煆焼

煆焼（Calcination）

煆焼（かしょう、calcination）は、鉱石などの固体を加熱して、熱分解や相転移を引き起こしたり、揮発成分を取り除くための熱処理方法です。このプロセスは、物質が通常の融点よりも低い温度において実施されるため、比較的制御された環境で行われます。煆焼は、焙焼や仮焼とは異なる技術であり、その目的やプロセスも異なります。

工業における煆焼の利用

英語では「calcination」と呼ばれるこの処理法は、特に炭酸カルシウム（石灰石）を酸化カルシウム（石灰）と二酸化炭素に分解する過程として知られています。このプロセスは、セメントの製造に不可欠で、生成物は「焼鉱（calcine）」と呼ばれます。焼鉱は、特に熱処理を施された鉱石の総称で、何を加熱したかによる制約はありません。煆焼は主に炉、窯、または反応器を使用して行われます。

煆焼の具体的なプロセス

煆焼には、いくつかの具体的な応用があります。例えば、以下のようなプロセスが実施されています：

1. 炭酸塩鉱物の分解: 石灰石の煆焼を通じて二酸化炭素を除去し、酸化カルシウムを生成する。
2. 含水鉱物の分解: ボーキサイト（実際には水酸化アルミニウム）の煆焼により、鉱石内の水分を蒸発させ除去する。
3. オイルコークスの処理: 揮発成分を取り除くための加熱。
4. 相転移の促進: 例えば、鋭錐石を金紅石に変換したり、ガラス物質を失透させる過程。

煆焼反応のメカニズム

煆焼は通常、特定の熱分解温度または転移温度以上の温度で行われます。これは、対応する化学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考えられます。具体的な例として、石灰石の煆焼プロセスが挙げられます。この過程においては次のような化学反応が行われます。

CaCO₃ → CaO + CO₂（気体）

この反応に関しては、標準ギブス自由エネルギーが

ΔrG° / (J mol⁻¹) = 177,100 − 158 T / K

という式で表され、温度 T が1121 K（848℃）の際、自由エネルギーがゼロになることが示されています。また、化学分解反応の際には、関連する熱分解温度を添えて示すことがあります。

酸化反応と歴史

一部の金属では、煆焼プロセスにより酸化が発生することもあります。17世紀の科学者ジャン・レイは、鉛やスズの重量が増加することから、空気の成分が金属と結びついていると推測しました。その後、ラヴォワジエがその現象が酸化のプロセスによるものであると明確にしました。

錬金術における煆焼

煆焼は、古代の錬金術においても重要なプロセスと考えられており、「実在」と「潜在」という2つの形質転換に分けられていました。実在は、木や石炭などの燃料を用いることで、潜在は腐食性の薬品を利用することで達成されます。特に、金や銀などの金属は、特定の薬品とともに処理されることで生成されるとされました。

また、「哲学的煆焼」として知られる処理法も存在し、動物の角や蹄を熱湯で処理し、粘液を抜き取って粉末にするプロセスを指しました。これにより、様々な物質の変化が促され、特定の状態に変化させることができると考えられていました。

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