Het calcineren is een proces waarbij een vast monster wordt blootgesteld aan hoge temperaturen in aanwezigheid of afwezigheid van zuurstof. In analytische chemie is het een van de laatste stappen van gravimetrische analyse. Het monster kan daarom van elke aard zijn, anorganisch of organisch; maar het gaat vooral over mineralen, kleien of gelatineuze oxiden.
Wanneer calcineren wordt uitgevoerd onder luchtstromen, wordt gezegd dat het plaatsvindt in een zuurstofrijke atmosfeer; zoals het eenvoudig verhitten van een vaste stof met een verbrandingsproduct in open ruimtes, of in ovens waarop geen vacuüm kan worden toegepast.
Rudimentaire of alchemistische calcinering onder de blote hemel. Bron: Pixabay.
Als zuurstof wordt vervangen door stikstof of een edelgas, dan vindt calcinering plaats onder een inerte atmosfeer. Het verschil tussen de atmosferen die in wisselwerking staan met de verwarmde vaste stof hangt af van de gevoeligheid voor oxidatie; dat wil zeggen, reageren met zuurstof om in een andere, meer geoxideerde verbinding te veranderen.
Bij calcineren wordt niet gezocht naar het smelten van de vaste stof, maar naar het chemisch of fysisch modificeren om te voldoen aan de kwaliteiten die vereist zijn voor de toepassingen ervan. Het bekendste voorbeeld is het calcineren van kalksteen, CaCO 3 , om het om te zetten in de kalk, CaO, nodig voor beton.
Werkwijze
Het verband tussen de warmtebehandeling van kalksteen en de term calcineren is zo nauw dat het in feite niet ongebruikelijk is om aan te nemen dat dit proces alleen van toepassing is op calciumverbindingen; Dit is echter niet waar.
Alle vaste stoffen, anorganisch of organisch, kunnen calcineren zolang ze niet smelten. Daarom moet het verwarmingsproces plaatsvinden onder het smeltpunt van het monster; Tenzij het een mengsel is waarbij een van de componenten smelt terwijl de andere vast blijven.
Het calcineringsproces varieert afhankelijk van het monster, de schalen, het doel en de kwaliteit van de vaste stof na de warmtebehandeling. Dit kan globaal worden onderverdeeld in twee typen: analytisch en industrieel.
Analytisch
Wanneer het calcinatieproces analytisch is, is het over het algemeen een van de laatste onmisbare stappen voor gravimetrische analyse.
Zo is er bijvoorbeeld na een reeks chemische reacties een neerslag ontstaan dat er tijdens de vorming niet uitziet als een zuivere vaste stof; uiteraard ervan uitgaande dat de verbinding van tevoren bekend is.
Ongeacht de zuiveringstechnieken bevat het neerslag nog steeds water dat moet worden verwijderd. Als dergelijke watermoleculen zich aan het oppervlak bevinden, zijn hoge temperaturen niet nodig om ze te verwijderen; maar als ze "vastzitten" in de kristallen, kan de oventemperatuur hoger zijn dan 700-1000 ºC.
Dit zorgt ervoor dat het neerslag droog is en waterdampen worden verwijderd; bijgevolg wordt zijn samenstelling definitief.
Ook als het neerslag thermische ontleding ondergaat, moet de temperatuur waarbij het gecalcineerd moet worden hoog genoeg zijn om te verzekeren dat de reactie voltooid is; anders zou je een solide van ongedefinieerde compositie hebben.
De volgende vergelijkingen vatten de twee voorgaande punten samen:
A nH 2 O => A + nH 2 O (damp)
A + Q (warmte) => B
De ongedefinieerde vaste stoffen zouden mengsels A / A · nH 2 O en A / B zijn, terwijl ze idealiter respectievelijk zuiver A en B zouden moeten zijn.
Industrieel
Bij een industrieel calcineringsproces is de kwaliteit van het calcineren net zo belangrijk als bij gravimetrische analyse; maar het verschil zit hem in de montage, de methode en de geproduceerde hoeveelheden.
In het analytische probeert men de prestatie van een reactie of de eigenschappen van het gecalcineerde te bestuderen; terwijl het in de industriële sector belangrijker is hoeveel er wordt geproduceerd en voor hoelang.
De beste weergave van een industrieel calcineringsproces is de warmtebehandeling van kalksteen, zodat het de volgende reactie ondergaat:
CaCO 3 => CaO + CO 2
Calciumoxide, CaO, is de kalk die nodig is om cement te maken. Als de eerste reactie wordt aangevuld met deze twee:
CaO + H 2 O => Ca (OH) 2
Ca (OH) 2 + CO 2 => CaCO 3
De resulterende CaCO 3- kristallen kunnen worden bereid en op maat worden gemaakt uit robuuste massa's van dezelfde verbinding. Zo wordt niet alleen CaO geproduceerd, maar worden ook CaCO 3 microkristallen verkregen die nodig zijn voor filters en andere verfijnde chemische processen.
Alle metaalcarbonaten worden op dezelfde manier afgebroken, maar bij verschillende temperaturen; dat wil zeggen, hun industriële calcineringsprocessen kunnen heel verschillend zijn.
Soorten calcinering
Op zichzelf is er geen manier om calcinering te classificeren, tenzij we ons baseren op het proces en de veranderingen die de vaste stof ondergaat bij toenemende temperatuur. Vanuit dit laatste perspectief kan worden gezegd dat er twee soorten calcinering zijn: de ene chemische en de andere fysische.
Chemie
Chemische calcinering is er een waarbij het monster, de vaste stof of het neerslag thermische ontleding ondergaat. Dit werd verklaard voor het geval van CaCO 3 . De compound is niet meer hetzelfde nadat de hoge temperaturen zijn aangebracht.
Fysiek
Fysische calcinering is er een waarbij de aard van het monster uiteindelijk niet verandert zodra het waterdamp of andere gassen heeft vrijgegeven.
Een voorbeeld is de totale dehydratatie van een neerslag zonder een reactie te ondergaan. Ook kan de grootte van de kristallen veranderen afhankelijk van de temperatuur; bij hogere temperaturen hebben de kristallen de neiging groter te zijn en de structuur kan daardoor "puffen" of barsten.
Dit laatste aspect van calcineren: controle van de grootte van de kristallen, is niet in detail behandeld, maar het is het vermelden waard.
Toepassingen
Ten slotte wordt een reeks algemene en specifieke calcinatietoepassingen opgesomd:
- Ontleding van metaalcarbonaten in hun respectievelijke oxiden. Hetzelfde geldt voor oxalaten.
-Dehydratatie van mineralen, gelatineuze oxiden of elk ander monster voor gravimetrische analyse.
-Zendt een vaste stof naar een faseovergang, die bij kamertemperatuur metastabiel zou kunnen zijn; dat wil zeggen, zelfs als je nieuwe kristallen waren afgekoeld, zouden ze de tijd nodig hebben om terug te keren naar hoe ze waren vóór het calcineren.
-Activeert aluminiumoxide of koolstof om de poriën te vergroten en zich net zo goed te gedragen als absorberende vaste stoffen.
-Modificeert de structurele, vibrerende of magnetische eigenschappen van minerale nanodeeltjes zoals Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4 ; dat wil zeggen, ze ondergaan fysische calcinering, waarbij warmte de grootte of vorm van de kristallen beïnvloedt.
-Hetzelfde eerdere effect kan worden waargenomen in eenvoudiger vaste stoffen zoals SnO 2- nanodeeltjes , die in omvang toenemen wanneer ze door hoge temperaturen worden gedwongen te agglomereren; of in anorganische pigmenten of organische kleurstoffen, waarbij de temperatuur en de korrels hun kleur beïnvloeden.
-En ontzwavelt cokesmonsters van ruwe olie, evenals andere vluchtige stoffen.
Referenties
- Day, R., & Underwood, A. (1989). Kwantitatieve analytische chemie (vijfde ed.). PEARSON Prentice Hall.
- Wikipedia. (2019). Calcineren. Hersteld van: en.wikipedia.org
- Elsevier. (2019). Calcineren. ScienceDirect. Hersteld van: sciencedirect.com
- Hubbe Martin. (sf). Mini-Encyclopedia of Papermaking Wet-End Chemistry. Hersteld van: projects.ncsu.edu
- Indrayana, IPT, Siregar, N., Suharyadi, E., Kato, T. & Iwata, S. (2016). De calcineringstemperatuurafhankelijkheid van microstructurele, trillingsspectra en magnetische eigenschappen van nanokristallijn Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4 . Journal of Physics: Conference Series, Volume 776, Issue 1, artikel-id. 012021.
- FEECO International, Inc. (2019). Calcineren. Hersteld van: feeco.com
- Gaber, MA Abdel-Rahim, AY Abdel-Latief, Mahmoud. N. Abdel-Salam. (2014). Invloed van calcineringstemperatuur op de structuur en porositeit van nanokristallijn SnO 2 gesynthetiseerd door een conventionele precipitatiemethode. International Journal of Electrochemical Science.