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氧化鈣

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氧化鈣
IUPAC名
Calcium oxide
別名 生石灰
識別
CAS號 1305-78-8  checkY
PubChem 14778
ChemSpider 14095
SMILES
 
  • O=[Ca]
InChI
 
  • 1/Ca.O/rCaO/c1-2
InChIKey ODINCKMPIJJUCX-BFMVISLHAU
Gmelin 485425
UN編號 1910
ChEBI 31344
RTECS EW3100000
KEGG C13140
性質
化學式 CaO
摩爾質量 56.0774 g/mol g·mol⁻¹
外觀 白色到淺黃、淺棕色固體
氣味
密度 3.34 g/cm3[1]
熔點 2572 °C(2845 K)([1]
沸點 2850 °C(3123 K)(100 hPa[2]
溶解性 反應,形成氫氧化鈣
溶解性甲醇 不溶,在乙醚辛醇也不溶
pKa 12.8
磁化率 −15.0×10−6 cm3/mol
結構
晶體結構 立方晶系cF8
熱力學
ΔfHm298K −635 kJ·mol−1[3]
S298K 40 J·mol−1·K−1[3]
藥理學
ATCvet代碼 QP53AX18QP53
危險性
GHS危險性符號
《全球化學品統一分類和標籤制度》(簡稱「GHS」)中腐蝕性物質的標籤圖案《全球化學品統一分類和標籤制度》(簡稱「GHS」)中有害物質的標籤圖案
GHS提示詞 Danger
H-術語 H302, H314, H315, H318, H335
P-術語 P260, P261, P264, P270, P271, P280, P301+312, P301+330+331, P302+352, P303+361+353, P304+340, P305+351+338, P310, P312
NFPA 704
0
3
2
 
閃點 Non-flammable
PEL TWA 5 mg/m3[4]
相關物質
其他陰離子 氫氧化鈣
硫化鈣
硒化鈣
碲化鈣
釙化鈣
其他陽離子 氧化鈹
氧化鎂
氧化鍶
氧化鋇
氧化鐳
若非註明,所有數據均出自標準狀態(25 ℃,100 kPa)下。

氧化鈣,俗稱生石灰石灰化學式CaO,是常見的無機化合物

性質

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氧化鈣是鹼性氧化物,和反應生成氫氧化鈣(熟石灰),該劇烈反應放出大量熱,甚至能讓水沸騰[5]

氧化鈣也可以和酸反應,生成相應的鈣鹽,例如:

例如氧化鈣和鹽酸反應,會生成氯化鈣

將氧化鈣和一起在電爐中共熱至攝氏2000度,生成碳化鈣(電石)[6]

製備

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燒制石灰的石灰窯

氧化鈣通常是石灰窯中含有碳酸鈣 CaCO3 的材料(例如石灰石貝殼)的熱分解反應英語thermal decomposition而成的。這需要 825 °C(1,517 °F) 以上的溫度。[7]這一過程被稱為煅燒,把碳酸鈣分解成二氧化碳和氧化鈣。這也是少數史前已為人所知的化學反應[8]

CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g)

這些氧化鈣並不穩定,冷卻後會和空氣中的二氧化碳自發反應,變回碳酸鈣,除非用水消解以形成石灰膏英語lime plaster石灰砂漿英語lime mortar

全球氧化鈣的年產量約為 2.83 億噸。中國是迄今為止世界上最大的生產國,每年總產量約為 1.7 億噸。美國位居第二,每年約 2000 萬噸。[9]

每生產 1噸氧化鈣大約需要 1.8 噸石灰石。氧化鈣對水有很高的親和力,是比硅膠更有效的乾燥劑。這與氧化鈣和水的反應體積增加至少 2.5 倍有關。[10]

用處

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生石灰(氧化鈣)熟化的強烈放熱反應的演示。將水滴滴到生石灰中的一段時間後,會發生明顯的放熱反應(石灰熟化),溫度可以上升到 300 °C(572 °F)。
  • 氧化鈣的主要用處是鹼性氧氣煉鋼英語basic oxygen steelmaking (BOS) 。在一噸鋼中,需要用 30至50公斤(65—110英磅)的氧化鈣。氧化鈣和酸性氧化物,例如 SiO2Al2O3Fe2O3中和,形成鹼性熔渣。[10]
  • 氧化鈣粉末用於生產加氣混凝土塊,密度約為 0.6–1.0 g/cm3[10]
  • 氧化鈣和氫氧化鈣可顯着提高含粘土的承載能力。它們通過與細碎的二氧化硅和氧化鋁反應,生成具有膠結性能的硅酸鈣和鋁酸鹽。[10]
  • 少量的氧化鈣可用於其他工藝,如:玻璃、鋁酸鈣水泥和有機化合物的生產。[10]
  • 氧化鈣也可以用作加熱劑。當它以下面的反應水解成氫氧化鈣時,會放出熱能[11]
CaO (s) + H2O (l) ⇌ Ca(OH)2 (aq) (ΔHr = −63.7 kJ/mol of CaO)
當氧化鈣水解時,會放熱並膨脹。一升水可以和約 3.1公斤(6.8英磅) 的氧化鈣反應,形成氫氧化鈣和 3.54 MJ的能量。這個反應可用於提供方便的便攜式熱源,用於自熱食品。有一些公司在銷售使用這種加熱方法的烹飪套件。[12]
  • 氧化鈣也是一種食品添加劑,用作酸度調節劑、麵粉處理劑和發酵劑。[13]它的E編碼E529
  • 當氧化鈣被加熱到 2,400 °C(4,350 °F)時,會散發出強烈的光芒。這種照明形式被稱為石灰光英語Limelight,並在電燈發明之前廣泛用於戲劇作品中。[14]
  • 氧化鈣是水泥的關鍵成分。
  • 氧化鈣是一種廉價且廣泛使用的鹼。大約 50% 的氧化鈣在使用前會先轉化成氫氧化鈣。氧化鈣和氫氧化鈣都用於處理飲用水。[10]
  • 水檢測膏是氧化鈣和酚酞的混合物。如果這種糊狀物與燃料儲罐中的水接觸,CaO 會與水反應形成氫氧化鈣。氫氧化鈣具有足夠高的pH值,可以將酚酞變成鮮艷的粉紫色,表明存在水。
  • 硫酸鹽紙漿廠的化學回收過程中,氧化鈣用於從碳酸鈉中再生氫氧化鈉。
  • 有考古證據表明,前晚新石器時代B英語Pre-Pottery Neolithic B的人類使用基於氧化鈣的灰泥,用於地板和其他用途。[15][16][17]這種石灰灰地板英語Lime-ash floor一直被使用到 19 世紀後期。
  • 煙氣脫硫的過程中,可以使用氧化鈣的固體噴霧劑或漿液從廢氣流中去除二氧化硫
  • 歷史上,人們錯誤地認為氧化鈣可以有效加速屍體的分解。事實上,氧化鈣可以保存屍體。氧化鈣可以消除分解過程產生的惡臭,這可能導致人們得出錯誤的結論的原因。[18]

作為武器

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公元前 80 年,羅馬將軍塞多留部署了令人窒息的苛性石灰雲來擊敗西班牙的 Characitani,後者在人跡罕至的洞穴中避難。[19]公元 178 年,中國使用類似的粉塵來平息農民武裝起義,他們用裝有風箱的石灰戰車將氧化鈣粉末吹向人群。[20]

氧化鈣被認為是希臘火的組成成分。氧化鈣遇水會產生 150 °C(302 °F)的高溫,並點燃燃料。[21]

大衛·休謨在他的《英格蘭史》中敘述了亨利三世統治初期,英國海軍用生石灰使敵方艦隊失明,摧毀了一支入侵的法國艦隊。[22]生石灰可能已用於中世紀的海戰。[23]

危險性

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由於氧化鈣與水劇烈反應,當吸入或接觸潮濕的皮膚或眼睛時,會引起嚴重的刺激。吸入氧化鈣可能導致咳嗽、打噴嚏和呼吸困難,然後可能會演變成燒傷,伴有鼻穿孔、腹痛、噁心和嘔吐。雖然氧化鈣不被認為是火災隱患,但它與水的反應會釋放足夠的熱量,足以點燃可燃物。[24]

天然存在

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氧化鈣天然存在於生石灰礦中,不過它在濕氣下不穩定,會迅速變成熟石灰(氫氧化鈣,化學式Ca(OH)2,俗稱羥鈣石英語portlandite)。[25][26]

參考資料

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  1. ^ 1.0 1.1 Haynes, William M. CRC handbook of chemistry and physics: a ready-reference book of chemical and physical data 92nd. Boca Raton, FL.: CRC Press英語CRC Press. 2011: 4.55. ISBN 978-1-4398-5511-9. OCLC 730008390 (英語). 
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  3. ^ 3.0 3.1 Zumdahl, Steven S. Chemical Principles 6th Ed.. Houghton Mifflin Company. 2009: A21. ISBN 978-0-618-94690-7. 
  4. ^ NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards. #0093. NIOSH. 
  5. ^ Kinetics of the CaO/Ca(OH)2 hydration/dehydration reaction for thermochemical energy storage applications - digital-csic Digital CSIC (PDF). [2016-05-19]. (原始內容存檔 (PDF)於2016-06-11). 
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  9. ^ Miller, M. Michael. Lime. Minerals Yearbook (PDF). U.S. Geological Survey. 2007: 43.13 [2021-07-11]. (原始內容存檔 (PDF)於2017-05-14). 
  10. ^ 10.0 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 Tony Oates, Lime and Limestone, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 7th, Wiley: 1–32, 2007, ISBN 978-3527306732, doi:10.1002/14356007.a15_317 
  11. ^ Collie, Robert L. "Solar heating system" 美國專利第3,955,554號 issued May 11, 1976
  12. ^ Gretton, Lel. Lime power for cooking - medieval pots to 21st century cans. Old & Interesting. [13 February 2018]. (原始內容存檔於2021-10-30). 
  13. ^ Compound Summary for CID 14778 - Calcium Oxide. PubChem. [2021-07-16]. (原始內容存檔於2020-10-23). 
  14. ^ Gray, Theodore. Limelight in the Limelight. Popular Science. September 2007: 84 [2021-07-16]. (原始內容存檔於2008-10-13). 
  15. ^ University, Tel Aviv. Neolithic man: The first lumberjack?. phys.org. [2022-07-19]. (原始內容存檔於2022-07-19) (英語). 
  16. ^ Karkanas, Panagiotis; Stratouli, Georgia. Neolithic Lime Plastered Floors in Drakaina Cave, Kephalonia Island, Western Greece: Evidence of the Significance of the Site. The Annual of the British School at Athens. 2008-11, 103. ISSN 0068-2454. doi:10.1017/S006824540000006X (英語). 
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  18. ^ Schotsmans, Eline M.J.; Denton, John; Dekeirsschieter, Jessica; Ivaneanu, Tatiana; Leentjes, Sarah; Janaway, Rob C.; Wilson, Andrew S. Effects of hydrated lime and quicklime on the decay of buried human remains using pig cadavers as human body analogues. Forensic Science International. 2012-04, 217 (1-3) [2022-07-19]. doi:10.1016/j.forsciint.2011.09.025. (原始內容存檔於2022-10-22) (英語). 
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  25. ^ Lime. mindat.org. [2021-09-19]. (原始內容存檔於2021-12-28). 
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