亚硫酸钙

亚硫酸钙属于亚硫酸盐与钙盐,化学式CaSO3.xH2O。亚硫酸钙有两种已知结晶水合物:半水合亚硫酸钙CaSO3.1/2H2O与四水合亚硫酸钙CaSO3.4H2O,均为白色固体。亚硫酸钙是烟气脱硫的产物之一。

用途
乾壁
在制备乾壁的主要成分石膏的过程中,亚硫酸钙是一种中间产物。一间典型的全新美国房屋含有7公吨石膏。

食品添加剂
亚硫酸钙可用作防腐剂,E编码为E226。与其他亚硫酸盐抗氧化剂类似,亚硫酸钙广泛用于保存葡萄酒、苹果酒、水果汁、罐头水果、蔬菜等。在溶液中,亚硫酸盐是强还原剂,作为起到保存食品的作用。因为部分人群对亚硫酸盐过敏,所以有必要对其进行标注。

木浆生产
化学木浆的生产过程是溶解掉木片中的木质素,分离出原本与前者紧密结合的纤维素。在中,用来分离木质素的盐可以是亚硫酸钙。人们曾经用过亚硫酸钙,但如今镁和钠的亚硫酸盐与亚硫酸氢盐已广泛取代之。另一种制浆法是硫酸盐制浆法,使用的是氢氧化物与硫化物。

酸抑制剂
煤中的二硫化铁在空气中煅烧会生成酸性气体,溶于水形成酸,污染环境:

  • \rm FeS_2 + 3.5O_2 + H_2O \rightarrow Fe^{2+} + 2SO_4^{2-} + 2H^+
  • \rm 2Fe^{2+} + 0.5O_2 + 2H^+ \rightarrow 2Fe^{3+} + H_2O
  • \rm FeS_2 + 14Fe^{3+} + 8H_2O \rightarrow 15Fe^{2+} + 16H^+ + 2SO_4^{2-}

亚硫酸盐具有还原性,可以除去氧气从而抑制酸的形成。亚硫酸的钠盐、钾盐和铵盐都相对较贵且生产规模较小,而已经大规模生产的亚硫酸钙是该过程中较理想的酸抑制剂。

制备
通过烟气脱硫(FGD)可大量制备亚硫酸钙。烟道气指的是煤等化石燃料燃烧后得到的一类副产物,通常包括SO2。人们为了防止酸雨而限制二氧化硫排放,在其他气体从烟囱排出之前,需要除去二氧化硫。比较经济的做法是用熟石灰(Ca(OH)2)或石灰石(CaCO3)处理。

理想状况下,用石灰石除去二氧化硫的反应如下:

: SO2 + CaCO3 → CaSO3 + CO2

理想状况下,用熟石灰除去二氧化硫的反应如下:
: SO2 + Ca(OH)2 → CaSO3 + H2O

如果体系中存在氧气,亚硫酸根就会被氧化为硫酸根,最后可以得到二水合硫酸钙晶体,即石膏。

实验室制法则是令氯化鈣水溶液与亚硫酸钠水溶液反应:

: CaCl2 + Na2SO3 → CaSO3 + 2 NaCl

结构
亚硫酸钙的结构已由X射线晶体学检验得出。

半水合亚硫酸钙晶体中,钙的配位数是6,每个钙离子连有五个亚硫酸根的氧原子及一个水分子中的氧原子,六个氧原子组成三角反棱柱的形状。半水合亚硫酸钙晶体热力学较稳定的原因可能是Ca-O键在整个晶体中延展形成网状结构。

四水合亚硫酸钙只在低温下稳定,在室温下会迅速转变为半水合物,因此获得四水合物单晶并分析结构较为困难。不过,使用琼脂制造溶胶环境即可减慢反应物分子的速度,便于结晶,从而制得晶体。四水合亚硫酸钙晶体中钙的配位数同样为6,两个氧原子来自亚硫酸根,四个来自水分子。其热力学不稳定的原因可能是其中的亚硫酸根离子处于无序状态。

参见

  • 亚硫酸盐
  • 亚硫酸镁
  • 亚硫酸钠
  • 亚硫酸氢钠
  • 焦亚硫酸钠

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参考文献

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