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焼成は、固体化合物（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O 2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、熱分解を起こすことを目的としています。[1]
焼成という語源は、燃焼によって石灰石（炭酸カルシウム）から炭素を除去し、酸化カルシウム（生石灰）を生成するという、その最も顕著な用途を指しています。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成分であり、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、通常、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し、制御された雰囲気内で間接的に高温処理（550～1150℃、または1000～2100℉）を行う鋼鉄製の円筒です。[2]
語源
焼成のプロセスは、セメントを作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という最も一般的な用途のため、ラテン語のcalcinare（石灰を燃やす）[3]に由来しています。焼成の生成物は、熱処理を受ける実際の鉱物に関係なく、一般的に「calcine」と呼ばれます。
工業プロセス
焼成は、シャフト炉、ロータリーキルン、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（キルン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以下のものがあります。
- 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。
- ボーキサイトや石膏、炭酸塩鉱石の焼成における水和鉱物の分解により結晶水を水蒸気として除去する。
- 石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。
- ゼオライトの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。
- 電気燃焼焼成炉またはガス焼成による無煙炭の熱処理により、黒鉛構造が形成されます。
反応
焼成反応は通常、熱分解温度（分解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、特定の焼成反応の標準ギブス自由エネルギーがゼロに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
- CaCO 3 (s) → CaO(s) + CO 2 (g)
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、Δ G ° r ≈ 177,100 J/mol − 158 J/(mol*K) * Tと近似されます。[4]この場合、温度T が1121 K、つまり848 °C の とき、反応の標準自由エネルギーは0です。
酸化
場合によっては、金属を焼成すると、金属が酸化されて金属酸化物が生成される。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疑問に対する正式な回答」（1630 年）の中で、「鉄の容器に 2 ポンド 6 オンスの良質の英国産錫を入れ、何も加えずに継続的に撹拌しながら 6 時間、開放炉で激しく加熱したところ、2 ポンド 13 オンスの白い炭酸カルシウムが得られた」と記している。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濃く、より重く、ある程度粘着性になったことによる。この空気は（頻繁な撹拌が助けとなって）石灰と混ざり、その最も小さな粒子に付着する。砂を投入して撹拌すると、砂が水で湿らされて最も小さな粒子に付着し、砂が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のだろう。[5]
室温では、スズは金属表面に薄い酸化膜が形成されるため、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、スズは150℃を超えると酸化が始まります：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から特定の温度まで加熱された実際の火によって引き起こされます。潜在的な焼成は、腐食性の化学物質などの潜在的な火によって引き起こされます。たとえば、金は反射炉で水銀とサラモニア酸を使用して焼成されました。銀は食塩とアルカリ塩を使用して、銅は塩と硫黄を使用して、鉄はサラモニア酸と酢を使用して、錫はアンチモンを使用して、鉛は硫黄を使用して、水銀は硝酸を使用して焼成されました。[8]
また、哲学的な焼成もあり、これは角や蹄などを沸騰したお湯や他の酒に浸して粘液が失われ、簡単に粉末になるまで放置したときに起こると言われている。[8]
廃れた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年。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
- ^ ギルクリスト、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、ジャン (1953)。医学博士ジャン・レイによる、焼成時に錫と鉛の重量が増加する原因についての調査に関するエッセイ (1630)。E. & S. Livingstone、Alembic Club 向け。OCLC 154124030 。
- ^ 「スズ：その酸化状態と反応」。
- ^ 「ラヴォアジエ錫焼成」。
- ^ ab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組み込まれています: Chambers, Ephraim編 (1728)。「Calcination」。Cyclopædia、または芸術と科学の普遍的な辞典(第 1 版)。James and John Knapton、et al。
- ^ デインティス、ジョン編 (2008)。「フロギストン理論」。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– Oxford Reference 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」の意味) と改名し、理論を拡張して金属の焼成 (および腐食) も含めました。したがって、金属は石灰 (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、石灰が残ります。このプロセスは、金属を木炭 (燃焼により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る物質) で加熱することで逆転できます。石灰は、燃える木炭から放出されたフロギストンを吸収し、再び金属になります。