El heptaaluminato de dodecacalcio (12CaO·7Al 2 O 3 , Ca 12 Al 14 O 33 o C 12 A 7 ) es un sólido inorgánico que rara vez se encuentra en la naturaleza como el mineral mayenita . Es una fase importante en los cementos de aluminato de calcio y es un intermediario en la fabricación de cemento Portland . Su composición y propiedades han sido objeto de mucho debate, debido a las variaciones en la composición que pueden surgir durante su formación a alta temperatura. [5]
El C 12 A 7 policristalino se puede preparar mediante una reacción convencional en estado sólido, es decir, calentando una mezcla de carbonato de calcio y polvos de óxido de aluminio o hidróxido de aluminio en aire. No se forma en oxígeno ni en una atmósfera libre de humedad. Se puede regenerar en cristales individuales utilizando las técnicas de fusión por zonas o de Czochralski . [2]
En los hornos de cemento Portland , el C 12 A 7 es un producto de reacción temprana de los óxidos de aluminio y calcio en el rango de temperatura de 900 a 1200 °C. Con el inicio de las fases de fusión a temperaturas más altas, reacciona con más óxido de calcio para formar aluminato tricálcico . Por lo tanto, puede aparecer en productos de hornos poco quemados. También se presenta en algunos cementos naturales .
El mineral que se encuentra normalmente es una serie de solución sólida con miembros finales Ca 12 Al 14 O 33 y Ca 6 Al 7 O 16 (OH). Esta última composición pierde agua solo a alta temperatura y ha perdido la mayor parte de ella en el punto de fusión (alrededor de 1400 °C). Si el material calentado a esta temperatura se enfría rápidamente a temperatura ambiente, se obtiene la composición anhidra. La tasa de reabsorción de agua para formar la composición hidratada es insignificante por debajo de los 930 °C.
El C 12 A 7 tiene una simetría cristalina cúbica; el Ca 12 Al 14 O 33 tiene una constante de red de 1,1989 nm [4] y una densidad de 2,680 g·cm −3 mientras que el Ca 6 Al 7 O 16 (OH) tiene 1,1976 nm y 2,716 g·cm −3 . La celda unitaria consta de 12 jaulas con un diámetro interior de 0,44 nm y una carga formal de +1/3, dos de ellas albergan iones O 2− libres (no se muestran en la estructura del cuadro de información). Estos iones pueden moverse fácilmente a través del material y pueden ser reemplazados por iones F − , Cl − (como en el mineral clormaienita ) o OH − . [2]
La confusión en cuanto a la composición contribuyó a la asignación errónea de la composición Ca 5 Al 3 O 33 . Los estudios del sistema han demostrado que la serie de solución sólida se extiende también a la acomodación de otras especies en lugar del grupo hidroxilo, incluidos haluros, iones de sulfuro y óxido. [5]
El C 12 A 7 es una fase mineral importante en los cementos de aluminato de calcio [1] y es un intermediario en la fabricación de cemento Portland . Reacciona rápidamente con agua, con considerable evolución de calor, para formar gel de 3CaO·Al 2 O 3 ·6H 2 O y Al(OH) 3 . La formación del hidrato a partir de este mineral y del aluminato monocálcico representa la primera etapa del desarrollo de la resistencia en los cementos aluminosos. Debido a su mayor reactividad, que conduce a una hidratación excesivamente rápida, los cementos aluminosos contienen cantidades relativamente bajas de hepta-aluminato dodecacálcico, o ninguna en absoluto.
El C 12 A 7 tiene aplicaciones potenciales en cerámicas ópticas, biológicas y estructurales. Algunos aluminatos de calcio amorfos son fotosensibles y, por lo tanto, son candidatos para dispositivos de almacenamiento de información óptica. [6] [7] [8] También tienen propiedades de transmisión infrarrojas deseables para fibras ópticas. [9] [10]
Mientras que el C 12 A 7 sin dopar es un aislante de banda ancha, el electruro dopado con electrones C 12 A 7 :e − es un conductor metálico con una conductividad que alcanza los 1500 S/cm a temperatura ambiente; incluso puede exhibir superconductividad al enfriarse a 0,2–0,4 K. El C 12 A 7 :e − también es un catalizador que tiene aplicaciones potenciales en la síntesis a presión ambiente de amoníaco . El dopaje electrónico se logra extrayendo iones O 2− de la estructura del C 12 A 7 mediante reducción química. Los electrones inyectados ocupan una banda de conducción única llamada "la banda de conducción de la jaula" y migran a través del cristal C 12 A 7 :e − por efecto túnel. Pueden reemplazarse fácil y reversiblemente con iones hidruro (H − ) calentando el C 12 A 7 :e − en una atmósfera de hidrógeno. Debido a esta reversibilidad, C 12 A 7 :e − no sufre envenenamiento por hidrógeno (deterioro irreversible de las propiedades por exposición al hidrógeno, que es común en los catalizadores tradicionales utilizados en la síntesis de amoníaco). [1] [2]