Historia y Descubrimiento

El sulfato de calcio y sus hidratos representan compuestos industriales significativos con una rica utilización histórica. El yeso, comúnmente conocido como dihidrato de sulfato de calcio (CaSO4?2H2O), y el yeso de París, reconocido como hemihidrato de sulfato de calcio (CaSO4? H2O), son derivados clave del sulfato de calcio. Mientras que el yeso se encuentra naturalmente en rocas de yeso minadas, el sulfato de calcio también se manifiesta en forma mineral. El yeso se forma como roca sedimentaria en capas cuando el sulfato de calcio, un componente natural del agua de mar, precipita cuando los cuerpos de agua marina superficial se evaporan. Los depósitos de yeso tienen una presencia global, y el mineral en sí, al ser transparente, suave y blanco, se erige como el mineral de sulfato más prevalente. El alabastro, una variante translúcida densa del yeso, se utiliza en esculturas, grabados y tallados, mientras que la selenita se presenta en láminas transparentes cristalizadas.

La utilización histórica del yeso se remonta a tiempos prehistóricos, evidente en hallazgos arqueológicos de su extracción de cuevas y su aplicación en la pintura de antiguas lápidas. El uso registrado más antiguo como material de construcción data del 6000 a.C. en las regiones del suroeste de Asia de la antigua Anatolia y Siria. Los egipcios incorporaron yeso y yeso en sus esfuerzos arquitectónicos, notablemente en la construcción de las Grandes Pirámides alrededor del 3700 a.C. Hace más de 2.000 a?os, China empleó sulfato de calcio en la producción de tofu. El término "yeso" proviene de la palabra griega "gypsos", que significa tiza, como lo mencionó el filósofo natural griego Teofrasto (371-286 a.C.). El yeso fue ampliamente utilizado durante la época romana y a lo largo de la Edad Media.

Preparación y Producción

El proceso de calcinación transforma el dihidrato de sulfato de calcio (CaSO4?2H2O) en la forma de hemihidrato mediante la reacción: CaSO4?2H2O → CaSO4?H2O + H2O. A lo largo de la historia, se han empleado diversos métodos de calcinación para convertir el yeso en yeso de París. La forma de hemihidrato resultante se conoce comúnmente como yeso de París. En los a?os 1700, París emergió como un centro prominente para la producción de yeso, con una parte significativa de su arquitectura construida utilizando yeso. Después del incendio de 1666 en Londres, que devastó el 80% de la ciudad, el Rey de Francia ordenó la aplicación de yeso en todas las casas de madera en Francia para la protección contra incendios.

El término "yeso de París" se originó a partir de los extensos depósitos de yeso explotados en el distrito de Montmartre de París. Antoine Lavoisier (1743–1794) contribuyó a la comprensión del yeso en 1765 y 1766, presentando documentos a la Academia de Ciencias de Francia. Lavoisier determinó que el yeso es una sal hidratada y elucidó el proceso de endurecimiento del yeso, revelando que la forma de hemihidrato se rehidrata de nuevo en yeso. El endurecimiento del yeso ocurre porque el hemihidrato de sulfato de calcio exhibe una mayor solubilidad en agua en comparación con el yeso. La mezcla de la forma de yeso hemihidrato con agua conduce a su reformación en yeso, precipitándose como cristales fibrosos sólidos.

La calcinación de CaSO4?2H2O, produciendo sulfato de calcio hemihidratado o yeso de París, ocurre en el rango de temperatura de aproximadamente 150°C a 200°C. Un calentamiento adicional más allá de 200°C hasta 300°C resulta en una deshidratación completa, formando un sulfato de calcio anhidro conocido como anhidrita soluble. Las anhidritas solubles, como Drierite, se emplean como agentes secantes, experimentando un cambio de color de azul a rosa al absorber agua. A temperaturas superiores a 300°C, el sulfato de calcio pierde su capacidad de absorción de agua, convirtiéndose en sulfato de calcio insoluble, también conocido como anhidrita insoluble, sulfato de calcio muerto o yeso muerto.

Estados Unidos ocupa una posición prominente como el principal productor mundial de yeso, contribuyendo aproximadamente con el 15% a la producción mundial de 120 millones de toneladas de yeso extraído. Los principales estados productores de yeso dentro de EE. UU. incluyen Oklahoma, Texas, Nevada, Iowa y California. La extracción de yeso es un fenómeno global, con minas que se extienden por 90 países. Complementando el yeso extraído, el yeso sintético constituye el 25% de la producción de yeso de los Estados Unidos. Es importante destacar que el yeso sintético es un subproducto de procesos químicos, que proviene principalmente de métodos de desulfurización de gases de combustión utilizados para mitigar las emisiones de azufre, especialmente en plantas de energía que queman carbón. Esto implica la reacción del carbonato de calcio con dióxido de azufre, lo que resulta en la formación de sulfito de calcio (CaSO3): CaCO3(s) + SO2(g) → CaSO3(s) + CO2(g). Posteriormente, el sulfito de calcio se oxida para producir yeso: 2CaSO3(s) + O2(g) + 4H2O(l) → 2CaSO4·2H2O(s). Otra fuente significativa de yeso sintético proviene de la neutralización ácida, un proceso integral para la producción de sulfato de titanio (TiO2), un agente blanqueador en varios productos comerciales. La neutralización de residuos ácidos en este contexto produce yeso como subproducto. Además, el yeso se genera en la producción de azúcar y ácido cítrico, donde el ácido cítrico diluido (C6H8O7) se precipita con hidróxido de calcio para formar citrato de calcio (Ca3(C6H5O7)2). El tratamiento subsiguiente del citrato de calcio con ácido sulfúrico resulta en la producción de ácido cítrico, con el yeso emergiendo como subproducto.

Aplicación

La aplicación principal del sulfato de calcio se encuentra dentro de la industria de la construcción, constituyendo más del 90% de su producción total. La variante de hemihidrato o calcinada se combina con agua para formar yeso. Esta mezcla de yeso se vierte entre capas de papel para crear paneles de yeso estándar, comúnmente conocidos como drywall o sheetrock (Sheetrock es una marca registrada de USG Corporation, la empresa matriz de United States Gypsum Company). El drywall exhibe una alta resistencia al fuego debido al calor específico elevado del agua y su presencia en la forma hidratada de yeso.

Otra aplicación de construcción significativa del sulfato de calcio es su forma dihidrato no calcinada, utilizada como ingrediente en el cemento Portland. El cemento Portland típicamente contiene un 3,5% de yeso en peso, con el yeso retardando la hidratación y evitando que el cemento se endurezca rápidamente.

Más allá del sector de la construcción, el yeso encuentra numerosas aplicaciones. Agrícolamente, sirve varios propósitos como suministrar calcio y azufre a los suelos, equilibrar el pH y acondicionar el suelo. El yeso de grado alimenticio actúa como suplemento de calcio en alimentos enriquecidos como harina, cereales y productos horneados. Además, funciona como agente gelificante y endurecedor en vegetales enlatados. Es importante destacar que el sulfato de calcio es un coagulante prevalente en la producción de tofu, donde los iones de calcio cargados positivamente atraen grupos cargados negativamente en moléculas de proteína, facilitando la coagulación de proteínas termicamente desnaturalizadas.

El sulfato de calcio anhidro se utiliza como un relleno blanqueador en varios alimentos y productos de consumo, incluidos glaseados, helados, papel, pinturas y pasta de dientes. Además, el yeso en polvo se puede emplear como tiza para marcar campos deportivos y áreas grandes.

Referencia

Richard L. Myers (2009). Los 100 Compuestos Químicos Más Importantes: Una Guía de Referencia. Greenwood Publishing Group. 1 de octubre de 2009. https://doi.org/10.1021/ed086p1182