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Hepta-aluminato de dodecacalcio

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]

Síntesis

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 .

Composición y estructura

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]

Propiedades y aplicaciones

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]

Referencias

  1. ^ abc Hosono, H.; Tanabe, K.; Takayama-Muromachi, E.; Kageyama, H.; Yamanaka, S.; Kumakura, H.; Nohara, M.; Hiramatsu, H.; Fujitsu, S. (2015). "Exploración de nuevos superconductores y materiales funcionales, y fabricación de cintas y cables superconductores de pnictidos de hierro". Ciencia y tecnología de materiales avanzados . 16 (3): 033503. arXiv : 1505.02240 . Bibcode :2015STAdM..16c3503H. doi :10.1088/1468-6996/16/3/033503. PMC  5099821 . PMID  27877784.
  2. ^ abcd Ginley, David; Hosono, Hideo; Paine, David C. (2010). Manual de conductores transparentes. Springer Science & Business Media. pp. 318 y siguientes. ISBN 978-1-4419-1638-9.
  3. ^ Anthony, John W.; Bideaux, Richard A.; Bladh, Kenneth W.; Nichols, Monte C., eds. (1997). "Mayenita". Manual de mineralogía (PDF) . Vol. III (haluros, hidróxidos, óxidos). Chantilly, VA, EE. UU.: Mineralogical Society of America. ISBN 0962209724.
  4. ^ ab Grandfield, John (2014). Metales ligeros 2014. Wiley. pág. 78. ISBN 978-1-118-88840-7.
  5. ^ ab Taylor, HFW (1990) Química del cemento , Academic Press, ISBN 0-12-683900-X , págs. 36–38 
  6. ^ Gulgun, MA; Popoola, OO; Kriven, WM (1994). "Síntesis química y caracterización de polvos de aluminato de calcio". Revista de la Sociedad Cerámica Americana . 77 (2): 531. doi :10.1111/j.1151-2916.1994.tb07026.x.
  7. ^ Wallenberger, FT; Weston, NE; Brown, SD (1991). "Fibras de aluminato de calcio procesadas por fusión: propiedades estructurales y ópticas". En Longshore, Randolph E; Baars, Jan W (eds.). Crecimiento y caracterización de materiales para detectores infrarrojos e interruptores ópticos no lineales . Crecimiento y caracterización de materiales para detectores infrarrojos e interruptores ópticos no lineales. Vol. 1484. págs. 116–124. doi :10.1117/12.46516. S2CID  95917370.
  8. ^ Birchall, JD; Howard, AJ; Kendall, K. (1981). "Resistencia a la flexión y porosidad de los cementos". Nature . 289 (5796): 388. Bibcode :1981Natur.289..388B. doi :10.1038/289388a0. S2CID  4318038.
  9. ^ Kendall, K.; Howard, AJ; Birchall, JD; Pratt, PL; Proctor, BA; Jefferis, SA (1983). "La relación entre la porosidad, la microestructura y la resistencia, y el enfoque hacia materiales avanzados basados ​​en cemento [y discusión]". Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences . 310 (1511): 139. Bibcode :1983RSPTA.310..139K. doi :10.1098/rsta.1983.0073. S2CID  122692913.
  10. ^ Goktas, AA; Weinberg, MC (1991). "Preparación y cristalización de composiciones sol-gel de calcio y alúmina". Revista de la Sociedad Cerámica Americana . 74 (5): 1066. doi :10.1111/j.1151-2916.1991.tb04344.x.