Ossido di calcio
L’ossido di calcio (CaO), comunemente noto come calce viva, è un materiale ampiamente utilizzato. È un solido bianco, caustico e alcalino a temperatura ambiente. Come prodotto commerciale, la calce spesso contiene anche MgO, ossido di silicio (sabbia) e piccole quantità di ossido di alluminio e ossido di ferro. Ciò è dovuto al fatto che il “calcare” contiene queste impurità. Si tratta principalmente di CaCO3 che quando viene cotto ad alte temperature forma CaO:
Questo si ottiene riscaldando il materiale a circa 825 °C, un processo chiamato “calcinazione” o combustione della calce, per liberare una molecola di CO2, lasciando “calce viva”. Questo processo è reversibile, poiché una volta che il prodotto della calce viva si è raffreddato, comincia immediatamente ad assorbire anidride carbonica dall’aria, finché, dopo un tempo sufficiente, si riconverte completamente in carbonato di calcio. Il numero CAS di CaO è 1305-78-8 e il suo peso molecolare è 56,0768 g/mol. È una polvere da bianca a giallo pallido con una densità di 3,35 g/cm3. Il suo punto di fusione è 2572 °C e il suo punto di ebollizione è 2853 °C. È solubile in acidi, glicerolo e una soluzione di zucchero. Se dissolto in acqua (Ca(OH)2) presenta un pH di 12,5. Il CaO ha la struttura cubica “halite”. L’ossido di calcio si trasforma dalla struttura B1 (tipo cloruro di sodio) alla struttura B2 (tipo cloruro di cesio) a 60-70 GPa (0,6-0,7 megabar) di pressione con una diminuzione di volume dell’11%.
La molecola di CaO è relativamente stabile anche allo stato di vapore. Quando l’evaporazione del CaO è stata effettuata con il GFAAS, l’ossido di Ca (CaO) è stato vaporizzato dalla superficie della grafite come ossido e in fase di vapore si è dissociato, dando così atomi.
La calce viva è molto corrosiva e reagisce violentemente con l’acqua. Una sostanza relativamente poco costosa, la calce viva produce energia termica attraverso la formazione dell’idrato, idrossido di calcio, come nella seguente equazione:
L’idrato può essere riconvertito in calce viva rimuovendo l’acqua nell’equazione reversibile. Se la calce idrata viene riscaldata fino all’arrossamento, la calce viva sarà rigenerata per invertire la reazione. Quando si idrata, ne risulta una reazione esotermica. Un litro di acqua si combina con circa 3,1 kg di calce viva per dare idrossido di calcio più 3,54 MJ di energia. Questo processo può essere usato per fornire una comoda fonte portatile di calore, come per riscaldare il cibo sul posto in una lattina autoriscaldante.
La produzione di ossido di calcio dal calcare è una delle più antiche trasformazioni chimiche prodotte dall’uomo. Il suo uso precede la storia registrata. La maggior parte delle lingue antiche ha una parola per l’ossido di calcio. In latino è calx, da cui il nome dell’elemento calcio. In inglese antico, il suo nome è lïm, che è l’origine del nome commerciale moderno dell’ossido di calcio, cioè calce. L’abbondanza di calcare nella crosta terrestre e la facilità della sua trasformazione in ossido di calcio non spiegano da sole perché la calce sia uno dei prodotti più antichi della chimica. La calce ha molte proprietà che la rendono molto preziosa. È così utile che oggi è prodotta industrialmente su vasta scala; più di 20 milioni di tonnellate sono state prodotte negli Stati Uniti nel 2000.
La calce è prodotta in diversi gradi o tipi. Se il calcare viene cotto a circa 850 °C, si ottiene un grado di “Calce viva standard” che viene utilizzato nella maggior parte delle applicazioni.
L’uso di ossido di calcio in polvere con un’area superficiale di circa 4 cm2/g, ottenuto dalla calcinazione del carbonato di calcio a 1250 °C, produce campioni densi e senza difetti. La cottura a 1700-1750 °C produce una ceramica quasi completamente sinterizzata con una densità relativa di 0,91-0,92 e una porosità aperta di circa lo 0,5%.
Un aumento della temperatura di cottura a 2000 °C in un forno a vuoto in argon, o un aumento del periodo di sinterizzazione in un forno a fiamma, porta a una certa ulteriore densificazione (densità relativa 0,93-0,94). I campioni sinterizzati e privi di difetti di CaO di maggiore purezza possono essere conservati in aria senza danni per lunghi periodi (per un periodo di un mese).
Al contrario, se particelle di Ca(OH)2 a 325 maglie (43 μm), formate per precipitazione dalla soluzione, vengono alimentate lentamente in un forno a letto fluido caldo (750-780 °C), ne risulta una calce rapida nanometrica che è estremamente reattiva all’aria e all’umidità. Le particelle di ossido di calcio su scala nanometrica sono tipicamente di 20-80 nm con un’area superficiale specifica (SSA) nell’intervallo 15-50 m2/g e sono disponibili anche con una dimensione media delle particelle di 100 nm con una SSA di circa 5-10 m2/g. Le nano particelle di ossido di calcio sono disponibili in forme ad altissima e alta purezza, trasparenti, rivestite e disperse. Sono disponibili anche come nanofluido. I nanofluidi sono generalmente definiti come nanoparticelle sospese in soluzione, utilizzando un tensioattivo o una tecnologia di carica superficiale. È disponibile anche una guida tecnica per la dispersione dei nanofluidi e la selezione dei rivestimenti. Le nanostrutture disponibili includono nanorods, nanowhiskers, nanohorns, nanopiramidi e altri nanocompositi. Le nanoparticelle funzionalizzate in superficie permettono alle particelle di essere adsorbite preferenzialmente all’interfaccia di superficie usando polimeri legati chimicamente. La ricerca di sviluppo è in corso nella nano elettronica e nei materiali fotonici, come MEMS e NEMS, nei bio-nano materiali, come i bio-marcatori, la bio-diagnostica e i bio-sensori, e nei nano materiali correlati, per l’uso in polimeri, tessuti, strati di celle a combustibile, compositi e materiali per l’energia solare. L’uso più importante oggi è nel lavoro dentale dove vengono posizionati gli impianti.
La calce o CaO, come calce idrata o “slaked lime” Ca(OH)2 (minerale “portlandite”), è usata nella malta e nel gesso. La calce è anche usata nella produzione del vetro e la sua capacità di reagire con i silicati è anche usata nelle moderne industrie di produzione dei metalli (acciaio in particolare) per rimuovere le impurità come “scorie”.
La calce è anche usata nel trattamento delle acque e delle fognature per ridurre l’acidità, come flocculante nelle piscine per rimuovere i fosfati e altre impurità; nella fabbricazione della carta per dissolvere la lignina, e nel candeggio della carta come coagulante; in agricoltura per migliorare i terreni acidi; e negli scrubber di gas per desolforare i gas di scarico e per trattare molti effluenti liquidi. Tradizionalmente è stata usata nella sepoltura di corpi in tombe aperte, per nascondere l’odore della decomposizione, così come nella scienza forense, per rivelare le impronte digitali.
Forse la proprietà commercialmente più importante della calce è la sua capacità di formare soluzioni con silicati. Quando la calce viene riscaldata con sabbia silicea (SiO2) e carbonato di sodio (Na2CO3), si forma una soluzione che non cristallizza quando viene raffreddata. Invece, si indurisce in un solido amorfo, chiaro e quasi incolore, cioè il vetro “calce sodata”. Poiché è una miscela e non un composto puro, il vetro non ha un punto di fusione distinto; si ammorbidisce gradualmente quando viene riscaldato. Pertanto, può essere modellato e soffiato in molte forme utili. La produzione di vetro dalla calce è un altro degli usi antichi della calce e risale ad almeno 12.000 anni fa.
L’uso moderno più importante della calce si basa anche sulla sua capacità di formare soluzioni con i silicati. Quasi il 45% della calce prodotta è usata nell’industria siderurgica. L’acciaio e il ferro sono fusi da minerali, che sono rocce che contengono ossidi di ferro. Molti di questi minerali contengono anche una grande quantità di silicati. Quando la calce viene mescolata con il minerale e la miscela fusa, questi silicati si combinano con la calce, formando una soluzione liquida chiamata scoria. Le scorie sono immiscibili con il ferro fuso, quindi i silicati possono essere rimossi dal ferro scolando le scorie. Circa 80 kg di calce sono usati nella produzione di ogni tonnellata metrica (1000 kg) di ferro. La calce è usata anche nella produzione di altri metalli. Per esempio, è usata per rimuovere i silicati dall’allumina (Al2O3) prima che l’allumina sia ridotta in alluminio metallico.
La calce è anche un materiale importante nella fabbricazione di prodotti chimici. Il suo uso principale è nella produzione di carburo di calcio, CaC2. Il carburo di calcio è prodotto riscaldando la calce con il coke:
Il carburo di calcio reagisce con l’acqua, rilasciando acetilene:
L’acetilene è un importante combustibile per la saldatura ed è anche un materiale di partenza per una serie di composti organici, tra cui cloruro di vinile, neoprene e acrilonitrile, tutte materie prime per polimeri. Il controllo dell’inquinamento è un consumatore di calce in rapida espansione. La calce è anche usata negli scrubber di gas di pila per ridurre le emissioni di biossido di zolfo dalle centrali elettriche. L’anidride solforosa reagisce con la calce per formare solfito di calcio solido:
La calce viene aggiunta alle acque di scarico per rimuovere anche i fosfati:
Il pretrattamento dell’acqua comporta l’uso della calce per diminuire l’acidità, per addolcire e per pulire l’acqua potabile.
Anche una varietà di altri processi industriali fanno largo uso di calce. Viene usata come opacizzante nella plastica. L’industria della carta la usa nella produzione di pasta di legno; poiché la calce è altamente alcalina, dissolve la lignina che lega insieme le fibre nel legno. Il carbonato di calcio precipitato (PCC), l’ossido di calcio e l’idrossido di calcio hanno una gamma diversificata di funzionalità nell’industria della carta. I carbonati di calcio sono utilizzati sia nella patinatura della carta che come riempitivo della carta, mentre l’ossido di calcio e l’idrossido di calcio sono utilizzati nelle applicazioni di produzione della pasta di legno/PCC. Nella raffinazione dello zucchero, la calce provoca la coagulazione del materiale vegetale, permettendo di separarlo più facilmente dallo sciroppo di zucchero.
Quando la calce viva viene riscaldata a 2400 °C (4300 F), emette un intenso bagliore. Questa forma di illuminazione era conosciuta come “limeLight”, ed era ampiamente utilizzata nelle produzioni teatrali prima dell’invenzione dell’illuminazione elettrica.
La produzione mondiale annuale di calce viva è di circa 283 milioni di tonnellate. La Cina è di gran lunga il più grande produttore mondiale, con un totale di circa 170 milioni di tonnellate all’anno. Gli Stati Uniti sono i successivi con circa 20 milioni di tonnellate all’anno nel 2000.
L’ossido di calcio è disponibile in grandi quantità in commercio.