strona 1/5 Surowce pochodzenia mineralnego Dorota Lewandowska, Anna Warchoł, Lidia Wasyłyszyn Treść podstawy programowej: Surowce i tworzywa pochodzenia mineralnego: węgiel kamienny, ropa naftowa, gaz ziemny, wapień, gips, szkło. Zagadnienia do powtórki 1. 2. 3. 4. 5. Surowce mineralne Metale w służbie człowieka Surowce energetyczne Sole wapnia wykorzystywane w budownictwie Wszechobecna krzemionka Kompendium wiedzy 1. Surowce mineralne Surowce mineralne to materiały pochodzenia naturalnego, które są wydobywane i przetwarzane przez człowieka w celach użytkowych. Gospodarka surowcami mineralnymi to bardzo ważna dziedzina polityki gospodarczej kraju. Powinna być prowadzona w sposób: oszczędny ze względu na nieodnawialność surowców mineralnych, odpowiedzialny ze względu na konsekwencje wynikające z ujemnych skutków wydobywania bo- gactw naturalnych. W stanie wolnym (w postaci pierwiastków chemicznych) w skorupie ziemskiej występują tylko nieliczne metale (złoto, srebro oraz platynowce) i niemetale (siarka, węgiel w postaci grafitu lub diamentu). Rudy, minerały to związki chemiczne lub ich mieszaniny, które powstały w skorupie ziemskiej i używane są bezpośrednio w życiu codziennym, w przemyśle lub stanowią surowiec do otrzymywania zawartych w nich pierwiastków lub związków chemicznych.
strona 2/5 2. Metale w służbie człowieka Właściwości fizyczne metali: w temperaturze pokojowej metale są ciałami stałymi (za wyjątkiem rtęci) najczęściej mają srebrzysto-szarą barwę (z wyjątkiem złota i miedzi, cezu) są dobrymi przewodnikami prądu i ciepła posiadają różną twardość (sód jest miękki, a żelazo bardzo twarde), posiadają charakterystyczny połysk, są kowalne i ciągliwe (miedź, glin, srebro) mają różne temperatury topnienia (najniższą rtęć, bardzo wysoką wolfram), niektóre łatwo reagują z tlenem (metale nieszlachetne), inne są odporne na działanie tlenu i in- nych czynników (metale szlachetne złoto, srebro, platyna). Ze względu na właściwości fizyczne metale są w różnorodny sposób wykorzystywane przez człowieka np.: miedź do produkcji przewodów elektrycznych ze względu na dobre przewodnictwo elektryczne, do produkcji rur rozprowadzających wodę ze względu na odporność chemiczną, stopy glinu do wyrobu kabli elektrycznych ze względu na dobre przewodnictwo elektryczne i dużą ciągliwość, rtęć do wyrobu termometrów, ponieważ ma najniższą temperaturę topnienia i dużą rozszerzalność termiczną oraz do produkcji lamp jarzeniowych, wolfram do produkcji żarówek, bo przewodzi prąd, a równocześnie ma bardzo wysoką temperaturę topnienia. Metale otrzymywane są między innymi z rud w procesach utleniania i redukcji, np. utlenianie 2Pb + C = 2Pb + C 2 redukcja Tlenek ołowiu(ii) pełni rolę utleniacza (oddaje tlen), a węgiel rolę reduktora (odbiera tlen). Bardzo duże znaczenie w gospodarce człowieka mają stopy wykonane z różnorodnych metali.
strona 3/5 Stopy to mieszaniny jednorodne otrzymane w wyniku stopienia pierwiastków, posiadają inne właściwości niż składniki, z których są otrzymane. Stopy to: stal (żelazo i węgiel), brąz (cyna i miedź), mosiądz (cynk i miedź), duraluminium (glin, magnez, krzem, żelazo i mangan). Korozja proces chemiczny polegający na niszczeniu metali, przede wszystkim żelaza i jego stopów, zachodzący pod wpływem czynników atmosferycznych: tlenu, wody, tlenków azotu, tlenku siarki(iv). Pasywacja to proces polegający na powstawaniu na powierzchni metalu cienkiej warstwy tlenku, która chroni metal przed dalszym działaniem czynników atmosferycznych. Patynowanie powstawanie cienkiej warstwy patyny, czyli związków miedzi o barwie zielonej, na powierzchni miedzi i jej stopów. Patyna jest mieszaniną wodorotlenku miedzi(ii) Cu(H) 2 i węglanu miedzi(ii) CuC 3. 3. Surowce energetyczne Tradycyjne źródła energii to: węgle kopalne (antracyt, węgiel kamienny, węgiel brunatny i torf) ropa naftowa gaz ziemny Uzyskiwanie energii w sposób tradycyjny (spalanie węgla, ropy naftowej gazu ziemnego) wiąże się z emisją do atmosfery tlenków węgla, siarki, azotu. Jeśli tradycyjne źródła energii będą eksploatowane tak intensywnie jak dotychczas, to w niedługim czasie wyczerpią się. Bardziej opłacalna jest przeróbka węgla kamiennego i ropy naftowej. W wyniku suchej destylacji węgla kamiennego można otrzymać następujące produkty: gaz świetlny, wodę pogazową i koks. Wszystkie te substancje to podstawowe surowce w wielu dziedzinach przemysłu. W wyniku destylacji frakcjonowanej ropy naftowej (mieszaniny węglowodorów) otrzymuje się: gaz opałowy, benzynę, benzynę ciężką, naftę, olej napędowy, olej opałowy, olej smarowy, mazut i asfalt. Frakcje o wyższej temperaturze wrzenia np. benzynę ciężką, naftę, oleje poddaje się procesowi krakingu, czyli rozbijaniu długich łańcuchów węglowodorowych na krótkie liczące od 5 10 atomów węgla. Alternatywnymi źródłami energii są: energia słoneczna energia wodna energia wiatru energia biopaliwa energia geotermiczna
strona 4/5 4. Sole wapnia wykorzystywane w budownictwie Węglan wapnia CaC 3 jest głównym składnikiem skał wapiennych (wapieni, kalcytu, kredy, marmurów). Jest powszechnie stosowany w budownictwie zarówno jako kamień budulcowy, jak również jako źródło otrzymywania wapna palonego, czyli tlenku wapnia Ca. W piecach zwanych wapiennikami poddaje się wapienie termicznemu rozkładowi: CaC 3 900o C Ca + C 2 trzymane wapno palone miesza się z wodą i otrzymuje się wapno gaszone, czyli w postaci stałej wodorotlenek wapnia Ca(H) 2. Ten proces nazywany jest procesem gaszenia wapna. W trakcie gaszenia wapna do otoczenia wydziela się ciepło, jest to proces egzoenergetyczny. Powstająca substancja ma właściwości żrące, dlatego należy zachować szczególną ostrożność. Ca + H 2 = Ca(H) 2 Wapno gaszone miesza się z piaskiem i wodą w celu otrzymania zaprawy murarskiej. Zaprawa murarska na wskutek oddziaływania z tlenkiem węgla(iv) zawartym w powietrzu twardnieje: Ca(H) 2 + C 2 = CaC 3 + H 2 Powyższe równanie reakcji ilustruje proces twardnienia zaprawy murarskiej, jest również odpowiedzią na pytanie: dlaczego w nowo wybudowanym budynku czuje się wilgoć. prócz tlenku węgla(iv) wiąże zaprawę murarską również piasek, którego głównym składnikiem jest tlenek krzemu(iv) Si 2 : Ca(H) 2 + Si 2 = CaSi 3 + H 2 Skały wapienne można wykryć spośród innych skał za pomocą roztworu kwasu np. popularnego octu CaC 3 + 2CH 3 CH = (CH 3 C) 2 Ca + H 2 + C 2 Na powierzchni skały wapiennej oblanej kwasem pojawiają się pęcherzyki wydzielającego się gazu tlenku węgla(iv). Siarczan(VI) wapnia woda 1/2, czyli CaS 4 2H 2, to główny składnik gipsu. zdobna odmiana gipsu to alabaster. Związek będący głównym składnikiem gipsu należy do tzw. hydratów, czyli soli uwodnionych, które w sieć krystaliczną mają wbudowane cząsteczki wody. W nazwie hydratu zawarta jest informacja, ile cząsteczek wody przypada na określoną liczbę jonów tworzących sól, np. CaS 4 2H 2 to siarczan(vi) wapnia woda 1/2, co oznacza, że na 1 kation wapnia Ca 2+ 2 i 1 anion S 4 przypadają 2 cząsteczki wody.
strona 5/5 Gips stosuje się w budownictwie wyrównuje się ściany zaprawą gipsową, która po pewnym czasie twardnieje. Zaprawa gipsowa to mieszanina gipsu palonego i wody. Gips palony otrzymuje się w trakcie rozkładu termicznego gipsu krystalicznego: 2[CaS 4 2H 2 ] temperatura (CaS 4 ) 2 H 2 + 3H 2 W trakcie twardnienia zaprawy gipsowej zachodzi proces odwrotny gips palony łączy się z wodą i twardnieje. Proces ten wykorzystywany jest w medycynie do usztywniania złamanych kończyn. 5. Wszechobecna krzemionka Tlenek krzemu(iv) czyli Si 2 to składnik piasku, zwyczajowo nazywa się go krzemionką. W przyrodzie występuje pod postacią: kwarcu tworzącego skały (granity, gnejs i piaskowce) barwnych odmian kwarcu: ametystu (fioletowy), cytrynu (żółty), kwarcu różowego bezpostaciowej ziemi okrzemkowej kamienia ozdobnego: opal Krzemionka jest odporna na działanie czynników atmosferycznych. Stopiona z tlenkami metali tworzy szkło, przezroczyste, bezpostaciowe ciało stałe: szkło kwarcowe (produkcja naczyń laboratoryjnych, elementów aparatury optycznej i lamp kwarcowych): Si 2 szkło sodowe (wyrób przedmiotów codziennego użytku): Si, Ca, Na 2 2 szkło potasowe (produkcja szkła laboratoryjnego): Si, Ca, K 2 2 szkło ołowiowe (produkcja soczewek i kryształów): Si 2, Pb, K 2