Calcinación: proceso, tipos, aplicaciones
La calcinación es un proceso en el que una muestra sólida se somete a altas temperaturas en presencia o ausencia de oxígeno. En química analítica es uno de los últimos pasos del análisis gravimétrico. La muestra puede ser por lo tanto de cualquier naturaleza, inorgánica u orgánica; pero en especial, se trata de minerales, arcillas, u óxidos gelatinosos.
Cuando la calcinación se realiza bajo corrientes de aire, se dice que ocurre en una atmósfera oxigenada; tal como simplemente calentar un sólido con fuego producto de la combustión en espacios abiertos, o en hornos a los cuales no se les pueda aplicar vacío.
Si el oxígeno es reemplazado por nitrógeno o un gas noble, se dice entonces que la calcinación ocurre bajo atmósfera inerte. La diferencia entre las atmósferas que interactúan con el sólido calentado depende de la sensibilidad del mismo a oxidarse; esto es, a reaccionar con el oxígeno para transformarse en otro compuesto más oxidado.
Lo que se busca con la calcinación no es fundir el sólido, sino modificarlo química o físicamente para cumplir con las cualidades requeridas para sus aplicaciones. El ejemplo más conocido es el de la calcinación de la piedra caliza, CaCO3, para convertirla en cal, CaO, necesaria para el concreto.
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Es tan estrecha la relación entre el tratamiento térmico de la piedra caliza y el término calcinación, que de hecho no es raro suponer que dicho proceso aplica únicamente para compuestos de calcio; sin embargo, esto no es cierto.
Todos los sólidos, inorgánicos u orgánicos, pueden calcinarse siempre y cuando no se fundan. Por lo tanto, el proceso de calentamiento debe darse por debajo del punto de fusión de la muestra; a menos, que se trate de una mezcla donde uno de sus componentes se fundan mientras los otros permanecen sólidos.
El proceso de calcinación varía en función de la muestra, las escalas, el objetivo y calidad del sólido después de su termotratamiento. Este puede de manera global dividirse en dos tipos: analítico e industrial.
Cuando el proceso de calcinación es analítico, se trata generalmente de uno de los últimos pasos indispensable para el análisis gravimétrico.
Por ejemplo, después de una serie de reacciones químicas se ha obtenido un precipitado, el cual durante su formación no luce como un sólido puro; suponiendo evidentemente que se conoce de antemano cuál es el compuesto.
Sin importar las técnicas de purificación, el precipitado todavía posee agua que debe ser eliminada. Si dichas moléculas de agua se hallan en la superficie, no se requerirá de elevadas temperaturas para eliminarlas; pero si están “atrapadas” dentro de los cristales, entonces la temperatura del horno puede que tenga que sobrepasar los 700-1000ºC.
De esta manera se garantiza que el precipitado esté seco y se eliminen los vapores de agua; en consecuencia, su composición se vuelve definida.
Asimismo, si el precipitado sufre de descomposición térmica, la temperatura a la que deberá calcinarse tiene que ser lo suficientemente alta para asegurar que la reacción se complete; de lo contrario, se tendría un sólido de composición indefinida.
Las siguientes ecuaciones resumen los dos puntos anteriores:
A·nH2O => A + nH2O(vapor)
A + Q(calor) => B
Los sólidos indefinidos serían mezclas A/A·nH2O y A/B, cuando idealmente deben ser A y B puros, respectivamente.
En un proceso de calcinación industrial es igual de importante la calidad del calcinado como en el análisis gravimétrico; pero la diferencia está en el montaje, el método y las cantidades producidas.
En el analítico se busca estudiar el rendimiento de una reacción, o las propiedades del calcinado; mientras que en el industrial, tiene más importancia el qué tanto se produce y en cuánto tiempo.
La mejor representación de un proceso de calcinación industrial viene a ser el tratamiento térmico de la piedra caliza para que sufra la siguiente reacción:
CaCO3 => CaO + CO2
El óxido de calcio, CaO, es la cal necesaria para la elaboración del cemento. Si la primera reacción se complementa con estas dos:
CaO + H2O => Ca(OH)2
Ca(OH)2 + CO2 => CaCO3
Podrá prepararse y controlarse el tamaño de los cristales de CaCO3 resultantes a partir de masas robustas del mismo compuesto. Así, no sólo se produce CaO, sino que además se obtienen microcristales de CaCO3, necesarios para filtros y otros procesos químicos refinados.
Todos los carbonatos metálicos se descomponen de la misma manera, pero a distintas temperaturas; es decir, sus procesos industriales de calcinación pueden llegar a ser muy diferentes.
En sí mismo no existe una manera de clasificar la calcinación, a menos que nos basemos en el proceso y en los cambios que sufre el sólido frente al incremento de temperatura. Desde esta última perspectiva, se puede decir que hay dos tipos de calcinación: una química, y otra física.
La calcinación química es aquella donde la muestra, el sólido o precipitado sufre una descomposición térmica. Esto se explicó para el caso del CaCO3. El compuesto no es el mismo después de que se haya aplicado las altas temperaturas.
La calcinación física es aquella donde la naturaleza de la muestra no se modifica al final una vez haya liberado vapor de agua u otros gases.
Un ejemplo es la deshidratación total de un precipitado sin que sufra una reacción. Asimismo, el tamaño de los cristales puede cambiar en función de la temperatura; a mayor temperatura, los cristales tienden a ser más grandes y la estructura puede “esponjarse” o agrietarse a consecuencia de ello.
Este último aspecto de la calcinación: el control del tamaño de los cristales, no se ha abordado a detalle, pero no está de más mencionarlo.
Para finalizar se enlistará una serie de aplicaciones generales y específicas de la calcinación:
-Descomposición de los carbonatos metálicos en sus respectivos óxidos. Lo mismo aplica para los oxalatos.
-Deshidratación de minerales, óxidos gelatinosos o alguna otra muestra para el análisis gravimétrico.
-Somete un sólido a una transición de fase, la cual pudiera ser metaestable a temperatura ambiente; es decir, aun si se enfriaran sus nuevos cristales, demorarían en volver a cómo eran antes de la calcinación.
-Activa la alúmina o el carbón para aumentar el tamaño de sus poros y comportarse así como sólidos absorbentes.
-Modifica las propiedades estructurales, vibracionales o magnéticas de nanopartículas de minerales tales como el Mn0.5Zn0.5Fe2O4; es decir, sufren una calcinación física, donde el calor influye en el tamaño o formas de los cristales.
-El mismo efecto anterior puede observarse en sólidos más simples como las nanopartículas de SnO2, las cuales aumentan de tamaño cuando se ven forzadas a aglomerarse por las altas temperaturas; o en pigmentos inorgánicos o colorantes orgánicos, donde la temperatura y los granos influyen en sus colores.
-Y desulfura muestras de coque del crudo petrolero, así como cualquier otro compuesto volátil.
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