石膏

石膏
一般的な
カテゴリ硫酸塩鉱物
式CaSO 4 ·2H 2 O
IMAシンボルGp [1]
ストランツ分類7.CD.40
結晶系単斜晶系
クリスタルクラス角柱型（2/m）
HM記号：（2/m）
空間群単斜晶系
空間群：I 2/a
単位セルa = 5.679(5)、b = 15.202(14)
c = 6.522(6) Å; β = 118.43°; Z = 4
識別
色無色（透過光）から白色。不純物により他の色合いを帯びることが多い。黄色、黄褐色、青、ピンク、暗褐色、赤褐色、灰色の場合もある。
クリスタル習慣塊状で平ら。細長く、一般的に柱状の結晶。
姉妹都市{110}では非常に一般的です
胸の谷間{010} では完全、{100} では区別可能
骨折{100}面では貝殻状、{001}面では裂けて平行
粘り強さ柔軟、非弾性
モース硬度1.5～2（ミネラルの定義は2）
光沢ガラス質から絹状、真珠状、または蝋状
連勝白
透けて見える透明から半透明
比重2.31～2.33
光学特性二軸（+）
屈折率n α = 1.519 ～ 1.521
n β = 1.522 ～ 1.523
n γ = 1.529 ～ 1.530
複屈折δ = 0.010
多色性なし
2V角度58°
融合性5
溶解度熱した希HCl
参考文献[2] [3] [4]
主な品種
サテンスパー真珠のような繊維状の塊
セレナイト透明で刃状のクリスタル
アラバスターきめが細かく、わずかに着色されている

石膏は硫酸カルシウム二水和物からなる柔らかい硫酸塩鉱物で、化学式はCaSO 4 · 2H 2 Oです。[4]広く採掘されており、肥料として、また多くの種類の漆喰、乾式壁、黒板や歩道のチョークの主成分として使用されています。[5] [6] [7] [8]石膏は亜セレン酸塩の半透明の結晶としても結晶化します。[9]蒸発岩鉱物として、また無水石膏の水和生成物として形成されます。[要出典]鉱物の硬度のモーススケールでは、引っかき硬度の比較に基づいて石膏の硬度値2と定義されています。[9]

アラバスターとして知られるきめの細かい白色または淡色の石膏は、古代エジプト、メソポタミア、古代ローマ、ビザンチン帝国、中世イングランドのノッティンガムアラバスターなど、多くの文化で彫刻に使用されてきました。

語源と歴史

石膏（ジプサム）という言葉は、ギリシャ語のγύψος（ gypsos）、「石膏」に由来します。[10]パリのモンマルトル地区の採石場は、古くから様々な用途で焼成石膏（焼成石膏）を産出していたため、この脱水石膏はパリ石膏として知られるようになりました。水を加えると、数十分後にはパリ石膏は再び通常の石膏（二水和石膏）に戻り、鋳造や建築に適した硬化状態（固化）になります。[11]

石膏は古英語でspærstān （槍石）と呼ばれ、その結晶突起に由来しています。したがって、鉱物学におけるspar （石膏）という言葉は、gypsum（石膏）と比較して、槍状の突起を形成する非鉱石鉱物または結晶を指します。18世紀半ば、ドイツの牧師であり農学者でもあったヨハン・フリードリヒ・マイヤーは、肥料としての石膏の利用について研究し、広く公表しました。[12] 石膏は植物の成長に必要な硫黄源として作用する可能性があり、19世紀初頭には奇跡的な肥料とみなされていました。アメリカの農民は石膏の入手に非常に熱心だったため、ノバスコシアとの密輸取引が活発化し、1820年にはいわゆる「石膏戦争」が勃発しました。 [13] [14]

物理的特性

石膏の結晶は、手で押すと曲がるほど柔らかい。サンプルはローザンヌ州立地質学博物館に展示されている。

石膏は中程度の水溶性（25℃で約2.0～2.5 g/L）[15]を有し、他の多くの塩とは異なり、逆溶解性を示し、高温では溶解性が低下します。石膏を空気中で加熱すると水分が失われ、まず硫酸カルシウム半水和物（バスナイト、しばしば単に「石膏」と呼ばれる）に変化し、さらに加熱すると無水硫酸カルシウム（無水石膏）に変化します。無水石膏と同様に、食塩水や塩水への石膏の溶解性も、塩化ナトリウム（一般的な食塩）の濃度に大きく依存します。 [15]

石膏の構造は、カルシウム（Ca 2+）と硫酸塩（SO2−4）イオンが強く結合している。これらの層は、より弱い水素結合を介して陰イオン水分子のシートによって結合しており、結晶はシートに沿って（{010}面に沿って）完全に劈開する。[4] [16]

結晶の種類

石膏は自然界では、扁平でしばしば双晶をなす 結晶と、透明で劈開性のある亜セレン酸塩と呼ばれる結晶として存在します。亜セレン​​酸塩の形態では、石膏は自然界で見られる結晶の中でも最大級のものであり、長さは最大12メートル（39フィート）に達します。[17]亜セレン酸塩にはセレンがほとんど含まれておらず、どちらの物質も古代ギリシャ語で「月」を意味する言葉にちなんで名付けられました。

セレナイトは絹のような繊維状の形で発生することもあり、その場合は一般に「サテンスパー」と呼ばれます。

粒状の場合もあれば、非常にコンパクトな場合もあります。手のひらサイズのサンプルでは、​​透明から不透明まで様々です。

非常にきめの細かい白色または淡色石膏の一種であるアラバスターは、さまざまな装飾品として重宝されています。

乾燥地帯では、石膏は花のような形で発生することがあり、通常は不透明で、砂粒が埋め込まれており、砂漠のバラと呼ばれます。

発生

石膏は一般的な鉱物で、堆積岩と関連して厚く広範囲にわたる蒸発岩層を形成します。鉱床は始生代にまで遡る地層に見られることが知られています。[18]石膏は湖水や海水、温泉、火山の蒸気、鉱脈中の硫酸塩溶液から堆積します。鉱脈中の熱水性無水石膏は、一般に地表近くの露出部で地下水によって水和されて石膏になります。多くの場合、岩塩や硫黄などの鉱物と関連しています。石膏は最も一般的な硫酸塩鉱物です。[19]純粋な石膏は白色ですが、不純物として含まれる他の物質が、局所的な鉱床にさまざまな色を与えることがあります。

石膏は水中で時間の経過とともに溶解するため、砂の形で見つかることは稀です。しかし、米国ニューメキシコ州ホワイトサンズ国立公園の特殊な条件により、710 km²（270平方マイル）の白い石膏砂が広がり、これは米国の建設業界に1,000年間の乾式壁材を供給するのに十分な量です。 [20]この地域は住民の強い反対を受け、商業開発は1933年にハーバート・フーバー大統領が石膏砂丘を国定記念物に指定した ことで永久に禁止されました。

石膏は、硫化物 酸化、特に黄鉄鉱 酸化の副産物としても生成されます。これは、生成された硫酸が炭酸カルシウムと反応することによって生じます。石膏の存在は、酸化条件が成立していることを示しています。還元条件下では、石膏に含まれる硫酸塩は硫酸還元細菌によって硫化物に還元されます。これにより、岩塩ドーム[ 21]などの油層に元素硫黄が蓄積され、[22]フラッシュ法[23]を用いて採掘することができます。石炭を燃焼させ、排ガス脱硫を行う発電所では、スクラバーからの副産物として大量の石膏が生成されます。

火星探査機（MRO）の軌道写真では火星の北極地域に石膏砂丘が存在することが示されており[24] 、後に火星探査ローバー（MER）オポチュニティによって地上レベルで確認されました[25]。

鉱業

2015年の石膏の推定生産量
（千トン）[26]
国生産準備金
中国13万2000—
イラン2万20001,600
タイ12,500—
アメリカ合衆国11,50070万
七面鳥10,000—
スペイン6,400—
メキシコ5,300—
日本5,000—
ロシア4,500—
イタリア4,100—
インド3,50039,000
オーストラリア3,500—
オマーン3,500—
ブラジル3,30029万
フランス3,300—
カナダ2,70045万
サウジアラビア2,400—
アルジェリア2,200—
ドイツ1,80045万
アルゼンチン1,400—
パキスタン1,300—
イギリス1,20055,000
その他の国15,000—
世界合計25万8000—

商業的な量の石膏は、ブラジルのアラリピナ市とグラジャウ市、パキスタン、ジャマイカ、イラン（世界第2位の生産国）、タイ、スペイン（ヨーロッパの主要生産国）、ドイツ、イタリア、イギリス、アイルランド、カナダ[27]、アメリカ合衆国で採掘されています。大規模な露天採石場は、世界最大級の石膏鉱床を有するアイオワ州フォートドッジ[28]、アメリカ合衆国カリフォルニア州プラスターシティ、インドネシアカリマンタン島イーストクタイなど多くの場所にあります。西オーストラリア州カラニーなどの場所にもいくつかの小規模鉱山があり、そこでは石膏はカルシウムや硫黄の添加や、農業用の土壌へのアルミニウムの毒性軽減のために個人バイヤーに販売されています。[29] [30]

メキシコ、チワワ州ナイカ鉱山の洞窟では、最大11メートル（36フィート）にも及ぶ石膏の結晶が発見されています。これらの結晶は、洞窟という極めて稀少で安定した自然環境で育まれました。洞窟内の温度は58℃（136°F）に保たれ、結晶の成長を促すミネラル豊富な水が洞窟内に満たされていました。最大の結晶は55トン（61ショートトン）の重さがあり、約50万年前のものです。[31]

合成

合成石膏は、さまざまな工業プロセスにおいて廃棄物または副産物として生成されます。

脱硫

一部の石炭火力発電所では、排ガス脱硫石膏（FGDG）が回収されています。主な汚染物質は、Mg、K、Cl、F、B、Al、Fe、Si、Seです。これらは、脱硫に使用された石灰石と燃焼した石炭の両方に由来します。この製品は純度が高く、乾式壁、水処理、セメント硬化遅延剤など、幅広い分野で天然石膏の代替として使用できます。排ガス脱硫技術の向上により、含まれる有害元素の量は大幅に減少しました。[32]

淡水化

汽水膜に石膏が沈殿する現象は、カルシウムと硫酸塩の濃度が高い水を汽水淡水化する際に発生するミネラル塩スケールと呼ばれる。スケール形成は膜の寿命と生産性を低下させる。[33]これは、逆浸透やナノ濾過などの汽水膜淡水化プロセスにおける主要な障害の一つである。水源によっては、方解石スケールなどの他の形態のスケール形成も、蒸留や熱交換器において重要な考慮事項となる可能性がある。これらの熱交換器では、塩の溶解度または濃度が急激に変化する可能性がある。

新たな研究では、石膏の形成は、バッサナイト（2CaSO 4 ·H 2 O）と呼ばれる鉱物の小さな結晶から始まることが示唆されています。[34]このプロセスは3段階の経路を経て進行します。

  1. ナノ結晶バッサナイトの均一な核生成。
  2. バサナイトの集合体への自己集合、および
  3. バサナイトが石膏に変化する。

製油所の廃棄物

リン酸肥料の製造には、カルシウムを含むリン鉱石を酸で分解する必要があり、リン酸石膏（PG）として知られる硫酸カルシウムの廃棄物が生成されます。この石膏は、岩石に含まれる不純物、すなわちフッ化物、シリカ、ラジウムなどの放射性元素、カドミウムなどの重金属元素によって汚染されています。[35]同様に、二酸化チタンの製造では、過剰な酸を石灰で中和することでチタン石膏（TG）が生成されます。この製品は、シリカ、フッ化物、有機物、アルカリによって汚染されています。[36]

精製工場から排出される石膏廃棄物には不純物が含まれているため、建設などの分野で通常の石膏として使用することができないケースが多くあります。その結果、廃棄物は山積みのまま無期限に保管され、汚染物質が水や土壌に浸出する重大なリスクを負っています。[35]こうした廃棄物の蓄積を減らし、最終的に山積みをなくすために、このような廃棄物の用途拡大に向けた研究が進められています。[36]

労働安全

NFPA 704
安全スクエア
[37]
NFPA 704 4色ダイヤモンドHealth 0: Exposure under fire conditions would offer no hazard beyond that of ordinary combustible material. E.g. sodium chlorideFlammability 0: Will not burn. E.g. waterInstability 0: Normally stable, even under fire exposure conditions, and is not reactive with water. E.g. liquid nitrogenSpecial hazards (white): no code
0
0
0
石膏

職場では、吸入、皮膚接触、眼接触などにより石膏に曝露される可能性があります。硫酸カルシウム自体は無毒であり、食品添加物としても認可されていますが[38]、粉末状の石膏は皮膚や粘膜を刺激する可能性があります[39] 。

アメリカ合衆国

労働安全衛生局（OSHA）は、職場における石膏の曝露に関する法的限度（許容曝露限界）を、8時間労働後の総曝露量でTWA 15 mg/m 3、呼吸器曝露量でTWA 5 mg/m 3と定めています。国立労働安全衛生研究所（NIOSH）は、推奨曝露限界（REL）を、8時間労働後の総曝露量でTWA 10 mg/m 3、呼吸器曝露量でTWA 5 mg/m 3と定めています。[39]

用途

石膏細工、バレンシア民族学博物館
建築材料として石膏を作るための古いアルファルブ窯
ブリティッシュ・ジプサム、カークビー・ソーレ
オハイオ州北部の石膏鉱床の地図。黒い四角は鉱床の位置を示す。『オハイオ州の地理』 1923年より。

石膏はさまざまな用途に使用されています。

建設業界

  • 石膏ボード[40]は主に壁や天井の仕上げ材として使用され、建築業界ではプラスターボード、シートロック、ドライウォールなどと呼ばれています。石膏はこれらの材料に一定の耐火性を与え、その効果を高めるためにガラス繊維が添加されています。石膏の熱伝導率は極めて低いため、その漆喰には断熱性も備わっています。[41]
  • 石膏ブロックは建設現場でコンクリートブロックのように使われます。
  • 石膏モルタルは建築に使われる古代のモルタルです。
  • コンクリートのフラッシュセット（急速な硬化）を防ぐために使用されるポートランドセメントの成分。
  • 古代世界における木材の代替品：例えば、青銅器時代の クレタ島では森林伐採により木材が不足したため、以前は木材が使用されていた場所での建築に石膏が使用されました。[42]

農業

  • 肥料：18世紀後半から19世紀初頭にかけて、ノバスコシア産の石膏（しばしばプラスターと呼ばれる）は、アメリカ合衆国の小麦畑で非常に需要の高い肥料でした。[43]石膏は、植物にとって二次的な主要栄養素であるカルシウムと硫黄を供給します。石灰岩とは異なり、一般的に土壌pHに影響を与えません。[44]
  • pH値に関わらず、塩性土壌の再生が可能。ナトリウム（塩性）および酸性土壌に石膏を添加すると、溶解性の高いホウ素（メタホウ酸ナトリウム）が溶解度の低いメタホウ酸カルシウムに変換される。石膏の施用により、交換性ナトリウムの割合も減少する。[ 45] [46]ゾイデルジー工場では、再生した土地に石膏を使用している。[47]
  • その他の土壌改良剤の用途：石膏は酸性土壌におけるアルミニウムとホウ素の毒性を低減します。また、土壌構造、吸水性、通気性を改善します。[44]
  • 土壌水分ポテンシャルモニタリング：石膏ブロックを土壌に挿入し、その電気抵抗を測定することで土壌水分を推定することができる。[48]

造形、彫刻、芸術

  • 鋳型や模型を作るための石膏。
  • アラバスターは彫刻の材料として、特に鋼鉄が開発される前の古代世界で使用され、その比較的柔らかい性質により彫刻がはるかに容易でした。[49]中世とルネサンス期には、大理石よりも好まれました。[50]
  • 中世には、写本作家や装飾画家がジェッソの材料としてこれを使用しました。ジェッソは装飾文字に塗布され、装飾写本では金箔で装飾されました。[51]

飲食

  • 豆腐（大豆カード）の凝固剤であり、最終的には食事中のカルシウムの重要な供給源となる。[ 52 ]
  • 醸造に使用する水に硬度を加える。[53]
  • パン生地の改良剤として、また、パン生地の粘着性を下げるために、また、焼き菓子のカルシウム源として使用されます。[54]ミネラルイーストフードの主成分です。[55]
  • キノコ栽培において、穀物が固まるのを防ぐために使用されます。

医薬品と化粧品

  • 外科用副木用の石膏[56]
  • 歯科における印象石膏[57]

他の

  • 一部のテルミット混合物中の酸化鉄の代替品。[58]
  • 試験では、石膏は汚染された水から鉛[59]やヒ素[60] [61]などの汚染物質を除去するために使用できることが示されています。
  • 世界中の珍しい石膏標本
  • 南オーストラリア州ガンソン山のパーナティ ラグーン産の緑色の石膏結晶。緑色は銅イオンが含まれているためです。
    南オーストラリア州ガンソン山のパーナティ ラグーン産の緑色の石膏結晶。緑色は銅イオンが含まれているためです。
  • カナダ、マニトバ州ウィニペグのレッド川産の珍しい亜セレン石膏
    カナダ、マニトバ州ウィニペグのレッド川産の珍しい亜セレン石膏
  • メキシコ、チワワ州サンタ・エウラリア産の古典的な「雄羊の角」石膏、7.5×4.3×3.8 cm
    メキシコ、チワワ州サンタ・エウラリア産の古典的な「雄羊の角」石膏、7.5×4.3×3.8 cm
  • 砂漠のバラ、長さ47cm
    砂漠のバラ、長さ47cm
  • オーストラリア、南オーストラリア州、アンダムーカ山脈 - レイク・トーレンズ地域、スチュアート棚地域、ガンソン山、パーナティ・ラグーン産の石膏
    オーストラリア、南オーストラリア州、アンダムーカ山脈 - レイク・トーレンズ地域、スチュアート棚地域、ガンソン山、パーナティ・ラグーン産の石膏
  • 内部に結晶質天然銅を含む石膏
    内部に結晶質天然銅を含む石膏
  • オーストラリア、ビクトリア州スワンヒル産の石膏。この色は酸化銅によるものです。
    オーストラリア、ビクトリア州スワンヒル産の石膏。この色は酸化銅によるものです。
  • 「ローマの剣」として知られる形状の、透き通った水晶。エブロ川、サラゴサ（スペイン）
    「ローマの剣」として知られる形状の、透き通った水晶。エブロ川、サラゴサ（スペイン）
  • 高さ2.5cmの明るいチェリーレッド色の石膏​​結晶。希少鉱物ボトリオゲンが豊富に含まれており、
    高さ2.5cmの明るいチェリーレッド色の石膏​​結晶。希少鉱物ボトリオゲンが豊富に含まれており、
  • メキシコ、チワワ州、ムン・デ・サウシージョ、ナイカ産の石膏
    メキシコ、チワワ州、ムン・デ・サウシージョ、ナイカ産の石膏
  • 金色の宝石。複数の単葉結晶からなる石膏の「ボール」の上に、魚の尾のような双晶石膏結晶が乗っている。
    金色の宝石。複数の単葉結晶からなる石膏の「ボール」の上に、魚の尾のような双晶石膏結晶が乗っている。

参照

参考文献

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    • クラウス・ハーマン (1990)。 「マイヤー、ヨハン・フリードリヒ」。Neue Deutsche Biographie (ドイツ語)。 Vol. 16. ベルリン：ダンカーとフンブロ。544～ 545ページ 。 （全文オンライン）。 p. より544: 「… er bewirtschaftete nebenbei ein Pfarrgüttchen, … für die Düngung der Felder mit dem in den nahen Waldenburger Bergen gefundenen Gips einsetzte.」（…彼はまた、小規模な牧師の敷地を管理し、そこで農業実験を繰り返し行った。1768年、彼はこの時の経験の成果を「石膏に関する指導」として初めて出版し、その中で彼は近くのヴァルデンブルク山脈で見つかった石膏で畑を肥やすことを支持した。）
    • ヨハン・ベックマン (1775)。 Grundsätze der deutschen Landwirthschaft [ドイツ農業の基礎] (ドイツ語) (第 2 版)。ゲッティンゲン、(ドイツ): ヨハン・クリスチャン・ディーテリッヒ。 p. 60. 60ページより： 「Schon seit undenklichen Zeiten … ein Gewinn zu erhalten seyn wird.」 （我が近所、ニーデック（ゲッティンゲンの南東にある村）の省では、太古の昔から既に石膏がこのように利用されていましたが、それを広く知らしめたのはマイヤー氏の功績です。『クプファーツェルの農業史』の中で、彼は石膏を粉砕するための粉砕機（74ページ）を描写しており、困難ではありましたが、そこから利益を得ていました。）
    • マイヤー、ヨハン・フリードリヒ (1768)。 Lehre vom Gyps als vorzueglich goten Dung zu allen Erd-Gewaechsen auf Aeckern und Wiesen, Hopfen- und Weinbergen [畑や牧草地、ホップ畑やブドウ畑の土壌で栽培されるあらゆるものにとって理想的な良質な肥料としての石膏に関する説明] (ドイツ語)。アンスパハ（ドイツ）：ヤコブ・クリストフ・ポッシュ。
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