Введение

Производственный процесс

Кальцинирование – это термическая обработка твердого химического соединения (например, смешанных карбонатных руд), при которой соединение нагревается до высокой температуры без плавления в условиях ограниченного доступа кислорода окружающей среды (то есть, пониженной концентрации кислорода в воздухе). Как правило, это делается для удаления примесей или летучих веществ и/или для осуществления термического разложения. Исторически название "кальцинирование" связано с наиболее распространенным применением – удалением углерода из известняка (карбоната кальция) путем обжига для получения оксида кальция (негашеной извести). Реакция кальцинирования выражается следующим образом: CaCO3(т) → CaO(т) + CO2(г). Оксид кальция является важнейшим компонентом современного цемента и также используется в качестве химического флюса при выплавке металлов. Промышленное кальцинирование обычно сопровождается выбросами углекислого газа, что делает его значительным фактором, влияющим на изменение климата. Кальцинер представляет собой стальной цилиндр, вращающийся внутри нагреваемой печи, предназначенный для проведения высокотемпературной обработки (550–1150 °C или 1000–2100 °F) в контролируемой атмосфере.

Этимология

Процесс кальцинирования получил свое название от латинского слова calcinare – «обжигать известь» – благодаря его наиболее распространенному применению, разложению карбоната кальция (известняка) на оксид кальция (негашёную известь) и углекислый газ для производства цемента. Продукт кальцинирования обычно называют «кальцином», независимо от того, какие минералы подвергаются термической обработке.

Реакции

Реакции кальцинации обычно протекают при или выше температуры термического разложения (для реакций разложения и улетучивания) или температуры фазового перехода (для фазовых переходов). Эта температура обычно определяется как температура, при которой стандартная энергия свободной энергии Гиббса для данной реакции кальцинации равна нулю.

Окисление

В некоторых случаях кальцинирование металла приводит к его окислению с образованием оксида металла. В своем эссе "Официальный ответ на вопрос, почему олово и свинец увеличивают вес при обжиге" (1630), Жан Рей отмечает, что "поместив два фунта шесть унций тонкого английского олова в железный сосуд и сильно нагрев его на открытой печи в течение шести часов при постоянном перемешивании и не добавляя ничего, он получил два фунта тринадцать унций белого калькса". Он утверждал, что "это увеличение веса происходит из-за воздуха, который в сосуде стал плотнее, тяжелее и в некоторой степени липким под воздействием сильного и продолжительного нагрева печи: этот воздух смешивается с кальксом (частое перемешивание способствует этому) и прилипает к его мельчайшим частицам, подобно тому, как вода делает песок тяжелее, когда вы бросаете его в воду и перемешиваете, увлажняя и прилипая к его самым мелким зернам". Вероятно, металл набирал вес в процессе окисления. При комнатной температуре олово достаточно устойчиво к воздействию воздуха или воды, поскольку на поверхности металла образуется тонкая оксидная пленка. В воздухе олово начинает окисляться при температуре выше 150 °C: Sn + O2 → SnO2. Антуан Лавуазье позднее повторил этот эксперимент и получил аналогичные результаты.

Алхимия

В алхимии кальцинация считалась одним из 12 важнейших процессов, необходимых для трансформации вещества. Алхимики различали два вида кальцинации: актуальную и потенциальную. Актуальная кальцинация – это та, что достигается действительным огнем, от дров, угля или иного топлива, нагретого до определенной температуры. Потенциальная кальцинация – это кальцинация, вызванная потенциальным огнем, таким как едкие химические вещества; например, золото кальцинировали 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. Существовала также философская кальцинация, которая, как утверждалось, происходила, когда рога, копыта и тому подобное подвешивали над кипящей водой или другой жидкостью, пока они не теряли свою слизистость и не становились легко восстановимыми в порошок.