На калцинирането е процес, в който твърда проба се подлага на високи температури в присъствието или отсъствието на кислород. В аналитичната химия това е един от последните етапи на гравиметричния анализ. Следователно пробата може да бъде от всякакъв характер, неорганична или органична; но най-вече става въпрос за минерали, глини или желатинови оксиди.
Когато калцинирането се извършва под въздушни течения, се казва, че се извършва в кислородна атмосфера; като просто загряване на твърдо вещество с огнен продукт на горене на открито или в пещи, към които не може да се приложи вакуум.
Рудиментарна или алхимична калцинация под открито небе. Източник: Pixabay
Ако кислородът се замени с азот или благороден газ, тогава се казва, че калцинирането се извършва в инертна атмосфера. Разликата между атмосферите, които взаимодействат с нагрятото твърдо вещество, зависи от неговата чувствителност към окисляване; тоест да реагира с кислород, за да се трансформира в друго по-окислено съединение.
Това, което се търси при калцинирането, е да не се разтопи твърдото вещество, а да се модифицира химически или физически, за да отговори на качествата, необходими за неговите приложения. Най-известният пример е калцинирането на варовик, CaCO 3, за да се превърне в вар, CaO, необходим за бетон.
процес
Връзката между термичната обработка на варовик и термина калциниране е толкова близка, че всъщност не е рядкост да се предполага, че този процес се прилага само за калциеви съединения; Това обаче не е вярно.
Всички твърди вещества, неорганични или органични, могат да калцинират, стига да не се стопят. Следователно процесът на нагряване трябва да се извърши под точката на топене на пробата; Освен ако не е смес, при която един от нейните компоненти се стопява, докато останалите остават твърди.
Процесът на калциниране варира в зависимост от пробата, скалата, целта и качеството на твърдото вещество след термичната му обработка. Това може да бъде разделено глобално на два вида: аналитично и индустриално.
аналитичен
Когато процесът на калциниране е аналитичен, обикновено това е една от последните незаменими стъпки за гравиметричен анализ.
Например след поредица от химични реакции се получава утайка, която по време на образуването си не изглежда като чисто твърдо вещество; очевидно се приема, че съединението е известно предварително.
Независимо от техниките за пречистване, утайката все още има вода, която трябва да бъде отстранена. Ако такива водни молекули са на повърхността, няма да са необходими високи температури за отстраняването им; но ако те са "хванати" вътре в кристалите, тогава температурата на фурната може да трябва да надвишава 700-1000ºC.
Това гарантира, че утайката е суха и водните пари се отстраняват; впоследствие съставът му става определен.
По същия начин, ако утайката се подлага на термично разлагане, температурата, при която трябва да се калцинира, трябва да бъде достатъчно висока, за да се гарантира, че реакцията е завършена; в противен случай ще имате твърдо вещество с неопределен състав.
Следните уравнения обобщават двете предишни точки:
A nH 2 O => A + nH 2 O (пара)
A + Q (топлина) => B
Неопределеното твърдите вещества ще бъдат смеси А / А · пН 2 О и А / В, когато идеално те трябва да бъдат чисти А и В, съответно.
индустриален
В процеса на индустриално калциниране качеството на калцинирането е също толкова важно, колкото при гравиметричния анализ; но разликата е в монтажа, метода и произведените количества.
В аналитичния се стреми да изследва действието на реакцията или свойствата на калцинираното; докато в индустриалния сектор е по-важно колко се произвежда и за колко време.
Най-доброто представяне на индустриалния процес на калциниране е термичната обработка на варовик, така че да претърпи следната реакция:
CaCO 3 => CaO + CO 2
Калциевият оксид, CaO, е вар, необходим за производството на цимент. Ако първата реакция се допълни от тези две:
СаО + H 2 O => Са (ОН) 2
Ca (OH) 2 + CO 2 => CaCO 3
Получените СаСО 3 кристали могат да бъдат получени и оразмерени от здрави маси от същото съединение. Така се получава не само СаО, но и микрокристалите CaCO 3, необходими за филтри и други рафинирани химични процеси.
Всички метални карбонати се разлагат по един и същи начин, но при различни температури; т. е. техните индустриални процеси на калциниране могат да бъдат много различни.
Видове калциниране
Само по себе си няма начин да класифицираме калцинирането, освен ако не се основаваме на процеса и на промените, които твърдото вещество претърпява с повишаването на температурата. От тази последна гледна точка може да се каже, че има два вида калциниране: един химичен, а другият физичен.
Химия
Химичното калциниране е това, при което пробата, твърдото вещество или утайката се подлагат на термично разлагане. Това беше обяснено за случая с CaCO 3. Съединението не е същото след прилагането на високите температури.
физически
Физическото калциниране е това, при което естеството на пробата в крайна сметка не се променя, след като е отделила водна пара или други газове.
Пример е пълното дехидратация на утайка без реакция. Също така размерът на кристалите може да се променя в зависимост от температурата; при по-високи температури кристалите са склонни да бъдат по-големи и структурата може да "се надуе" или да се напука в резултат.
Последният аспект на калцинирането: контролът върху размера на кристалите не е разгледан подробно, но си струва да се спомене.
Приложения
Накрая ще бъдат изброени серия от общи и специфични приложения за калциниране:
-Разлагане на метални карбонати в съответните им оксиди. Същото важи и за оксалатите.
- Дехидратация на минерали, желатинови оксиди или друга проба за гравиметричен анализ.
-Подава твърдо вещество към фазов преход, който може да бъде метастабилен при стайна температура; тоест, дори ако новите ви кристали са били охладени, ще им отнеме време, за да се върнете към начина, по който са били преди калцинирането.
-Активира алуминий или въглерод, за да увеличи размера на порите си и да се държи, както и абсорбиращи твърди вещества.
-Modifies структурните, вибрационни или магнитни свойства на минералните наночастици като Мп 0.5 Zn 0.5 Fe 2 O 4; тоест те претърпяват физическо калциниране, където топлината влияе върху размера или формите на кристалите.
-Същият предишен ефект може да се наблюдава при по-прости твърди вещества като SnO 2 наночастици, които се увеличават по размер, когато са принудени да се агломерират при високи температури; или в неорганични пигменти или органични оцветители, където температурата и зърната влияят на техните цветове.
-И десулфурира коксовите проби от суров нефт, както и всяко друго летливо съединение.
Препратки
- Day, R., & Underwood, A. (1989). Количествена аналитична химия (пето издание). PEARSON Prentice Hall.
- Wikipedia. (2019). Калциране. Възстановено от: en.wikipedia.org
- Elsevier. (2019). Калциране. ScienceDirect. Възстановено от: sciencedirect.com
- Хъбе Мартин. (SF). Мини-енциклопедия за производство на хартия от влажна химия. Възстановено от: projects.ncsu.edu
- Indrayana, IPT, Siregar, N., Suharyadi, E., Kato, T. & Iwata, S. (2016). Зависимостта на температурата на калциниране на микроструктурни, вибрационни спектри и магнитни свойства на нанокристални Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4. Journal of Physics: Conference Series, том 776, брой 1, идентификатор на статията. 012 021.
- FEECO International, Inc. (2019). Калциране. Възстановени от: feeco.com
- Габер, МА Абдел-Рахим, AY Абдел-Латиеф, Махмуд. Н. Абдел-Салам. (2014). Влияние на температурата на калциниране върху структурата и порьозността на нанокристалния SnO 2, синтезиран по конвенционален метод за валежи. Международно списание за електрохимични науки.