Calcinación

Calcinación es tratamiento térmico de un compuesto químico sólido (por ejemplo, ores de carbonato mixto) por el cual el compuesto se eleva a alta temperatura sin fundirse bajo el suministro restringido de oxígeno ambiente (es decir, O gaseoso)₂ fracción de aire), generalmente para la eliminación de impurezas o sustancias volátiles y/o para incurrir en descomposición térmica.

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), lo que la convierte en un importante contribuyente al cambio climático.

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.

Procesos industriales

El proceso de calcinación deriva su nombre del latín calcinare 'quemar cal' debido a su aplicación más común, la descomposición del carbonato de calcio (piedra caliza) en óxido de calcio (cal) y dióxido de carbono, para crear cemento. El producto de la calcinación suele denominarse en general "calcina", independientemente de los minerales reales que se someten a tratamiento térmico. La calcinación se lleva a cabo en hornos o reactores (a veces denominados hornos o calcinadores) de diversos diseños, incluidos hornos de cuba, hornos rotatorios, hornos de soleras múltiples y reactores de lecho fluidizado.

Ejemplos de procesos de calcinación incluyen los siguientes:

• descomposición de minerales de carbonato, como en la calcinación de piedra caliza para expulsar 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 como vapor de agua;
• descomposición de materia volátil contenida en la coca de petróleo crudo;
• tratamiento térmico para realizar transformaciones de fase, como en conversión de la anatasa a la rutilación o desvitrificación de materiales de vidrio;
• eliminación de iones de amonio en la síntesis de zeolitas;
• defluoración del fluoruro de uranilo para crear dióxido de uranio y gas ácido hidrofluoro;
• tratamiento térmico de la antracita a través de horno calcinante eléctrico o calcinación de gas que resulta en el desarrollo de la estructura grafica.

Reacciones

Las reacciones de calcinación generalmente tienen lugar a la temperatura de descomposición térmica o por encima de ella (para reacciones de descomposición y volatilización) o a la temperatura de transición (para transiciones de fase). Esta temperatura generalmente se define como la temperatura a la cual 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

CaCO₃s) → CaO(s) + CO₂g)

Hoy en día, esta reacción ocurre principalmente en un horno de cemento.

La energía libre de reacción de Gibbs estándar en [J/mol] se aproxima como ΔG°_r ≈ 177,100 J/mol − 158 J/(mol*K) *T. 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 fino estaño inglés en un recipiente de hierro y calentándolo 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: "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: aire que se mezcla con el se caliza (ayuda de agitación frecuente) y se adhiere a sus partículas más diminutas: solo el agua produce arena más pesada que se arroja y se agita, humedeciéndola y adhiriendo al más pequeño de sus granos", presumiblemente el metal ganó peso. mientras se estaba oxidando.

A temperatura ambiente, el estaño es bastante resistente al impacto del aire o del agua, ya que se forma una fina película de óxido en la superficie del metal. En el aire, el estaño comienza a oxidarse a una temperatura superior a 150 °C: Sn + O₂ → SnO₂.

Antoine Lavoisier exploró este experimento con resultados similares tiempo después.

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, actual y potencial. La calcinación real es la que se produce mediante el fuego real, de madera, carbón u otro combustible, elevado a una determinada temperatura. La calcinación potencial es la provocada por un potencial fuego, como el de productos químicos corrosivos; por ejemplo, el oro se calcinaba en un horno de reverbero con mercurio y salamoniaco; plata con sal común y sal alcalina; cobre con sal y azufre; planchar con sal amoniacal y vinagre; estaño con antimonio; plomo con azufre; y mercurio con ácido nítrico.

También existía la calcinación filosófica, que se decía que ocurría cuando cuernos, pezuñas, etc., se colgaban sobre agua hirviendo u otro licor, hasta que perdían su mucílago y eran fácilmente reducibles. en polvo.

Según la obsoleta teoría del flogisto, la 'calx' Era la verdadera sustancia elemental que quedaba después de que el flogisto fuera expulsado en el proceso de combustión.