Прокаливание – это термическая обработка твердого химического соединения (например, смешанных карбонатных руд ), при которой соединение нагревается до высокой температуры без плавления при ограниченном доступе окружающего кислорода (т.е. газообразной фракции O 2 воздуха), как правило, с целью удаления примесей или летучих веществ и/или для проведения термического разложения . [1]
Корень слова «кальцинация» относится к его наиболее известному использованию, которое заключается в удалении углерода из известняка (карбоната кальция) посредством сжигания для получения оксида кальция (негашеной извести) . Эта реакция кальцинации — CaCO 3 (тв.) → CaO(тв.) + CO 2 (г). Оксид кальция является важнейшим ингредиентом в современном цементе , а также используется в качестве химического флюса при плавке . Промышленная кальцинация обычно выделяет диоксид углерода (CO 2 ).
Кальцинатор представляет собой стальной цилиндр , который вращается внутри нагретой печи и выполняет косвенную высокотемпературную обработку (550–1150 °C или 1000–2100 °F) в контролируемой атмосфере. [2]
Процесс кальцинации получил свое название от латинского calcinare 'обжигать известь' [3] из-за его наиболее распространенного применения, разложения карбоната кальция ( известняка ) на оксид кальция ( известь ) и углекислый газ , с целью создания цемента . Продукт кальцинации обычно называют в общем "кальцином", независимо от фактических минералов, подвергающихся термической обработке.
Прокаливание осуществляется в печах или реакторах (иногда называемых печами или кальцинаторами) различных конструкций, включая шахтные печи, вращающиеся печи , многоподовые печи и реакторы с псевдоожиженным слоем .
Примеры процессов прокаливания включают в себя следующее:
Реакции прокаливания обычно происходят при температуре термического разложения или выше (для реакций разложения и улетучивания) или температуры перехода (для фазовых переходов ). Эта температура обычно определяется как температура, при которой стандартная свободная энергия Гиббса для конкретной реакции прокаливания равна нулю.
При обжиге известняка, процессе разложения, который происходит при температуре от 900 до 1050 °C, химическая реакция выглядит следующим образом:
Сегодня эта реакция в основном происходит в цементной печи .
Стандартная свободная энергия Гиббса реакции в [Дж/моль] приблизительно равна Δ G ° r ≈ 177 100 Дж/моль − 158 Дж/(моль*К) * T. [4] Стандартная свободная энергия реакции равна 0 в этом случае , когда температура T равна 1121 К или 848 °C.
В некоторых случаях прокаливание металла приводит к окислению металла с образованием оксида металла . В своем эссе « Формальный ответ на вопрос, почему олово и свинец увеличиваются в весе при прокаливании » (1630) Жан Рей отмечает, что «поместив два фунта шесть унций чистого английского олова в железный сосуд и сильно нагрев его в открытой печи в течение шести часов при постоянном помешивании и ничего не добавляя, он получил два фунта тринадцать унций белой окалины». Он утверждал, что «это увеличение веса происходит из-за воздуха, который в сосуде стал более плотным, тяжелым и в некоторой степени клейким из-за сильного и продолжительного жара печи: этот воздух смешивается с окалиной (при частом перемешивании) и прикрепляется к ее мельчайшим частицам: не иначе, как вода делает более тяжелым песок, который вы бросаете в нее и перемешиваете, смачивая его и прилипая к мельчайшим его зернам», предположительно, металл набирал вес по мере окисления. [5]
При комнатной температуре олово довольно устойчиво к воздействию воздуха или воды, так как на поверхности металла образуется тонкая оксидная пленка. На воздухе олово начинает окисляться при температуре выше 150 °C: Sn + O 2 → SnO 2 . [6]
Антуан Лавуазье исследовал этот эксперимент некоторое время спустя и получил похожие результаты. [7]
В алхимии считалось, что прокаливание является одним из 12 жизненно важных процессов , необходимых для преобразования вещества.
Алхимики различали два вида прокаливания: фактическое и потенциальное . Фактическое прокаливание — это прокаливание, которое осуществляется реальным огнем, например, древесиной, углем или другим топливом, нагретым до определенной температуры. Потенциальное прокаливание — это прокаливание, которое осуществляется потенциальным огнем, например, едкими химикатами; например, золото прокаливали в отражательной печи с ртутью и нашатырем ; серебро с поваренной солью и щелочной солью ; медь с солью и серой ; железо с нашатырем и уксусом ; олово с сурьмой ; свинец с серой; и ртуть с азотной кислотой . [8]
Существовало также философское прокаливание , которое, как говорили, происходило, когда рога, копыта и т. д. подвешивали над кипящей водой или другой жидкостью, пока они не теряли свою слизь и не становились легко превращаемыми в порошок. [8]
Согласно устаревшей теории флогистона , « окалина » была истинным элементарным веществом, которое осталось после того, как флогистон был удален из него в процессе сгорания . [ 9]
В этой статье использован текст из публикации, которая сейчас находится в общественном достоянии : Chambers, Ephraim , ed. (1728). «Calcination». Cyclopædia, или универсальный словарь искусств и наук (1-е изд.). James and John Knapton, et al.В начале 18 века Георг Шталь переименовал вещество во флогистон (от греческого слова «обожженный») и расширил теорию, включив в нее прокаливание (и коррозию) металлов. Таким образом, считалось, что металлы состоят из окалины (порошкообразного остатка) и флогистона; при нагревании металла флогистон высвобождался, а окалина оставалась. Процесс можно было обратить вспять, нагрев металл над древесным углем (веществом, которое, как считалось, богато флогистоном, поскольку при сгорании он почти полностью поглощался). Окалина поглощала флогистон, выделяемый горящим углем, и снова становилась металлической.