Oxyde de calcium
L’oxyde de calcium (CaO), communément appelé chaux vive, est un matériau largement utilisé. C’est un solide blanc, caustique et alcalin à température ambiante. En tant que produit commercial, la chaux contient souvent aussi du MgO, de l’oxyde de silicium (sable) et de plus petites quantités d’oxyde d’aluminium et d’oxyde de fer. Cela est dû au fait que le « calcaire » contient ces impuretés. Il s’agit principalement de CaCO3 qui, lorsqu’il est cuit à haute température, forme du CaO :
Cela se fait en chauffant le matériau à environ 825 °C, un processus appelé « calcination » ou combustion de la chaux, pour libérer une molécule de CO2, laissant de la « chaux vive ». Ce processus est réversible, car une fois que le produit de chaux vive a refroidi, il commence immédiatement à absorber le dioxyde de carbone de l’air, jusqu’à ce que, après un certain temps, il soit complètement reconverti en carbonate de calcium. Le numéro CAS du CaO est 1305-78-8 et son poids moléculaire est 56,0768 g/mol. C’est une poudre blanche à jaune pâle dont la densité est de 3,35 g/cm3. Son point de fusion est de 2572 °C et son point d’ébullition est de 2853 °C. Il est soluble dans les acides, le glycérol et une solution de sucre. S’il est dissous dans l’eau (Ca(OH)2), il présente un pH de 12,5. Le CaO a la structure cubique « halite ». L’oxyde de calcium passe de la structure B1 (type chlorure de sodium) à la structure B2 (type chlorure de césium) à une pression de 60 à 70 GPa (0,6 à 0,7 mégabar) avec une diminution de volume de 11 %.
La molécule de CaO est relativement stable même à l’état de vapeur. Lorsque l’évaporation du CaO a été en utilisant le GFAAS, l’oxyde de Ca (CaO) s’est vaporisé de la surface du graphite sous forme d’oxydes et en phase vapeur s’est dissocié, donnant ainsi des atomes.
La chaux vive est très corrosive et réagit violemment avec l’eau. Substance relativement peu coûteuse, la chaux vive produit de l’énergie thermique par la formation de l’hydrate, l’hydroxyde de calcium, comme dans l’équation suivante :
L’hydrate peut être reconverti en chaux vive en éliminant l’eau dans l’équation réversible. Si la chaux hydratée est chauffée à la rougeur, la chaux vive sera régénérée pour inverser la réaction. En s’hydratant, une réaction exothermique se produit. Un litre d’eau se combine avec environ 3,1 kg de chaux vive pour donner de l’hydroxyde de calcium plus 3,54 MJ d’énergie. Ce procédé peut être utilisé pour fournir une source de chaleur portable pratique, comme pour réchauffer des aliments sur place dans une boîte de conserve autochauffante.
La production d’oxyde de calcium à partir de calcaire est l’une des plus anciennes transformations chimiques produites par l’homme. Son utilisation est antérieure à l’histoire enregistrée. La plupart des langues anciennes ont un mot pour désigner l’oxyde de calcium. En latin, c’est calx, d’où est tiré le nom de l’élément calcium. En vieil anglais, son nom est lïm, qui est à l’origine du nom commercial moderne de l’oxyde de calcium, à savoir la chaux. L’abondance du calcaire dans la croûte terrestre et la facilité de sa transformation en oxyde de calcium n’expliquent pas à elles seules pourquoi la chaux est l’un des plus anciens produits de la chimie. La chaux possède de nombreuses propriétés qui la rendent très précieuse. Elle est si utile, qu’elle est aujourd’hui produite industriellement à grande échelle ; plus de 20 millions de tonnes métriques ont été produites aux États-Unis en 2000.
La chaux est produite en plusieurs qualités ou types. Si le calcaire est cuit à environ 850 °C, on obtient une qualité de » chaux vive standard » qui est utilisée dans la plupart des applications.
L’utilisation d’oxyde de calcium en poudre d’une surface d’environ 4 cm2/g, obtenu par calcination du carbonate de calcium à 1250 °C, permet d’obtenir des éprouvettes denses et sans défaut. La cuisson ensuite à 1700-1750 °C donne des céramiques presque entièrement frittées de densité relative 0,91-0,92 avec une porosité ouverte d’environ 0,5%.
Une augmentation de la température de cuisson à 2000 °C dans un four à vide sous argon, ou une augmentation de la période de frittage dans un four à flamme, conduit à une certaine densification supplémentaire (densité relative 0,93-0,94). Les spécimens frittés et exempts de défauts de CaO de pureté accrue peuvent être stockés à l’air sans dommage pendant de longues périodes (pendant une période d’un mois).
En revanche, si des particules de 325 mesh (43 μm) de Ca(OH)2, formées par précipitation à partir d’une solution, sont introduites lentement dans un four à lit fluidisé chaud (750-780 °C), il en résulte de la chaux vive nanométrique qui est extrêmement réactive à l’air et à l’humidité. Les nanoparticules d’oxyde de calcium ont généralement une taille de 20 à 80 nm avec une surface spécifique (SSA) de l’ordre de 15 à 50 m2/g et sont également disponibles avec une taille de particule moyenne de 100 nm avec une SSA d’environ 5 à 10 m2/g. Les nanoparticules d’oxyde de calcium sont disponibles sous des formes ultra-haute et haute pureté, transparentes, enrobées et dispersées. Elles sont également disponibles sous forme de nanofluide. Les nanofluides sont généralement définis comme des nanoparticules en suspension dans une solution, soit en utilisant un agent tensioactif, soit en utilisant une technologie de charge de surface. Des conseils techniques sur la dispersion des nanofluides et la sélection des revêtements sont également disponibles. Les nanostructures disponibles comprennent les nanorods, les nanowhiskers, les nanohorns, les nanopyramides et autres nanocomposites. Les nanoparticules fonctionnalisées en surface permettent aux particules d’être adsorbées préférentiellement à l’interface de la surface à l’aide de polymères liés chimiquement. Des recherches de développement sont en cours dans le domaine des matériaux nanoélectroniques et photoniques, tels que les MEMS et les NEMS, des bio-nanomatériaux, tels que les bio-marqueurs, les bio-diagnostics et les bio-capteurs, et des nanomatériaux connexes, destinés à être utilisés dans les polymères, les textiles, les couches de piles à combustible, les composites et les matériaux d’énergie solaire. L’utilisation la plus importante aujourd’hui est dans les travaux dentaires où les implants sont positionnés.
La chaux vive ou CaO, sous forme de chaux hydratée ou » éteinte » Ca(OH)2 (minéral » portlandite « ), est utilisée dans le mortier et le plâtre. La chaux est également utilisée dans la production de verre et sa capacité à réagir avec les silicates est également utilisée dans les industries modernes de production de métaux (acier en particulier) pour éliminer les impuretés sous forme de « scories ».
La chaux est également utilisée dans le traitement de l’eau et des eaux usées pour réduire l’acidité, comme floculant dans les piscines pour éliminer les phosphates et autres impuretés ; dans la fabrication du papier pour dissoudre la lignine, et dans le blanchiment du papier comme coagulant ; dans l’agriculture pour améliorer les sols acides ; et dans les laveurs de gaz pour désulfurer les gaz résiduaires et traiter de nombreux effluents liquides. Elle a traditionnellement été utilisée pour l’enterrement des corps dans les tombes ouvertes, pour masquer l’odeur de décomposition, ainsi qu’en médecine légale, pour révéler les empreintes digitales.
Peut-être que la propriété la plus importante commercialement de la chaux est sa capacité à former des solutions avec les silicates. Lorsque la chaux est chauffée avec du sable siliceux (SiO2) et du carbonate de sodium (Na2CO3), il se forme une solution qui ne cristallise pas lorsqu’elle est refroidie. Au lieu de cela, elle durcit en un solide amorphe, clair et presque incolore, à savoir le verre « soda lime ». Comme il s’agit d’un mélange et non d’un composé pur, le verre n’a pas de point de fusion distinct ; il se ramollit progressivement lorsqu’il est chauffé. Il peut donc être moulé et soufflé dans de nombreuses formes utiles. La production de verre à partir de la chaux est une autre des utilisations anciennes de la chaux et remonte à au moins 12 000 ans.
L’utilisation moderne la plus importante de la chaux repose également sur sa capacité à former des solutions avec les silicates. Près de, 45% de la chaux produite est utilisée dans l’industrie sidérurgique. L’acier et le fer sont fondus à partir de minerais, qui sont des roches contenant des oxydes de fer. Bon nombre de ces minerais contiennent également une grande quantité de silicates. Lorsque la chaux est mélangée au minerai et que le mélange est fondu, ces silicates se combinent à la chaux, formant une solution liquide appelée scorie. Les scories ne sont pas miscibles avec le fer fondu, de sorte que les silicates peuvent être retirés du fer en drainant les scories. Environ 80 kg de chaux sont utilisés dans la production de chaque tonne métrique (1000 kg) de fer. La chaux est également utilisée dans la production d’autres métaux. Par exemple, elle est utilisée pour éliminer les silicates de l’alumine (Al2O3) avant que l’alumine ne soit réduite en aluminium métallique.
La chaux est également un matériau important dans la fabrication de produits chimiques. Sa principale utilisation ici est la production de carbure de calcium, CaC2. Le carbure de calcium est fabriqué en chauffant la chaux avec du coke :
Le carbure de calcium réagit avec l’eau, libérant de l’acétylène :
L’acétylène est un combustible important pour la soudure et constitue également une matière première pour une gamme de composés organiques, notamment le chlorure de vinyle, le néoprène et l’acrylonitrile, qui sont tous des matières premières pour les polymères. La lutte contre la pollution est un consommateur de chaux en pleine expansion. La chaux est également utilisée dans les épurateurs de gaz de cheminée pour réduire les émissions de dioxyde de soufre des centrales électriques. Le dioxyde de soufre réagit avec la chaux pour former du sulfite de calcium solide :
La chaux est ajoutée aux eaux usées pour éliminer également les phosphates :
Le prétraitement des approvisionnements en eau implique l’utilisation de la chaux pour diminuer l’acidité, adoucir et clarifier l’eau potable.
Une variété d’autres procédés industriels font également un usage intensif de la chaux. Elle est utilisée comme opacifiant dans les matières plastiques. L’industrie du papier l’utilise pour le dépulpage du bois ; la chaux étant très alcaline, elle dissout la lignine qui lie les fibres du bois. Le carbonate de calcium précipité (PCC), l’oxyde de calcium et l’hydroxyde de calcium ont une gamme variée de fonctionnalités dans l’industrie du papier. Les carbonates de calcium sont utilisés dans le couchage du papier et comme charge de papier, tandis que l’oxyde de calcium et l’hydroxyde de calcium sont utilisés dans les applications de fabrication de pâte/PCC. Dans le raffinage du sucre, la chaux provoque la coagulation des matières végétales, ce qui permet de les séparer plus facilement du sirop de sucre.
Lorsque la chaux vive est chauffée à 2400 °C (4300 F), elle émet une lueur intense. Cette forme d’éclairage était connue sous le nom de « limeLight », et était largement utilisée dans les productions théâtrales avant l’invention de l’éclairage électrique.
La production annuelle mondiale de chaux vive est d’environ 283 millions de tonnes métriques. La Chine est de loin le plus grand producteur mondial, avec un total d’environ 170 millions de tonnes métriques par an. Les États-Unis viennent ensuite, avec environ 20 millions de tonnes métriques par an en 2000.
L’oxyde de calcium est disponible en grandes quantités dans le commerce.
L’oxyde de calcium est disponible dans le commerce.