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Efeito do Precursor de SiO2 e da Ativação Mecanoquímica na Reatividade do Sistema MgO-Al2O3-SiO2.A ativação mecanoquímica de sólidos vem sendo estudada com grande interesse desde a década de 70, usualmente utilizando-se moinhos de alta energia com velocidades em torno de 400 rpm. Além do aumento de homogeneidade e da variação do tamanho de partícula, a ação das forças mecânicas resulta na transferência de energia cinética, induzindo transformações estruturais e, em muitos casos, químicas. Neste trabalho, amostras do sistema MgO – Al2O3 – SiO2 constituídas por 28,5 mol % de MgO, 28,5 mol% de Al2O3 e 43 mol% de SiO2 foram ativadas em moinho de rolo, com velocidade de 100 rpm, e calcinadas à diferentes temperaturas. O tempo de moagem, a relação entre a massa de amostra e a massa do meio de moagem, o precursor de SiO2 e o meio de ativação foram variados. A análise dos espectros de infravermelho (IV) e dos difratogramas de raios X (DRX) indica a formação de Mg(OH)2 à temperatura ambiente, de forsterite (MgSi2O5), enstantite (MgSiO3) e espinélio de Mg e Al (MgAl2O4) à 9500C e da cordierite (Mg2Al2Si5O18) entre 1.1500C e 12500C. Um mecanismo para à formação da cordierite foi proposto.Samples on the MgO–Al2O3–SiO2 ternary system, constituted by 28.5mol % of MgO, 28.5mol % of Al2O3 and 43mol % of SiO2, were activated in a roll mill and calcined at different temperatures. The influence of grinding time, the ratio between powder mass and the grinding element mass, the SiO2 precursor and the “activation medium”, in the system reactivity were studied. The analysis of the infrared spectra and of the X-ray powder diffraction patterns indicates the formation, in some samples, of Mg(OH)2 at room temperature, of forsterite (MgSi2O5) and enstatite (MgSiO3) at 1223K and of spinel (MgAl2O4) between 1223K and 1523K. The presence of cordierite (Mg2Al2Si5O18) was observed at 1523K, a reaction pathway for its formation was proposed. Constança Amaro de Azevedo1, Francisco M.S. Garrido2, Marta Eloísa Medeiros2. (1 - Instituto de Pesquisas da Marinha, 2 - Instituto de Química - Departamento de Química Inorgânica - UFRJ, Rio de Janeiro - RJ, Brasil)
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Efeito do Precursor de SiO2 e da Ativação Mecanoquímica na Reatividade do Sistema MgO-Al2O3-SiO2
Constança Amaro de Azevedo1, Francisco M.S. Garrido2, Marta Eloísa Medeiros2 1 - Instituto de Pesquisas da Marinha
2 - Instituto de Química - Departamento de Química Inorgânica - UFRJ A ativação mecanoquímica de sólidos vem sendo estudada com grande interesse desde a década de 70, usualmente utilizando-se moinhos de alta energia com velocidades em torno de 400 rpm. Além do aumento de homogeneidade e da variação do tamanho de partícula, a ação das forças mecânicas resulta na transferência de energia cinética, induzindo transformações estruturais e, em muitos casos, químicas [1,2]. Neste estudo, amostras do sistema ternário MgO-Al2O3-SiO2, constituídas por 28,5 mol% de MgO, 28,5 mol% de Al2O3 e 43mol% de SiO2, foram ativadas num moinho de bolas de rolo com velocidade de 100 rpm e calcinadas em diferentes temperaturas. A influência do tempo de moagem, da razão entre a massa do pó e a massa do meio de moagem, do precursor de SiO2 e do meio de ativação sobre o sistema reativo foi estudada. As condições de moagem em moinho de rolo ( 100 rpm ), tendo como meio de moagem cilindros de zircônia com 1cm de diâmetro e 1cm de comprimento, estão relacionadas na tabela 1. Tabela 1 – Condições de moagem
Precursor Meio de Ativação Tempo de Moagem (h)
M/C* Amostra
ácido salicílico desidratado
álcool etílico absoluto 2 1/20 αD0
ácido salicílico desidratado
álcool etílico absoluto 18 1/20 1/40
αD1 αD2
ácido salicílico desidratado
álcool etílico absoluto 48
1/20 1/40 1/80
αD3 αD4 αD5
sílica-gel álcool etílico absoluto 48 1/40 1/80
βaD4 βaD5
sílica-gel
10% v/v de água em álcool etílico absoluto
48
1/40 1/80
βbD4 βbD5
sílica-gel água 48 1/40 1/80
βcD4 βcD5
*M/C = relação entre as massas do pó e do meio de moagem
As amostras moídas, foram calcinadas em forno elétrico da seguinte forma:
1) taxa de aquecimento de 60C/min e rampa de 1h ( 150 0C ); 2) taxa de aquecimento de 100C/min e rampa de 2h ( 950, 1.150, 1.250 ou 1.3500C ).
O acompanhamento das transformações estruturais e químicas durante a moagem e a calcinação foi realizado utilizando-se as técnicas de Espectroscopia no Infravermelho com um Espectrofotômetro FTIR Nicolet Magna 760 ( varredura de 400-4.000 cm-1, técnica da pastilha de KBr, resolução de 4cm-1 ) e de Difração de Raios-X do Pó no Difratômetro Rigaku Miniflex (θ/2θ, radiação CuKα, filtro Ni, varredura de 2θ = 5º a 70º ). Os resultados obtidos a partir dos difratogramas de raios e dos espectros de IV das amostras moídas e secas, antes e após a calcinação são apresentados nas tabelas 2 e 3 a seguir.
2
Tabela 2 – Ácido silícico desidratado como precursor de SiO2 Temperatura Amostra Fases Observadas
120ºC
αD0 a αD5
α-Al2O3, SiO2, MgO
950ºC
αD0
α-Al2O3, SiO2, MgO, MgAl2O4
αD1, αD2
α-Al2O3, SiO2, MgO, MgAl2O4, Mg2SiO4
αD3, αD4, αD5
α-Al2O3, SiO2, MgO, MgAl2O4, Mg2SiO4, MgSiO3
1250ºC
αD0, αD1, αD2
α-Al2O3, α-SiO2, MgAl2O4
αD3, αD4, αD5
α-Al2O3, α-SiO2, MgAl2O4, Mg2Al4Si5O18
1350ºC
αD0 a αD5
α-Al2O3, α-SiO2, MgAl2O4, Mg2Al4Si5O18
SiO2 – sílica amorfa, α-SiO2 - α-cristobalita Tabela 3 – Sílica-gel como precursora do SiO2 Temperatura Amostra Fases
Observadas Temperatura Amostra Fases
Observadas
120ºC
βaD0, βaD4 βaD5 SiO2, α-Al2O3, MgO
1150ºC
βaD4, βbD4, βcD4, βaD5, βbD5, βcD5
α-SiO2, α-Al2O3, MgSiO3, MgAl2O4
βbD0, βcD0, βbD4, βbD5
SiO2, α-Al2O3, MgO, Mg(OH)2
βcD4 SiO2, α-Al2O3, Mg(OH)2
βcD5 SiO2, α-Al2O3, Mg(OH)2 *
950ºC
βaD0,βbD0 SiO2, α-Al2O3, MgO, Mg2SiO4
1250ºC
βaD0,βbD0,βcD0, βaD4, βbD4, βcD4, βaD5, βbD5, βcD5
α-SiO2, α-Al2O3, MgSiO3, MgAl2O4,
Mg2Al4Si5O18 βcD0, βaD4, βaD5 SiO2, α-Al2O3, MgO, Mg2SiO4, MgSiO3
βbD4, βcD4, βbD5, βcD5
SiO2, α-Al2O3, MgSiO3
1350ºC
βaD0,βbD0,βcD0, βaD4, βbD4, βcD4, βaD5, βbD5, βcD5
α-SiO2, α-Al2O3, MgAl2O4, Mg2Al4Si5O1
SiO2 – sílica amorfa, * Mg(OH)2 amorfo, αSiO2 – α-cristobalita , amostras βD0 - M/C = 1/20 e T = 2h A partir dos resultados obtidos, podemos concluir que quanto maior a quantidade do meio de moagem em relação à massa de amostra, maior a quantidade de cordierita formada na calcinação e que a sílica-gel se mostrou um precursor mais interessante para a obtenção deste composto do que o ácido silícico desidratado. A utilização da água como meio de ativação parece inibir a formação de espinélio de Mg e Al, favorecendo nas condições de moagem da amostra βcD5 a formação da cordierita. A produção de cordierita, segundo a rota estudada neste trabalho, parece relacionada com a formação da enstatita e a seguinte reação de síntese da cordierita é, então, proposta como:
2MgSiO3 + 2Al2O3 + 3SiO2 Mg2Al 4Si5O18
enstatita cordierita Referências: [1] Temuuijin, K.O. e MacKenzie, K. J. D., J .Eur. Ceram. Soc.1998, v. 18, p. 831. [2] Azevedo, C.A.; Garrido, F. M. S., Medeiros, M.E., Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2006, v. 83, p. 649-655.
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EFEITO DA ATIVAÇÃO MECANOQUÍMICA NA REATIVIDADE DO
SISTEMA MgO – Al2O3 – SiO2
C. A. de Azevedo 1,2, F. M. S. Garrido 2, M. E. Medeiros 2 *
1 Instituto de Pesquisas da Marinha - Rua Ipirú no. 2, Ilha do Governador, Rio de Janeiro, Brasil, CEP.:
21931-090
2 Departamento de Química Inorgânica, Instituto de Química, Universidade Federal do Rio de Janeiro,
Ilha do Fundão, Rio de Janeiro, Brasil, CEP:
RESUMO
Amostras do sistema MgO – Al2O3 – SiO2 constituídas por 28,5 mol % de MgO, 28,5 mol% de Al2O3 e
43 mol% de SiO2 foram ativadas em moinho de rolo, com velocidade de 100 rpm, e calcinadas à
diferentes temperaturas. O tempo de moagem, a relação entre a massa de amostra e a massa do meio de
moagem, o precursor de SiO2 e o meio de ativação foram variados. A análise dos espectros de
infravermelho (IV) e dos difratogramas de raios X (DRX) indica a formação de Mg(OH)2 à temperatura
ambiente, de forsterite (MgSi2O5), enstantite (MgSiO3) e espinélio de Mg e Al (MgAl2O4) à 9500C e da
cordierite (Mg2Al 2Si5O18) entre 1.1500C e 12500C. Um mecanismo para à formação da cordierite foi
proposto.
Palavras chaves: mecanoquímica, enstantita, espinélio, cordierite, infravermelho, DRX.
INTRODUÇÃO
A transferência de energia durante o impacto, numa moagem, e seu efeito sobre a reatividade tem sido
objeto de vários estudos, utilizando-se, normalmente, moinhos de alta energia com velocidades em torno
de 300 rpm. Além do aumento da homogeneidade e da variação do tamanho de partículas, a intensidade
da força aplicada localmente sobre um determinado volume de pó, aprisionado no ponto de contato
durante o impacto, determina a amorfização do pó e sua ativação mecanoquímica, com a formação de
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defeitos pontuais ou deformação na rede cristalina, possibilitando a obtenção dos compostos de interesse
em temperaturas mais baixas, ou ainda, em situações especiais, podem ocorrer durante a moagem
reações mecanoquímicas entre os componentes da mistura [1-7].
No sistema MgO – Al2O3 – SiO2, cerâmicas a base de cordierite apresentam grande importância
econômica. A composição da cordierite pode variar entre os limites expressos pelas fórmulas
2MgO.2Al2O3.5SiO2 e MgO.Al2O3.3SiO2. Relevantes propriedades destas cerâmicas são fortemente
dependentes da composição, da presença de aditivos e da técnica de fabricação, sendo que, fases
cristalinas secundárias como corundum, mulite, espinélio, forsterite, estantite e cristobalita, estão
frequentemente presentes [8,9].
Neste artigo, procurou-se observar a ativação mecanoquímica do sistema MgO – Al2O3 – SiO2, visando-
se produzir cerâmicas a base de cordierite e que apresentem o espinélio de Mg e Al como principal fase
secundária. Foi utilizado um moinho de rolo, este moinho de energia mais baixa é comumente utilizado
na indústria cerâmica. Para acompanhar este estudo, foram utilizadas a difração de raios X (DRX) e a
espectroscopia vibracional no infravermelho (IV), uma vez que estas técnicas são capazes de evidenciar
variações no tamanho de partícula, no estado de aglomeração, no grau de cristalinidade e no tipo de
fases presentes [10,11].
MATERIAIS E MÉTODOS
Como precursores da sílica (SiO2) foram utilizados o ácido silícico (H4SiO4) Merck (desidratado pelo
tratamento com o ácido perclórico concentrado (Merck) [12] e a seguir calcinado à 9000C por 4h), para
o caso das amostras tipo α, e sílica-gel HF254 (Type 60) Merck, utilizada como retirada do frasco, no
caso das amostras tipo β. O precursor do óxido de magnésio (MgO, P.A. Merck), sofreu tratamento
térmico a 5500C (4h), formando periclase [13]. O precursor do óxido de alumínio (Al2O3 - Ridel-de
Haën) foi calcinado a 12000C (4h) e utilizado na forma de α-corundum (α-Al2O3).
Nas moagens, 10g da mistura de óxidos, com composição igual a 28,5mol % de MgO, 28,5 mol% de
Al2O3 e 43mol% de SiO2, foram colocados em frasco Nalgene de 250ml de capacidade. A tabela 1
apresenta os precursores, os tempos de moagem (t), a relação massa de amostra/massa de cilindros de
zircônia (M/C) e o meio de ativação, utilizados para cada amostra. As moagens foram realizadas num
moinho de rolo US STONEWARE com velocidade de 100 rpm. Como meio de moagem foram utilizados
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cilindros de zircônia (NETSCH), com 1cm de diâmetro e 1cm de comprimento, no lugar de esferas de
zircônia, com o objetivo de aumentar a área de choque [7]. Álcool etílico absoluto P.A. Grupo Química
e água destilada e deionizada (equipamento MILLI-Q Water System – Millipore), foram utilizados como
meio de ativação.
As amostras foram calcinadas por 2 horas nas temperaturas de 9500C, 1.1500C, 1.2500C ou 1.3500C,
sendo o aquecimento realizado em duas etapas: 1ª) 60C/min, da temperatura ambiente até 1500C, sendo
mantida por 1h; 2ª) 100C/min, de 1500C até temperatura de calcinação. Todos os tratamentos térmicos
foram realizados em forno elétrico Thermolyne F46240CM.
Os espectros de infravermelho foram obtidos com uma resolução de 4cm-1, usando-se a técnica de
pastilhas de KBr na faixa de número de onda entre 4.000cm-1 e 400cm-1, em um Espectrofotômetro
FTIR Nicolet Magna 760. Nos difratogramas de raio X de pó, varreu-se um intervalo de 2θ de 50 a 700,
com velocidade de varredura de 20/min, foi utilizado um Difratômetro Rigaku Miniflex (θ/2θ, radiação
CuKα, filtro Ni). As análises foram realizadas nas amostras antes e após a calcinação.
Tabela 1. Condições de moagem.
Precursor Meio de Ativação Tempo de
Moagem (h)
M/C* Amostra
Ácido silícico desidratado álcool etílico absoluto 2 1/20 ΑD0
Ácido silícico desidratado álcool etílico absoluto 18 1/20, 1/40 αD1, αD2
Ácido silícico desidratado álcool etílico absoluto 48 1/20, 1/40, 1/80 αD3, αD4, αD5
sílica-gel álcool etílico absoluto 48 1/40, 1/80 βaD4, βaD5
sílica-gel mistura de álcool etílico
absoluto e água
48 1/40, 1/80 βbD4, βbD5
sílica-gel Água 48 1/40, 1/80 βcD4, βcD5
sílica-gel Seco 48 1/40, 1/80 βsD4, βsD5
* M/C – massa de amostra/ massa de cilindros de zircônia
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DISCUSSÃO
Ácido silícico como precursor de SiO2
Durante a ativação em meio de álcool etílico absoluto - amostras αD0 a αD5 – corre uma progressiva
amorfização do MgO (periclase), que pode ser acompanhada pela diminuição da intensidade do pico em
2θ = 42,900 nos difratogramas de raios X das amostras sem calcinação. Este processo é mais
pronunciado com o aumento do tempo de moagem e a redução da razão M/C.
Em todas as amostras com esse precursor, calcinadas a 9500C, observou-se que a fase predominante é o
α-Al2O3. Entretanto, há também a formação do espinélio de Al e Mg (MgAl2O4); indicada pelo
surgimento de uma banda forte em 690 cm-1 nos espectros de IV, referente ao estiramento da ligação Al-
O no espinélio sintético [14], e pela presença dos picos no DRX [15]. Com as condições de moagem
tornando-se mais severas, a intensidade relativa do pico em 2θ = 59,400 aumenta e a intensidade da
banda em 638 cm-1 (vibração de estiramento da ligação Al-O no α-Al2O3) diminui. As bandas em 952
cm-1 e 894 cm-1, região da vibração de estiramento das ligações Si-O [16,17], e os picos no DRX [18],
indicam a formação de forsterita (Mg2SiO4) em todas as amostras, exceto αD0. Nas amostras αD3, αD4
e αD5, além dos compostos MgAl2O4 e Mg2SiO4, a enstantita (MgSiO3) também é formada, confirmada
por bandas em 1.013 cm-1 e 860 cm-1 e pelos picos em 2θ = 28,130 e 31,140 [19,20]. A enstantita ocorre
em menor quantidade na amostra αD3, o que indica a importância do grau de ativação na formação
desta fase.
Nas amostras calcinadas a 1.2500C, tanto a espectroscopia de IV como a difração de raio-X mostram que
o MgAl2O4 e a cristobalita [24-26] são as fases predominantes, como pode ser visto na figura 1. A banda
em 1.090 cm-1 ( vibração de estiramento da ligação Si-O no SiO2) e os picos em 2θ = 21,980, cristobalita
[26], e em 2θ = 43,230, α-Al2O3 , indicam que uma boa quantidade de SiO2 e α-Al2O3 não reagiram.
Entretanto, são observadas bandas em 1.179 cm-1 (estiramento assimétrico Si-O tetraédrico), em 960 cm-
1 (estiramento Al-O) e em 770 cm-1 (estiramento simétrico Si-O), e picos em 2θ = 10,500 e 28,490 que
indicam a presença de cordierita (Mg2Al4Si5O18) [17, 21-23]; em todas as amostras a quantidade
formada é pequena, porém, significativa no caso da amostra αD5.
Estes resultados indicam que o ácido silícico desidratado e calcinado não é um precursor adequado de
SiO2 para a síntese de cordierita. Então um outro precursor, a sílica-gel, passou a ser estudado.
7
Sílica-gel como precursor de SiO2
Além da variação do precursor de SiO2, também foi introduzida a variação do meio de ativação: álcool
etílico absoluto (βaD), mistura 10%v/v de água destilada e deionizada em álcool etílico absoluto (βbD)
ou água destilada e deionizada pura (βcD).
As amostras βaD0, βbD0 e βcD0, sem calcinação, foram analisadas por espectroscopia de IV e por
difração do raios X. A presença de uma banda em torno de 3.700cm-1 (estiramento da ligação O-H no
Mg(OH)2, indica a formação do hidróxido de magnésio (Mg(OH)2) nas amostras βbD0 e βcD0. Este
composto se encontra em pouca quantidade em βbD0, enquanto que na amostra βcD0 observa-se uma
grande quantidade. Nas amostras βaD4 e βaD5, não há formação do composto Mg(OH)2. Uma pequena
quantidade deste composto é formada em βbD4 e em βbD5. Em βbD5, observa-se de acordo com a
intensidade relativa do pico em 2θ = 42,900 que o MgO está amorfizado. Tanto na amostra βcD4 como
na amostra βcD5, há formação de grande quantidade de Mg(OH)2, o que é indicado pela banda no
espectro de IV em torno de 3.700cm-1, mas a ausência do pico em 2θ = 18,590 [28,29] no difratograma
da amostra βcD5, indica que todo Mg(OH)2 está amorfo ou reagiu em parte com a sílica gel, formando
um silicato de magnésio amorfo como observado por MacKenzie [28].
Quando as amostras com sílica-gel como precursor, são calcinadas a 9500C, a amostra βaD4 contém
uma quantidade maior de forsterita e enstantita em relação à amostra αD5, segundo o espectro de IV e o
difratograma de raio-X. As mesmas fases foram observadas em βaD5. Não foi possível determinar a
presença do espinélio nessas amostras. Para as amostras βbD4 e βbD5, observa-se a presença das
mesmas fases, porém, os picos nos difratogramas de raio-X para a forsterita indicam que esta se
encontra em pouca quantidade. A formação de enstantita predomina nas amostras βcD4 e βcD5 com a
presença de picos intensos de α-Al 2O3 nos difratogramas de raio-X. A maior quantidade de enstantita
formada foi encontrada na amostra βcD5. Isto parece indicar que a presença de água no meio reacional
favorece a formação de enstantita. A figura 2 apresenta os espectros de IV e os difratogramas de raio-X
obtidos para as amostras αD5, βaD4 e βaD5 e a figura 3 apresenta os difratogramas de raio-X das
amostras βcD4 e βcD5.
8
Estas amostras foram calcinadas a 1.1500C e os picos encontrados nos difratogramas indicam a presença
das fases α-cristobalita [26], α-Al 2O3 [27], MgAl2O4 [8, 15] e MgSiO3 e cordierita [22,23].
Nas amostras βaD4, βbD4 e βcD4, calcinadas a 1.2500C, a análise dos difratogramas de raio-X indica a
formação de cordierita [22, 23] em quantidade razoável nas duas primeiras amostras, com redução da
intensidade da banda em torno de 1.090cm-1 da α-cristobalita [24, 25]. A quantidade de cordierita
formada na amostra βcD4 é menor que nas outras e observa-se, pelos espectros de IV e pelos
difratogramas, uma grande quantidade de α-cristobalita e α-Al2O3 não reagidos. Dos resultados das
análises, pode-se ainda observar maior quantidade de enstantita em βcD4, maior quantidade de espinélio
de Mg e Al na amostra βaD4 e que em todas as amostras, a cordierita ainda se forma em pequenas
quantidades. Quando calcina-se as amostras βaD5, βbD5 e βcD5 a 1.2500C, observa-se a partir dos
espectros de IV e dos difratogramas de raio-X, a formação de maior quantidade de cordierita, sendo que
na amostra βcD5, as informações indicam um consumo acentuado de sílica. O espinélio de Mg e Al é
também formado em todas as amostras, sendo encontrado em maior quantidade em βaD5. Nessas
amostras calcinadas a 1.3500C, observa-se a formação de boa quantidade de cordierita, mas nas amostras
βcD4 e βcD5, são encontrados picos de α-Al2O3 nos difratogramas de raio-X, indicando que este óxido
não está totalmente reagido e a menor intensidade do pico em 2θ = 59,400 nos difratogramas, indica uma
menor quantidade de espinélio de Mg e Al formado. A figura 4 ilustra a evolução da formação de
compostos com a temperatura na amostra βcD5.
A partir dos resultados obtidos, propõe-se a participação da enstantita na síntese da cordierita segundo a
reação:
2MgSiO3 +2Al2O3 + 3SiO2 Mg2Al 4Si5O18, a partir de 1.1500C para as amostras
contendo sílica-gel como precursor de SiO2.
A menor quantidade de cordierita formada em βcD4 pode ser atribuída a dissipação de energia pela
presença da água no meio reacional, para as condições de moagem utilizadas.
O meio reacional com álcool etílico absoluto puro parece favorecer a formação do espinélio de Mg e Al.
CONCLUSÃO
Com base nos resultados obtidos por DRX e espectroscopia IV, pode-se concluir que:
9
1) As condições de moagem com t = 18h e M/c = 1/20, não apresentam bons resultados quanto à
formação de cordierita ( Mg2Al4Si5O18);
2) A sílica-gel é um precursor de SiO2 mais adequado para a síntese de cordierita que o ácido silícico
desidratado e calcinado;
3) A formação do composto Mg(OH)2 e, principalmente, a sua amorfização nas amostras contendo água
no meio reacional, favorece a formação da enstantita (MgSiO3);
4) A formação da cordierite, que aparenta estar relacionada à formação de enstantita, é equacionada pela seguinte reação:
2 MgSiO3 + 2 Al2O3 + 3 Si O2 Mg2Al 4Si5O18
5) O meio reacional constituído por álcool etílico absoluto puro favorece a síntese do espinélio.
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