硫酸カルシウム

硫酸カルシウム
IUPAC名 硫酸カルシウム Calcium sulfate
別称 石膏
識別情報
CAS登録番号	7778-18-9,  10034-76-1(1/2水和物) 10101-41-4 (2水和物)
E番号	E516 (pH調整剤、固化防止剤)
RTECS番号	WS6920000
特性
化学式	CaSO4
モル質量	136.14 g/mol
外観	無色結晶
密度	2.96 g/cm3 (無水物) 2.32 g/cm3 (2水和物)
融点	1460 ℃
水への溶解度	0.24 g/100 cm3 (20 ℃, 無水物) 0.21 g/100cm3 (20 ℃, 2水和物)
構造
結晶構造	斜方(無水物)、斜方(1/2水和物)、単斜(2水和物)
熱化学
標準生成熱 ΔfHo	−1434.11 kJ mol−1(無水物) −1576.74 kJ mol−1(1/2水和物) −2022.63 kJ mol−1(2水和物)
標準モルエントロピー So	106.7 J mol−1K−1(無水物) 130.5 J mol−1K−1(1/2水和物) 194.1 J mol−1K−1(2水和物)
標準定圧モル比熱, Cpo	99.66 J mol−1K−1(無水物) 119.41 J mol−1K−1(1/2水和物) 186.02 J mol−1K−1(2水和物)
危険性
安全データシート(外部リンク)	ICSC 1589
引火点	不燃性
関連する物質
その他の陽イオン	硫酸マグネシウム;硫酸ストロンチウム;硫酸バリウム
特記なき場合、データは常温 (25 °C)・常圧 (100 kPa) におけるものである。

硫酸カルシウム（りゅうさんカルシウム、Calcium sulfate）は、化学式 CaSO₄ で表されるカルシウムの硫酸塩であり、固体はカルシウムイオンと硫酸イオンからなるイオン結晶である。石膏の主成分でもある。

固体には無水物の他、0.5水和物CaSO₄·1/2H₂Oおよび2水和物CaSO₄·2H₂Oが存在し、それぞれ天然鉱物も存在し無水物は硬石膏、0.5水和物はバサニ石、2水和物は石膏である。

炭酸水素カルシウムが一時硬水の成分であるのに対し、硫酸カルシウムを含有する天然水は加熱しても沈殿除去されないため永久硬水と呼ばれる。製塩の際、海水を濃縮すると初めに溶解度の小さい炭酸カルシウムおよび硫酸カルシウムなどが析出する。

合成

カルシウム塩の水溶液に、希硫酸または硫酸塩水溶液を加えると、徐々に結晶性沈殿が析出する。66℃以下では2水和物、以上では無水物が析出する。

Ca²⁺(aq) + SO₄²⁻(aq) + 2 H₂O → CaSO₄·2H₂O(s)

また硫酸と水酸化カルシウムが中和して生成する塩でもある。

H₂SO₄ + Ca(OH)₂ → CaSO₄ + 2 H₂O

性質

無水物、0.5水和物および2水和物いずれも無色の結晶または粉末であり水に僅かに溶解し、これらの中では0.5水和物の溶解度がやや大きい。また硫酸ストロンチウムおよび硫酸バリウムなど他のアルカリ土類金属硫酸塩よりも溶解度が大きく、硫酸マグネシウムよりはるかに小さい。2水和物の溶解度積および溶解エンタルピー変化、ギブス自由エネルギー変化は以下の通りである。

${\rm {CaSO_{4}\cdot 2H_{2}O(s)\ {\overrightarrow {\longleftarrow }}\ Ca^{2+}(aq)+SO_{4}^{2-}(aq)+2H_{2}O(l)}}$,　　$\Delta H^{\circ }=-1.13{\mbox{kJ mol}}^{-1}$,　　$\Delta G^{\circ }=24.91{\mbox{kJ mol}}^{-1}$,　　$K_{\rm {sp}}=4\times 10^{-5}$

濃硫酸には硫酸水素カルシウムとなり溶解する。濃塩酸に対しても硫酸水素塩を生じて水よりも溶解度は増大する。チオ硫酸ナトリウムおよびアンモニウム塩水溶液に対しても錯体を生じて溶解度は増大する。グリセリンに対する溶解度も水よりも大きい。

CaSO₄ + H₂SO₄ → Ca(HSO₄)₂

2水和物は通常石膏とも呼ばれ、200℃以下で徐々に加熱脱水すると、0.5水和物の焼石膏の粉末が得られ、これに適度に水を加えて型に流し込むと2水和物となり数分で固化する。この性質を利用して型取り、立体模型、ギプスなどに利用される。しかし200℃以上で強熱すると無水物となり硬石膏または焼殺石膏とも呼ばれ、容易には2水和物に戻らない。

1000℃以上に加熱すると僅かに分解し少量の三酸化硫黄を生成して酸化カルシウムを含む固溶体を生成する。これは少量の水を吸収して固化するため、モルタルなどに使用される。