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氧化钙

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氧化钙
IUPAC名
Calcium oxide
别名 生石灰
识别
CAS号 1305-78-8  checkY
PubChem 14778
ChemSpider 14095
SMILES
 
  • O=[Ca]
InChI
 
  • 1/Ca.O/rCaO/c1-2
InChIKey ODINCKMPIJJUCX-BFMVISLHAU
Gmelin 485425
UN编号 1910
ChEBI 31344
RTECS EW3100000
KEGG C13140
性质
化学式 CaO
摩尔质量 56.0774 g/mol g·mol⁻¹
外观 白色到浅黄、浅棕色固体
气味 无
密度 3.34 g/cm3[1]
熔点 2572 °C（2845 K）（[1]）
沸点 2850 °C（3123 K）（100 hPa[2]）
溶解性（水） 反应，形成氢氧化钙
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
结构
晶体结构 立方晶系，cF8
热力学
ΔfHm⦵298K −635 kJ·mol−1[3]
S⦵298K 40 J·mol−1·K−1[3]
药理学
ATCvet代码 QP53AX18（QP53）
危险性
GHS危险性符号
《全球化学品统一分类和标签制度》（简称“GHS”）中腐蚀性物质的标签图案《全球化学品统一分类和标签制度》（简称“GHS”）中有害物质的标签图案
GHS提示词 Danger
H-术语 H302, H314, H315, H318, H335
P-术语 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
 
闪点 Non-flammable
PEL TWA 5 mg/m3[4]
相关物质
其他阴离子 氢氧化钙
硫化钙
硒化钙
碲化钙
钋化钙
其他阳离子 氧化铍
氧化镁
氧化锶
氧化钡
氧化镭
若非注明，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。

氧化钙，俗称生石灰或石灰，化学式CaO，是常见的无机化合物。

性质

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氧化钙是碱性氧化物，和水反应生成氢氧化钙（熟石灰），该剧烈反应放出大量热，甚至能让水沸腾[5]：

氧化钙也可以和酸反应，生成相应的钙盐，例如：

例如氧化钙和盐酸反应，会生成氯化钙：

将氧化钙和碳一起在电炉中共热至摄氏2000度，生成碳化钙（电石）[6]：

制备

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烧制石灰的石灰窑

氧化钙通常是石灰窑中含有碳酸钙 CaCO3 的材料（例如石灰石或贝壳）的热分解反应（英语：thermal decomposition）而成的。这需要 825 °C（1,517 °F） 以上的温度。[7]这一过程被称为煅烧，把碳酸钙分解成二氧化碳和氧化钙。这也是少数史前已为人所知的化学反应[8]。

CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g)

这些氧化钙并不稳定，冷却后会和空气中的二氧化碳自发反应，变回碳酸钙，除非用水消解以形成石灰膏（英语：lime plaster）或石灰砂浆（英语：lime mortar）。

全球氧化钙的年产量约为 2.83 亿吨。中国是迄今为止世界上最大的生产国，每年总产量约为 1.7 亿吨。美国位居第二，每年约 2000 万吨。[9]

每生产 1吨氧化钙大约需要 1.8 吨石灰石。氧化钙对水有很高的亲和力，是比硅胶更有效的干燥剂。这与氧化钙和水的反应体积增加至少 2.5 倍有关。[10]

用处

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生石灰（氧化钙）熟化的强烈放热反应的演示。将水滴滴到生石灰中的一段时间后，会发生明显的放热反应（石灰熟化），温度可以上升到 300 °C（572 °F）。
  • 氧化钙的主要用处是碱性氧气炼钢（英语：basic oxygen steelmaking） (BOS) 。在一吨钢中，需要用 30至50千克（65—110英磅）的氧化钙。氧化钙和酸性氧化物，例如 SiO2、Al2O3和Fe2O3中和，形成碱性熔渣。[10]
  • 氧化钙粉末用于生产加气混凝土块，密度约为 0.6–1.0 g/cm3。[10]
  • 氧化钙和氢氧化钙可显着提高含粘土的承载能力。它们通过与细碎的二氧化硅和氧化铝反应，生成具有胶结性能的硅酸钙和铝酸盐。[10]
  • 少量的氧化钙可用于其他工艺，如：玻璃、铝酸钙水泥和有机化合物的生产。[10]
  • 氧化钙也可以用作加热剂。当它以下面的反应水解成氢氧化钙时，会放出热能：[11]
CaO (s) + H2O (l) ⇌ Ca(OH)2 (aq) (ΔHr = −63.7 kJ/mol of CaO)
当氧化钙水解时，会放热并膨胀。一升水可以和约 3.1千克（6.8英磅） 的氧化钙反应，形成氢氧化钙和 3.54 MJ的能量。这个反应可用于提供方便的便携式热源，用于自热食品。有一些公司在销售使用这种加热方法的烹饪套件。[12]
  • 氧化钙也是一种食品添加剂，用作酸度调节剂、面粉处理剂和发酵剂。[13]它的E编码为 E529。
  • 当氧化钙被加热到 2,400 °C（4,350 °F）时，会散发出强烈的光芒。这种照明形式被称为石灰光（英语：Limelight），并在电灯发明之前广泛用于戏剧作品中。[14]
  • 氧化钙是水泥的关键成分。
  • 氧化钙是一种廉价且广泛使用的碱。大约 50% 的氧化钙在使用前会先转化成氢氧化钙。氧化钙和氢氧化钙都用于处理饮用水。[10]
  • 水检测膏是氧化钙和酚酞的混合物。如果这种糊状物与燃料储罐中的水接触，CaO 会与水反应形成氢氧化钙。氢氧化钙具有足够高的pH值，可以将酚酞变成鲜艳的粉紫色，表明存在水。
  • 在硫酸盐纸浆厂的化学回收过程中，氧化钙用于从碳酸钠中再生氢氧化钠。
  • 有考古证据表明，前晚新石器时代B（英语：Pre-Pottery Neolithic B）的人类使用基于氧化钙的灰泥，用于地板和其他用途。[15][16][17]这种石灰灰地板（英语：Lime-ash floor）一直被使用到 19 世纪后期。
  • 在烟气脱硫的过程中，可以使用氧化钙的固体喷雾剂或浆液从废气流中去除二氧化硫。
  • 历史上，人们错误地认为氧化钙可以有效加速尸体的分解。事实上，氧化钙可以保存尸体。氧化钙可以消除分解过程产生的恶臭，这可能导致人们得出错误的结论的原因。[18]

作为武器

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公元前 80 年，罗马将军塞多留部署了令人窒息的苛性石灰云来击败西班牙的 Characitani，后者在人迹罕至的洞穴中避难。[19]公元 178 年，中国使用类似的粉尘来平息农民武装起义，他们用装有风箱的石灰战车将氧化钙粉末吹向人群。[20]

氧化钙被认为是希腊火的组成成分。氧化钙遇水会产生 150 °C（302 °F）的高温，并点燃燃料。[21]

大卫·休谟在他的《英格兰史》中叙述了亨利三世统治初期，英国海军用生石灰使敌方舰队失明，摧毁了一支入侵的法国舰队。[22]生石灰可能已用于中世纪的海战。[23]

危险性

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由于氧化钙与水剧烈反应，当吸入或接触潮湿的皮肤或眼睛时，会引起严重的刺激。吸入氧化钙可能导致咳嗽、打喷嚏和呼吸困难，然后可能会演变成烧伤，伴有鼻穿孔、腹痛、恶心和呕吐。虽然氧化钙不被认为是火灾隐患，但它与水的反应会释放足够的热量，足以点燃可燃物。[24]

天然存在

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氧化钙天然存在于生石灰矿中，不过它在湿气下不稳定，会迅速变成熟石灰（氢氧化钙，化学式Ca(OH)2，俗称羟钙石（英语：portlandite））。[25][26]

参考资料

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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（英语：CRC Press）. 2011: 4.55. ISBN 978-1-4398-5511-9. OCLC 730008390 （英语）. 
  2. ^ Calciumoxid 互联网档案馆的存档，存档日期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]. （原始内容存档 (PDF)于2016-06-11）. 
  6. ^ Greenwood, Norman Neill; Earnshaw, Alan. Chemistry of the elements. 2016. ISBN 978-0-7506-3365-9. OCLC 1040112384 （英语）. 
  7. ^ Merck Index of Chemicals and Drugs, 9th edition monograph 1650
  8. ^ LIME THROUGHOUT HISTORY. [2021-01-26]. （原始内容存档于2021-04-07）. 
  9. ^ Miller, M. Michael. Lime. Minerals Yearbook (PDF). U.S. Geological Survey. 2007: 43.13 [2021-07-11]. （原始内容存档 (PDF)于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" 美国专利第3,955,554号 issued May 11, 1976
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  13. ^ Compound Summary for CID 14778 - Calcium Oxide. PubChem. [2021-07-16]. （原始内容存档于2020-10-23）. 
  14. ^ Gray, Theodore. Limelight in the Limelight. Popular Science. September 2007: 84 [2021-07-16]. （原始内容存档于2008-10-13）. 
  15. ^ University, Tel Aviv. Neolithic man: The first lumberjack?. phys.org. [2022-07-19]. （原始内容存档于2022-07-19） （英语）. 
  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 （英语）. 
  17. ^ Connelly, Ashley Nicole (May 2012) Analysis and Interpretation of Neolithic Near Eastern Mortuary Rituals from a Community-Based Perspective （页面存档备份，存于互联网档案馆）. 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. （原始内容存档于2022-10-22） （英语）. 
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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 互联网档案馆的存档，存档日期2012-05-01.. hazard.com
  25. ^ Lime. mindat.org. [2021-09-19]. （原始内容存档于2021-12-28）. 
  26. ^ list of minerals. International Mineralogical Association. [2021-07-16]. （原始内容存档于2021-12-20）. 
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