Introducción
Mientras que técnicas analíticas como EDX o ICP-MS proporcionan un análisis detallado de los elementos químicos, por ejemplo, de los presentes en una muestra de sal [1], los métodos de análisis térmico pueden utilizarse también para identificar y caracterizar diferentes compuestos químicos presentes en dicha muestra. El análisis térmico simultáneo (STA), que se refiere a la termogravimetría (TGA) y la calorimetría diferencial de barrido (DSC) realizadas simultáneamente en un experimento, se empleó, por ejemplo, para investigar las materias primas del cemento, incluyendo la presencia y el impacto de las impurezas de sales de metales alcalinos [2]. Otro ejemplo es el proceso de fusión y la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica del material de cambio de fase (PCM) nitrato sódico, NaNO3, que se estudió mediante DSC [3].
Este trabajo se ocupa de las mediciones de DSC en NaCl, KCl, sal de mesa habitual y la llamada sal del Himalaya, donde la fusión, la evaporación parcial y el análisis composicional de las sales son el centro de atención. Las sales alcalinas como el NaCl (halita) y el KCl (silvita) desempeñan un papel importante en nuestra vida cotidiana. Mientras que el NaCl es el principal componente de la sal de mesa o de cocina, el KCl puede utilizarse, por ejemplo, como sal de carretera en invierno. La sal del Himalaya, originaria de Pakistán, es una sal natural que contiene -junto con el NaCl- varios minerales y óxidos como el Fe2O3 [1], responsable de su color ligeramente rosado (véase la foto de arriba).
Experimental
Las mediciones se realizaron con el STA 449 F5 Jupiter® (véase la figura 1). Este instrumento, que dispone de un horno de SiC que permite una temperatura máxima de la muestra de 1600 °C, puede equiparse opcionalmente con el cambiador automático de muestras (ASC) y técnicas de acoplamiento para el análisis de gases evolucionados como MS, FT-IR o GC-MS. El rango de pesaje de la balanza es tan amplio como 35 g con una resolución de la balanza de 0,1 μg en todo el rango. Otra ventaja de la STA 449 F5 Jupiter® es la funcionalidad del software TG-BeFlat®, que tiene en cuenta automáticamente el efecto de flotabilidad, de modo que ya no es necesario realizar mediciones de referencia para los ensayos estándar.
Las condiciones de medición aplicadas para este trabajo se resumen en la tabla 1.
Tabla 1: Condiciones de medición aplicadas para este trabajo
Condiciones de medición | |
|---|---|
| Instrumento | STA 449 F5 Jupiter® |
| Portamuestras | TGA-DSC tipo S |
| Crisoles | PtRh (0,19 ml) |
| Velocidad de calentamiento | 10 K/min |
| Masas de muestra | 23 ± 1 mg |
| Atmósfera | N2 |
| Caudal del gas de purga | 70 ml/min |
Las muestras de NaCl [4] y KCl [5] tenían una pureza nominal del 99,8%, mientras que no se disponía de información sobre la pureza de la sal de mesa y la sal del Himalaya. Todas las muestras se midieron como una fina capa de granos que sólo cubría el fondo del crisol; el material de la muestra no estaba molido ni compactado.
Resultados y debate
En la figura 2 se representa el cambio de masa en función de la temperatura y el flujo de calor de la muestra de NaCl. A una temperatura de inicio extrapolada de 802,1°C, se observó un efecto EndotérmicoUna transición de muestra o una reacción es endotérmica si se necesita calor para la conversión.endotérmico con una temperatura pico de 813°C y una entalpía de 480 J/g, que puede atribuirse a la fusión de la muestra. La temperatura de inicio, que refleja el Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).punto de fusión, concuerda bien con el valor bibliográfico de 801°C; la entalpía de 480 J/g también concuerda bien con el valor de calor de fusión de 484 J/g encontrado en la bibliografía [6]. Por encima de unos 800°C, se produjo una pérdida de masa del 0,9%, que se debe a la evaporación parcial de la muestra.
En la figura 3 se muestran los resultados STA de la muestra de KCl. De nuevo, se observó fusión y evaporación parcial; el Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).punto de fusión, detectado a 771,4°C, concuerda bien con el valor de 772°C de la bibliografía y el valor de entalpía de 361 J/g concuerda de nuevo con el valor de 351 J/g comunicado en la referencia [6].
En la figura 4 se muestran los resultados de DSC obtenidos para la muestra de sal de mesa, que difieren claramente de los resultados obtenidos para la muestra de NaCl puro (compárense las figuras 4 y 2): El inicio del pico DSC principal se sitúa a 797,2°C y, por tanto, significativamente por debajo del valor de 802,1°C observado para el NaCl puro; además, se detectó un efecto EndotérmicoUna transición de muestra o una reacción es endotérmica si se necesita calor para la conversión.endotérmico adicional a una temperatura de inicio extrapolada de 724°C. La entalpía del efecto principal de fusión de 499 J/g está en el mismo rango que el valor de 480 J/g observado para el NaCl puro, mientras que la entalpía del primer efecto es de sólo 6 J/g. Estos resultados demuestran que la sal de mesa -como era de esperar- no es NaCl puro; la curva DSC encontrada para la muestra de sal de mesa se observa típicamente para mezclas binarias de sales [7]. En este caso, NaI-NaCl con una concentración de NaI en el rango porcentual más bajo es el candidato más probable [7].
Los resultados STA obtenidos para la sal del Himalaya mostrados en las figuras 5a y 5b son aún más complejos que los resultados para la sal de mesa. Esto ya puede apreciarse en los escalones de pérdida de masa del 0,06%, 0,07%, 0,05%, 0,05%, 0,17% y 0,10% observados por debajo de 700°C sólo para la muestra de sal del Himalaya (véase la figura 5b). Por debajo de unos 400°C, la señal DSC mostró efectos endotérmicos que se correlacionan - y que se deben a los pasos de pérdida de masa; en la figura 5b pueden verse detalles como las temperaturas pico y las entalpías. La pérdida de masa por debajo de unos 200°C se debe muy probablemente a la liberación de humedad y a la deshidratación del yeso (mezcla de CaSO4∙2H2Oy CaSO4∙½H2O) con una concentración estimada en el rango subporcentual. Entre aproximadamente 200°C y 400°C, los pasos de pérdida de masa podrían deberse a la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición de varios carbonatos, mientras que el paso de pérdida de masa en el rango de 450°C podría deberse a la deshidratación del Ca(OH)2. Para una mayor interpretación de los pasos de pérdida de masa, el análisis de gases evolucionados sería claramente útil [8]. El resultado del DSC por encima de los 580°C es también muy complejo (ver figura 5b): Se detectaron al menos siete efectos endotérmicos DSC. El pico principal a 799°C se debe probablemente a una mezcla binaria, rica en NaCl, como NaI-NaCl, KCl-NaCl [7] o Na2CO3- NaCl [7, 9], de donde también puede originarse el pico DSC a 712°C. El resto de efectos DSC entre 580°C y 799°C son muy complejos. Los restantes efectos DSC entre 580°C y 720°C se deben presumiblemente a los procesos de fusión de varios yoduros, fluoruros, cloruros, carbonatos o sulfatos y mezclas de ellos con NaCl o KCl [7, 10]. Por ejemplo, el pico DSC a 587°C podría deberse a CaI2 o K2SO4, el pico agudo a 690°C podría deberse a KI y el pico a 679°C podría deberse a una transformación estructural de Fe2O3 [10]. En la figura 5b pueden verse más detalles, como las temperaturas de pico y las entalpías. La pérdida de masa de la sal del Himalaya del 2,74% por encima de 700°C (véase la figura 5a), que se debe de nuevo a la evaporación parcial, es significativamente mayor que la de las otras muestras investigadas.
Conclusión
Las investigaciones de NaCl, KCl, sal de mesa y sal del Himalaya mediante el STA 449 F5 Jupiter® demostraron que este instrumento es muy adecuado para estudiar sustancias como las sales alcalinas y sus mezclas. En particular, la señal DSC, que refleja muy claramente los procesos de fusión y otras transformaciones de fase, permite investigar los diagramas de fases mediante temperaturas de fusión e incluso entalpías. La señal TGA indica no sólo la evaporación de la muestra, sino también los pasos de pérdida de masa debidos a la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición de, por ejemplo, sustancias impuras, que pueden identificarse y cuantificarse en varios casos.