La calcinació és un procés en el qual una mostra sòlida se sotmet a altes temperatures en presència o absència d'oxigen. En química analítica és un dels últims passos de l'anàlisi gravimètric. La mostra pot ser per tant de qualsevol naturalesa, inorgànica o orgànica; però en especial, es tracta de minerals, argiles, o òxids gelatinosos.
Quan la calcinació es realitza sota corrents d'aire, es diu que passa en una atmosfera oxigenada; tal com simplement escalfar un sòlid amb foc producte de la combustió en espais oberts, o en forns als quals no se'ls pugui aplicar buit.
Calcinació rudimentària o alquímica a cel obert. Font: Pixabay.
Si l'oxigen és reemplaçat per nitrogen o un gas noble, es diu llavors que la calcinació passa sota atmosfera inert. La diferència entre les atmosferes que interactuen amb el sòlid escalfat depèn de la sensibilitat de la mateixa a oxidar; és a dir, a reaccionar amb l'oxigen per transformar-se en un altre compost més oxidat.
El que es busca amb la calcinació no és fondre el sòlid, sinó modificar-química o físicament per complir amb les qualitats requerides per a les seves aplicacions. L'exemple més conegut és el de la calcinació de la pedra calcària, CaCO 3, per convertir-la en calç, CaO, necessària per al concret.
procés
És tan estreta la relació entre el tractament tèrmic de la pedra calcària i el terme calcinació, que de fet no és estrany suposar que aquest procés s'aplica únicament per a compostos de calci; però, això no és cert.
Tots els sòlids, inorgànics o orgànics, poden calcinar sempre que no es funden. Per tant, el procés d'escalfament ha de donar-se per sota del punt de fusió de la mostra; a menys, que es tracti d'una barreja on un dels seus components es funden mentre els altres romanen sòlids.
El procés de calcinació varia en funció de la mostra, les escales, l'objectiu i qualitat de l'sòlid després de la seva termotratamiento. Aquest pot de manera global dividir-se en dos tipus: analític i industrial.
analític
Quan el procés de calcinació és analític, es tracta generalment d'un dels últims passos indispensable per a l'anàlisi gravimètric.
Per exemple, després d'una sèrie de reaccions químiques s'ha obtingut un precipitat, el qual durant la seva formació no llueix com un sòlid pur; suposant evidentment que es coneix per endavant quin és el compost.
Sense importar les tècniques de purificació, el precipitat encara posseeix aigua que ha de ser eliminada. Si aquestes molècules d'aigua es troben en la superfície, no es requerirà d'elevades temperatures per eliminar; però si estan "atrapades" dins dels vidres, llavors la temperatura de l'forn pot ser que hagi de sobrepassar els 700-1000ºC.
D'aquesta manera es garanteix que el precipitat estigui sec i s'eliminin els vapors d'aigua; en conseqüència, la seva composició es torna definida.
Així mateix, si el precipitat pateix de descomposició tèrmica, la temperatura a la qual haurà calcinar ha de ser prou alta per assegurar que la reacció es completi; en cas contrari, es tindria un sòlid de composició indefinida.
Les següents equacions resumeixen els dos punts anteriors:
A · nH 2 O => A + NH 2 O (vapor)
A + Q (calor) => B
Els sòlids indefinits serien barreges A / A · nH 2 O i A / B, quan idealment han de ser A i B purs, respectivament.
industrial
En un procés de calcinació industrial és igual d'important la qualitat de l'calcinat com en l'anàlisi gravimètric; però la diferència està en el muntatge, el mètode i les quantitats produïdes.
Al analític es busca estudiar el rendiment d'una reacció, o les propietats de l'calcinat; mentre que en l'industrial, té més importància el què tant es produeix i en quant de temps.
La millor representació d'un procés de calcinació industrial ve a ser el tractament tèrmic de la pedra calcària per a que pateixi la següent reacció:
CaCO 3 => CaO + CO 2
L'òxid de calci, CaO, és la calç necessària per a l'elaboració d'el ciment. Si la primera reacció es complementa amb aquestes dues:
CaO + H 2 O => Ca (OH) 2
Ca (OH) 2 + CO 2 => CaCO 3
Podrà preparar-se i controlar-se la mida dels cristalls de CaCO 3 resultants a partir de masses robustes de el mateix compost. Així, no només es produeix CaO, sinó que a més s'obtenen microcristalls de CaCO 3, necessaris per a filtres i altres processos químics refinats.
Tots els carbonats metàl·lics es descomponen de la mateixa manera, però a diferents temperatures; és a dir, els seus processos industrials de calcinació poden arribar a ser molt diferents.
Tipus de calcinació
En si mateix no hi ha una manera de classificar la calcinació, llevat que ens basem en el procés i en els canvis que pateix el sòlid enfront de l'increment de temperatura. Des d'aquesta última perspectiva, es pot dir que hi ha dos tipus de calcinació: una química, i una altra física.
química
La calcinació química és aquella on la mostra, el sòlid o precipitat pateix una descomposició tèrmica. Això es va explicar per al cas de l'CaCO 3. El compost no és el mateix després que s'hagi aplicat les altes temperatures.
física
La calcinació física és aquella on la naturalesa de la mostra no es modifica a la fin un cop hagi alliberat vapor d'aigua o altres gasos.
Un exemple és la deshidratació total d'un precipitat sense que pateixi una reacció. Així mateix, la mida dels cristalls pot canviar en funció de la temperatura; a major temperatura, els vidres tendeixen a ser més grans i l'estructura pot "esponjar" o esquerdar a conseqüència d'això.
Aquest últim aspecte de la calcinació: el control de la mida dels cristalls, no s'ha abordat a detall, però no està de més esmentar-ho.
aplicacions
Per finalitzar es enlistara una sèrie d'aplicacions generals i específiques de la calcinació:
-Descomposició dels carbonats metàl·lics en els seus respectius òxids. El mateix aplica per als oxalats.
-Deshidratación de minerals, òxids gelatinosos o alguna altra mostra per a l'anàlisi gravimètric.
-Somete un sòlid a una transició de fase, la qual pogués ser metastable a temperatura ambient; és a dir, fins i tot si es refredessin els seus nous vidres, demorarien a tornar a com eren abans de la calcinació.
-Activa l'alúmina o el carbó per augmentar la mida dels seus porus i comportar-se així com sòlids absorbents.
-Modifica les propietats estructurals, vibracionals o magnètiques de nanopartícules de minerals tals com el Mn 0.5 Zn 0.5 Fe 2 O 4; és a dir, pateixen una calcinació física, on la calor influeix en la mida o formes dels cristalls.
-El mateix efecte anterior pot observar-se en sòlids més simples com les nanopartícules de SnO 2, les quals augmenten de mida quan es veuen forçades a aglomerar per les altes temperatures; o en pigments inorgànics o colorants orgànics, on la temperatura i els grans influeixen en els seus colors.
-I desulfura mostres de coc de el cru petrolier, així com qualsevol altre compost volàtil.
referències
- Day, R., & Underwood, A. (1989). Química Analítica Quantitativa (cinquena ed.). PEARSON Prentice Hall.
- Wikipedia. (2019). Calcination. Recuperat de: en.wikipedia.org
- Elsevier. (2019). Calcination. ScienceDirect. Recuperat de: sciencedirect.com
- Hubbe Martin. (Sf). Mini-Encyclopedia of Papermaking Wet-End Chemistry. Recuperat de: projects.ncsu.edu
- Indrayana, IPT, Siregar, N., Suharyadi, E., Kato, T. & Iwata, S. (2016). The calcination temperature dependence of microstructural, vibrational spectra and magnetic properties of nanocrystalline Mn 0.5 Zn 0.5 Fe 2 O 4. Journal of Physics: Conference Series, Volume 776, Issue 1, article id. 012.021.
- FEECO International, Inc (2019). Calcination. Recuperat de: feeco.com
- Gaber, MA Abdel Rahim, AI Abdel-Latief, Mahmud. N. Abdel-Salam. (2014). Influence of Calcination Temperature on the Structure and Porosity of Nanocrystalline SnO 2 Synthesized by a Conventional Precipitation method. International Journal of Electrochemical Science.