Materiały konstrukcyjne: Metale

HTML
DOWNLOAD

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Materiały konstrukcyjne: Metale"

Paweł Kwiatkowski
8 lat temu
Przeglądów:

1 CHEMIA I SPOŁECZEŃSTWO Materiały konstrukcyjne: Metale Marek Kwiatkowski Zakład Dydaktyki Chemii Wydział Chemii UG ul. Sobieskiego 18, Gdańsk tel. (058) kwiatm@chem.univ.gda.pl

2 Budowa Ziemi skorupa ziemska płaszcz (stały, ciekły) jądro zewnętrzne (ciekłe) jądro wewnętrzne (stałe)

3 Rozpowszechnienie pierwiastków w skorupie ziemskiej Na 2.6% K 2.4% Mg 1.9% H 0.9% Ti 0.6% Cl 0.2% P 0.1% Mn 0.1% C 0.08% S 0.06% Ba 0.04% N 0.03% F 0.03% Sr 0.02% Inne 0.47% Cu %

4 Formy występowania pierwiastków stan rodzimy (złoto Au) skała (granit) minerał (kwarc SiO 2) ruda (boksyt)

5 Technologicznie ważne metale żelazo Fe glin Al miedź Cu tytan Ti

6 Żelazo: najważniejszy metal konstrukcyjny wysoka wytrzymałość łatwy do kształtowania w podwyższonej temperaturze wytrzymałe na umiarkowanie wysokie temperatury (t t = 1540 o C) daje się namagnesować szeroko rozpowszechnione wysoki stopień koncentracji w rudach łatwość obróbki łatwy do łączenia przez spawanie stosunkowo ciężki (d = 7.9 g cm -3 ) niska odporność na korozję

7 Żelazo: podstawowe fakty Naturalne rozpowszechnienie: 4.7% Stopień koncentracji w rudach: do 70% Produkcja globalna: mln ton rocznie Energia potrzebna do uzyskania 1 tony żelaza z rudy: 10 mln kj Cena 1 tony żelaza: ok. 50 PLN 45% wyprodukowanej stali pochodzi z recyklingu Odkrycie żelaza zapoczątkowało nową epokę w życiu ludzkości

8 Rudy żelaza Hematyt tlenek Fe 2 O 3 Magnetyt tlenek Fe 3 O 4 Syderyt węglan FeCO 3 Ilmenit tytanian FeTiO 3 Piryt siarczek FeS 2 Pirolit siarczek FeS

9 Wytop w wielkim piecu

10 Chemia wytopu żelaza Przepuszczanie gorącego powietrza (1000 o C) przez sproszkowany wsad: powstawanie tlenku węgla CO. Redukcja tlenku żelaza tlenkiem węgla do metalu Rozkład węglanu wapnia Reakcja silnie alkalicznego tlenku wapnia z tlenkami krzemu i glinu: krzemian i glinian wapnia o stosunkowo niskiej temperaturze topnienia (szlaka). Spływanie ciekłych produktów na dno pieca, ciekła warstwa szlaki pływa na warstwie stopionego żelaza Redukcja części fosforanów i krzemianów do pierwiastków. Oddzielenie warstwy metalu: zanieczyszczenie węglem, manganem, krzemem i fosforem.

11 Produkcja stali: konwerter Bessemera

12 Chemia procesu Bessemera Wtłaczanie pod dużym ciśnieniem tlenu zmieszanego ze sproszkowanym tlenkiem wapnia przez lancę. Utlenianie resztek węgla do gazowego CO 2. Utlenianie resztek manganu, krzemu i fosforu do odpowiednich tlenków: MnO 2, SiO 2, P 4 O 10 Reakcja powstałych tlenków z CaO z utworzeniem manganianów, krzemianów i fosforanów wapnia, ciekłych w temperaturze procesu (szlaka). Silnie egzotermiczne reakcje utleniania zanieczyszczeń ogrzewają konwerter i utrzymują zawartość w stanie ciekłym

13 Rodzaje stali stal nierdzewna (18% Cr, 8% Ni) stal wysokowęglowa stal wolframowa stal wanadowa stal tytanowa

14 Aluminium: najważniejsze cechy względnie miękki i kruchy, dobra wytrzymałość w stopach łatwy do kształtowania i obróbki wytrzymały na umiarkowanie wysokie temperatury (t t = 660 o C) lekki (d = 2.7 g cm -3) szeroko rozpowszechniony wysoki stopień koncentracji w rudach nie ulega korozji świetnie przewodzi prąd i ciepło odbija promieniowanie cieplne trudny do spawania

15 Aluminium: fakty Naturalne rozpowszechnienie: 7.8% Stopień koncentracji w rudach: do 70% Produkcja globalna: 32 mln ton rocznie Energia potrzebna do uzyskania 1 tony aluminium z rudy: 220 mln kj Cena 1 tony aluminium: ok PLN 40% produkowanego aluminium pochodzi z recyklingu Aluminium odkryto dopiero w XIX w. Uważano je wówczas za drogocenny metal, gdyż otrzymywano je poprzez redukcję metalicznym potasem

16 Rudy aluminium Podstawowa ruda: boksyt Skład mineralny: gibbsyt Al(OH) 3 diaspor α-alo(oh) boemit γ-alo(oh)

17 Korund korund Al 2 O 3 rubin (Cr) szafir (Fe, Ti, Cr)

18 Produkcja aluminium: I etap (oczyszczanie) Ruda aluminium: boksyt Al 2 O 3 2H 2 O Pierwszy etap - oczyszczanie tlenku glinu: 1. Rozpuszczanie w ługu sodowym i oddzielenie nierozpuszczalnych związków żelaza Al 2 O 3 (s) + 2 NaOH(aq) Na 2 Al 2 O 4 (aq) + H 2 O(l) SiO 2 (s) + 2 NaOH(aq) Na 2 SiO 3 (aq) + H 2 O(l) Fe 2 O 3 (s) + NaOH(aq) brak reakcji 2. Wytrącenie czystego wodorotlenku glinu z roztworu gazowym dwutlenkiem węgla. Na 2 Al 2 O 4 (aq) + CO 2 (g) + 3 H 2 O (l) 2 Al(OH) 3 (s) + Na 2 CO 3 (aq) Na 2 SiO 3 (aq) + CO 2 (g) brak reakcji 3. Prażenie wodorotlenku glinu do uzyskania tlenku glinu 2 Al(OH) 3 (s) Al 2 O 3 (s) + 3 H 2 O(l)

19 Produkcja aluminium:ii etap (elektroliza) Drugi etap: elektroliza stopionej mieszaniny tlenku glinu Al 2 O 3 i kriolitu Na 3 AlF 6.

20 Miedź: najważniejsze cechy względnie miękka, dobra wytrzymałość w stopach (mosiądz, brąz) łatwa do kształtowania i obróbki wytrzymała na umiarkowanie wysokie temperatury (t t = 1085 o C) ciężka (d = 8.9 g cm -3) mało rozpowszechniona niski stopień koncentracji w rudach nie ulega korozji (stopy) świetnie przewodzi prąd i ciepło

21 Miedź: fakty Naturalne rozpowszechnienie: % Stopień koncentracji w rudach: do 2% Produkcja globalna: 9 mln ton rocznie Energia potrzebna do uzyskania 1 tony miedzi z rudy: 60 mln kj Cena 1 tony miedzi: ok PLN Ze względu na walory dekoracyjne i odporność na korozję, miedź i jej stopy używa się do wytwarzania posągów i statuetek, pokrywania dachów i bicia monet.

22 Rudy miedzi Związki miedzi są silnie rozproszone w rudach. Eksploatuje się rudy zawierające 0.5% Cu, a rudy o zawartości ponad 2% Cu uważa się za bogate. miedź rodzima Cu chalkopiryt CuFeS 2 malachit Cu 2 (OH) 2 CO 3 kowelit CuS kupryt CuS 2 azuryt Cu 3 (OH) 2 (CO 3 ) 2

23 Wydobycie miedzi 1. Flotacja: wzbogacenie rudy do 15%

24 Wydobycie miedzi 2. Proces chemiczny: produkcja surowej miedzi (95-99%) 1. Utlenianie wzbogaconej rudy gorącym powietrzem 2 CuFeS 2 (s) + 3 O 2 (g) 2 CuS(s) + 2 FeO(s) + 2 SO 2 (g) 2. Stapianie z piaskiem: usuwanie żelaza w postaci płynnego szlamu krzemianu żelaza FeO(s) + SiO 2 (s) FeSiO 3 (l) i przekształcenie siarczku miedzi(ii) w siarczek miedzi(i), oddzielenie stopionej siarki 2 CuS(s) Cu 2 S(l) + S(l) 3. Prażenie siarczku miedzi(i), częściowe przekształcenie w tlenek miedzi(i) 2 Cu 2 S(s) + 3 O 2 (g) 2 Cu 2 O(s) + 2 SO 2 (g) i reakcja pomiędzy obydwoma związkami z wydzieleniem stopionej surowej miedzi Cu 2 S(s) + 2 Cu 2 O(s) 6 Cu(l) + 2 SO 2 (g)

25 Wydobycie miedzi 3. Elektrorafinacja miedzi (99.999% Cu)

26 Tytan: najważniejsze cechy mocny, znakomita odporność mechaniczna wytrzymały na wysokie temperatury (t t = 1670 o C) lekki (d = 4.5 g cm -3) względnie szeroko rozpowszechniony wysoki stopień koncentracji w rudach nie ulega korozji nie traci właściwości mechanicznych w wysokich temperaturach tworzywo dla lotnictwa i aeronautyki

27 Tytan: fakty Naturalne rozpowszechnienie: 0. 6% Stopień koncentracji w rudach: 25-60% Produkcja globalna: 50 tys ton rocznie Energia potrzebna do uzyskania 1 tony tytanu z rudy: 500 mln kj Cena 1 tony tytanu: ok PLN Przemysł lotniczy i areonautyka zużywają 50-80% tytanu produkowanego na świecie.

28 Rudy tytanu rutyl TiO 2 (60% Ti) ilmenit FeTiO 3 (28% Ti)

29 Wydobycie tytanu Proces Krolla: 1. Ogrzewanie rudy tytanu z węglem w strumieniu chloru TiO 2 (s) + 2 Cl 2 (g) + 2 C(s) TiCl 4 (l) + 2 CO(g) 2. Oczyszczanie powstałego TiCl 4 przez destylację. 3. Redukcja TiCl 4 za pomocą stopionego magnezu TiCl 4 (g) + 2 Mg(l) Ti(s) + 2 MgCl 2 (l) 4. Odzyskanie metalicznego magnezu i chloru przez elektrolizę MgCl 2 (l) Mg(l) + Cl 2 (g)

30 Dwutlenek tytanu TiO 2 Produkowany masowo biały pigment o bardzo wysokim współczynniku rozproszenia światła, otrzymywany przez hydrolizę TiCl 4. Produkcja światowa 4 mln ton (tytan 50 tys ton) Cena PLN za tonę (tytan PLN za tonę)

31 Ekonomika produkcji metali Metal Rozpowszechnienie (%) Energia niezbędna do wydobycia 1 tony metalu (10 6 kj) Cena 1 tony metalu (PLN) Produkcja światowa (mln ton) Żelazo Aluminium Miedź Tytan

32 Recykling metali Reakcje powstawania tlenków metali są silnie egzotermiczne: 2 Fe(s) + 1½ O 2 (g) Fe 2 O 3 (s) ΔH 0 f = kj mol -1 2 Al(s) + 1½ O 2 (g) Al 2 O 3 (s) ΔH 0 f = kj mol -1 Cu(s) + ½ O 2 (g) CuO(s) ΔH 0 f = kj mol -1 Ti(s) + O 2 (g) TiO 2 (s) ΔH 0 f = kj mol -1

33 Recykling metali, cd. Oznacza to, że na wydobycie metalu z rudy (redukcję) potrzebne jest dostarczenie energii Ilość tej energii jest bardzo duża, znacznie większa, niż np. energia potrzebna do stopienia metalu. Metal Energia konieczna do otrzymania 1 mola metalu Energia konieczna do otrzymania 1 kilograma metalu Energia konieczna do stopienia 1 kilograma metalu Energia praktycznie zużywana do produkcji 1 kilograma metalu Żelazo Aluminium Miedź Tytan

34 Recykling metalu, cd. Recykling metalu pozwala oszczędzić energię niezbędną dla przeprowadzenia endotermicznego procesu redukcji. Jest to proces wysoce opłacalny ekonomicznie! 70% zużytej stali trafia z powrotem do przerobu, 45% stali produkowanej na świecie pochodzi z recyklingu 40% światowej produkcji aluminium to metal z recyklingu

35 Struktura metalu a właściwości Wszystkie charakterystyczne cechy metali wynikają z ich specyficznej struktury wewnętrznej.

Podobne dokumenty

2. Podczas spalania 2 objętości pewnego gazu z 4 objętościami H 2 otrzymano 1 objętość N 2 i 4 objętości H 2O. Jaki gaz uległ spalaniu?

1. Oblicz, ilu moli HCl należy użyć, aby poniższe związki przeprowadzić w sole: a) 0,2 mola KOH b) 3 mole NH 3 H 2O c) 0,2 mola Ca(OH) 2 d) 0,5 mola Al(OH) 3 2. Podczas spalania 2 objętości pewnego gazu