Calcinarea este un proces în care o probă de solid este supus la temperaturi ridicate în prezența sau absența oxigenului. În chimia analitică este unul dintre ultimii pași ai analizei gravimetrice. Prin urmare, eșantionul poate fi de orice natură, anorganic sau organic; dar mai ales, este vorba despre minerale, argile sau oxizi gelatinoși.
Când calcinarea este efectuată sub curenți de aer, se spune că are loc într-o atmosferă oxigenată; cum ar fi pur și simplu încălzirea unui solid cu produs de ardere a combustiei în spații deschise sau în cuptoare la care nu se poate aplica vid.
Calcinarea rudimentară sau alchimică sub cerul liber. Sursa: Pixabay.
Dacă oxigenul este înlocuit cu azot sau cu un gaz nobil, atunci se spune că calcinarea are loc într-o atmosferă inertă. Diferența dintre atmosferele care interacționează cu solidul încălzit depinde de sensibilitatea sa la oxidare; adică să reacționeze cu oxigenul pentru a se transforma într-un alt compus mai oxidat.
Ceea ce se caută cu calcinarea nu este să topească solidul, ci să-l modifice chimic sau fizic pentru a satisface calitățile cerute pentru aplicațiile sale. Cel mai cunoscut exemplu este calcinarea calcarului, CaCO 3 , pentru a-l transforma în var, CaO, necesar betonului.
Proces
Relația dintre tratamentul termic al calcarului și termenul de calcinare este atât de strânsă, încât de fapt nu este neobișnuit să presupunem că acest proces se aplică numai compușilor de calciu; Totuși, acest lucru nu este adevărat.
Toate solidele, anorganice sau organice, se pot calca atât timp cât nu se topesc. Prin urmare, procesul de încălzire trebuie să aibă loc sub punctul de topire al eșantionului; Cu excepția cazului în care este un amestec în care una dintre componentele sale se topește în timp ce celelalte rămân solide.
Procesul de calcinare variază în funcție de eșantion, de solzi, de obiectiv și de calitatea solidului după tratamentul său termic. Aceasta poate fi împărțită global în două tipuri: analitică și industrială.
Analitic
Când procesul de calcinare este analitic, acesta este în general unul dintre ultimii pași indispensabili pentru analiza gravimetrică.
De exemplu, după o serie de reacții chimice s-a obținut un precipitat, care în timpul formării sale nu arată ca un solid pur; presupunând evident că compusul este cunoscut dinainte.
Indiferent de tehnicile de purificare, precipitatul mai are apă care trebuie eliminată. Dacă astfel de molecule de apă sunt la suprafață, nu vor fi necesare temperaturi ridicate pentru a le elimina; dar dacă sunt „prinși” în interiorul cristalelor, atunci temperatura cuptorului ar trebui să depășească 700-1000ºC.
Acest lucru asigură că precipitatul este uscat și vaporii de apă sunt eliminați; în consecință, compoziția sa devine definitivă.
De asemenea, dacă precipitatul suferă o descompunere termică, temperatura la care trebuie calcinat trebuie să fie suficient de ridicată pentru a se asigura că reacția este completă; altfel, ai avea o compoziție solidă nedefinită.
Ecuațiile următoare rezumă cele două puncte anterioare:
A nH 2 O => A + nH 2 O (vapori)
A + Q (căldură) => B
Solidele nedefinit ar fi amestecuri A / A · nH 2 O și A / B, atunci când în mod ideal ar trebui să fie pure A și B, respectiv.
Industrial
Într-un proces de calcinare industrială, calitatea calcinării este la fel de importantă ca în analiza gravimetrică; dar diferența este în ansamblu, metodă și cantități produse.
În cea analitică se urmărește studierea performanței unei reacții sau a proprietăților calcinatului; în timp ce în sectorul industrial, este mai important cât de mult este produs și în cât timp.
Cea mai bună reprezentare a unui proces de calcinare industrială este tratamentul termic al calcarului, astfel încât acesta suferă următoarea reacție:
CaCO 3 => CaO + CO 2
Oxidul de calciu, CaO, este varul necesar pentru fabricarea cimentului. Dacă prima reacție este completată de aceste două:
CaO + H 2 O => Ca (OH) 2
Ca (OH) 2 + CO 2 => CaCO 3
Cristalele de CaCO 3 rezultate pot fi preparate și dimensionate din mase robuste ale aceluiași compus. Astfel, nu numai că este produs CaO, ci și microcristale CaCO 3 sunt obținute , necesare pentru filtre și alte procese chimice rafinate.
Toate carbonatele metalice se descompun în același mod, dar la temperaturi diferite; adică procesele lor de calcinare industrială pot fi foarte diferite.
Tipuri de calcinare
În sine nu există nici o modalitate de a clasifica calcinarea, cu excepția cazului în care ne bazăm pe procesul și pe schimbările pe care le suferă solidul odată cu creșterea temperaturii. Din această ultimă perspectivă, se poate spune că există două tipuri de calcinare: unul chimic, iar celălalt fizic.
Chimie
Calcinarea chimică este una în care proba, solidul sau precipitatul suferă o descompunere termică. Acest lucru a fost explicat pentru cazul CaCO 3 . Compusul nu este același după aplicarea temperaturilor ridicate.
Fizic
Calcinarea fizică este una în care natura eșantionului nu se schimbă la final odată ce a eliberat vapori de apă sau alte gaze.
Un exemplu este deshidratarea totală a unui precipitat fără a fi supus unei reacții. De asemenea, dimensiunea cristalelor se poate modifica în funcție de temperatură; la temperaturi mai ridicate, cristalele tind să fie mai mari, iar structura poate „pufni” sau crăpa ca urmare.
Acest ultim aspect al calcinării: controlul dimensiunii cristalelor, nu a fost abordat în detaliu, dar merită menționat.
Aplicații
În cele din urmă, o serie de aplicații de calcinare generale și specifice vor fi enumerate:
-Decompunerea carbonatelor metalice în oxizii respectivi. Același lucru este valabil și pentru oxalați.
-Dehidratarea mineralelor, oxizilor gelatinoși sau a oricărui alt eșantion pentru analiză gravimetrică.
-Submite o tranziție solidă într-o fază, care ar putea fi metastabilă la temperatura camerei; adică, chiar dacă noile dvs. cristale ar fi răcite, ar fi nevoie de timp pentru a reveni la modul în care au fost înainte de calcinare.
-Activează alumina sau carbonul pentru a crește dimensiunea porilor și a se comporta la fel de bine ca solidele absorbante.
-Modifică proprietățile structurale, vibraționale sau magnetice ale nanoparticulelor minerale precum Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4 ; adică suferă calcinare fizică, unde căldura influențează mărimea sau formele cristalelor.
-Același efect anterior poate fi observat și în solidele mai simple, cum ar fi nanoparticulele SnO 2 , care cresc în dimensiuni atunci când sunt forțate să se aglomereze de temperaturi ridicate; sau în pigmenți anorganici sau coloranți organici, unde temperatura și boabele influențează culorile lor.
-Și desulfurizează mostrele de cocs din ulei brut, precum și orice alt compus volatil.
Referințe
- Day, R., & Underwood, A. (1989). Chimie analitică cantitativă (ediția a cincea). PEARSON Sala Prentice.
- Wikipedia. (2019). Calcinare. Recuperat de la: en.wikipedia.org
- Elsevier. (2019). Calcinare. ScienceDirect. Recuperat de la: sciencedirect.com
- Hubbe Martin. (Sf). Mini-enciclopedie de fabricare a hârtiei Chimie umedă. Recuperat din: proiecte.ncsu.edu
- Indrayana, IPT, Siregar, N., Suharyadi, E., Kato, T. & Iwata, S. (2016). Dependența de temperatură de calcinare a spectrelor microstructurale, vibraționale și proprietățile magnetice ale nanocristalinului Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4 . Journal of Physics: Serie de conferințe, Volumul 776, Numărul 1, ID articol. 012021.
- FEECO International, Inc. (2019). Calcinare. Recuperat de la: feeco.com
- Gaber, MA Abdel-Rahim, AY Abdel-Latief, Mahmoud. N. Abdel-Salam. (2014). Influența temperaturii de calcinare asupra structurii și porozității nano-cristalinului SnO 2 sintetizat printr-o metodă convențională de precipitare. Revista internațională de știință electrochimică.