Carburo de calcio
El material puro es incoloro, mientras que las piezas de carburo de calcio de calidad técnica son grises o marrones y están formadas por un 80-85 % de CaC2 (el resto es CaO (óxido de calcio), Ca 3P2 (fosfuro de calcio), CaS (sulfuro de calcio), Ca3N2 (nitruro de calcio), SiC (carburo de silicio), etc.). En presencia de trazas de humedad, el carburo de calcio de grado técnico emite un olor desagradable que recuerda al ajo.
Las aplicaciones del carburo de calcio incluyen la fabricación de gas acetileno, la generación de acetileno en lámparas de carburo, la fabricación de productos químicos para fertilizantes y la fabricación de acero.
Producción
El carburo de calcio se produce industrialmente en un horno de arco eléctrico a partir de una mezcla de cal y coque a aproximadamente 2200 °C (3990 °F). Esta es una reacción endotérmica que requiere 110 kilocalorías (460 kJ) por mol y altas temperaturas para eliminar el monóxido de carbono. Este método no ha cambiado desde su invención en 1892:
- CaO + 3 C → CaC2 + CO
La alta temperatura requerida para esta reacción no se puede lograr prácticamente mediante la combustión tradicional, por lo que la reacción se realiza en un horno de arco eléctrico con electrodos de grafito. El producto de carburo producido generalmente contiene alrededor del 80% en peso de carburo de calcio. El carburo se tritura para producir pequeños grumos que pueden variar desde unos pocos mm hasta 50 mm. Las impurezas se concentran en las fracciones más finas. El contenido de CaC2 del producto se ensaya midiendo la cantidad de acetileno producido en la hidrólisis. Como ejemplo, los estándares británico y alemán para el contenido de las fracciones más gruesas son 295 L/kg y 300 L/kg respectivamente (a una presión de 101 kPa y una temperatura de 20 °C (68 °F)). Las impurezas presentes en el carburo incluyen fosfuro de calcio, que produce fosfina cuando se hidroliza.
Esta reacción fue una parte importante de la revolución industrial en la química y fue posible en los Estados Unidos como resultado de cantidades masivas de energía hidroeléctrica económica producida en las Cataratas del Niágara antes de principios del siglo XX. El método del horno de arco eléctrico fue descubierto en 1892 por T. L. Willson, e independientemente en el mismo año por H. Moissan. En Jajce, Bosnia y Herzegovina, el industrial austriaco Josef Kranz y su empresa "Bosnische-Elektrizitäts AG", cuyo sucesor más tarde se convirtió en "Elektro-Bosna", inauguró en 1899 la mayor fábrica química para la producción de carburo de calcio del momento en Europa. Se construyó una central hidroeléctrica en el río Pliva con una capacidad instalada de 8 MW para suministrar electricidad a la fábrica, la primera central eléctrica de este tipo en el sudeste de Europa y entró en funcionamiento el 24 de marzo de 1899.
Estructura cristalina
El carburo de calcio puro es un sólido incoloro. La forma cristalina común a temperatura ambiente es una estructura de sal de roca distorsionada con las unidades C22− paralelas. Hay tres polimorfos diferentes que aparecen a temperatura ambiente: la estructura tetragonal y dos estructuras monoclínicas diferentes.
Aplicaciones
Producción de acetileno
La reacción del carburo de calcio con el agua, que produce acetileno e hidróxido de calcio, fue descubierta por Friedrich Wöhler en 1862.
- CaC2s) + 2H2Oaq) → C2H2g) + Ca(OH)2aq)
Esta reacción fue la base de la fabricación industrial de acetileno y es el principal uso industrial del carburo de calcio.
Hoy en día, el acetileno se fabrica principalmente por la combustión parcial de metano o aparece como un producto secundario en la corriente de etileno del craqueo de hidrocarburos. Anualmente se producen unas 400.000 toneladas de esta forma (ver Preparación de acetileno).
En China, el acetileno derivado del carburo de calcio sigue siendo materia prima para la industria química, en particular para la producción de cloruro de polivinilo. El acetileno producido localmente es más económico que el uso de petróleo importado. La producción de carburo de calcio en China ha ido en aumento. En 2005 la producción fue de 8,94 millones de toneladas, con capacidad para producir 17 millones de toneladas.
En los Estados Unidos, Europa y Japón, el consumo de carburo de calcio en general está disminuyendo. Los niveles de producción en los EE. UU. durante la década de 1990 fueron de 236.000 toneladas por año.
Producción de cianamida cálcica
El carburo de calcio reacciona con nitrógeno a alta temperatura para formar cianamida de calcio:
- CaC2 + N2 → CaCN2 + C
Comúnmente conocida como nitrolima, la cianamida de calcio se usa como fertilizante. Se hidroliza a cianamida, H2NCN.
Acería
El carburo de calcio se utiliza:
- en la desulfuración de hierro (hierro, hierro fundido y acero)
- como combustible en la fabricación de acero para extender la relación de chatarra a hierro líquido, dependiendo de la economía.
- como un poderoso desoxidante en las instalaciones de tratamiento de la vela.
Lámparas de carburo
El carburo de calcio se utiliza en lámparas de carburo. El agua que gotea sobre el carburo produce gas acetileno, que se quema y produce luz. Si bien estas lámparas daban una luz más constante y brillante que las velas, eran peligrosas en las minas de carbón, donde el gas metano inflamable las convertía en un peligro grave. La presencia de gases inflamables en las minas de carbón dio lugar a lámparas de seguridad para mineros como la lámpara Davy, en la que una malla de alambre reduce el riesgo de ignición por metano. Las lámparas de carburo todavía se usaban ampliamente en minas de pizarra, cobre y estaño donde el metano no es un peligro grave. La mayoría de los mineros' Las lámparas ahora han sido reemplazadas por lámparas eléctricas.
Las lámparas de carburo todavía se utilizan para la minería en algunos países menos ricos, por ejemplo, en las minas de plata cerca de Potosí, Bolivia. Algunos espeleólogos que exploran cuevas y otras áreas subterráneas también siguen utilizando lámparas de carburo, aunque cada vez están siendo reemplazadas en este uso por luces LED.
Las lámparas de carburo también se usaban mucho como faros en los primeros automóviles, motocicletas y bicicletas, pero han sido reemplazadas completamente por lámparas eléctricas.
Otros usos
El carburo de calcio a veces se usa como fuente de acetileno, que al igual que el gas etileno, es un agente de maduración. Sin embargo, esto es ilegal en algunos países ya que, en la producción de acetileno a partir de carburo de calcio, la contaminación a menudo conduce a trazas de producción de fosfina y arsina. Estas impurezas se pueden eliminar haciendo pasar el gas acetileno a través de una solución de sulfato de cobre acidificada, pero, en los países en desarrollo, esta precaución a menudo se descuida.
El carburo de calcio se utiliza en cañones de juguete como el Big-Bang Cannon, así como en cañones de bambú. En los Países Bajos, el carburo de calcio se usa alrededor del año nuevo para disparar con lecheras.
El carburo de calcio, junto con el fosfuro de calcio, se utiliza en bengalas de señales navales flotantes y de encendido automático, como las producidas por Holmes' Asociación para la Protección de la Vida Marina.
El carburo de calcio se utiliza para determinar el contenido de humedad del suelo. Cuando el suelo y el carburo de calcio se mezclan en un cilindro de presión cerrado, el contenido de agua en el suelo reacciona con el carburo de calcio para liberar acetileno cuya presión se puede medir para determinar el contenido de humedad.
El carburo de calcio se vende comercialmente como repelente de topos. Cuando entra en contacto con el agua, el gas producido ahuyenta a los topos.
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