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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 無
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（水） 反應，形成氫氧化鈣
溶解性（甲醇） 不溶，在乙醚和辛醇也不溶
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
ΔfHm⦵298K −635 kJ·mol−1[3]
S⦵298K 40 J·mol−1·K−1[3]
藥理學
ATCvet代碼 QP53AX18（QP53）
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，俗稱生石灰或石灰，化學式CaO，是常見的無機化合物。

性質

氧化鈣是鹼性氧化物，和水反應生成氫氧化鈣（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：

將氧化鈣和碳一起在電爐中共熱至攝氏2000度，生成碳化鈣（電石）[6]：

製備

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（例如石灰石或貝殼）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）或石灰砂漿（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，是比矽膠更有效的乾燥劑。這與氧化鈣和水的反應體積增加至少 2.5 倍有關。[10]

用處

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 SiO2、Al2O3和Fe2O3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矽和氧化鋁反應，生成具有膠結性能的矽酸鈣和鋁酸鹽。[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編碼為 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。
  • 在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。
  • 在煙氣脫硫的過程中，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

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

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

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

  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）. 
  2. ^ Calciumoxid 互聯網檔案館的存檔，存檔日期2013-12-30.. GESTIS database
  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）. 
  6. ^ Greenwood, Norman Neill; Earnshaw, Alan. Chemistry of the elements. 2016. ISBN 978-0-7506-3365-9. OCLC 1040112384 （英語）. 
  7. ^ Merck Index of Chemicals and Drugs, 9th edition monograph 1650
  8. ^ LIME THROUGHOUT HISTORY. [2021-01-26]. （原始內容存檔於2021-04-07）. 
  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
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  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）. 
  17. ^ Connelly, Ashley Nicole (May 2012) Analysis and Interpretation of Neolithic Near Eastern Mortuary Rituals from a Community-Based Perspective （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）. Baylor University Thesis, Texas
  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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  23. ^ Sayers, William. The Use of Quicklime in Medieval Naval Warfare. The Mariner's Mirror. 2006-01-01, 92 (3). ISSN 0025-3359. doi:10.1080/00253359.2006.10657001. 
  24. ^ CaO MSDS 互聯網檔案館的存檔，存檔日期2012-05-01.. hazard.com
  25. ^ Lime. mindat.org. [2021-09-19]. （原始內容存檔於2021-12-28）. 
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