Heading

Calcium Oxide

Osiąga się to poprzez podgrzanie materiału do temperatury około 825 °C, proces zwany „kalcynacją” lub wypalaniem wapna, w celu uwolnienia cząsteczki CO2, pozostawiając „wapno palone”. Proces ten jest odwracalny, ponieważ po ostygnięciu wapna palonego natychmiast zaczyna ono pochłaniać dwutlenek węgla z powietrza, aż w końcu, po upływie odpowiedniego czasu, zostaje całkowicie przekształcone z powrotem w węglan wapnia. Numer CAS CaO to 1305-78-8, a jego masa cząsteczkowa wynosi 56,0768 g/mol. Jest to biały do bladożółtego proszek o gęstości 3,35 g/cm3. Jego temperatura topnienia wynosi 2572 ° C, a jego temperatura wrzenia wynosi 2853 ° C. Jest rozpuszczalny w kwasach, glicerolu i roztworze cukru. Po rozpuszczeniu w wodzie (Ca(OH)2) wykazuje pH 12,5. CaO ma strukturę sześcienną „halitu”. Tlenek wapnia przekształca się ze struktury B1 (typu chlorku sodu) w strukturę B2 (typu chlorku cezu) pod ciśnieniem 60 do 70 GPa (0,6 do 0,7 megabara) ze zmniejszeniem objętości o 11%.

Cząsteczka CaO jest stosunkowo stabilna nawet w stanie pary. Podczas odparowywania CaO przy użyciu GFAAS, tlenek Ca (CaO) odparował z powierzchni grafitu jako tlenek, a w fazie parowej zdysocjował, dając w ten sposób atomy.

Wodan może być ponownie przekształcony w wapno palone poprzez usunięcie wody w równaniu odwracalnym. Jeśli uwodnione wapno zostanie podgrzane do czerwoności, wapno palone zostanie zregenerowane, aby odwrócić reakcję. Podczas hydratacji zachodzi reakcja egzotermiczna. Jeden litr wody łączy się z około 3,1 kg wapna palonego, dając wodorotlenek wapnia i 3,54 MJ energii. Proces ten może być wykorzystany do zapewnienia wygodnego przenośnego źródła ciepła, jak np. do podgrzewania żywności na miejscu w samonagrzewającej się puszce.

Produkcja tlenku wapnia z wapienia jest jedną z najstarszych przemian chemicznych przeprowadzonych przez człowieka. Jego zastosowanie sięga czasów historycznych. W większości starożytnych języków istnieje słowo określające tlenek wapnia. W języku łacińskim jest to calx, od którego pochodzi nazwa pierwiastka wapnia. W języku staroangielskim jego nazwa brzmi lïm, od której pochodzi współczesna nazwa handlowa tlenku wapnia, czyli wapno. Obfitość wapienia w skorupie ziemskiej i łatwość jego przemiany w tlenek wapnia nie tłumaczą same w sobie, dlaczego wapno jest jednym z najstarszych produktów chemii. Wapno ma wiele właściwości, które czynią je dość cennym. Jest tak użyteczne, że jest dziś produkowane przemysłowo na szeroką skalę; w 2000 r. w USA wyprodukowano ponad 20 milionów ton metrycznych.

Wapno jest produkowane w kilku gatunkach lub rodzajach. Jeśli wapień jest wypalany w temperaturze około 850 °C, powstaje „Standardowe wapno palone”, które jest używane w większości zastosowań.

Użycie sproszkowanego tlenku wapnia o powierzchni około 4 cm2/g, uzyskanego przez kalcynację węglanu wapnia w temperaturze 1250 °C, daje gęste, wolne od wad próbki. Wypalanie w temperaturze 1700-1750 °C daje prawie całkowicie spieczoną ceramikę o gęstości względnej 0,91-0,92 z otwartą porowatością około 0,5%.

Podwyższenie temperatury wypalania do 2000 °C w piecu próżniowym w argonie, lub wydłużenie czasu spiekania w piecu płomieniowym, prowadzi do pewnego dalszego zagęszczenia (gęstość względna 0,93-0,94). Spiekane, wolne od wad próbki CaO o podwyższonej czystości mogą być przechowywane w powietrzu bez uszkodzeń przez długi okres czasu (przez okres miesiąca).

W przeciwieństwie do tego, jeśli cząstki Ca(OH)2 o wielkości 325 mesh (43 μm), powstałe w wyniku wytrącania z roztworu, są powoli wprowadzane do gorącego (750-780 °C) pieca fluidalnego, powstaje nanoziarniste wapno palone, które jest bardzo reaktywne na powietrze i wilgoć. Cząstki tlenku wapnia w nanoskali mają zwykle wielkość 20-80 nm, a ich powierzchnia właściwa (SSA) mieści się w zakresie 15-50 m2/g. Dostępne są również cząstki o średniej wielkości 100 nm, a ich SSA wynosi około 5-10 m2/g. Cząstki nanotlenku wapnia są dostępne w postaci ultra wysokiej i wysokiej czystości, przezroczystej, powlekanej i rozproszonej. Są one również dostępne w postaci nanofluidów. Nanopłyny są ogólnie definiowane jako nanocząstki zawieszone w roztworze przy użyciu środków powierzchniowo czynnych lub technologii ładunku powierzchniowego. Dostępne są również wskazówki techniczne dotyczące dyspersji nanofluidów i doboru powłok. Dostępne nanostruktury obejmują nanorody, nanowiskery, nanorożce, nanopiramidy i inne nanokompozyty. Nanocząstki funkcjonalizowane powierzchniowo pozwalają na preferencyjną adsorpcję cząstek na powierzchni przy użyciu chemicznie związanych polimerów. Prowadzone są badania rozwojowe nad materiałami nanoelektronicznymi i fotonicznymi, takimi jak MEMS i NEMS, materiałami bio-nano, takimi jak bio-markery, bio-diagnostyka i bio-sensory, oraz pokrewnymi nano-materiałami, do zastosowania w polimerach, tekstyliach, warstwach ogniw paliwowych, kompozytach i materiałach na energię słoneczną. Najważniejsze zastosowanie znajduje obecnie w pracach dentystycznych, gdzie umieszczane są implanty.

Wapno palone lub CaO, w postaci wapna hydratyzowanego lub „wapna gaszonego” Ca(OH)2 (minerał „portlandyt”), stosowane jest w zaprawach murarskich i tynkach. Wapno jest również stosowane w produkcji szkła, a jego zdolność do reagowania z krzemianami jest również wykorzystywana w nowoczesnym przemyśle metalowym (zwłaszcza stalowym) do usuwania zanieczyszczeń jako „żużel”.

Wapno jest również stosowane w oczyszczaniu wody i ścieków w celu zmniejszenia kwasowości, jako flokulant w basenach do usuwania fosforanów i innych zanieczyszczeń; w produkcji papieru do rozpuszczania ligniny i w bieleniu papieru jako koagulant; w rolnictwie do poprawy kwaśnych gleb; oraz w płuczkach gazowych do odsiarczania gazów odlotowych i do oczyszczania wielu płynnych ścieków. Wapno było tradycyjnie stosowane przy pochówku ciał w otwartych grobach, aby ukryć zapach rozkładu, jak również w kryminalistyce, aby ujawnić odciski palców.

Prawdopodobnie najważniejszą właściwością wapna w handlu jest jego zdolność do tworzenia roztworów z krzemianami. Kiedy wapno jest podgrzewane z piaskiem krzemionkowym (SiO2) i węglanem sodu (Na2CO3), powstaje roztwór, który nie krystalizuje się po ochłodzeniu. Zamiast tego twardnieje do bezpostaciowego, przejrzystego i prawie bezbarwnego ciała stałego, czyli szkła „sodowo-wapniowego”. Ponieważ jest to mieszanina, a nie czysty związek, szkło nie ma wyraźnej temperatury topnienia; stopniowo mięknie w miarę ogrzewania. Dlatego też może być formowane i dmuchane w wiele użytecznych kształtów. Produkcja szkła z wapna jest kolejnym ze starożytnych zastosowań wapna i sięga co najmniej 12 000 lat wstecz.

Najważniejsze współczesne zastosowanie wapna również opiera się na jego zdolności do tworzenia roztworów z krzemianami. Prawie 45% produkowanego wapna jest wykorzystywane w przemyśle stalowym. Stal i żelazo są wytapiane z rud, czyli skał zawierających tlenki żelaza. Wiele z tych rud zawiera również duże ilości krzemianów. Kiedy wapno jest mieszane z rudą, a mieszanina jest topiona, krzemiany te łączą się z wapnem, tworząc płynny roztwór zwany żużlem. Żużel jest niemieszalny z roztopionym żelazem, więc krzemiany można usunąć z żelaza poprzez odsączenie żużla. Do produkcji każdej tony metrycznej (1000 kg) żelaza zużywa się około 80 kg wapna. Wapno jest również wykorzystywane do produkcji innych metali. Na przykład, jest używane do usuwania krzemianów z tlenku glinu (Al2O3) przed jego redukcją do metalu glinu.