Calcinación
La calcinación es un tratamiento térmico de un compuesto químico sólido (por ejemplo, minerales de carbonato mixto ) mediante el cual el compuesto se eleva a una temperatura alta sin fundirse bajo un suministro restringido de oxígeno ambiental (es decir, fracción de O2 gaseoso del aire), generalmente con el propósito de eliminar impurezas o sustancias volátiles y/o provocar una descomposición térmica . [1]
La raíz de la palabra calcinación se refiere a su uso más destacado, que es eliminar el carbono de la piedra caliza (carbonato de calcio) mediante la combustión para producir óxido de calcio (cal viva) . Esta reacción de calcinación es CaCO3 ( s) → CaO(s) + CO2 ( g). El óxido de calcio es un ingrediente crucial en el cemento moderno y también se utiliza como fundente químico en la fundición . La calcinación industrial generalmente emite dióxido de carbono (CO2 ) .
Un calcinador es un cilindro de acero que gira dentro de un horno calentado y realiza un procesamiento indirecto a alta temperatura (550–1150 °C, o 1000–2100 °F) dentro de una atmósfera controlada. [2]
Etimología
El proceso de calcinación deriva su nombre del latín calcinare 'quemar cal' [3] debido a su aplicación más común, la descomposición de carbonato de calcio ( caliza ) en óxido de calcio ( cal ) y dióxido de carbono , con el fin de crear cemento . El producto de la calcinación suele denominarse en general "calcinar", independientemente de los minerales reales que se sometan al tratamiento térmico.
Procesos industriales
La calcinación se lleva a cabo en hornos o reactores (a veces denominados calcinadores ) de diversos diseños, incluidos hornos de cuba, hornos rotatorios , hornos de solera múltiple y reactores de lecho fluidizado .
Algunos ejemplos de procesos de calcinación incluyen los siguientes:
- descomposición de minerales de carbonato, como en la calcinación de piedra caliza para eliminar el dióxido de carbono ;
- descomposición de minerales hidratados, como en la calcinación de bauxita y yeso , mineral de carbonato para eliminar el agua de cristalización en forma de vapor de agua;
- descomposición de la materia volátil contenida en el coque de petróleo crudo ;
- tratamiento térmico para efectuar transformaciones de fase, como en la conversión de anatasa en rutilo o la desvitrificación de materiales de vidrio ;
- eliminación de iones amonio en la síntesis de zeolitas ;
- desfluoración de fluoruro de uranilo para crear dióxido de uranio y gas de ácido fluorhídrico ;
- Tratamiento térmico de la antracita mediante horno de calcinación calentado eléctricamente o calcinación a gas que da como resultado el desarrollo de una estructura grafítica.
Reacciones
Las reacciones de calcinación suelen tener lugar a una temperatura igual o superior a la de descomposición térmica (para las reacciones de descomposición y volatilización) o a la temperatura de transición (para las transiciones de fase ). Esta temperatura suele definirse como la temperatura a la que la energía libre de Gibbs estándar para una reacción de calcinación particular es igual a cero.
Calcinación de piedra caliza
En la calcinación de piedra caliza, un proceso de descomposición que ocurre entre 900 y 1050 °C, la reacción química es
- CaCO 3 (s) → CaO (s) + CO 2 (g)
Hoy en día, esta reacción ocurre en gran medida en un horno de cemento .
La energía libre de Gibbs estándar de reacción en [J/mol] se aproxima como Δ G ° r ≈ 177.100 J/mol − 158 J/(mol*K) * T . [4] La energía libre estándar de reacción es 0 en este caso cuando la temperatura, T , es igual a 1121 K, o 848 °C.
Oxidación
En algunos casos, la calcinación de un metal da como resultado la oxidación del metal para producir un óxido metálico . En su ensayo " Respuesta formal a la pregunta de por qué el estaño y el plomo aumentan de peso cuando se calcinan " (1630), Jean Rey señala que "habiendo colocado dos libras y seis onzas de estaño inglés fino en un recipiente de hierro y calentado fuertemente en un horno abierto durante seis horas con agitación continua y sin agregarle nada, recuperó dos libras y trece onzas de cal blanca". Afirmó "que este aumento de peso proviene del aire, que en el recipiente se ha vuelto más denso, más pesado y en cierta medida adhesivo, por el calor vehemente y prolongado del horno: este aire se mezcla con la cal (ayudando con la agitación frecuente) y se adhiere a sus partículas más diminutas: no de otra manera que el agua hace más pesada la arena que se arroja en ella y se agita, humedeciéndola y adhiriéndose a los granos más pequeños", presumiblemente el metal ganó peso a medida que se oxidaba. [5]
A temperatura ambiente, el estaño es bastante resistente al impacto del aire o del agua, ya que se forma una fina película de óxido sobre la superficie del metal. En el aire, el estaño comienza a oxidarse a una temperatura superior a 150 °C: Sn + O 2 → SnO 2 . [6]
Antoine Lavoisier exploró este experimento con resultados similares tiempo después. [7]
Alquimia
En alquimia , se creía que la calcinación era uno de los 12 procesos vitales necesarios para la transformación de una sustancia.
Los alquimistas distinguían dos tipos de calcinación, la actual y la potencial . La actual es la que se produce por fuego real, a partir de madera, carbón u otro combustible, elevado a una determinada temperatura. La calcinación potencial es la que se produce por fuego potencial , como productos químicos corrosivos; por ejemplo, el oro se calcinaba en un horno de reverbero con mercurio y sal amoniacal ; la plata con sal común y sal alcalina ; el cobre con sal y azufre ; el hierro con sal amoniacal y vinagre ; el estaño con antimonio ; el plomo con azufre; y el mercurio con ácido nítrico . [8]
También existía la calcinación filosófica , que se decía que ocurría cuando los cuernos, pezuñas, etc., se colgaban sobre agua hirviendo u otro licor, hasta que perdían su mucílago y eran fácilmente reducibles a polvo. [8]
Según la obsoleta teoría del flogisto , la " cal " era la verdadera sustancia elemental que quedaba después de que el flogisto fuera expulsado de ella en el proceso de combustión . [9]
Referencias
- ^ "Calcinación". Compendio de terminología química de la IUPAC . 2014. doi :10.1351/goldbook.C00773.
- ^ "Procesamiento de alta temperatura con calcinadores".
- ^ Diccionario médico, de enfermería y de salud afines de Mosby, cuarta edición, Mosby-Year Book Inc., 1994, pág. 243
- ^ Gilchrist, JD (1989). Metalurgia de extracción (3.ª ed.). Oxford: Pergamon Press. pág. 145. ISBN 978-0-08-036612-8.
- ^ Rey, Jean (1953). Ensayos de Jean Rey, doctor en medicina, sobre una investigación de la causa por la que el estaño y el plomo aumentan de peso al calcinarse (1630). E. & S. Livingstone para el Alembic Club. OCLC 154124030.
- ^ "Estaño: sus estados de oxidación y reacciones con él".
- ^ "Calcinación de estaño de Lavoisier".
- ^ ab
Este artículo incorpora texto de una publicación que ahora es de dominio público : Chambers, Ephraim , ed. (1728). "Calcinación". Cyclopædia, or an Universal Dictionary of Arts and Sciences (1.ª ed.). James y John Knapton, et al. - ^ Daintith, John, ed. (2008). "Teoría del flogisto". Diccionario de química (6.ª ed.). Oxford University Press . doi :10.1093/acref/9780199204632.001.0001. ISBN 9780191726569– vía Oxford Reference.
A principios del siglo XVIII, Georg Stahl rebautizó la sustancia como flogisto (del griego "quemado") y amplió la teoría para incluir la calcinación (y corrosión) de los metales. De este modo, se pensaba que los metales estaban compuestos de cal (un residuo en polvo) y flogisto; cuando se calentaba un metal, el flogisto se liberaba y la cal permanecía. El proceso podía revertirse calentando el metal sobre carbón (una sustancia que se creía rica en flogisto, porque la combustión lo consumía casi por completo). La cal absorbería el flogisto liberado por el carbón en llamas y se volvería metálica de nuevo.
