Calciumoxide
Calciumoxide (CaO), algemeen bekend als ongebluste kalk, is een veel gebruikt materiaal. Het is een witte, bijtende, alkalische vaste stof bij kamertemperatuur. Als commercieel product bevat kalk vaak ook MgO, siliciumoxide (zand) en kleinere hoeveelheden aluminiumoxide en ijzeroxide. Dit is te wijten aan het feit dat “kalksteen” deze onzuiverheden bevat. Het is hoofdzakelijk CaCO3 dat bij verhitting tot hoge temperaturen CaO vormt:
Dit wordt bereikt door het materiaal te verhitten tot ongeveer 825 °C, een proces dat “calcineren” of kalkbranden wordt genoemd, waarbij een molecuul CO2 vrijkomt en “ongebluste kalk” overblijft. Dit proces is omkeerbaar, want zodra het ongebluste kalkproduct is afgekoeld, begint het onmiddellijk kooldioxide uit de lucht te absorberen, totdat het na voldoende tijd weer volledig is omgezet in calciumcarbonaat. Het CAS-nummer van CaO is 1305-78-8 en het molecuulgewicht is 56,0768 g/mol. Het is een wit tot lichtgeel poeder met een dichtheid van 3,35 g/cm3. Het smeltpunt is 2572 °C en het kookpunt is 2853 °C. Het is oplosbaar in zuren, glycerol en een suikeroplossing. Indien opgelost in water (Ca(OH)2) vertoont het een pH van 12,5. CaO heeft de kubische “haliet”-structuur. Calciumoxide verandert van de B1 (natriumchloridetype) in de B2 (cesiumchloridetype) structuur bij een druk van 60 tot 70 GPa (0,6 tot 0,7 megabar) met een volumedaling van 11%.
Het CaO-molecuul is zelfs in damptoestand betrekkelijk stabiel. Bij het verdampen van CaO met behulp van GFAAS verdampte CaO van het grafietoppervlak als oxiden en in de dampfase dissocieerden ze, waarbij atomen vrijkwamen.
Het hydraat kan weer worden omgezet in ongebluste kalk door het water in de omkeerbare vergelijking te verwijderen. Als de gehydrateerde kalk wordt verhit tot roodheid, zal de ongebluste kalk worden geregenereerd om de reactie om te keren. Bij het hydrateren ontstaat een exotherme reactie. Eén liter water verbindt zich met ongeveer 3,1 kg ongebluste kalk tot calciumhydroxide plus 3,54 MJ energie. Dit proces kan worden gebruikt om een handige draagbare warmtebron te verschaffen, zoals voor het ter plaatse opwarmen van voedsel in een zelfverwarmend blikje.
De productie van calciumoxide uit kalksteen is een van de oudste chemische transformaties die door de mens zijn voortgebracht. Het gebruik ervan dateert van voor de opgetekende geschiedenis. De meeste oude talen hebben een woord voor calciumoxide. In het Latijn is het calx, waaraan de naam van het element calcium is ontleend. In het Oud-Engels is de naam lïm, waaruit de moderne handelsnaam voor calciumoxide, namelijk kalk, is ontstaan. De overvloed van kalksteen in de aardkorst en het gemak waarmee het in calciumoxide kan worden omgezet, verklaren niet alleen waarom de kalk een van de oudste producten van de scheikunde is. Kalk heeft vele eigenschappen die het zeer waardevol maken. Het is zo nuttig, dat het tegenwoordig op grote schaal industrieel wordt geproduceerd; in 2000 werd in de V.S. meer dan 20 miljoen ton geproduceerd.
Kalk wordt in verschillende kwaliteiten of soorten geproduceerd. Als de kalksteen bij ongeveer 850 °C wordt gebrand, ontstaat een “standaard ongebluste kalk” die voor de meeste toepassingen wordt gebruikt.
Het gebruik van calciumoxide in poedervorm met een oppervlakte van ongeveer 4 cm2/g, verkregen door calcineren van calciumcarbonaat bij 1250 °C, levert dichte, foutvrije specimens op. Bakken bij 1700-1750 °C geeft bijna volledig gesinterde keramiek met een relatieve dichtheid van 0,91-0,92 met een open porositeit van ongeveer 0,5%.
Een verhoging van de baktemperatuur tot 2000 °C in een vacuümoven in argon, of een verhoging van de sintertijd in een vlamoven, leidt tot een zekere verdere verdichting (relatieve dichtheid 0,93-0,94). De gesinterde, defectvrije specimens van CaO van verbeterde zuiverheid kunnen zonder schade gedurende lange perioden (gedurende een maand) in lucht worden opgeslagen.
In tegenstelling hiermee, als 325-mesh (43 μm) deeltjes van Ca(OH)2, gevormd door precipitatie uit oplossing, langzaam in een hete (750-780 °C) wervelbedoven worden gevoerd, resulteert dit in nano-grote ongebluste kalk, die extreem reactief is voor lucht en vocht. Nanoschaal calciumoxide deeltjes zijn typisch 20-80 nm met een specifiek oppervlak (SSA) in het 15-50 m2/g bereik en ook beschikbaar in met een gemiddelde deeltjesgrootte van 100 nm bereik met een SSA van ongeveer 5-10 m2/g. Nano calciumoxide deeltjes zijn beschikbaar in ultrahoge en hoge zuiverheid, transparant, en gecoate en gedispergeerde vormen. Zij zijn ook beschikbaar als nanovloeistof. Nanovloeistoffen worden over het algemeen gedefinieerd als gesuspendeerde nanodeeltjes in oplossing, hetzij met behulp van oppervlakteactieve stoffen of oppervlakteladingstechnologie. Technische richtsnoeren voor de selectie van nanovloeistoffen en coatings zijn ook beschikbaar. Tot de beschikbare nanostructuren behoren nanorods, nanowhiskers, nanohoorns, nanopyramiden en andere nanocomposieten. Met oppervlaktegefunctionaliseerde nanodeeltjes kunnen de deeltjes bij voorkeur worden geadsorbeerd aan de interface van het oppervlak met behulp van chemisch gebonden polymeren. Er wordt ontwikkelingsonderzoek verricht naar nano-elektronica en fotonicamaterialen, zoals MEMS en NEMS, bio-nanomaterialen, zoals biomarkers, biodiagnostiek en biosensoren, en verwante nanomaterialen, voor gebruik in polymeren, textiel, brandstofcellagen, composietmaterialen en zonne-energiematerialen. Het belangrijkste gebruik is tegenwoordig in de tandheelkunde, waar implantaten worden geplaatst.
Kalk of CaO, als gehydrateerde of “gebluste kalk” Ca(OH)2 (mineraal “portlandiet”), wordt gebruikt in mortel en pleisterwerk. Kalk wordt ook gebruikt bij de productie van glas en zijn vermogen om met silicaten te reageren wordt ook gebruikt in de moderne metaalproductie-industrieën (staal in het bijzonder) om onzuiverheden als “slakken” te verwijderen.
Kalk wordt ook gebruikt in water- en rioolwaterzuivering om de zuurgraad te verminderen, als vlokmiddel in zwembaden om fosfaten en andere onzuiverheden te verwijderen; in de papierfabricage om lignine op te lossen en bij het bleken van papier als stollingsmiddel; in de landbouw om zure bodems te verbeteren; en in gaswassers om afvalgassen te ontzwavelen en om vele vloeibare effluenten te behandelen. Van oudsher wordt het gebruikt bij het begraven van lichamen in open graven, om de geur van ontbinding te verbergen, en in de forensische wetenschap, om vingerafdrukken zichtbaar te maken.
De commercieel belangrijkste eigenschap van kalk is misschien wel zijn vermogen om oplossingen te vormen met silicaten. Wanneer kalk wordt verhit met silicazand (SiO2) en natriumcarbonaat (Na2CO3), wordt een oplossing gevormd die niet kristalliseert wanneer zij wordt afgekoeld. In plaats daarvan verhardt het tot een amorfe, heldere en bijna kleurloze vaste stof, namelijk “soda lime”-glas. Omdat het een mengsel is en geen zuivere verbinding, heeft glas geen duidelijk smeltpunt; het wordt geleidelijk zachter als het wordt verwarmd. Daarom kan het in vele nuttige vormen worden gegoten en geblazen. De produktie van glas uit kalk is een ander oud gebruik van kalk en dateert van tenminste 12.000 jaar geleden.
Het belangrijkste moderne gebruik van kalk berust ook op zijn vermogen om oplossingen te vormen met silicaten. Bijna 45% van de geproduceerde kalk wordt gebruikt in de staalindustrie. Staal en ijzer worden gesmolten uit ertsen, dat zijn gesteenten die ijzeroxiden bevatten. Veel van deze ertsen bevatten ook een grote hoeveelheid silicaten. Wanneer kalk met het erts wordt gemengd en het mengsel wordt gesmolten, verbinden deze silicaten zich met de kalk en vormen een vloeibare oplossing die slak wordt genoemd. De slak is niet mengbaar met gesmolten ijzer, zodat de silicaten uit het ijzer kunnen worden verwijderd door de slak af te tappen. Ongeveer 80 kg kalk wordt gebruikt bij de productie van elke metrische ton (1000 kg) ijzer. Kalk wordt ook gebruikt bij de productie van andere metalen. Het wordt bijvoorbeeld gebruikt om silicaten uit aluminiumoxide (Al2O3) te verwijderen voordat het aluminiumoxide tot aluminiummetaal wordt gereduceerd.
Kalk is ook een belangrijke grondstof bij de vervaardiging van chemicaliën. Het belangrijkste gebruik ervan is de productie van calciumcarbide, CaC2. Calciumcarbide wordt vervaardigd door kalk te verhitten met cokes:
Kalk wordt ook aan rioolwater toegevoegd om fosfaten te verwijderen:
Bij de voorbehandeling van de watervoorziening wordt kalk gebruikt om de zuurgraad te verlagen, het water zachter te maken en het drinkwater helder te maken.
Een verscheidenheid van andere industriële processen maakt ook uitgebreid gebruik van kalk. Het wordt gebruikt als opacificeermiddel in kunststoffen. De papierindustrie gebruikt het bij het verpulveren van hout; omdat kalk zeer alkalisch is, lost het de lignine op die de vezels in hout bijeenhoudt. Geprecipiteerd calciumcarbonaat (PCC), calciumoxide, en calciumhydroxide hebben een uiteenlopende functionaliteit in de papierindustrie. Calciumcarbonaten worden gebruikt voor het coaten van papier en als papiervuller, terwijl calciumoxide en calciumhydroxide worden gebruikt in toepassingen voor de fabricage van pulp/PCC. Bij de raffinage van suiker zorgt kalk voor coagulatie van plantaardig materiaal, waardoor het gemakkelijker van de suikersiroop kan worden gescheiden.
Wanneer ongebluste kalk wordt verhit tot 2400 °C (4300 F), geeft het een intense gloed af. Deze vorm van verlichting stond bekend als “kalklicht”, en werd op grote schaal gebruikt in theaterproducties vóór de uitvinding van de elektrische verlichting.
De jaarlijkse wereldproductie van ongebluste kalk bedraagt ongeveer 283 miljoen ton. China is veruit de grootste producent ter wereld, met een totaal van ongeveer 170 miljoen ton per jaar. De Verenigde Staten zijn de volgende met ongeveer 20 miljoen ton per jaar in 2000.
Calciumoxide is in grote hoeveelheden commercieel verkrijgbaar.