焼成
焼成は、固体の化合物（例えば、混合炭酸塩鉱石）を熱処理することであり、その化合物は、周囲の酸素（すなわち、空気中の気体O2分率）の供給を制限した状態で溶融することなく高温に加熱され、通常は不純物や揮発性物質を除去したり、熱分解を起こしたりする目的で行われる。[ 1 ]
焼成（calcination）という言葉の語源は、その最も顕著な用途、すなわち石灰石（炭酸カルシウム）から燃焼によって炭素を除去し、酸化カルシウム（生石灰）を生成することに由来しています。この焼成反応はCaCO 3 (s) → CaO(s) + CO 2 (g)です。酸化カルシウムは現代のセメントの重要な原料であり、製錬における化学フラックスとしても使用されます。工業的な焼成では、一般的に二酸化炭素（CO 2 ）が排出されます。
焼成炉は加熱された炉内で回転する鋼鉄製の円筒で、制御された雰囲気下で間接的に高温処理（550～1150℃、または1000～2100℉）を行います。[ 2 ]
語源
焼成プロセスは、ラテン語のcalcinare（石灰を燃やす）に由来しています[ 3 ] 。これは、セメントを製造するために、炭酸カルシウム（石灰石）を酸化カルシウム（石灰）と二酸化炭素に分解する最も一般的な用途に由来しています。焼成生成物は、熱処理を受ける実際の鉱物の種類に関わらず、一般的に「calcine（カルシン）」と呼ばれます。
産業プロセス
焼成は、シャフト炉、ロータリー窯、多重炉、流動床反応器など、さまざまな設計の炉または反応器（窯または焼成炉と呼ばれることもある）で行われます。
焼成プロセスの例には次のようなものがあります。
- 炭酸塩鉱石の分解、例えば石灰石を焼成して二酸化炭素を除去することなど。
- 含水鉱物の分解、例えばボーキサイトや石膏、炭酸塩鉱石の焼成で結晶水を水蒸気として除去すること。
- 原油コークスに含まれる揮発性物質の分解。
- アナターゼからルチルへの変換やガラス材料の失透など、相転移を起こすための熱処理。
- ゼオライト合成におけるアンモニウムイオンの除去。
- フッ化ウラニルを脱フッ素して二酸化ウランとフッ化水素酸ガスを生成する。
- 無煙炭を電気焼成炉またはガス焼成で熱処理し、黒鉛構造を発達させる。
反応
焼成反応は通常、熱分解温度（分解反応および揮発反応の場合）または転移温度（相転移の場合）以上で起こります。この温度は通常、特定の焼成反応における標準ギブス自由エネルギーがゼロとなる温度として定義されます。
石灰石の焼成
石灰石の焼成は900～1050 ℃ で起こる分解プロセスであり、化学反応は
現在、この反応は主にセメント窯で起こっています。
反応の標準ギブス自由エネルギー[J/mol]はΔG°r≈177,100J/mol−158J/(mol*K)*Tと近似される。 [ 4 ] この場合、温度Tが 1121K （848℃） の とき、反応の標準自由エネルギーは0である。
酸化
金属を焼成すると、酸化されて金属酸化物が生成される場合があります。ジャン・レイは、エッセイ「錫と鉛は焼成するとなぜ重量が増加するのかという問いに対する正式な回答」（1630年）の中で、「良質の英国産錫2ポンド6オンスを鉄容器に入れ、開放炉で6時間、絶えずかき混ぜながら、何も加えずに強火で加熱したところ、2ポンド13オンスの白い炭酸カルシウムが得られた」と述べています。彼は「この重量増加は、炉の激しく長時間続く熱によって容器内の空気がより密度が高く、重く、ある程度粘着性を持つようになったことによる。この空気は（頻繁な攪拌によって）石灰と混ざり合い、その最も微細な粒子に付着する。これは、砂を投入して攪拌すると、砂が湿って最も微細な粒子に付着し、より重くなるのと同じである」と主張した。おそらく金属は酸化されるにつれて重量が増加したと考えられる。[ 5 ]
室温では、スズは金属表面に薄い酸化膜を形成するため、空気や水の影響に対して非常に耐性があります。空気中では、150℃を超えるとスズは酸化反応を起こし始めます：Sn + O 2 → SnO 2。[ 6 ]
アントワーヌ・ラボアジエは後にこの実験を行い、同様の結果を得ました。[ 7 ]
錬金術
錬金術では、焼成は物質の変換に必要な 12 の重要なプロセスのうちの 1 つであると信じられていました。
錬金術師は、実際の焼成と潜在的な焼成の2種類の焼成を区別していました。実際の焼成は、木材、石炭、またはその他の燃料を一定の温度に加熱することで、実際の火によって引き起こされます。潜在的な焼成は、腐食性化学物質などの潜在的な火によって引き起こされます。例えば、金は反射炉で水銀とサラモニア酸を用いて焼成され、銀は食塩とアルカリ塩を用いて、銅は食塩と硫黄を用いて、鉄はサラモニア酸と酢を用いて、錫はアンチモンを用いて、鉛は硫黄を用いて、水銀は硝酸を用いて焼成されました。[ 8 ]
哲学的焼成という方法もあり、これは角や蹄などを沸騰したお湯やお酒に浸すと粘液がなくなり、簡単に粉末状になるまで焼成が行われると言われていました。[ 8 ]
時代遅れのフロギストン説によれば、「カルクス」は燃焼の過程でフロギストンが追い出された後に残った真の元素物質であった。[ 9 ]
参考文献
- ^ 「焼成」 . IUPAC化学用語集. 2014. doi : 10.1351/goldbook.C00773 .
- ^ 「焼成炉による高温処理」。
- ^モスビーの医学・看護・関連健康辞典、第4版、モスビー・イヤーブック社、1994年、243ページ
- ^ Gilchrist, JD (1989).抽出冶金学（第3版）. オックスフォード: ペルガモン・プレス. p. 145. ISBN 978-0-08-036612-8。
- ^レイ、ジーン (1953).医学博士ジーン・レイによる、焼成により錫と鉛の重量が増加する原因についての考察 (1630)に関するエッセイ集。E. & S. Livingstone for the Alembic Club. OCLC 154124030 .
- ^ 「スズ：その酸化状態と反応」。
- ^ 「ラヴォアジエ錫焼成」。
- ^ a b
この記事には、現在パブリックドメインとなっている出版物のテキストが含まれています： Chambers, Ephraim編 (1728). "Calcination" . Cyclopædia, or an Universal Dictionary of Arts and Sciences (1st ed.). James and John Knapton, et al. - ^デインティス、ジョン編 (2008). 「フロギストン説」 .化学辞典（第6版）.オックスフォード大学出版局. doi : 10.1093/acref/9780199204632.001.0001 . ISBN 9780191726569– オックスフォード・リファレンスより。18
世紀初頭、ゲオルク・シュタールはこの物質をフロギストン（ギリシャ語で「燃えた」という意味）と改名し、その理論を金属の焼成（および腐食）まで拡張しました。つまり、金属はカルクス（粉末状の残留物）とフロギストンで構成されていると考えられていました。金属を加熱するとフロギストンが放出され、カルクスが残ります。このプロセスは、金属を木炭（燃焼によってほぼ完全に消費されるため、フロギストンを豊富に含むと考えられていた物質）で加熱することで逆転させることができます。カルクスは燃焼する木炭から放出されるフロギストンを吸収し、再び金属になります。
