La calcination est un processus dans lequel un échantillon solide est soumis à des températures élevées en présence ou en l'absence d'oxygène. En chimie analytique, c'est l'une des dernières étapes de l'analyse gravimétrique. L'échantillon peut donc être de toute nature, minérale ou organique; mais surtout, il s'agit de minéraux, d'argiles ou d'oxydes gélatineux.
Lorsque la calcination est effectuée sous des courants d'air, on dit qu'elle se produit dans une atmosphère oxygénée; comme simplement chauffer un solide avec un produit de combustion du feu dans des espaces ouverts, ou dans des fours auxquels le vide ne peut pas être appliqué.
Calcination rudimentaire ou alchimique à ciel ouvert. Source: Pixabay.
Si l'oxygène est remplacé par de l'azote ou un gaz rare, on dit que la calcination se produit sous atmosphère inerte. La différence entre les atmosphères qui interagissent avec le solide chauffé dépend de sa sensibilité à l'oxydation; c'est-à-dire réagir avec l'oxygène pour se transformer en un autre composé plus oxydé.
Ce qui est recherché avec la calcination n'est pas de fondre le solide, mais de le modifier chimiquement ou physiquement pour répondre aux qualités requises pour ses applications. L'exemple le plus connu est la calcination du calcaire, CaCO 3, pour le transformer en chaux, CaO, nécessaire au béton.
Processus
La relation entre le traitement thermique du calcaire et le terme calcination est si étroite qu'en fait il n'est pas rare de supposer que ce procédé ne s'applique qu'aux composés du calcium; Cependant, ce n'est pas vrai.
Tous les solides, inorganiques ou organiques, peuvent calciner tant qu'ils ne fondent pas. Par conséquent, le processus de chauffage doit se produire en dessous du point de fusion de l'échantillon; Sauf s'il s'agit d'un mélange où l'un de ses composants fond tandis que les autres restent solides.
Le processus de calcination varie en fonction de l'échantillon, des échelles, de l'objectif et de la qualité du solide après son traitement thermique. Cela peut être globalement divisé en deux types: analytique et industriel.
Analytique
Lorsque le processus de calcination est analytique, il s'agit généralement de l'une des dernières étapes indispensables de l'analyse gravimétrique.
Par exemple, après une série de réactions chimiques, on a obtenu un précipité qui, lors de sa formation, ne ressemble pas à un solide pur; en supposant évidemment que le composé est connu à l'avance.
Quelles que soient les techniques de purification, le précipité contient encore de l'eau qui doit être éliminée. Si de telles molécules d'eau sont à la surface, des températures élevées ne seront pas nécessaires pour les éliminer; mais s'ils sont "piégés" à l'intérieur des cristaux, alors la température du four peut devoir dépasser 700-1000 ° C.
Cela garantit que le précipité est sec et que les vapeurs d'eau sont éliminées; par conséquent, sa composition devient définitive.
De plus, si le précipité subit une décomposition thermique, la température à laquelle il doit être calciné doit être suffisamment élevée pour assurer que la réaction soit complète; sinon, vous auriez un solide de composition indéfinie.
Les équations suivantes résument les deux points précédents:
A nH 2 O => A + nH 2 O (vapeur)
A + Q (chaleur) => B
Les solides non définis seraient les mélanges A / A · nH 2 O et A / B, alors qu'ils devraient idéalement être de A et B purs, respectivement.
Industriel
Dans un procédé de calcination industrielle, la qualité de la calcination est tout aussi importante que dans l'analyse gravimétrique; mais la différence réside dans l'assemblage, la méthode et les quantités produites.
Dans l'analyse on cherche à étudier la performance d'une réaction, ou les propriétés du calciné; tandis que dans le secteur industriel, la quantité et la durée de production sont plus importantes.
La meilleure représentation d'un procédé de calcination industrielle est le traitement thermique du calcaire pour qu'il subisse la réaction suivante:
CaCO 3 => CaO + CO 2
L'oxyde de calcium, CaO, est la chaux nécessaire à la fabrication du ciment. Si la première réaction est complétée par ces deux:
CaO + H 2 O => Ca (OH) 2
Ca (OH) 2 + CO 2 => CaCO 3
Les cristaux de CaCO 3 résultants peuvent être préparés et dimensionnés à partir de masses robustes du même composé. Ainsi, non seulement du CaO est produit, mais également des microcristaux de CaCO 3, nécessaires pour les filtres et autres procédés chimiques raffinés.
Tous les carbonates métalliques se décomposent de la même manière, mais à des températures différentes; c'est-à-dire que leurs processus de calcination industrielle peuvent être très différents.
Types de calcination
En soi, il n'y a aucun moyen de classer la calcination, à moins que nous nous basions sur le processus et sur les changements que le solide subit avec l'augmentation de la température. Dans cette dernière perspective, on peut dire qu'il existe deux types de calcination: l'une chimique et l'autre physique.
Chimie
La calcination chimique est celle où l'échantillon, le solide ou le précipité subit une décomposition thermique. Cela a été expliqué pour le cas du CaCO 3. Le composé n'est pas le même après l'application des températures élevées.
Physique
La calcination physique est celle où la nature de l'échantillon ne change pas à la fin une fois qu'il a libéré de la vapeur d'eau ou d'autres gaz.
Un exemple est la déshydratation totale d'un précipité sans subir de réaction. En outre, la taille des cristaux peut changer en fonction de la température; à des températures plus élevées, les cristaux ont tendance à être plus gros et la structure peut "gonfler" ou se fissurer en conséquence.
Ce dernier aspect de la calcination: le contrôle de la taille des cristaux, n'a pas été abordé en détail, mais il vaut la peine d'être mentionné.
Applications
Enfin, une série d'applications de calcination générales et spécifiques sera répertoriée:
-Décomposition des carbonates métalliques en leurs oxydes respectifs. Il en va de même pour les oxalates.
-Déshydratation des minéraux, oxydes gélatineux ou tout autre échantillon pour analyse gravimétrique.
- Soumet un solide à une transition de phase, qui pourrait être métastable à température ambiante; c'est-à-dire que même si vos nouveaux cristaux étaient refroidis, il leur faudrait du temps pour revenir à leur état avant la calcination.
-Active l'alumine ou le carbone pour augmenter la taille de ses pores et se comporter ainsi que les solides absorbants.
-Modifie les propriétés structurales, vibrationnelles ou magnétiques de nanoparticules minérales telles que Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4; c'est-à-dire qu'ils subissent une calcination physique, où la chaleur influence la taille ou la forme des cristaux.
-Le même effet précédent peut être observé dans des solides plus simples tels que les nanoparticules de SnO 2, qui augmentent en taille lorsqu'ils sont forcés de s'agglomérer par des températures élevées; ou dans les pigments minéraux ou les colorants organiques, où la température et les grains influencent leurs couleurs.
-Et désulfure les échantillons de coke du pétrole brut, ainsi que de tout autre composé volatil.
Références
- Day, R. et Underwood, A. (1989). Quantitative Analytical Chemistry (cinquième éd.). PEARSON Prentice Hall.
- Wikipédia. (2019). Calcination. Récupéré de: en.wikipedia.org
- Elsevier. (2019). Calcination. ScienceDirect. Récupéré de: sciencedirect.com
- Hubbe Martin. (sf). Mini-encyclopédie de la chimie des extrémités humides de la fabrication du papier. Récupéré de: projects.ncsu.edu
- Indrayana, IPT, Siregar, N., Suharyadi, E., Kato, T. et Iwata, S. (2016). La dépendance à la température de calcination des spectres microstructuraux, vibrationnels et des propriétés magnétiques du nanocristallin Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4. Journal of Physics: Conference Series, volume 776, numéro 1, id de l'article. 012021.
- FEECO International, Inc. (2019). Calcination. Récupéré de: feeco.com
- Gaber, MA Abdel-Rahim, AY Abdel-Latief, Mahmoud. N. Abdel-Salam. (2014). Influence de la température de calcination sur la structure et la porosité du SnO 2 nanocristallin synthétisé par une méthode de précipitation conventionnelle. Journal international de science électrochimique.