Óxido de calcio
Esto se consigue calentando el material a unos 825 °C, proceso llamado «calcinación» o quema de la cal, para liberar una molécula de CO2, dejando la «cal viva». Este proceso es reversible, ya que una vez que el producto de cal viva se ha enfriado, comienza inmediatamente a absorber dióxido de carbono del aire, hasta que, después de un tiempo suficiente, se convierte de nuevo completamente en carbonato de calcio. El número CAS del CaO es 1305-78-8 y su peso molecular es de 56,0768 g/mol. Es un polvo de color blanco a amarillo pálido con una densidad de 3,35 g/cm3. Su punto de fusión es de 2572 °C y su punto de ebullición es de 2853 °C. Es soluble en ácidos, glicerol y una solución de azúcar. Si se disuelve en agua (Ca(OH)2) presenta un pH de 12,5. El CaO tiene la estructura cúbica «halita». El óxido de calcio se transforma de la estructura B1 (tipo cloruro de sodio) a la B2 (tipo cloruro de cesio) a una presión de 60 a 70 GPa (0,6 a 0,7 megabar) con una disminución de volumen del 11%.
La molécula de CaO es relativamente estable incluso en estado de vapor. Cuando la evaporación de CaO fue utilizando GFAAS, el óxido de Ca (CaO) se vaporizó desde la superficie del grafito como óxidos y en la fase de vapor se disoció, dando así átomos.
La cal viva es muy corrosiva y reacciona violentamente con el agua. Sustancia relativamente barata, la cal viva produce energía calorífica por la formación del hidrato, hidróxido de calcio, como en la siguiente ecuación:
El hidrato puede reconvertirse en cal viva eliminando el agua en la ecuación reversible. Si la cal hidratada se calienta hasta el rojo, la cal viva se regenerará para invertir la reacción. Al hidratarse, se produce una reacción exotérmica. Un litro de agua se combina con aproximadamente 3,1 kg de cal viva para dar hidróxido de calcio más 3,54 MJ de energía. Este proceso puede utilizarse para proporcionar una cómoda fuente de calor portátil, como para calentar alimentos in situ en una lata autocalentable.
La producción de óxido de calcio a partir de piedra caliza es una de las transformaciones químicas más antiguas producidas por el hombre. Su uso es anterior a la historia registrada. La mayoría de las lenguas antiguas tienen una palabra para designar el óxido de calcio. En latín es calx, de la que procede el nombre del elemento calcio. En inglés antiguo, su nombre es lïm, que es el origen del nombre comercial moderno del óxido de calcio, es decir, cal. La abundancia de piedra caliza en la corteza terrestre y la facilidad de su transformación en óxido de calcio no explican por sí solas que la cal sea uno de los productos más antiguos de la química. La cal tiene muchas propiedades que la hacen muy valiosa. Es tan útil que hoy en día se produce industrialmente a gran escala; en el año 2000 se produjeron más de 20 millones de toneladas métricas en Estados Unidos.
La cal se produce en varios grados o tipos. Si la piedra caliza se cuece a unos 850 °C, se produce un grado de «cal viva estándar» que se utiliza en la mayoría de las aplicaciones.
El uso de óxido de calcio en polvo con una superficie de unos 4 cm2/g, obtenido mediante la calcinación de carbonato de calcio a 1250 °C, produce especímenes densos y sin defectos. La cocción a 1700-1750 °C produce cerámicas casi totalmente sinterizadas de densidad relativa 0,91-0,92 con una porosidad abierta de aproximadamente 0,5%.
Un aumento de la temperatura de cocción a 2000 °C en un horno de vacío en argón, o un aumento del período de sinterización en un horno de llama, conduce a una cierta densificación adicional (densidad relativa 0,93-0,94). Las muestras sinterizadas y sin defectos de CaO de mayor pureza pueden almacenarse en el aire sin sufrir daños durante largos periodos (durante un mes).
En cambio, si las partículas de 325 mallas (43 μm) de Ca(OH)2, formadas por precipitación a partir de una solución, se introducen lentamente en un horno de lecho fluido caliente (750-780 °C), se obtiene una cal rápida de tamaño nanométrico que es extremadamente reactiva al aire y a la humedad. Las partículas de óxido de calcio a nanoescala suelen tener entre 20 y 80 nm, con una superficie específica (SSA) de entre 15 y 50 m2/g, y también están disponibles con un tamaño medio de partícula de 100 nm, con una SSA de aproximadamente 5-10 m2/g. Las nanopartículas de óxido de calcio están disponibles en formas de ultra y alta pureza, transparentes y recubiertas y dispersas. También están disponibles como nanofluidos. Los nanofluidos se definen generalmente como nanopartículas suspendidas en solución, ya sea mediante tecnología de surfactantes o de carga superficial. También se dispone de orientación técnica para la dispersión de nanofluidos y la selección de revestimientos. Las nanoestructuras disponibles incluyen nanorods, nanowhiskers, nanohorns, nanopirámides y otros nanocompuestos. Las nanopartículas funcionalizadas en la superficie permiten que las partículas se adsorban preferentemente en la interfaz superficial mediante polímeros unidos químicamente. Se está investigando el desarrollo de materiales nanoelectrónicos y fotónicos, como los MEMS y NEMS, materiales bio-nano, como los bio-marcadores, bio-diagnósticos y bio-sensores, y nano materiales relacionados, para su uso en polímeros, textiles, capas de células de combustible, materiales compuestos y materiales de energía solar. El uso más importante hoy en día es en trabajos dentales donde se colocan implantes.
La cal o CaO, como cal hidratada o «cal apagada» Ca(OH)2 (mineral «portlandita»), se utiliza en morteros y yesos. La cal también se utiliza en la producción de vidrio y su capacidad para reaccionar con los silicatos también se utiliza en las industrias modernas de producción de metales (acero en particular) para eliminar las impurezas como «escoria».
La cal también se utiliza en el tratamiento del agua y de las aguas residuales para reducir la acidez, como floculante en las piscinas para eliminar los fosfatos y otras impurezas; en la fabricación de papel para disolver la lignina, y en el blanqueo del papel como coagulante; en la agricultura para mejorar los suelos ácidos; y en los depuradores de gases para desulfurar los gases residuales y para tratar muchos efluentes líquidos. Tradicionalmente se ha utilizado en el entierro de cadáveres en tumbas abiertas, para ocultar el olor de la descomposición, así como en la ciencia forense, para revelar las huellas dactilares.
Quizás la propiedad más importante de la cal desde el punto de vista comercial es su capacidad para formar soluciones con silicatos. Cuando la cal se calienta con arena de sílice (SiO2) y carbonato de sodio (Na2CO3), se forma una solución que no cristaliza cuando se enfría. En su lugar, se endurece hasta convertirse en un sólido amorfo, transparente y casi incoloro, el vidrio de «cal sodada». Al ser una mezcla y no un compuesto puro, el vidrio no tiene un punto de fusión definido; se ablanda gradualmente al calentarlo. Por lo tanto, puede moldearse y soplarse en muchas formas útiles. La producción de vidrio a partir de la cal es otro de los usos antiguos de la cal y se remonta al menos a 12.000 años.
El uso moderno más importante de la cal también se basa en su capacidad para formar soluciones con silicatos. Casi el 45% de la cal producida se utiliza en la industria del acero. El acero y el hierro se funden a partir de minerales, que son rocas que contienen óxidos de hierro. Muchos de estos minerales también contienen una gran cantidad de silicatos. Cuando se mezcla la cal con el mineral y se funde la mezcla, estos silicatos se combinan con la cal, formando una solución líquida llamada escoria. La escoria es inmiscible con el hierro fundido, por lo que los silicatos pueden eliminarse del hierro escurriendo la escoria. En la producción de cada tonelada métrica (1000 kg) de hierro se utilizan aproximadamente 80 kg de cal. La cal también se utiliza en la producción de otros metales. Por ejemplo, se utiliza para eliminar los silicatos de la alúmina (Al2O3) antes de que ésta se reduzca a aluminio metálico.
La cal es también un material importante en la fabricación de productos químicos. En este caso, su principal uso es la producción de carburo de calcio, CaC2. El carburo de calcio se fabrica calentando cal con coque:
El carburo de calcio reacciona con el agua, liberando acetileno:
El acetileno es un importante combustible para la soldadura y también es un material de partida para una serie de compuestos orgánicos, como el cloruro de vinilo, el neopreno y el acrilonitrilo, todos ellos materias primas para polímeros. El control de la contaminación es un consumidor de cal en rápida expansión. La cal también se utiliza en los depuradores de gases de chimenea para reducir las emisiones de dióxido de azufre de las centrales eléctricas. El dióxido de azufre reacciona con la cal para formar sulfito de calcio sólido:
La cal se añade a las aguas residuales para eliminar también los fosfatos:
El pretratamiento de los suministros de agua implica el uso de cal para disminuir la acidez, ablandar y limpiar el agua potable.
Una variedad de otros procesos industriales también hacen un amplio uso de la cal. Se utiliza como opacificante en los plásticos. La industria papelera la utiliza para despulpar la madera; como la cal es muy alcalina, disuelve la lignina que une las fibras de la madera. El carbonato de calcio precipitado (PCC), el óxido de calcio y el hidróxido de calcio tienen una amplia gama de funciones en la industria papelera. Los carbonatos de calcio se utilizan tanto en el recubrimiento del papel como en el relleno del mismo, mientras que el óxido de calcio y el hidróxido de calcio se emplean en aplicaciones de fabricación de pulpa/PCC. En el refinado del azúcar, la cal provoca la coagulación del material vegetal, lo que permite separarlo más fácilmente del jarabe de azúcar.
Cuando la cal viva se calienta a 2400 °C (4300 F), emite un intenso brillo. Esta forma de iluminación se conoce como «luz de cal», y se utilizaba ampliamente en las producciones teatrales antes de la invención de la iluminación eléctrica.
La producción mundial anual de cal viva es de unos 283 millones de toneladas métricas. China es, con diferencia, el mayor productor mundial, con un total de unos 170 millones de toneladas métricas al año. Estados Unidos es el siguiente país, con unos 20 millones de toneladas métricas al año en 2000.
El óxido de calcio está disponible en grandes cantidades a nivel comercial.