Гидроксид кальция
| Гидроксид кальция | |
|---|---|
| | |
| Общие | |
| Систематическое наименование |
Гидроксид кальция |
| Традиционные названия | гашёная (едкая) известь. |
| Хим. формула | Ca(OH)2 |
| Рац. формула | HO−Ca−OH |
| Физические свойства | |
| Состояние | Твёрдое |
| Молярная масса | 74,093 г/моль |
| Плотность | 2,211 г/см³ |
| Термические свойства | |
| Температура | |
| • плавления | 512 °C |
| • разложения | 580 °C |
| Энтальпия | |
| • образования | -986,6 кДж/моль |
| Химические свойства | |
| Растворимость | |
| • в воде | 0,185 г/100 мл |
| Классификация | |
| Рег. номер CAS | [1305-62-0] |
| Безопасность | |
| NFPA 704 | |
| Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное. | |
Гидрокси́д ка́льция (гашёная известь, известковая вода, известковое молоко, пушёнка, гидроокись кальция, гидратированная известь) — бесцветное кристаллическое вещество с плотностью 2340 кг/м³, плохо растворимое в воде (0,11% по массе). В водных растворах он называется известковой водой, а суспензии — известковым молоком. В природе встречается в виде минерала портландита[1][2].
Химически гидроксид кальция — сильное основание, разлагающееся при нагревании выше 580 °C на оксид кальция и воду. Реакция с хлором даёт хлорную известь. Получают его из оксида кальция и воды[1].
Применяется в строительстве как вяжущий материал, в производстве стекла, сахара, для раскисления почв и умягчения воды. Смесь с гидроксидом натрия (натриевая известь) поглощает углекислый газ, используется в системах очистки воздуха и улавливания углерода. В пищевой промышленности зарегистрирован как пищевая добавка E526[1][3].
История открытия
Гидроксид кальция, также известный как гашёная известь, имеет долгую историю применения в различных отраслях промышленности, уходящую корнями в глубокую древность, как свидетельствуют археологические находки, датируемые примерно 7500 годом до нашей эры.
В качестве компонента пестицидов гидроксид кальция начал использоваться сравнительно недавно, в конце XIX века. Французский химик Жозеф Луи Пруст получил задание разработать безопасное средство для защиты винограда от порчи. В результате было предложено использовать смесь извести и медного купороса для обработки созревающих ягод и лозы. Данная методика оказалась весьма эффективной, поскольку после высыхания смесь приобретала внешний вид, схожий с плесенью, что отпугивало потенциальных воров. Это средство получило название «бордоская смесь» по месту своего первоначального применения или по имени своего создателя — Пруста[4].
Однако в 1882 году Пьер Мари Мильярде, выдающийся ботаник, обратил внимание на ещё одно важное свойство бордоской смеси. Он заметил, что виноградники, обработанные данным препаратом, демонстрируют повышенную устойчивость к виноградной гнили. Это открытие стало ключевым моментом в развитии фунгицидных технологий. Кроме того, дальнейшие исследования показали, что бордоская жидкость обладает широким спектром действия и успешно применяется для борьбы с различными грибковыми заболеваниями винограда, такими как милдью. Более того, она эффективна против грибковых и бактериальных инфекций, поражающих различные плодовые и ягодные культуры[4].
Распространённые названия
Гидроксид кальция известен под несколькими названиями, отражающими его свойства и способы применения.
- «Гашёная известь» — термин, связанный с методом получения вещества путём «гашения» (взаимодействия с водой) оксида кальция.
- «Известковое молоко» — суспензия, образующаяся при смешивании избытка гашёной извести с водой. Внешне напоминает молоко, отсюда и название.
- «Известковая вода» — это прозрачный, бесцветный раствор гидроксида кальция, получаемый фильтрованием или отстаиванием известкового молока.
- «Известь-пушонка» — продукт гашения негашёной извести ограниченным количеством воды, образующий белый рассыпчатый мелкокристаллический порошок.
- «Едкая известь» — название, подчёркивающее щелочные свойства соединения[5].
Строение вещества
Гидроксид кальция (Ca(OH)₂) кристаллизуется в моноклинной сингонии с пространственной группой C2. Кристаллическая структура представляет собой двумерный массив, состоящий из одного слоя катионов Ca²⁺, окружённых анионами O²⁻, ориентированного вдоль оси c. В данной конфигурации каждый ион Ca²⁺ окружён шестью эквивалентными анионами O²⁻, формируя октаэдрическое координационное окружение с расстоянием Ca-O, равным 2,37 Å[6].
В структуре также присутствуют протоны (H⁺), которые образуют однократные связи с анионами O²⁻. Длина связи H-O составляет 0,97 Å. Анионы O²⁻ дополнительно связаны с тремя эквивалентными катионами Ca²⁺ и одним протоном, что приводит к искажению их координационной геометрии[6].
Кристаллическая решётка гидроксида кальция относится к тригональной системе с гексагональной ячейкой, имеющей международный номер 164 и символ P3̅m1. Параметры элементарной ячейки составляют a = 6,21 Å, b = 3,59 Å, c = 4,81 Å с углами α = 90.00°, β = 91.40°, γ = 90.00°. Объём элементарной ячейки составляет 107,18 ų, а плотность гидроксида кальция — 2,30 г·см⁻³. В химических соединениях элементы проявляют степени окисления: Ca²⁺, O²⁻ и H⁺[6].
Межслоевая вода играет значительную роль в модификации и стабилизации кристаллической структуры гидроксида кальция, оказывая влияние на его физико-химические свойства. Одним из наиболее значимых эффектов внедрения молекул воды является увеличение межплоскостного расстояния в кристаллической решётке Ca(OH)₂ на 0,39%. Этот феномен обусловлен способностью молекул воды проникать между слоями кристаллической структуры гидроксида кальция, где они образуют устойчивые водородные связи. Взаимодействие воды с гидроксильными группами Ca(OH)₂ приводит к изменению пространственной конфигурации атомов в решётке, что, в свою очередь, влияет на её электронную структуру и термодинамическую стабильность. Водородные связи, формируемые между молекулами воды и гидроксильными группами, способствуют созданию более благоприятных условий для протекания химических реакций, таких как карбонизация, что подчёркивает их ключевую роль в динамике кристаллической решётки[7].
Физические свойства
Гидроксид кальция при стандартных условиях представляет собой белый кристаллический порошок. Температура плавления составляет 512 °C, а при 580 °C вещество начинает разлагаться. При нагревании до 600 °C происходит практически полная потеря воды с образованием оксида кальция. Плотность равна 2,211 г/см3. Энтальпия образования — -986,6 кДж/моль. Растворимость в воде при 0 °C составляет 0,173 г на 100 г воды и уменьшается с повышением температуры до 0,08 г при 100 °C. В присутствии фиксированных гидроксидов щелочных металлов растворимость в воде уменьшается, что может быть связано с образованием комплексных соединений[8]. В присутствии солей значительно увеличивается растворимость[9].
Давление пара равно 0 Па. Гигроскопичность — ещё одна характерная особенность данного вещества. pH насыщенного водного раствора гидроксида кальция составляет 12,4 при температуре 25 °C, что указывает на его сильную щелочную реакцию. Показатель преломления гидроксида кальция варьируется в зависимости от угла зрения: альфа-показатель составляет 1,574, а бета-показатель — 1,545. Эти данные важны для оптических исследований и могут быть использованы для определения степени чистоты вещества[8].
Химические свойства
Нейтрализация кислотами
Гидроксид кальция, являясь сильным основанием, активно взаимодействует с кислотами, что приводит к образованию соответствующих солей и воды. В частности, реакция с соляной кислотой протекает следующим образом[10]:
Эта реакция является классическим примером нейтрализации, где щёлочь нейтрализует кислоту с образованием нейтрального раствора хлорида кальция и воды[10].
Реакция с кислотными оксидами
Гидроксид кальция также способен взаимодействовать с кислотными оксидами, например углекислым газом. Реакция приводит к образованию карбоната кальция, который выпадает в осадок[10]:
Этот процесс, известный как карбонизация, широко используется в различных промышленных и лабораторных приложениях для осаждения карбонатов[10].
При избытке углекислого газа образуется растворимый гидрокарбонат кальция[10].
Реакция с оксидом углерода(II)
Cинтеза формиата кальция (Ca(HCOO)₂) из гидроксида кальция (Ca(OH)₂) и угарного газа (CO). Реакция протекает в строго контролируемых условиях, что обусловлено специфическими физико-химическими характеристиками участников процесса[10].
Ключевым фактором является восстановительная способность CO, которая проявляется в щелочной среде при повышенном давлении. В данных условиях CO внедряется в гидроксид-ион (OH⁻), что приводит к образованию формиат-иона (HCOO⁻). Последний, в свою очередь, связывается с ионами кальция (Ca²⁺), образуя формиат кальция[10].
Для успешного протекания реакции необходимо соблюдение следующих параметров[10]:
- Повышенное давление (обычно несколько атмосфер)
- Температурный диапазон 150–200°C
Отсутствие данных условий приводит к отклонению процесса в сторону конкурирующей реакции — окисления угарного газа до углекислого газа (CO₂) с последующим образованием карбоната кальция (CaCO₃). Данный факт ограничивает практическое применение метода, поскольку требует тщательного контроля параметров[10].
Реакция с амфотерными оксидами
Реакция в растворе
Реакция между гидроксидом кальция в концентрированном растворе, оксидом алюминия и водой приводит к образованию тетрагидроксоалюмината кальция[10]:
Для успешного протекания реакции требуется избыток концентрированного раствора гидроксида кальция и нагревание. В результате амфотерный оксид алюминия переходит в растворимый комплексный ион тетрагидроксоалюминат Al(OH)4-. Аналогичные процессы наблюдаются при взаимодействии гидроксида кальция с оксидами цинка и хрома(III)[10].
Сплавление с амфотерными оксидами
При высокотемпературном сплавлении гидроксида кальция с оксидом алюминия происходит реакция[10]:
Реакция протекает при температуре выше 1000°C, что является условием для высокотемпературного сплавления. В результате образуется нерастворимый метаалюминат кальция. Выход воды в данном процессе обусловлен дегидратацией гидроксида кальция[10].
Реакция обмена с растворимыми солями
Гидроксид кальция может вступать в реакцию обмена с солями при условии образовании осадка. В данном примере приведена реакция с карбонатом натрия, которая приводит к осаждению карбоната кальция и образованию гидроксида натрия[10]:
Эта реакция используется для осаждения карбонатов из водных растворов и в качестве метода очистки водым[10].
Исторически для получения гидроксида калия применяли реакцию гидроксида кальция с карбонатом калия, известным как поташ или зола[10].
Взаимодействие с алюминием
В присутствии воды гидроксид кальция вступает в реакцию с алюминием, образуя тетрагидроксоалюминат кальция и выделяя водород в газообразном состоянии[10]:
Эта реакция находит применение в различных металлургических процессах и в качестве метода получения водорода[10].
Термическое разложение
При нагревании до температуры 580°C гидроксид кальция разлагается на оксид кальция и пары воды[10]:
Данное термическое разложение является эндотермическим процессом и используется для получения оксида кальция, который, в свою очередь, является важным сырьём в производстве цемента и других строительных материалов[10].
Электролиз расплава
Электролиз расплава теоретически описывается уравнением разложения гидроксида кальция на кальций, кислород и воду, однако на практике эта реакция неосуществима из-за конкурирующего термического разложения Ca(OH)₂ в оксид кальция и пары воды уже при 580°C[10].
Для промышленного получения кальция применяют электролиз расплава хлорида кальция, поскольку гидроксид нестабилен в требуемых условиях и требует инертной атмосферы, что экономически нецелесообразно[10].
Реакции диспропорционирования с неметаллами
Реакция с белым фосфором
Диспропорционирование белого фосфора требует использования концентрированного раствора гидроксида кальция и нагревания, в ходе которого белый фосфор (P₄) одновременно окисляется до гипофосфита кальция (Ca(H₂PO₂)₂, где фосфор имеет степень окисления +1, и восстанавливается до газообразного фосфина (PH₃, степень окисления -3)[10].
Ключевой особенностью является необходимость строгого контроля температуры: перегрев приводит к взрывоопасному выделению фосфина и образованию побочных продуктов — фосфитов и фосфатов. Для безопасности белый фосфор предварительно диспергируют в воде[10].
Реакция с хлором
Диспропорционирование хлора протекает в холодном водном растворе гидроксида кальция с образованием смеси гипохлорита кальция (Ca(OCl)₂) и хлорида кальция (CaCl₂), известной как «хлорная известь». Хлор в этой реакции одновременно окисляется до гипохлорит-иона (OCl⁻, степень окисления +1) и восстанавливается до хлорид-иона (Cl⁻, степень окисления -1). Процесс экзотермичен, поэтому требует охлаждения во избежание разложения гипохлорита на хлорат и хлорид[10].
Практическая ценность реакции заключается в получении дезинфицирующих и отбеливающих средств, где активным компонентом выступает Ca(OCl)₂[10].
Получение
Гидроксид кальция (Ca(OH)₂) в промышленности и лабораторной практике получают несколькими ключевыми методами[10].
Гашение негашёной извести
Наиболее распространённым промышленным способом является «гашение оксида кальция (негашёной извести) водой». Этот экзотермический процесс описывается уравнением[10]:
Оптимальная температура для реакции составляет 25–100°C, а количество воды определяет форму продукта: при стехиометрическом соотношении образуется сухая «известь-пушонка», а при избытке воды — суспензия «известковое молоко» или прозрачный раствор «известковая вода» после фильтрации[10].
Исходное сырьё (известняк, мрамор) предварительно обжигают при 1000–1200°C для получения CaO по реакции[10]:
Гидролиз карбида кальция (CaC₂)
Реакция протекает энергично с выделением ацетилена и используется для сопутствующего получения горючего газа. Важно учитывать, что технический карбид содержит примеси (сульфид кальция, фосфиды), которые при гидролизе образуют сероводород (H₂S) или фосфин (PH₃), что требует очистки целевого гидроксида[10].
Лабораторные методы
Лабораторные методы включают реакции активного кальция и его гидрида с водой[10].
Металлический кальций медленно реагирует с холодной водой[10].
Гидрид кальция как восстановитель даёт высокочистый продукт, но требует контроля из-за выделения водорода[10].
Гидролизе растворимых солей кальция, образованных слабыми кислотами
Например, гидролиз формиата, ацетата или сульфида[10]:
Обратимый процесс сдвигается в сторону основания при нагревании или удалении муравьиной кислоты[10].
Уксусная кислота сублимируется при нагревании[10].
Реакция необратима из-за испарения сероводорода[10].
Электролиз водных растворов солей кальция
Электролиз растворов солей кальция (например, хлорида) возможен по схеме
Критически значимые аспекты синтеза гидроксида кальция
При производстве гидроксида кальция (Ca(OH)₂) необходимо учитывать ряд фундаментальных факторов, влияющих на качество конечного продукта. Одним из ключевых аспектов является выбор исходного сырья, особенно при использовании карбидного метода. Чистота Ca(OH)₂ напрямую зависит от чистоты и химического состава исходного карбоната кальция, что требует тщательного контроля на всех этапах производственного процесса[10].
Важным этапом синтеза является гашение извести, которое требует строгого контроля температуры для предотвращения «перегорания» продукта. Этот процесс сопровождается экзотермической реакцией, при которой выделяется значительное количество тепла. Оптимальная температура гашения должна быть тщательно отрегулирована для предотвращения нежелательных химических превращений, таких как образование пероксида кальция (CaO₂), что может существенно ухудшить качество конечного продукта[10].
Следует отметить, что гидролиз солей является эффективным методом синтеза гидроксида кальция только для соединений слабых кислот. Соли сильных кислот, такие как хлорид кальция (CaCl₂) и нитрат кальция (Ca(NO₃)₂), не подвергаются гидролизу до стадии осаждения гидроксида кальция. Это связано с высокой степенью диссоциации этих солей в водных растворах, что делает их гидролиз термодинамически невыгодным процессом[10].
Применение
Гидроксид кальция (Ca(OH)₂) является важным химическим соединением, широко применяемым в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства благодаря своим физико-химическим свойствам. В строительной индустрии он используется для приготовления известкового раствора, который представляет собой композитный материал, получаемый путём смешивания гашёной извести (гидроксида кальция) с кварцевым песком. Традиционный состав такого раствора включает одну часть Ca(OH)₂ и три-четыре части SiO₂. При гидратации данного материала происходит химическая реакция, в результате которой образуются силикаты кальция (CaSiO₃), сопровождающаяся выделением воды. Этот процесс способствует образованию цементного камня, обладающего высокой прочностью и долговечностью. Однако побочным эффектом данного процесса является увеличение влажности в строительных конструкциях, что требует тщательного контроля при эксплуатации зданий[8].
В производстве силикатного бетона и кирпича гидроксид кальция также играет ключевую роль. В этом случае он смешивается с кварцевым песком и подвергается обработке перегретым водяным паром при температуре 174 — 197 °C и давлении 9 — 15 атмосфер в автоклаве. Этот технологический процесс значительно ускоряет процесс твердения материала, что позволяет сократить время на производство строительных изделий[11].
В области водоподготовки гидроксид кальция используется для устранения карбонатной жёсткости воды, что достигается за счёт химической реакции с гидрокарбонатами кальция и магния, приводящей к образованию нерастворимых карбонатов, которые затем осаждаются. Этот метод является эффективным способом улучшения качества питьевой воды и предотвращения образования накипи в системах водоснабжения[3].
В химической промышленности гидроксид кальция находит применение в производстве хлорной извести (Ca(OCl)₂), которая используется в качестве дезинфицирующего средства и отбеливателя. Кроме того, он является ключевым реагентом в процессе каустификации, который применяется для получения гидроксида натрия (NaOH) и карбоната натрия (Na₂CO₃) в производстве соды и поташа[3][2].
В сельском хозяйстве гидроксид кальция используется для нейтрализации кислых почв, что позволяет улучшить их агрохимические свойства и повысить урожайность культур. В кожевенной промышленности он применяется при дублении кож, способствуя улучшению их качества и долговечности[3].
В пищевой промышленности гидроксид кальция зарегистрирован как пищевая добавка E526, которая используется для регулирования кислотности и стабилизации продуктов. В сахарном производстве он применяется для рафинирования сахара, а в Латинской Америке — для никстамализации кукурузы, процесса, включающего отваривание зёрен в щелочном растворе для размягчения оболочки и улучшения усвояемости[3].
В садоводстве гидроксид кальция входит в состав бордоской жидкости, фунгицида, используемого для защиты растений от болезней. В стоматологии он применяется для дезинфекции корневых каналов зубов, обеспечивая эффективное удаление патогенных микроорганизмов[3].
В электротехнике гидроксид кальция используется в качестве компонента для улучшения электрических характеристик грунта, что способствует повышению эффективности заземления. Известковое молоко также применяется для длительного хранения куриных яиц, обеспечивая их сохранность на протяжении до двух лет[3].
Кроме того, гидроксид кальция является важным сырьём для получения других химических соединений кальция, таких как нитрат кальция (Ca(NO₃)₂) и хлорид кальция (CaCl₂). Он также применяется для нейтрализации кислых растворов, включая промышленные сточные воды, что способствует охране окружающей среды. В лабораторной практике известковая вода используется в качестве качественного реагента для определения содержания углекислого газа (CO₂) в воздухе[3].
Таким образом, гидроксид кальция является многофункциональным и универсальным веществом, находящим широкое применение в различных областях науки и техники. Его уникальные свойства и высокая реакционная способность делают его незаменимым компонентом в многочисленных технологических процессах и промышленных производствах[3].
Уровень опасности и меры предосторожности
Гидроксид кальция, также известный как гашёная известь, представляет собой химическое соединение, требующее особого внимания при обращении из-за потенциального риска для здоровья и безопасности[12].
Пожароопасность
Гидроксид кальция не является горючим веществом, однако его использование в условиях пожара может привести к выделению тепла и усугублению ситуации. В связи с этим, при работе с данным химикатом необходимо соблюдать повышенные меры предосторожности, особенно в зонах с повышенным риском возгорания[12].
Воздействие на организм
Гидроксид кальция обладает высокой химической активностью, что делает его потенциально опасным при контакте с различными тканями организма. Основные пути воздействия и соответствующие меры предосторожности[12]:
- При вдыхании пыли или аэрозоля гидроксида кальция могут возникнуть острые респираторные реакции, включая раздражение дыхательных путей, кашель, жжение в горле и бронхоспазм. Для минимизации риска рекомендуется использовать системы местной вытяжной вентиляции или средства индивидуальной защиты органов дыхания, такие как респираторы с фильтрами, соответствующими стандарту N95 или выше. При появлении симптомов необходимо обеспечить пострадавшего доступом к свежему воздуху и незамедлительно обратиться за медицинской помощью.
- Контакт гидроксида кальция с кожей может привести к химическим ожогам различной степени тяжести, сопровождающимся покраснением, шелушением, болевыми ощущениями, сухостью и образованием волдырей. Для предотвращения необходимо использовать защитные перчатки, изготовленные из материалов, устойчивых к химическим воздействиям, а также защитную одежду. В случае контакта с кожей необходимо немедленно снять загрязнённую одежду, промыть поражённый участок большим количеством воды в течение не менее 15 минут и обратиться за медицинской помощью.
- При попадании гидроксида кальция в глаза возникают серьёзные офтальмологические повреждения, включая конъюнктивит, кератит и глубокие ожоги роговицы. Для защиты глаз рекомендуется использовать защитные очки с боковыми щитками или полнолицевую маску. При попадании вещества в глаза необходимо промыть их обильным количеством воды, не менее 15-20 минут, и немедленно обратиться за медицинской помощью.
- Проглатывание гидроксида кальция может вызвать серьёзные химические ожоги пищевода и желудка, сопровождающиеся интенсивной болью в животе, рвотой, тошнотой, спазмами и, в тяжёлых случаях, нарушением функции пищеварительной системы. Для предотвращения подобных инцидентов важно соблюдать правила личной гигиены, не принимать пищу, напитки и не курить в рабочей зоне. В случае проглатывания необходимо немедленно прополоскать рот водой, не вызывать рвоту (так как это может усугубить повреждения), не давать пострадавшему пить и незамедлительно обратиться за медицинской помощью[12].
Примечания
- ↑ 1,0 1,1 1,2 Комиссарова Л. Н., Рюмин М. А. Кальция гидроксид. БРЭ. Дата обращения: 22 июня 2025.
- ↑ 2,0 2,1 Гидроксид кальция — щелочь, востребованное во многих областях экономики вещество. ПраймКемикалсГрупп (16 сентября 2016). Дата обращения: 22 июня 2025.
- ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 3,7 3,8 Гидроксид кальция. Ataman chemicals. Дата обращения: 22 июня 2025.
- ↑ 4,0 4,1 Григоровская П. И. Кальция гидроксид. Пестициды.ru. Дата обращения: 22 июня 2025.
- ↑ Едкая известь // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907..
- ↑ 6,0 6,1 6,2 Materials Explorer (англ.). Materials Project. Дата обращения: 26 июня 2025.
- ↑ Zaker Z., Hosseini A., Azizi S., Korayem A.H. Role of Intercalated Water in Calcium Hydroxide Interlayers for Carbonation Reaction. ResearchGate GmbH (2021). Дата обращения: 26 июня 2025.
- ↑ 8,0 8,1 8,2 Calcium Hydroxide (англ.). PubChem. Дата обращения: 26 июня 2025.
- ↑ Гидроксид кальция 25 ГОСТ 9262-77 Щелочи. Новые технологии. Дата обращения: 26 июня 2025.
- ↑ 10,00 10,01 10,02 10,03 10,04 10,05 10,06 10,07 10,08 10,09 10,10 10,11 10,12 10,13 10,14 10,15 10,16 10,17 10,18 10,19 10,20 10,21 10,22 10,23 10,24 10,25 10,26 10,27 10,28 10,29 10,30 10,31 10,32 10,33 10,34 10,35 10,36 10,37 10,38 10,39 10,40 Гидроксид кальция, химические свойства, получение. Acetyl. Дата обращения: 26 июня 2025.
- ↑ Гидроксид кальция. Химимпорт. Дата обращения: 26 июня 2025.
- ↑ 12,0 12,1 12,2 12,3 ICSC 0408 - Гидроксид кальция. International Chemical Safety Cards (ICSCs). Дата обращения: 22 июня 2025.