Silicato de calcio

¿Qué es el silicato de calcio?

El silicato de calcio es un grupo de compuestos químicos formados a partir de óxido de calcio (CaO) y sílice (SiO₂). La fórmula general de estos compuestos es xCaO•ySiO₂•zH₂O.

Son sólidos blancos o blanco amarillentos. Pueden ser anhidros, es decir, sin agua (H₂O) en su estructura, o pueden contenerla. Forman parte de varios tipos de minerales en la naturaleza.

Los silicatos de calcio son insolubles en agua, pero al unirse con esta forman geles hidratados (materiales como gelatina) que luego al cuajar son muy duros, resistentes y casi impermeables.

Esto ha promovido su uso en la industria de la construcción, pues se utilizan en el cemento, en ladrillos y en paneles aislantes de la humedad. También forman parte de materiales para curar perforaciones en los dientes e incluso se ha estudiado para utilizarlos en la regeneración de huesos, es decir, como biomaterial.

Se ha propuesto para disminuir la contaminación que generan algunas industrias metalúrgicas. También se emplea como generadores de fricción en frenos y embragues de vehículos.

Estructura del silicato de calcio

El silicato de calcio puede contener una cantidad variable de óxido de calcio (CaO) y de sílice (SiO₂). Su fórmula general es:

xCaO•ySiO₂•zH₂O

donde x, y, y z son números que pueden tener diversos valores.

La cantidad de CaO debe estar entre el 3% y 35% (en peso sobre base seca) y el contenido de SiO₂ debe ser de 50-95% (en peso sobre base seca). Pueden ser anhidros (sin agua en su estructura, es decir, z=0 en la fórmula) o pueden ser hidratados (con agua es su conformación).

Nomenclatura del silicato de calcio

• Silicato de calcio.
• Sal de calcio del ácido silícico.
• Óxido de calcio y silicio.

Propiedades del silicato de calcio

• Estado físico. Sólido muy fino blanco o blanco hueso.
• Peso molecular. Metasilicato de calcio CaO•SiO₂ o CaSiO₃ = 116,16 g/mol.
• Punto de fusión. Metasilicato de calcio CaSiO₃ =1540 °C.
• Densidad. Metasilicato de calcio CaSiO₃ = 2,92 g/cc.
• Solubilidad. Insoluble en agua y etanol.
• pH. Un lodo preparado con un 5% de silicato de calcio puede tener un pH de 8,4-12,5.
• Otras propiedades. El silicato de calcio puede ser hidratado (con agua en la molécula) o anhidro (sin agua en la molécula) con varias proporciones de calcio en forma de óxido de calcio CaO y sílice en forma de dióxido de sílice SiO₂. Posee una alta capacidad de absorción de agua. El metasilicato de calcio (CaO•SiO₂ o CaSiO₃) destaca por su brillantez y blancura, baja humedad, bajo contenido volátil y buena absorción de aceite. Entre los hidratos de silicato de calcio se distinguen los formados al añadir agua al Ca₂SiO₅ y al Ca₃SiO₅. Los productos de hidratación de estos dos compuestos son los más abundantes en ciertos tipos de cemento.

Obtención del silicato de calcio

El silicato de calcio se obtiene de varias formas haciendo reaccionar material silíceo (como las tierras de diatomeas) y compuestos de calcio (como el hidróxido de calcio (Ca(OH)₂).

Se puede preparar silicato de calcio, por ejemplo, calcinando óxido de calcio (CaO) con sílice (SiO₂) a temperaturas elevadas.

Cuando la reacción se realiza a una razón molar 1:1 (esto significa que hay igual número de moléculas de CaO que de SiO₂) resulta el metasilicato de calcio CaSiO₃ o CaO•SiO₂:

CaO + SiO₂ + calor → CaSiO₃

Usos del silicato de calcio

• En la obtención de ladrillos. Con el silicato de calcio se fabrican unidades o ladrillos para la construcción. Se obtienen con material silíceo fino y cal viva o cal hidratada. Se pueden añadir pigmentos inertes para dar diferente color al ladrillo. Se moldean las unidades bajo presión y se curan en autoclave (horno con vapor) a 170 °C durante 4-6 horas. Durante el curado algo de la cal reacciona con el material silíceo para formar un hidrato de silicato de calcio, el cual mantiene unido al ladrillo. Sin embargo, los ladrillos de silicato de calcio tienden a expandirse y encogerse más que los ladrillos de arcilla, lo que a veces puede causar agrietamiento de la mampostería. Esto ha llamado la atención y se les ha considerado como potencialmente peligrosos.

• En el cemento Portland. Los silicatos de calcio forman parte del cemento Portland, un material que se usa ampliamente en la construcción. El cemento Portland es un cemento hidráulico que se produce pulverizando materiales formados principalmente por silicatos de calcio hidratados y sulfato de calcio CaSO₄ (yeso). Se endurece rápidamente debido a la reacción de hidratación que genera un gel hidratado de silicatos de calcio. Esto resulta en un material fuerte, denso y poco permeable (que no deja pasar el agua). Los silicatos que contiene son el silicato tricálcico Ca₃SiO₅ o 3CaO.SiO₂ y el silicato dicálcico Ca₂SiO₄ o 2CaO.SiO₂.
• Para inmovilizar basura radiactiva. Los silicatos de calcio en el cemento pueden variar en su porcentaje en peso. La composición del cemento Portland puede cambiar según el tipo de estructura de construcción a la cual está destinado. Algunos tipos de este cemento se utilizan para la inmovilización de basura radiactiva para que no cause daño a personas o al ambiente.
• Como aislante para edificaciones. El silicato de calcio sirve para obtener tableros de espuma mineral o tableros minerales aislantes. Estos sirven para aislar las paredes de la humedad. Se mezclan CaO y SiO₂ con agua y se agrega un 3-6% de celulosa, lo que le mejora la flexibilidad y estabilidad de los bordes. El lodo resultante se vierte en moldes y luego se calienta con vapor a alta presión y temperatura en un horno especial con vapor llamado autoclave. El resultado es una espuma rígida, de poro muy fino que se corta en láminas o tableros y se trata con aditivos especiales para que pueda repeler el agua. La espuma de silicato de calcio se usa en el sector de la construcción, especialmente para aislar las paredes y mejorar la protección contra la humedad, siendo útil especialmente en la renovación de edificios viejos.

• Para disminuir la contaminación en la industria metalúrgica. El silicato dicálcico Ca₂SiO₄ o 2CaO.SiO₂ que se encuentra en las escorias o desechos de la producción del acero se ha empleado para precipitar metales disueltos en efluentes ácidos de otros procesos metalúrgicos. Precipitar significa que el metal disuelto pasa a formar parte de un compuesto sólido que se va al fondo del recipiente y se puede recoger. El Ca₂SiO₄ presente en la escoria de acero reacciona con el agua y produce Ca(OH)₂ que tiene la capacidad de neutralizar la acidez de las soluciones ácidas de metales de otros procesos: 2 Ca₂SiO₄ + 4 H₂O → 3CaO.2SiO₂.3H₂O + Ca(OH)₂. Además de neutralizar, el compuesto de silicato de calcio puede adsorber algunos de los iones metálicos M²⁺ por intercambio con el ion calcio Ca²⁺. A continuación un esquema: ≡Si-O-Ca + M²⁺ → ≡Si-O-M + Ca²⁺. El compuesto sólido que contiene el metal puede luego ser utilizado para otra finalidad y no se desecha. Este es un ejemplo de ecología industrial.
• En biomateriales. Las cerámicas de silicatos de calcio se empezaron a probar como biomateriales desde 1990. Se han estudiado para su uso potencial en la regeneración de tejido óseo debido a que poseen una bioactividad superior a otros materiales. Se atribuye esto al hecho de que tienen silicio (Si), el cual juega un papel esencial en los mecanismos que conducen a la formación de hueso nuevo. Los cementos basados en silicatos de calcio tienen la capacidad de inducir la formación de recubrimiento de fosfato de calcio/apatita cuando son sumergidos en fluidos biológicos y promover la regeneración de tejidos. Por estas razones está siendo considerado como material adecuado para la reparación de huesos.

• En la biodentina. El silicato de calcio forma parte de la biodentina. Este es un material que se utiliza para reparar perforaciones de dientes, reabsorciones de huesos y como relleno del extremo de las raíces de los dientes. La biodentina es un cemento bioactivo con poca porosidad que posee una fuerza o dureza mecánica mayor que otros materiales, y se asemeja a la dentina. Está formada por silicato tricálcico (Ca₃SiO₅), silicato dicálcico (Ca₂SiO₅), carbonato de calcio (CaCO₃) y óxido de circonio. Al mezclarse con agua los silicatos cálcicos forman un gel hidratado pegajoso que tras un tiempo solidifica creando una estructura dura. Ejerce un efecto positivo sobre las células de la pulpa dental y acelera la formación de puentes en la dentina, donde resalta la fuerza de sus enlaces, su microdureza y resistencia a la compresión.
• Otras aplicaciones. Los silicatos de calcio se utilizan también como agentes antiapelmazantes y ayudantes de filtración. El metasilicato de calcio CaSiO₃ se usa en cerámicas, en dispositivos donde se requiere cierta fricción, como frenos y embragues de vehículos, y en la obtención de metales. Por su alta brillantez y blancura, el CaSiO₃ se emplea en relleno de pinturas y plásticos.

Referencias

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5. Prati, C., Gandolfi, M.G. Calcium silicate bioactive cements: Biological perspectives and clinical applications. Dent Mater. Recuperado de ncbi.nlm.nih.gov.