагрева докрасна, обращая реакцию гидратации. Один литр воды реагирует примерно с негашеной извести, образуя гидроксид кальция и 3,54 МДж энергии. Этот процесс можно использовать как удобный портативный источник тепла, например, для разогрева пищи на месте в самонагревающейся банке, приготовления пищи и нагрева воды без открытого огня. Несколько компаний продают комплекты для приготовления пищи, использующие этот метод нагрева. FAO признает ее пищевой добавкой в качестве регулятора кислотности, улучшителя муки и разрыхлителя. Ее E-номер – E529. Свет: при нагревании до 2400 °C негашеная известь излучает интенсивное свечение. Эта форма освещения известна как прожектор (limelight) и широко использовалась в театральных постановках до изобретения электрического освещения. Цемент: Оксид кальция является ключевым компонентом в производстве цемента, как дешелое и широкодоступное щелочное вещество. Около 50% всего объема производимой негашеной извести преобразуется в гидроксид кальция перед использованием. Как гашеная, так и негашеная известь используются для очистки питьевой воды. Полы, посыпанные известью (Lime ash floor), оставались в употреблении до конца XIX века. Химическое или энергетическое производство: Твердые распылы или суспензии оксида кальция могут использоваться для удаления диоксида серы из отходящих газов в процессе десульфуризации дымовых газов. Улавливание и хранение углерода: Оксид кальция может использоваться для улавливания углекислого газа из дымовых газов в процессе, называемом кальциевым циклом. Горнодобывающая промышленность: Сжатые патроны с негашеной известью используют экзотермические свойства негашеной извести для разрушения горных пород. В скале сверлят скважину, в которую помещают герметичный патрон с негашеной известью и трамбуют. Затем в патрон впрыскивается определенное количество воды, и в результате выделения пара, а также увеличения объема образовавшегося гидратированного твердого вещества, происходит разрушение породы. Метод неэффективен при работе с особенно твердыми породами. Утилизация трупов: Исторически ошибочно полагали, что негашеная известь ускоряет разложение трупов. На самом деле, применение негашеной извести может способствовать сохранению. Негашеная известь помогает устранить запах разложения, что могло привести людей к ошибочному выводу. Установлено, что долговечность древнеримского бетона частично обусловлена использованием негашеной извести в качестве ингредиента. В сочетании с горячим смешиванием негашеная известь образует макроскопические известковые включения с характерной хрупкой наночастичной структурой. При образовании трещин в бетоне они преимущественно проходят через структурно более слабые известковые включения, разрушая их. При попадании воды в эти трещины образуется насыщенный кальцием раствор, который может перекристаллизоваться в карбонат кальция, быстро заполняя трещину. Термохимический механизм хранения тепла в значительной степени зависит от спекания CaO и CaCO3. Показано, что материалы для хранения становятся менее реакционноспособными и более плотными при повышении температуры. Также определены конкретные процессы спекания и переменные, влияющие на эффективность этих материалов при хранении тепла.

The major use of quicklime is in the basic oxygen steelmaking (BOS) process. Its usage varies from about per ton of steel. The quicklime neutralizes the acidic oxides, SiO2, Al2O3, and Fe2O3, to produce a basic molten slag. CaO (s) + H2O (l) Ca(OH)2 (aq) (ΔHr = −63.7kJ/mol of CaO)
As it hydrates, an exothermic reaction results and the solid puffs up. The hydrate can be reconverted to quicklime by removing the water by heating it to redness to reverse the hydration reaction. One litre of water combines with approximately of quicklime to give calcium hydroxide plus 3.54 MJ of energy. This process can be used to provide a convenient portable source of heat, as for on the spot food warming in a self heating can, cooking, and heating water without open flames. Several companies sell cooking kits using this heating method. It is known as a food additive to the FAO as an acidity regulator, a flour treatment agent and as a leavener. It has E number E529. Light: When quicklime is heated to 2400 °C (4352 °F), it emits an intense glow. This form of illumination is known as a limelight, and was used broadly in theatrical productions before the invention of electric lighting. Cement: Calcium oxide is a key ingredient for the process of making cement. As a cheap and widely available alkali. About 50% of the total quicklime production is converted to calcium hydroxide before use. Both quick and hydrated lime are used in the treatment of drinking water. Such Lime ash floor remained in use until the late nineteenth century. Chemical or power production: Solid sprays or slurries of calcium oxide can be used to remove sulfur dioxide from exhaust streams in a process called flue gas desulfurization. Carbon capture and storage: Calcium oxide can be used to capture carbon dioxide from flue gases in a process called calcium looping. Mining: Compressed lime cartridges exploit the exothermic properties of quicklime to break rock. A shot hole is drilled into the rock in the usual way and a sealed cartridge of quicklime is placed within and tamped. A quantity of water is then injected into the cartridge and the resulting release of steam, together with the greater volume of the residual hydrated solid, breaks the rock apart. The method does not work if the rock is particularly hard. Disposal of corpses: Historically, it was mistakenly believed that quicklime was efficacious in accelerating the decomposition of corpses. The application of quicklime can, in fact, promote preservation. Quicklime can aid in eradicating the stench of decomposition, which may have led people to the erroneous conclusion. It has been determined that the durability of ancient Roman concrete is attributed in part to the use of quicklime as an ingredient. Combined with hot mixing, the quicklime creates macro sized lime clasts with a characteristically brittle nano particle architecture. As cracks form in the concrete, they preferentially pass through the structurally weaker lime clasts, fracturing them. When water enters these cracks it creates a calcium saturated solution which can recrystallize as calcium carbonate, quickly filling the crack. The thermochemical heat storage mechanism is greatly impacted by the sintering of CaO and CaCO3. It demonstrates that the storage materials become less reactive and denser at increasing temperatures. It also pinpoints particular sintering processes and variables influencing the efficiency of these materials in heat storage.

Оружие

В 80 году до н.э. римский генерал Серторий применил удушающие облака едкого порошка из негашеной извести для победы над каракитанами из Испании, укрывшимися в труднодоступных пещерах. Аналогичная пыль использовалась в Китае для подавления вооруженного крестьянского восстания в 178 году н.э., когда колесницы с негашеной известью, оснащенные мехами, раздували порошок извести в толпу. Считается, что негашеная известь также была компонентом греческого огня. При контакте с водой негашеная известь повышала температуру и воспламеняла топливо. Дэвид Юм в своей "Истории Англии" рассказывает, что в начале правления Генриха III английский флот уничтожил вторгшийся французский флот, ослепив вражеский флот негашеной известью. Негашеная известь, возможно, использовалась в средневековом морском бою – вплоть до применения "известковых метательных машин" для бросания ее во вражеские корабли.

Заменители

Известняк является заменителем извести во многих областях применения, включая сельское хозяйство, флюсование и удаление серы. Известняк, содержащий менее реактивные вещества, реагирует медленнее и может иметь другие недостатки по сравнению с известью, в зависимости от конкретного применения; однако известняк значительно дешевле извести. Кальцинированный гипс является альтернативным материалом в промышленных штукатурках и растворах. Цемент, пыль цементных печей, зола-унос и пыль известковых печей могут служить заменой извести в некоторых строительных целях. Гидроксид магния является заменителем извести в регулировании pH, а оксид магния – заменой доломитовой извести в качестве флюса при производстве стали.

Безопасность

Из-за бурной реакции негашеной извести с водой, негашеная известь вызывает сильное раздражение при вдыхании или контакте с влажной кожей или глазами. Вдыхание может вызвать кашель, чихание и затрудненное дыхание, которое впоследствии может перерасти в ожоги с перфорацией носовой перегородки, боль в животе, тошноту и рвоту. Хотя негашеная известь не считается пожароопасной, ее реакция с водой может выделять достаточно тепла для воспламенения горючих материалов.

Минеральные

Оксид кальция также является отдельным минеральным видом (с формулой единицы CaO), называемым "Известь". Он имеет изометрическую кристаллическую систему и может образовывать ряд твердых растворов с монтепонитом. Кристалл хрупкий, пирометаморфный и неустойчив во влажном воздухе, быстро превращаясь в портландит (Ca(OH)2).