Il silicato di calcio è una sostanza inorganica che esiste in due forme: idrata e anidra. Le sue composizioni variano, essendo composte da calcio come ossido di calcio e silicio come biossido di silicio. Il termine “silicato di calcio” può quindi riferirsi a diverse formulazioni in cui le proporzioni di questi ossidi cambiano.

Caratteristiche fisiche e chimiche

Questa sostanza si presenta in forma di una polvere bianca che ha una solubilità limitata in acqua e in etanolo, mostrando una propensione all’assorbimento dell’umidità. Quando è idrata, il silicato di calcio diventa il principale prodotto finale dell’idratazione del cemento, e contribuisce in modo significativo alla resistenza del calcestruzzo. Il silicato di calcio idrato ha un ruolo diretto nella resistenza, nel restringimento e nello scorrimento della pasta cementizia.

La formazione di silicato di calcio idrato avviene attraverso un processo complesso, che è influenzato da numerosi fattori, tra cui il rapporto acqua-cemento, la temperatura e la composizione chimica del cemento. La sua struttura è caratterizzata da strati di ossido di calcio interspersati con catene di silicato, formate da tetraedri di silicio-ossigeno, i quali possono essere disposti in configurazioni lineari o ramificate.

Tipologie di silicato di calcio

La formula generica del silicato di calcio è x CaO· y SiO2 · z H2O, dove nel caso anidro z è uguale a 0.

Larnite

Il silicato di calcio può assumere la forma della larnite, con la formula 2 CaO·SiO2 o, equivalentemente, Ca2SiO4. Questo minerale fu chiamato così in onore della città di Larne, nell’Irlanda del Nord. La larnite si cristallizza ad alte temperature e si trova in depositi calcari a contatto con rocce basaltiche fuse. Caratterizzata da una durezza di 6 nella scala di Mohs e una densità di 3.28 g/cm3, essa è considerata il silicato bicalcico, noto come belite, che è uno dei componenti principali del clinker di Portland, comunemente identificato come C2S.

La belite idrata lentamente, rendendola il principale responsabile della resistenza meccanica a lungo termine del cemento. La reazione di idratazione è esotermica, rilasciando 263.6 kJ/kg e producendo silicato di calcio idrato e idrossido di calcio.

Alite

Un’altra forma di silicato di calcio è l’alite, che ha la formula 3 CaO · SiO2, equivalenti a Ca3SiO5. Questo silicato tricalcico è il componente principale del clinker di Portland, conosciuto anche come C3S. A differenza della belite, l’alite ha una rapida idratazione, rendendola il principale responsabile della resistenza meccanica iniziale del cemento.

La reazione di idratazione è altamente esotermica, liberando 523 kJ/kg e generando silicato di calcio idrato e idrossido di calcio.

Rankinite

Il silicato di calcio può anche presentarsi sotto forma di rankinite, con la formula 3 CaO · 2 SiO2, equivalente a Ca3Si2O7. Questo minerale trasparente e incolore ha una durezza di 5.5 nella scala di Mohs e una densità varia tra 2.96 e 3.00 g/cm3.

Wollastonite

Infine, un altro silicato di calcio è la wollastonite, rappresentato dalla formula CaO·SiO2, o in modo equivalente CaSiO3. Questo minerale è stato denominato in onore di William Hyde Wollaston, un chimico e mineralogista britannico. Presenta una durezza di 4.5-5 nella scala di Mohs e una densità che varia tra 2.86 e 3.09 g/cm3. La wollastonite è utilizzata in vari settori, tra cui nella ceramica e nel trattamento dei metalli.

Il silicato di calcio è anche una valida alternativa all’amianto per la produzione di materiali isolanti ad alta temperatura, utilizzato in applicazioni di protezione passiva contro il fuoco, come mattoni e tegole.

Applicazioni pratiche

Grazie alle sue eccellenti proprietà, i materiali contenenti silicato di calcio sono molto apprezzati in chirurgia orale e nelle pratiche endodontiche. Il silicato di calcio idrato è spesso combinato con cellulosa nei pannelli di isolamento per gli edifici.

Attraverso un processo di lavorazione, si può ottenere una schiuma rigida a pori fini che, una volta trattata con additivi idrofobici, diventa ideale per migliorare la protezione dall’umidità nelle ristrutturazioni edilizie, specialmente in edifici vecchi. Inoltre, il silicato di calcio presenta un pH elevato che inibisce la crescita di funghi.

In forma di wollastonite, viene utilizzato per rinforzare polimeri e come agente antiagglomerante nell’industria alimentare, facilitando la lavorazione e la conservazione di diversi prodotti, come farina e cioccolato. Il silicato di calcio è anche impiegato per regolare il pH in vari alimenti e prolungarne la durata di conservazione. Infine, è utilizzato nell’industria farmaceutica come ingrediente nei farmaci.

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Il nitrato di rame (II), frequentemente chiamato nitrato rameico, presenta una formula chimica Cu(NO3)2, dove il rame ha uno stato di ossidazione di +2. Questo composto può esistere anche in diverse forme idrate: sesquiidrato (Cu(NO3)2·1.5 H2O), triidrato (Cu(NO3)2·3 H2O), emipentaidrato (Cu(NO3)2·2.5 H2O) e esaidrato (Cu(NO3)2·6 H2O). I cristalli di queste forme idratate si caratterizzano per un colore blu, mentre la forma anidra assume un colore blu-verde.

Utilizzi e reazioni chimiche del nitrato di rame

Il nitrato di rame è un precursore importante per la produzione di nanoparticelle di ossido di rame (II), le quali dispongono di attività fotocatalitica. La decomposizione termica avviene a una temperatura di 170°C secondo la reazione:
2 Cu(NO3)2 → 2 CuO + 4 NO2 + O2. Inoltre, funge da materiale di partenza per ottenere l’ossido di rame e gallio (CuGaO2), un semiconduttore di tipo p.

Da un punto di vista chimico, le soluzioni di nitrato di rame presentano un pH inferiore a 7. Sebbene lo ione nitrato, che è la base coniugata dell’acido nitrico, non subisca idrolisi, lo ione rame reagisce idrolizzandosi secondo la seguente equazione: Cu²⁺ + H2O ⇄ Cu(OH)⁺ + H⁺.

Proprietà fisiche e sintesi

Il nitrato di rame è un composto ionico, composto da uno ione Cu²⁺ e due anioni nitrato NO3⁻. Questo composto mostra una solubilità in acqua, etanolo e ammoniaca, ma è scarsamente solubile in acetato di etile. Nella forma anidra, il nitrato presenta una struttura ortorombica, mentre le varianti idrate assumono una struttura romboedrica. La forma anidra sublima a temperature comprese tra 150 e 200 °C.

La densità varia a seconda del grado di idratazione: la densità del nitrato di rame anidro è di 3.05 g/cm³, mentre quella del triidrato e dell’esaidrato è rispettivamente di 2.32 g/cm³ e 2.07 g/cm³. La triidrato possiede una temperatura di fusione di 114.5 °C e un punto di ebollizione di 170 °C.

L’ottenimento del nitrato di rame anidro avviene attraverso la reazione tra rame e tetrossido di azoto:
Cu + 2 N2O4 → Cu(NO3)2 + 2 NO. Al contrario, per formare la varietà idrata, si utilizza la reazione tra rame e acido nitrico:
Cu + 4 HNO3 → Cu(NO3)2 + 2 H2O + 2 NO2. Altri metodi faciliti l’ottenimento di nitrato di rame coinvolgono l’interazione di ossido di rame (II) e carbonato di rame (II) con acido nitrico.

Una ulteriore reazione degna di nota è quella tra rame e nitrato d’argento, in cui si forma nitrato di rame e argento. Questa reazione viene spesso utilizzata per illustrare l’esperimento conosciuto come “albero di argento”. È promosso da un potenziale di reazione positivo, risultando nella produzione di rame e argento metallici.

Un’altra interessante reazione porta alla formazione di nitrato di rame da parte del cloruro d’oro (III), dove il rame si riduce mentre il nitrato viene generato.

Applicazioni pratiche del nitrato di rame

Il nitrato di rame ha impieghi diversificati tra cui l’utilizzo come pigmento in vetri, smalti e ceramiche, nonché come mordente in tinture per tessuti. È stato anche studiato come reagente nella sintesi organica, mostrandosi utile come catalizzatore per la sintesi di vari composti.

In aggiunta, viene impiegato nei trattamenti di conservazione del legno, proteggendolo da insetti e dalla degradazione. Infine, è utilizzato in ambito pirotecnico per conferire un blu accattivante ai fuochi d’artificio.

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