Calciumoxid
Calciumoxid (CaO), allgemein bekannt als Branntkalk, ist ein weit verbreitetes Material. Er ist ein weißer, ätzender, alkalischer Feststoff bei Raumtemperatur. Als Handelsprodukt enthält Kalk oft auch MgO, Siliziumoxid (Sand) und kleinere Mengen Aluminiumoxid und Eisenoxid. Dies ist darauf zurückzuführen, dass „Kalkstein“ diese Verunreinigungen enthält. Er besteht hauptsächlich aus CaCO3, das beim Brennen bei hohen Temperaturen CaO bildet:
Dies wird durch Erhitzen des Materials auf etwa 825 °C erreicht, ein Prozess, der „Kalzinierung“ oder Kalkbrennen genannt wird, um ein Molekül CO2 freizusetzen, wobei „Branntkalk“ übrig bleibt. Dieser Prozess ist reversibel, denn sobald das Branntkalkprodukt abgekühlt ist, beginnt es sofort, Kohlendioxid aus der Luft zu absorbieren, bis es sich nach genügend Zeit wieder vollständig in Calciumcarbonat umwandelt. Die CAS-Nummer von CaO ist 1305-78-8 und sein Molekulargewicht beträgt 56,0768 g/mol. Es ist ein weißes bis blassgelbes Pulver mit einer Dichte von 3,35 g/cm3. Sein Schmelzpunkt liegt bei 2572 °C und sein Siedepunkt bei 2853 °C. Es ist löslich in Säuren, Glycerin und einer Zuckerlösung. Gelöst in Wasser (Ca(OH)2) weist es einen pH-Wert von 12,5 auf. CaO hat die kubische „Halit“-Struktur. Calciumoxid wandelt sich bei einem Druck von 60 bis 70 GPa (0,6 bis 0,7 Megabar) von der B1- (Natriumchlorid-Typ) in die B2-Struktur (Cäsiumchlorid-Typ) mit einer Volumenabnahme von 11 % um.
Das CaO-Molekül ist auch im dampfförmigen Zustand relativ stabil. Bei der Verdampfung von CaO mittels GFAAS verdampfte das CaO als Oxide von der Graphitoberfläche und dissoziierte in der Dampfphase, wobei es Atome abgab.
Branntkalk ist sehr korrosiv und reagiert heftig mit Wasser. Als relativ preiswerte Substanz erzeugt Branntkalk Wärmeenergie durch die Bildung des Hydrats, Calciumhydroxid, wie in der folgenden Gleichung:
Das Hydrat kann durch Entfernen des Wassers in der reversiblen Gleichung wieder in Branntkalk umgewandelt werden. Wenn das Kalkhydrat bis zur Rötung erhitzt wird, wird der Branntkalk regeneriert, um die Reaktion umzukehren. Bei der Hydratation kommt es zu einer exothermen Reaktion. Ein Liter Wasser verbindet sich mit ca. 3,1 kg Branntkalk zu Calciumhydroxid und liefert 3,54 MJ Energie. Dieser Prozess kann genutzt werden, um eine bequeme, tragbare Wärmequelle bereitzustellen, wie z. B. zum Erwärmen von Speisen vor Ort in einer selbsterhitzenden Dose.
Die Herstellung von Kalziumoxid aus Kalkstein ist eine der ältesten chemischen Umwandlungen, die vom Menschen durchgeführt wurden. Seine Verwendung geht der aufgezeichneten Geschichte voraus. Die meisten alten Sprachen haben ein Wort für Kalziumoxid. Im Lateinischen ist es calx, wovon der Name des Elements Calcium abgeleitet ist. Im Altenglischen heißt es lïm, woraus sich der moderne Handelsname für Calciumoxid, nämlich Kalk, ableitet. Das reiche Vorkommen von Kalkstein in der Erdkruste und die Leichtigkeit seiner Umwandlung in Calciumoxid erklären nicht allein, warum der Kalk eines der ältesten Produkte der Chemie ist. Kalk hat viele Eigenschaften, die ihn recht wertvoll machen. Er ist so nützlich, dass er heute in großem Umfang industriell hergestellt wird; im Jahr 2000 wurden in den USA über 20 Millionen Tonnen produziert.
Kalk wird in verschiedenen Qualitäten oder Typen hergestellt. Wird der Kalkstein bei ca. 850 °C gebrannt, entsteht eine „Standard-Branntkalk“-Sorte, die in den meisten Anwendungen eingesetzt wird.
Die Verwendung von pulverförmigem Calciumoxid mit einer Oberfläche von ca. 4 cm2/g, das durch Kalzinieren von Calciumcarbonat bei 1250 °C gewonnen wird, ergibt dichte, fehlerfreie Probekörper. Das anschließende Brennen bei 1700-1750 °C ergibt nahezu vollständig gesinterte Keramiken mit einer relativen Dichte von 0,91-0,92 und einer offenen Porosität von ca. 0,5 %.
Eine Erhöhung der Brenntemperatur auf 2000 °C in einem Vakuumofen in Argon oder eine Verlängerung der Sinterdauer in einem Flammofen führt zu einer gewissen weiteren Verdichtung (relative Dichte 0,93-0,94). Die gesinterten, defektfreien Proben aus CaO erhöhter Reinheit können an der Luft über lange Zeiträume (einen Monat lang) unbeschadet gelagert werden.
Werden dagegen 325 maschige (43 μm) Partikel aus Ca(OH)2, die durch Ausfällung aus der Lösung entstanden sind, langsam in einen heißen (750-780 °C) Wirbelschichtofen eingebracht, entsteht nanoskaliger Branntkalk, der gegenüber Luft und Feuchtigkeit extrem reaktiv ist. Nanoskalige Calciumoxidpartikel sind typischerweise 20-80 nm groß mit einer spezifischen Oberfläche (SSA) im Bereich von 15-50 m2/g und auch mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 100 nm mit einer SSA von ca. 5-10 m2/g erhältlich. Nano-Calciumoxid-Partikel sind in ultrahochreinen und hochreinen, transparenten sowie beschichteten und dispergierten Formen erhältlich. Sie sind auch als Nanofluid erhältlich. Nanofluide werden im Allgemeinen als suspendierte Nanopartikel in Lösung definiert, entweder unter Verwendung von Tensid- oder Oberflächenladungs-Technologie. Für die Dispersion von Nanofluiden und die Auswahl von Beschichtungen sind ebenfalls technische Anleitungen verfügbar. Zu den verfügbaren Nanostrukturen gehören Nanostäbchen, Nanowhisker, Nanohörnchen, Nanopyramiden und andere Nanokomposite. Oberflächenfunktionalisierte Nanopartikel ermöglichen die bevorzugte Adsorption der Partikel an der Oberflächengrenzfläche durch chemisch gebundene Polymere. Es wird an der Entwicklung von Nano-Elektronik- und Photonik-Materialien, wie MEMS und NEMS, Bio-Nano-Materialien, wie Bio-Marker, Bio-Diagnostik und Bio-Sensoren, und verwandten Nano-Materialien, für den Einsatz in Polymeren, Textilien, Brennstoffzellenschichten, Verbundwerkstoffen und Solarenergie-Materialien geforscht. Die wichtigste Verwendung ist heute in der Zahnmedizin, wo Implantate gesetzt werden.
Kalk oder CaO, als hydratisierter oder „gelöschter Kalk“ Ca(OH)2 (Mineral „Portlandit“), wird in Mörtel und Putz verwendet. Kalk wird auch in der Glasherstellung verwendet und seine Fähigkeit, mit Silikaten zu reagieren, wird auch in der modernen Metallindustrie (insbesondere Stahl) genutzt, um Verunreinigungen als „Schlacke“ zu entfernen.
Kalk wird auch in der Wasser- und Abwasseraufbereitung eingesetzt, um den Säuregehalt zu reduzieren, als Flockungsmittel in Schwimmbädern, um Phosphate und andere Verunreinigungen zu entfernen; in der Papierherstellung, um Lignin aufzulösen, und in der Papierbleiche als Koagulationsmittel; in der Landwirtschaft, um saure Böden zu verbessern; und in Gaswäschern, um Abgase zu entschwefeln und um viele flüssige Abwässer zu behandeln. Traditionell wird er bei der Bestattung von Leichen in offenen Gräbern verwendet, um den Verwesungsgeruch zu überdecken, sowie in der Forensik, um Fingerabdrücke sichtbar zu machen.
Die kommerziell vielleicht wichtigste Eigenschaft von Kalk ist seine Fähigkeit, Lösungen mit Silikaten zu bilden. Wenn Kalk mit Quarzsand (SiO2) und Natriumcarbonat (Na2CO3) erhitzt wird, bildet sich eine Lösung, die beim Abkühlen nicht kristallisiert. Stattdessen härtet sie zu einem amorphen, klaren und fast farblosen Feststoff aus, dem „Natronkalk“-Glas. Da es sich um ein Gemisch und nicht um eine reine Verbindung handelt, hat Glas keinen eindeutigen Schmelzpunkt; es wird bei Erwärmung allmählich weicher. Daher kann es in viele nützliche Formen geformt und geblasen werden. Die Herstellung von Glas aus Kalk ist eine weitere uralte Verwendung von Kalk und reicht mindestens 12.000 Jahre zurück.
Die wichtigste moderne Verwendung von Kalk beruht ebenfalls auf seiner Fähigkeit, Lösungen mit Silikaten zu bilden. Fast 45% des produzierten Kalkes wird in der Stahlindustrie verwendet. Stahl und Eisen werden aus Erzen verhüttet, also aus Gesteinen, die Eisenoxide enthalten. Viele dieser Erze enthalten auch eine große Menge an Silikaten. Wenn Kalk mit dem Erz vermischt und die Mischung geschmolzen wird, verbinden sich diese Silikate mit dem Kalk und bilden eine flüssige Lösung, die Schlacke genannt wird. Die Schlacke ist mit dem geschmolzenen Eisen nicht mischbar, so dass die Silikate durch Ablassen der Schlacke aus dem Eisen entfernt werden können. Für die Herstellung einer Tonne (1000 kg) Eisen werden ca. 80 kg Kalk verwendet. Kalk wird auch bei der Herstellung anderer Metalle verwendet. Zum Beispiel wird er verwendet, um Silikate aus Tonerde (Al2O3) zu entfernen, bevor die Tonerde zu Aluminiummetall reduziert wird.
Kalk ist auch ein wichtiger Stoff bei der Herstellung von Chemikalien. Hier findet er vor allem bei der Herstellung von Calciumcarbid, CaC2, Verwendung. Calciumcarbid wird durch Erhitzen von Kalk mit Koks hergestellt:
Calciumcarbid reagiert mit Wasser unter Freisetzung von Acetylen:
Acetylen ist ein wichtiger Brennstoff zum Schweißen und außerdem Ausgangsstoff für eine Reihe von organischen Verbindungen, darunter Vinylchlorid, Neopren und Acrylnitril, die alle Rohstoffe für Polymere sind. Die Umweltverschmutzung ist ein schnell wachsender Verbraucher von Kalk. Kalk wird auch in Abgaswäschern verwendet, um die Schwefeldioxidemissionen von Kraftwerken zu reduzieren. Schwefeldioxid reagiert mit Kalk zu festem Calciumsulfit:
Kalk wird dem Abwasser zugesetzt, um auch Phosphate zu entfernen:
Bei der Vorbehandlung von Wasserversorgungen wird Kalk zur Verringerung des Säuregehalts, zur Enthärtung und zur Klärung des Trinkwassers eingesetzt.
Auch in einer Vielzahl anderer industrieller Prozesse kommt Kalk zum Einsatz. Er wird als Trübungsmittel in Kunststoffen eingesetzt. Die Papierindustrie verwendet ihn beim Aufschluss von Holz; da Kalk stark alkalisch ist, löst er das Lignin auf, das die Fasern im Holz zusammenhält. Gefälltes Kalziumkarbonat (PCC), Kalziumoxid und Kalziumhydroxid haben eine vielfältige Funktionalität in der Papierindustrie. Calciumcarbonate werden sowohl in der Papierbeschichtung als auch als Papierfüllstoff eingesetzt, während Calciumoxid und Calciumhydroxid bei der Herstellung von Zellstoff/PCC verwendet werden. Bei der Raffination von Zucker bewirkt Kalk eine Koagulation des Pflanzenmaterials, wodurch es leichter vom Zuckersirup getrennt werden kann.
Wenn Branntkalk auf 2400 °C erhitzt wird, gibt er ein intensives Leuchten ab. Diese Form der Beleuchtung war als „limeLight“ bekannt und wurde vor der Erfindung der elektrischen Beleuchtung in großem Umfang bei Theateraufführungen eingesetzt.
Die weltweite Jahresproduktion von Branntkalk beträgt rund 283 Millionen Tonnen. China ist mit rund 170 Millionen Tonnen pro Jahr der mit Abstand größte Produzent der Welt. An zweiter Stelle stehen die Vereinigten Staaten mit rund 20 Millionen Tonnen pro Jahr im Jahr 2000.
Kalziumoxid ist in großen Mengen im Handel erhältlich.