La calcinación es el tratamiento térmico de un compuesto químico sólido (por ejemplo, minerales de carbonato mixto ) mediante el cual el compuesto se eleva a alta temperatura sin fundirse bajo un suministro restringido de oxígeno ambiental (es decir, fracción de O 2 gaseoso del aire), generalmente con el fin de eliminar impurezas o sustancias volátiles. sustancias y/o provocar descomposición térmica . [1]
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 CaCO 3 (s) → CaO(s) + CO 2 (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 (CO 2 ), 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 a 1150 °C o 1000 a 2100 °F) dentro de una atmósfera controlada. [2]
El proceso de calcinación deriva su nombre del latín calcinare 'quemar cal' [3] debido a su aplicación más común, la descomposición de 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 varios diseños, incluidos hornos de cuba, hornos rotatorios , hornos de soleras múltiples y reactores de lecho fluidizado .
Ejemplos de procesos de calcinación incluyen los siguientes:
Las reacciones de calcinación suelen tener 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.
En la calcinación de piedra caliza, un proceso de descomposición que ocurre entre 900 y 1050 °C, la reacción química es
Hoy en día, esta reacción se produce principalmente en un horno de cemento .
La energía libre de reacción de Gibbs estándar en [J/mol] se aproxima como Δ G ° r ≈ 177,100 J/mol − 158 J/(mol*K) * T . [4] La energía libre estándar de reacción es 0 en este caso cuando la temperatura, T , es igual a 1121 K, o 848 °C.
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 sobre en un horno abierto por espacio de seis horas con continua agitación y sin agregarle nada, recuperó dos libras y trece onzas de cal blanca". Afirmó: "Que 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 la cal (frecuente ayuda a la agitación) y se adhiere a sus partículas más diminutas: no es otra cosa que el agua produce arena más pesada que se arroja y se agita, humedeciéndola y adhiriéndose al más pequeño de sus granos", presumiblemente el metal ganó peso a medida que se oxidaba. . [5]
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 + O 2 → SnO 2 . [6]
Antoine Lavoisier exploró este experimento con resultados similares tiempo después. [7]
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, real 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 posible incendio, 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 . [8]
También existía la calcinación filosófica , que se decía que ocurría cuando se colgaban cuernos, pezuñas, etc. sobre agua hirviendo u otro licor, hasta que perdían su mucílago y se reducían fácilmente a polvo. [8]
Según la obsoleta teoría del flogisto , la " cal " era la verdadera sustancia elemental que quedaba después de que el flogisto fuera expulsado en el proceso de combustión . [9]
Este artículo incorpora texto de una publicación que ahora es de dominio público : Chambers, Ephraim , ed. (1728). "Calcinación". Cyclopædia, o diccionario universal de artes y ciencias (1ª ed.). James y John Knapton, et al.A principios del siglo XVIII, Georg Stahl cambió el nombre de la sustancia a flogisto (del griego, "quemado") y amplió la teoría para incluir la calcinación (y corrosión) de los metales. Así, se pensaba que los metales estaban compuestos de cal (un residuo en polvo) y flogisto; cuando se calentaba un metal, se liberaba el flogisto y quedaba la cal. El proceso podría revertirse calentando el metal sobre carbón vegetal (una sustancia que se cree rica en flogisto, porque la combustión lo consumía casi por completo). La cal absorbería el flogisto liberado por el carbón encendido y volvería a ser metálica.