Niemetaliczne materiały konstrukcyjne pochodzenia mineralnego

Transkrypt

1 CHEMIA A SPOŁECZEŃSTWO Niemetaliczne materiały konstrukcyjne pochodzenia mineralnego Marek Kwiatkowski Zakład Dydaktyki Chemii Wydział Chemii UG ul. Sobieskiego 18, Gdańsk tel. (058) kwiatm@chem.univ.gda.pl

2 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 %

3 Pospolite minerały Kwarc SiO 2 Skaleń K(Na) 2 O Al 2 O 3 6SiO 2 Mika KAl 2 (AlSi 3 O 10 )(F,OH) 2 Kalcyt CaCO 3

4 Kamienie szlachetne Różnorodne formy krystaliczne dwutlenku krzemu SiO 2 ametyst agat opal

5 Skały magmowe Bazalt powstaje wskutek szybkiego stygnięcia magmy na powierzchni Ziemi, drobnokrystaliczna struktura główne składniki: plagioklaz, piroksen i oliwin plagioklaz: NaAlSi 3 O 8 -CaAl 2 Si 2 O 8 piroksen: XY(Si,Al) 2 O 6 X: Ca, Mg, Fe(II), Na Y: Fe(III), Cr(III), Al oliwin: (Mg,Fe) 2 SiO 4

6 Skały magmowe Granit powstaje wskutek powolnego stygnięcia magmy w głębi Ziemi, gruboziarnista struktura krystaliczna główne składniki: kwarc, skaleń, mika kwarc: SiO 2 mika: X 2 Y 4-6 Z 8 O 20 (OH,F) 4 X: K, Na, Ca Y: Al, Mg, Fe Z: Al, Si, Ti skaleń: (Na,K)AlSi 3 O 8 -CaAl 2 Si 2 O 8

7 Skały osadowe Piasek produkt wietrzenia skał magmowych silnie rozdrobniony kwarc, domieszki związków żelaza

8 Skały osadowe Glina Produkt wietrzenia glinokrzemianów, np. skaleni różnorodny skład chemiczny, np. (MgFe,Al) 3 (Si,Al) 4 O 10 (OH) 2 (H 2 O) 4

9 Skały osadowe Piaskowiec silnie rozdrobniony materiał skalny, głównie kwarc (również skaleń), scementowany kalcytem, gliną lub krzemionką wyraźnie ziarnista struktura

10 Skały osadowe Wapień skała pochodzenia organicznego, scementowane szczątki szkieletów, muszli, pancerzyków, itp. częsta obecność skamielin główny składnik CaCO 3

11 Skały metamorficzne Marmur przekrystalizowane skały wapienne Kwarcyt przetworzone piaskowce

12 Skały metamorficzne Łupek przetworzone gliny i iły Gnejs powstały w wyniku przetworzenia różnych skał, z udziałem magmowych warstwowa struktura

13 Gips Minerał powstały wskutek chemicznego wytrącania/krystalizacji siarczanu wapnia z roztworu wodnego CaSO 4 2H 2 O Drobnokrystaliczna odmiana: alabaster Róża pustyni: zlepek płaskich kryształów gipsu zanieczyszczonych ziarenkami piasku, powstaje podczas odparowywania płytkich zbiorników

14 Gips, cd. Ogrzewanie gipsu prowadzi do powstania białego proszku półhydratu CaSO 4 1/2H 2 O Półhydrat zmieszany z wodą twardnieje w sztywną masę dwuhydratu, reakcja jest egzotermiczna.

15 Szkło: struktura kwarc szkło wiązania w stałym SiO 2 czysty SiO 2 t t = 1710 o C dodatek Na 2 O, CaO: t t = 700 o C

16 Szkło: produkcja Mieszanina piasku (SiO 2 ), sody (Na 2 CO 3 ) i wapienia (CaCO 3 ) Stopienie w piecu szklarskim w 1500 o C, wydzielenie CO 2 Formowanie wydmuchiwanie wyciąganie w płyty walcowanie odlewanie wyciąganie włókien

17 Kolorowe szkło Au: czerwone MnO 2 : fioletowe Cu 2 O: błękitne SnO 2 : mleczne UO 3 : zielonkawa fluorescencja FeO: ciemnozielone Fe 2 O 3 : brunatne Cr 2 O 3 : zielone CoO: ciemnoniebieskie

18 Szkło specjalne PbO: kryształy B 2 O 3 : szkło laboratoryjne (Pyrex) PbO : SiO 2 4:1: szkło pochłaniające promieniowanie X CdO: szkło pochłaniające neutrony As 2 O 3 : szkło przeźroczyste dla IR

19 Duralex, Luminarc, Arcopal, Arcoroc, Pyroceram Drobnokrystaliczna struktura osiągnięta przez wygrzewanie w wysokiej temperaturze

20 Recykling szkła Dodawanie stłuczki szklanej do wsadu surowcowego tani koszt recyklingu uzyskiwanie pełnowartościowego produktu ograniczona możliwość barwienia szkła

21 Tworzywa ceramiczne cegła dachówka kafle kafelki ceramika gliniana fajans porcelana ceramika techniczna

22 Produkcja ceramiki Wymieszać surowce: glinę, np. Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O skaleń, np. K 2 O Al 2 O 3 6SiO 2 krzemionkę SiO 2 wodę H 2 O Uformować przedmiot Wypalić w piecu

23 Proces wypalania Glina składa się z miniaturowych płytek. Powierzchnia płytek jest pokryta grupami hydroksylowymi OH. W mokrej glinie, grupy OH tworzą wiązania wodorowe z cząsteczkami wody, dzięki czemu płytki mogą się ślizgać po sobie, glina jest plastyczna. Po wysuszeniu (utracie wody) grupy OH zostają zaangażowane w tworzenie wiązań pomiędzy płytkami. Ruch płytek po sobie zostaje zahamowany, wysuszona glina twardnieje. Podczas wypalania skaleń zmienia się w szkliwo łączące ze sobą trwale wszystkie składniki Krzemionka zapobiega kurczeniu się masy ceramicznej podczas suszenia i wypalania.

24 Cement: produkcja Surowce: wapień lub kreda (CaCO 3 ) piasek (SiO 2 ) glina, kaolin (glinokrzemiany) tlenek żelaza (Fe 2 O 3 ) Prażenie sproszkowanej mieszaniny w piecu obrotowym w temperaturze 870 o C: utrata H 2 O i CO 2, produkt 'klinkier' Mielenie klinkieru na drobny proszek z dodatkiem niewielkiej ilości gipsu CaSO 4 Produkt cement o składzie: 60-67% CaO, 17-25% SiO 2, 3-8% Al 2 O 3, do 6% Fe 2 O 3, niewielkie ilości MgO, MgSO 4, Na 2 O, K 2 O.

25 Beton Skład betonu: cement, piasek (żwir, kruszywo), woda Twardnienie betonu: hydroliza krzemianów wapnia zawartych w cemencie prowadzi do powstania gęstego żelu silne przywieranie żelu do ziaren wypełnienia powoduje wstępne tężenie betonu (duża powierzchnia oddziaływania) powolna krystalizacja prowadzi do powstania masy poprzerastanych kryształów (wzrost odporności mechanicznej) woda jest niezbędna do prawidłowego twardnienia betonu Beton wykazuje wysoką odporność na ściskanie, ale słabą na rozciąganie, stąd konieczność zbrojenia betonu stalą,

26 Ultra-czysty krzem Do produkcji 'chipów' elektronicznych używa się bardzo czystego krzemu domieszkowanego w ściśle kontrolowanych warunkach innymi pierwiastkami Otrzymywanie: stapianie krzemionki z węglem w łuku elektrycznym (1900 o C), czystość 99% SiO 2 (s) + C(s) Si(l) + CO 2 (g) Oczyszczanie: - topienie strefowe prętów krzemowych - przepuszczanie chlorowodoru przez sproszkowany krzem w temperaturze 300 o C Si(s) + 3 HCl(g) HSiCl 3 (g) + H 2 (g) i następnie rozkład termiczny powstałego trichlorosilanu na prętach z czystego krzemu: 2 HSiCl 3 (g) Si(s) + 2 HCl(g) + SiCl 4 (g)