最も重要な化学化合物：カルシウム硫酸塩

カルシウム硫酸塩とその水和物は、重要な産業化合物であり、豊かな歴史的利用があります。一般的にカルシウム硫酸二水和物（CaSO4•2H2O）として知られる石膏と、カルシウム硫酸半水和物（CaSO4•H2O）として認識されるパリプラスターは、カルシウム硫酸塩の主要な派生物です。天然に採掘される石膏岩として自然に存在するだけでなく、鉱物形態でも現れます。石膏は、海水の自然成分であるカルシウム硫酸塩が浅海水域の蒸発によって沈殿するときに、堆積岩として形成されます。石膏の堆積物は世界中に広がり、透明で柔らかく白い鉱物である石膏自体は最も一般的な硫酸塩鉱物として際立っています。彫刻や彫刻に使用される濃密で半透明な変種であるアラバスターや、結晶化した透明なシートで現れるセレナイトもまた、石膏の一形態です。

石膏の歴史的利用は先史時代にさかのぼり、洞窟からの採掘と古代の墓石の塗装に使用された考古学的発見により明らかにされています。建築材料としての最古の記録は紀元前6000年、古代アナトリアとシリアの南西アジア地域に遡ります。エジプト人は、紀元前3700年頃の大ピラミッドの建設において、石膏やプラスターを使用しました。2000年以上前、中国ではカルシウム硫酸塩が豆腐の生産に使用されていました。「石膏」という用語は、ギリシャの自然哲学者テオフラストス（紀元前371年〜286年）によって参照された「チョーク」を意味するギリシャ語「gypsos」に由来します。石膏はローマ時代や中世に広範に使用されました。

カルシウム硫酸二水和物（CaSO4•2H2O）を半水和物に変換するプロセスは、次の反応による焼成によって行われます: CaSO4•2H2O → CaSO4•H2O + H2O。歴史を通じて、石膏をプラスターに変換するためにさまざまな焼成方法が使用されてきました。得られる半水和物は、一般にパリプラスターと呼ばれます。1700年代、パリはプラスター生産の中心地として台頭し、その建築物の多くがプラスターで構築されました。1666年のロンドン火災で都市の80％が焼失した後、フランス国王は火災防止のためにフランスのすべての木造家屋にプラスターを適用するよう命じました。

「パリプラスター」という用語は、パリのモンマルトル地区で採掘された広範な石膏の堆積物から生まれました。アントワーヌ・ラヴォアジエ（1743年〜1794年）は、1765年と1766年にフランス科学アカデミーに論文を提出し、石膏の理解に貢献しました。ラヴォアジエは石膏が水和塩であることを明らかにし、プラスターの硬化プロセスを解明し、半水和物が再水和して石膏に戻ることを示しました。プラスターの硬化は、半水和カルシウム硫酸塩が石膏よりも水に対して高い溶解度を持つために起こります。半水和プラスターを水と混ぜると、それが再び石膏に形成され、固体の繊維状結晶として沈殿します。

CaSO4•2H2Oの焼成は、半水和カルシウム硫酸塩またはパリプラスターを生成し、約150°Cから200°Cの温度範囲で行われます。200°Cを超えて300°Cまでのさらなる加熱は、完全な脱水を引き起こし、可溶性無水カルシウム硫酸塩（Drieriteなどとして知られる）を形成します。可溶性無水カルシウム硫酸塩は乾燥剤として使用され、水を吸収すると青からピンクに色が変わります。300°Cを超える温度では、カルシウム硫酸塩は水分吸収能力を失い、不可溶性無水カルシウム硫酸塩、またはデッドバーント石膏として知られる不可溶性カルシウム硫酸塩になります。

アメリカ合衆国は、世界最大の石膏生産国として際立ち、世界の採掘された石膏の1億2000万トンのうち約15％を占めています。アメリカ国内の主要な石膏生産州には、オクラホマ州、テキサス州、ネバダ州、アイオワ州、カリフォルニア州があります。石膏の採掘は90か国に及び、世界中で行われています。採掘された石膏を補完する形で、合成石膏はアメリカ合衆国の石膏生産の25％を占めます。特に、合成石膏は化学プロセスの副産物であり、主に石炭火力発電所で硫黄排出を軽減するために使用されるフルガス脱硫法から発生します。これは、二酸化硫黄と反応して硫酸カルシウム（CaSO3）を生成する反応によって行われます: CaCO3(s) + SO2(g) → CaSO3(s) + CO2(g)。次に、硫酸カルシウムは酸化されて石膏を生成します: 2CaSO3(s) + O2(g) + 4H2O(l) → 2CaSO4·2H2O(s)。合成石膏のもう一つの重要な供給源は、さまざまな商業製品における白色化剤である二酸化チタン（TiO2）の硫酸塩生産における酸中和から生じます。このプロセスでは、酸性廃棄物の中和により石膏が副産物として得られます。さらに、糖およびクエン酸の生産においても石膏が生成され、希釈クエン酸（C6H8O7）を水酸化カルシウムで沈殿させてクエン酸カルシウム（Ca3(C6H5O7)2）を形成します。次にクエン酸カルシウムを硫酸で処理することで、クエン酸が生産され、石膏が副産物として生成されます。

カルシウム硫酸塩の主な用途は建設業界であり、全生産量の90％以上を占めています。半水和物または焼成変種は、水と組み合わせてプラスターを形成します。このプラスターのスラリーは、標準的な乾式壁（一般にウォールボードまたはシートロックと呼ばれ、SheetrockはUSGコーポレーションの登録商標である）を作成するために紙の層間に注ぎ込まれます。乾式壁は、水の比熱が高く、石膏の水和物に含まれる水の存在により、高い耐火性を示します。

カルシウム硫酸塩のもう一つの重要な建設用途は、その二水和物の焼成されていない形態がポルトランドセメントの成分として使用されることです。ポルトランドセメントは通常、重量の3.5％の石膏を含み、石膏は水和を遅延させ、セメントの急速な硬化を防ぎます。

建設部門以外にも、石膏は多くの用途があります。農業では、土壌にカルシウムと硫黄を供給し、pHを調整し、土壌を改良するために使用されます。食品グレードのカルシウム硫酸塩は、強化食品（小麦粉、シリアル、焼き菓子など）にカルシウムを補充するために使用されます。さらに、缶詰野菜のゲル化剤や固化剤としても機能します。特に、カルシウム硫酸塩は豆腐の生産において一般的な凝固剤であり、正に帯電したカルシウムイオンがタンパク質分子中の負に帯電した基を引き付け、熱変性タンパク質の凝固を促進します。

無水カルシウム硫酸塩は、アイシング、アイスクリーム、紙、塗料、歯磨き粉など、さまざまな食品および消費者製品の白色化充填剤として使用されます。さらに、粉末石膏は運動場や広いエリアのチョークとして使用することができます。

Richard L. Myers (2009). The 100 Most Important Chemical Compounds: A Reference Guide. Greenwood Publishing Group. October 1, 2009. https://doi.org/10.1021/ed086p1182