Decomposizione del carbonato di calcio. Termodinamica
La decomposizione del carbonato di calcio porta alla formazione di monossido di calcio e biossido di carbonio:
CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g)
è una reazione altamente endotermica con un ΔH° = + 179 kJ/mol
La decomposizione del carbonato di calcio deve essere quindi condotta ad alta temperatura e si può ricorrere alle leggi della termodinamica per conoscere la temperatura più idonea.
Il monossido di calcio è uno dei prodotti più importanti dell’industria chimica ed è noto con il nome di calce viva.
Dalla calce viva si ottiene, dopo la reazione di spegnimento, la calce idrata o calce spenta che è impiegata come materiale da costruzione, nella preparazione di malte aeree e di alcune malte idrauliche; il monossido di calcio è usato inoltre nell’industria chimica, per la preparazione del cloruro di calcio, della soda, della potassa caustica e in agricoltura come correttivo dei terreni acidi; inoltre è usato come reattivo nella potabilizzazione delle acque, nella depurazione delle acque di rifiuto, nel trattamento dei fanghi. Il monossido di calcio viene ottenuto a partire dal calcare, roccia sedimentaria ricca di carbonato di calcio.
Variazione di entropia
La variazione di entropia standard di una reazione è data da:
ΔS°sis = Σ ΔS°prodotti – Σ ΔS°reagenti
e, nel caso della reazione in oggetto:
ΔS°sis = S°CaO + S°CO2 – S°CaCO3
Dai valori tabulati si ha:
ΔS°sis = 40.0 + 214.0 – 92.9 = + 161.0 J/mol K
La variazione di entropia totale è data dalla somma tra la variazione di entropia del sistema e la variazione di entropia dell’ambiente:
la variazione di entropia dell’ambiente vale:
ΔS°amb = – ΔH°/T = – 179000 /T
La variazione di entropia totale è quindi data da:
ΔS°tot = ΔS°sis + ΔS°amb = 161 – 179000/T
Affinché la reazione sia spontanea è necessario che ΔS°tot > 0. Pertanto alla temperatura di 25°C ovvero 298 K poiché
ΔS°tot = ΔS°sis + ΔS°amb = 161 – 179000/298 = – 439.7 J/mol K
La reazione non è spontanea in quanto ΔS°tot è minore di zero.
Per calcolare a quale temperatura la reazione avviene spontaneamente bisogna risolvere la disequazione:
161 – 179000/T > 0
161 > 179000/T
Poiché T è una grandezza positive:
161 T > 179000
Da cui T > 1112 K corrispondenti a 839 °C
Ciò implica che la temperatura di 839 °C è la temperatura minima alla quale la decomposizione avviene. Bisogna tuttavia tenere presente che il carbonato di calcio si trova in equilibrio con il monossido di calcio e il biossido di carbonio ad ogni temperatura: ad ogni temperatura corrisponde una pressione parziale di biossido di carbonio che è in equilibrio con il carbonato di calcio.
A temperatura ambiente l’equilibrio della reazione è spostato a sinistra e la pressione di equilibrio del biossido di carbonio costituisce solo una piccola frazione rispetta alla pressione parziale del biossido di carbonio contenuto nell’aria. Solo a temperature al di sopra di 550 °C la pressione di CO2 inizia a essere maggiore rispetto alla pressione di CO2 nell’aria e quindi solo a temperature maggiori di 550 °C il carbonato di calcio inizia a decomporsi.