Calciumsulfat

Strukturformel
Allgemeines
Name	Calciumsulfat
Andere Namen	Anhydrit; E 516; Gips (Dihydrat); CALCIUM SULFATE (INCI);
Summenformel	CaSO4
CAS-Nummer	7778-18-9 (wasserfrei); 10034-76-1 (Hemihydrat); 10101-41-4 (Dihydrat); 13397-24-5 (mineralisches Gips);
PubChem	24497
DrugBank	DB15533
Kurzbeschreibung	weißer geruchloser Feststoff
Eigenschaften
Molare Masse	136,11 g·mol−1 (wasserfrei); 145,15 g·mol−1 (Hemihydrat); 172,17 g·mol−1 (Dihydrat);
Aggregatzustand	fest
Dichte	2,96 g·cm−3
Schmelzpunkt	Der Stoff zersetzt sich beim Erhitzen (Zersetzungstemperatur bei 1450 °C)
Löslichkeit	Schwer löslich in Wasser (ca. 2,4 g·l−1 bei 20 °C)
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung	keine GHS-Piktogramme
	keine GHS-Piktogramme
H- und P-Sätze	H: keine H-Sätze
	P: keine P-Sätze
MAK	DFG: 1,5 mg·m−3; Schweiz: 3 mg·m−3 (gemessen als alveolengängiger Staub);
	Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Calciumsulfat ist eine chemische Verbindung aus der Gruppe der Calciumverbindungen und Sulfate, dessen Dihydrat als Gips bekannt ist.

Vorkommen

Anhydrit

Gips

Calciumsulfat kommt natürlich in Form der Minerale Anhydrit CaSO₄, Gips Ca[SO₄]·2H₂O (Dihydrat) und Bassanit Ca[SO₄]·½H₂O (Hemihydrat) in Evaporiten vor.

Gewinnung und Darstellung

Es fällt als Dihydrat bei vielen Abwasserreinigungsverfahren, wenn es um die Neutralisation von sulfathaltigen Prozessabwässern oder schwefelsauren Beizen geht, und in großen Mengen auch bei der Rauchgasentschwefelung zusammen mit Calciumsulfit an.^[5]

Weil Calciumsulfat bei vielen chemischen Prozessen (in der Regel in Form von Gips) als Sekundärprodukt entsteht, beispielsweise bei der Citronensäureherstellung, erübrigt sich eine gezielte industrielle Herstellung im größeren Stil. Der bei der Herstellung von Phosphorsäure entstehende sogenannte Phosphorgips ist u. a. mit Uran verunreinigt und ein Problemabfall. Der klassische Prozess ist die Fällung aus schwefelsaurem Wasser mit Kalkmilch oder Kalkstein:

\mathrm {H_{2}SO_{4}+CaCO_{3}\longrightarrow CaSO_{4}+H_{2}O+CO_{2}}

Calciumsulfat-Modifikationen

α-Halbhydrat (CaSO₄ • ½ H₂O) entsteht in einem geschlossenen Gefäß (Autoklav) unter Nassdampfatmosphäre beziehungsweise drucklos in Säuren und wässrigen Salzlösungen. Es ist Ausgangsstoff für härtere Gipse (Typ III, IV und V) und benötigt weniger Wasser, aber mehr Zeit zum Abbinden.
β-Halbhydrat (CaSO₄ • ½ H₂O) entsteht beim Brennen in einem offenen Gefäß unter normaler Atmosphäre. Beim Vermischen mit Wasser erfolgt innerhalb von Minuten eine Hydratation zum Dihydrat. Es ist Ausgangsstoff für die weicheren Gipse.

Im Fall von α- und β-Halbhydrat handelt es sich nicht um unterschiedliche Modifikationen, sondern um unterschiedliche Kristallinitätszustände der Halbhydratstruktur.

Anhydrit III (CaSO₄ • x H₂O; 0<x<0,5) entsteht bei Temperaturen bis 300 °C aus dem Halbhydrat. Bei Vorhandensein von Wasser, auch Luftfeuchtigkeit, bildet sich sehr schnell Halbhydrat.
Anhydrit II_s (CaSO₄) entsteht bei Temperaturen zwischen etwa 300 bis 500 °C, das _s steht für „schwerlöslich“. Beim Vermischen mit Wasser erfolgt die Hydratation innerhalb von Stunden und Tagen.
Anhydrit II_u (CaSO₄) bildet sich bei Temperaturen von 500 bis 700 °C aus dem Anhydrit II_s, das u steht dabei für „unlöslich“.
Anhydrit I (CaSO₄) ist die Hochtemperaturmodifikation des CaSO₄, sie bildet sich bei 1180 °C.

Eigenschaften

Calciumsulfat ist ein weißer geruchloser Feststoff, der schwer löslich in Wasser ist und sich ab einer Temperatur von etwa 1450 °C zersetzt,^[3]^[6] wobei Calciumoxid und Schwefeltrioxid entstehen.^[7] Die Kristallwasserabspaltung des Dihydrats erfolgt bei 125–130 °C, die des Halbhydrats bei Temperaturen größer als 163 °C.^[3] Calciumsulfat ist in mineralhaltigem Quell-, Trink- und Leitungswasser gelöst und bildet zusammen mit Calciumchlorid und den entsprechenden Salzen des Magnesiums die permanente (bleibende) Wasserhärte. Es kristallisiert aus wässriger Lösung bei Raumtemperatur als Dihydrat (Gips) aus. Dieses kristallisiert monoklin in der Raumgruppe A2/a (Raumgruppen-Nr. 15, Stellung 4)Vorlage:Raumgruppe/15.4 mit den Gitterparametern a = 6,52 Å; b = 15,18 Å; c = 6,29 Å und β = 127,4° sowie 4 Formeleinheiten pro Elementarzelle.^[8] Das Halbhydrat Bassanit kristallisiert monoklin in der Raumgruppe I2 (Nr. 5, Stellung 3)Vorlage:Raumgruppe/5.3 mit den Gitterparametern a = 12,04; b = 6,93; c = 12,67 und β = 90,27°^[9] sowie 12 Formeleinheiten pro Elementarzelle^[10].

Verwendung

Das Hauptanwendungsgebiet der Calciumsulfat-Phasen liegt im Baustoffsektor (siehe Verwendung von Gips).

In der Lebensmittelindustrie entsteht Calciumsulfat als Nebenprodukt bei der Herstellung von Weinsäure und ist als Festigungsmittel, Säureregulator und Trägerstoff zugelassen. Unter anderem wird es als Gerinnungsmittel bei der Herstellung von Tofu eingesetzt.^[11]^[12]

Calciumsulfat als Trockenmittel Drierite mit Feuchtigkeitsindikator

Anhydriertes Calciumsulfat wird außerdem traditionell als preisgünstiges und vielseitig einsetzbares Trocknungsmittel in Chemielaboren verwendet, wobei Cobalt(II)-chlorid als Indikator für den Wassergehalt zugesetzt sein kann. Beim Trocknen organischer Lösungsmittel ist Calciumsulfat allerdings nur mäßig effektiv: 1 g Calciumsulfat bindet weniger als 0,05 g Wasser (Calciumchlorid bis zu 0,2 g), sodass Calciumsulfat zum Trocknen relativ „nasser“ Lösungsmittel-Wasser-Gemische nicht gut oder nur zum Vortrocknen geeignet ist.^[13]

Einzelnachweise

↑ Eintrag zu E 516: Calcium sulphate in der Europäischen Datenbank für Lebensmittelzusatzstoffe – Abgerufen am 27. Juni 2020.
↑ Eintrag zu CALCIUM SULFATE in der CosIng-Datenbank der EU-Kommission, abgerufen am {{{Datum}}}.
↑ ^3,0 ^3,1 ^3,2 ^3,3 ^3,4 ^3,5 ^3,6 ^3,7 ^3,8 Eintrag zu Calciumsulfat in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA (JavaScript erforderlich)
↑ SUVA: Grenzwerte am Arbeitsplatz {{{Jahr}}} – MAK-Werte, BAT-Werte, Grenzwerte für physikalische Einwirkungen.
↑ Heinz M. Hiersig: Lexikon Produktionstechnik, Verfahrenstechnik. S. 805, ISBN 978-3-18-401373-8
↑ David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 97. Auflage. (Internet-Version: ), CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL, Properties of the Elements and Inorganic Compounds, S. 4-54.
↑ A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. de Gruyter, Berlin, S. 628.
↑ Hugo Strunz, Ernest H. Nickel: Strunz Mineralogical Tables. 9 Auflage. E. Schweizerbart'sche Verlagsbuchhandlung (Nägele u. Obermiller), Stuttgart 2001, ISBN 3-510-65188-X, S. 393.
↑ American Mineralogist Crystal Structure Database - Bassanite (englisch, 2001)
↑ handbookofmineralogy.org - Mineraldatenblatt Bassanite (englisch, PDF 65,8 kB)
↑ E 516 - Calciumsulfat. In: das-ist-drin.de. snoopmedia GmbH, abgerufen am 22. Februar 2020.
↑ Martin Bertau, Armin Müller, Peter Fröhlich, Michael Katzberg: Industrielle Anorganische Chemie. John Wiley & Sons, Weinheim 2013, ISBN 978-3-527-33019-5, S. 550 (Eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).
↑ David R. Burfield: Desiccant efficiency in solvent and reagent drying. 9. A reassessment of calcium sulfate as a drying agent. In: The Journal of Organic Chemistry. 49, Nr. 20, 1984 S. 3852–3854, doi:10.1021/jo00194a043.

Vorlage:Navigationsleiste Erdalkalimetallsulfate.

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[E-Nummer516-1] Eintrag zu E 516: Calcium sulphate in der Europäischen Datenbank für Lebensmittelzusatzstoffe – Abgerufen am 27. Juni 2020.

[CosIng-2] Eintrag zu CALCIUM SULFATE in der CosIng-Datenbank der EU-Kommission, abgerufen am {{{Datum}}}.

[GESTIS-3] 3,0 ^3,1 ^3,2 ^3,3 ^3,4 ^3,5 ^3,6 ^3,7 ^3,8 Eintrag zu Calciumsulfat in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA (JavaScript erforderlich)

[4] SUVA: Grenzwerte am Arbeitsplatz {{{Jahr}}} – MAK-Werte, BAT-Werte, Grenzwerte für physikalische Einwirkungen.

[5] Heinz M. Hiersig: Lexikon Produktionstechnik, Verfahrenstechnik. S. 805, ISBN 978-3-18-401373-8

[CRC97-6] David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 97. Auflage. (Internet-Version: ), CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL, Properties of the Elements and Inorganic Compounds, S. 4-54.

[7] A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. de Gruyter, Berlin, S. 628.

[StrunzNickel-8] Hugo Strunz, Ernest H. Nickel: Strunz Mineralogical Tables. 9 Auflage. E. Schweizerbart'sche Verlagsbuchhandlung (Nägele u. Obermiller), Stuttgart 2001, ISBN 3-510-65188-X, S. 393.

[9] American Mineralogist Crystal Structure Database - Bassanite (englisch, 2001)

[Datenblatt-10] ralogy.org - Mineraldatenblatt Bassanite (englisch, PDF 65,8 kB)

[11] E 516 - Calciumsulfat. In: das-ist-drin.de. snoopmedia GmbH, abgerufen am 22. Februar 2020.

[12] Martin Bertau, Armin Müller, Peter Fröhlich, Michael Katzberg: Industrielle Anorganische Chemie. John Wiley & Sons, Weinheim 2013, ISBN 978-3-527-33019-5, S. 550 (Eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).

[Burfield-13] David R. Burfield: Desiccant efficiency in solvent and reagent drying. 9. A reassessment of calcium sulfate as a drying agent. In: The Journal of Organic Chemistry. 49, Nr. 20, 1984 S. 3852–3854, doi:10.1021/jo00194a043.

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