1 TEMA 4: EQUIPOS DE SÍNTESIS HIDROTERMAL 1.

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TEMA 4: EQUIPOS DE SÍNTESIS HIDROTERMAL
1.- Prensa tipo Belt
El laboratorio dispone de una prensa tipo Belt para comunicar alta presión junto a
temperatura dentro de los intervalos de trabajo 0-80 Kbar para la presión y 0-170 °C
para la temperatura. En la parte izquierda se muestra el equipo compuesto por un
controlador de presión y temperatura Eurotherm que permite automatizar todo el
proceso. La prensa consta de dos cámaras de presión intercambiables con un circuito de
refrigeración interno. La cámara grande permite alcanzar 40 Kbar y obtener hasta medio
gramo de muestra, mientras que en la cámara pequeña se pueden alcanzar hasta 80 Kbar
y unos 50 mg de muestra.
En la parte central, se observan los distintos componentes de una celda de presión: dos
anillos de teflón, dos conos de pirofilita, un horno de grafito, un cilindro hueco de
alúmina, dos tapones de alúmina y la cápsula (oro en este caso). Tanto el horno como la
cápsula dependen del intervalo de temperaturas utilizado. Se pueden utilizar hornos de
grafito y molibdeno, mientras que las cápsulas suelen ser de Cu, Au, Pt y Ta.
2.- Prensa Conac
También se dispone de una prensa Conac de diseño ruso suministrada por Cyberstar
(Francia). La geometría de la cámara de presión es esférica en este caso. Las
condiciones de trabajo van del orden de 0-100 Kbar de presión y de 0-180 °C de
temperatura. En la parte izquierda se muestra el equipo compuesto por un controlador
de presión y temperatura Eurotherm que permite automatizar todo el proceso. La prensa
consta de varias cámaras de presión intercambiables con un circuito de refrigeración
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interno. La cámara pequeña permite alcanzar 100 Kbar (Conac 15) y obtener hasta 200
mg de muestra, la intermedia (conac 28) 75 Kbar y unos 2 g de muestra.
En la parte central, se observan los distintos componentes de una celda de presión: tres
anillos de cartón, dos pistones de acero, dos piezas de calcita, dos láminas de molibdeno
y tántalo, dos tapones de calcita, la cápsula (aceroen en este caso), cilindros
concéntricos de calcita, el horno de grafito y el contenedor de calcita con forma de
platillo volante. Tanto el horno como la cápsula dependen del intervalo de temperaturas
utilizado. Se pueden utilizar hornos de grafito y molibdeno, mientras que las cápsulas
suelen ser de Cu, Au, Pt y Ta.
3.- Prensa pistón-cilindro (Rockland)
La prensa pistón-cilindro permite trabajar dentro de los intervalos de presión 0-35 Kbar
y de temperatura 0-1700 °C. En la parte izquierda se muestra el equipo completo
montado. En este caso sólo está automatizada la temperatura mediante un controlador
Eurotherm previa inserción en la celda de presión de un termopar adecuado. La prensa
consta de dos cámaras de presión intercambiables con un circuito de refrigeración
interno. La cámara grande permite alcanzar 20 Kbar y obtener hasta un gramo de
muestra, mientras que en la cámara pequeña se pueden alcanzar hasta 35 Kbar y unos
500 mg de muestra.
En la parte derecha, se observan los distintos componentes de una celda de presión
ligeramente diferentes a los de la prensa tipo belt: dos tubos cilíndricos pyrex, dos
tapones de óxido de magnesio, horno de grafito, contrapistón de acero, termopar y
cápsula. En este caso el controlador de temperatura es más preciso debido a la presencia
del termopar.
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4.- Equipo para síntesis hidrotermal
El equipo hidrotermal permite realizar síntesis bajo presión hidrostática máxima de 2.5
Kbar y una temperatura de 900 °C. Los autoclaves utilizados son de Iconel (Autoclave
Engineers Inc.). En estas condiciones se trabaja normalmente por encima del punto
crítico del agua. Adicionalmente, para trabajar por debajo del punto crítico del agua se
dispone de autoclaves en acero, con autoclaves con interior de teflón y con manómetro
externo, limitándose en este caso la temperatura a 230 °C y una presión máxima de 150
bar, pero con un mejor control de las condiciones de síntesis. La cantidad de muestra
obtenida puede alcanzar 100 g.
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Distintos tipos de autoclaves utilizados
(i) Autoclave Inconel para utilizar con ampollas de cuarzo sumergidas en agua en
condiciones de presión máxima 3 Kbar y 500 °C.
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(ii) Autoclave con camisa de teflón para utilizar en estufa o en horno con un máximo de
temperatura de 230 °C y con posibilidad de controlar la presión con un manómetro
externo.
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(iii) Autoclave con camisa de teflón para utilizarse en estufa o en horno con un máximo
de temperatura de 230 °C.
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5.- Horno de atmósfera controlada
Este equipo consta de un horno tubular y un sistema de vacío (< 0.001 mbar) con un
tubo de cuarzo que permite preparar en condiciones óptimas todo tipo de precursores
para la síntesis de alta presión. También se pueden utilizar tratamientos en atmósfera de
oxígeno o de argón con una presión máxima de 1.5 atm. La conexión del tubo al sistema
de vacío, atmósfera controlada, permite el traslado de muestra de y a cámara seca.
6.- Sistema de síntesis hidrotermal con control externo de la presión
El sistema consta de las siguientes partes:
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1.- Un autoclave de acero de aproximadamente 50 mL de capacidad. Este autoclave está
conectado mediante un capilar de acero, que puede soportar grandes presiones y
temperaturas, a una bomba manejada manualmente (o a veces automáticamente) que
inyecta agua a presión a través del capilar al recinto de reacción, el cual se ha rellenado
previamente con agua.
2.- El autoclave se colaca en el interior de un horno que mediante un regulador de
temperatura lo calienta. Al calentarse el autoclave la temperatura del agua que contiene
aumenta, y al mismo tiempo la hace la presión en el interior del autoclave. Esta presión
interior del autoclave se controla con unos manómetros.
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3.- Si se necesita realizar la experiencia a una presión y temperatura determinadas hay
que evacuar periódicamente agua del interior del autoclave. Esta operación se realiza
con unas llaves purgadoras. Al ir extrayendo agua del interior del autoclave, la presión
en su interior se reduce y este hecho permite seguir calentando el recinto de reacción
hasta una mayor temperatura.
4.- La muestra a transformar con la reacción hidrotermal se coloca en el interior del
autoclave, pero para que no se produzca contaminación con sus paredes de acero se
introduce en un tubo de oro, que es inerte a la reacción química. El tubo de oro permite
también la transmisión de la presión, que existe en el interior del autoclave por efecto
del agua caliente, desde el autoclave hasta la muestra que va a reaccionar.
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5.- Una vez finalizada la reacción, que suele durar varios días, el autoclave se extrae del
horno sin dejar que la temperatura disminuya, y seguidamente se introduce en un
recipiente metálico a través del cual se hace circular agua fría. De esta manera se trata
de evitar que la transformación estructural se haga reversible al disminuir lentamente la
temperatura y la presión.