CHEMIA I SPOŁECZEŃSTWO Materiały konstrukcyjne: Metale Marek Kwiatkowski Zakład Dydaktyki Chemii Wydział Chemii UG ul. Sobieskiego 18, 80-952 Gdańsk tel. (058) 3450 462 e-mail: kwiatm@chem.univ.gda.pl
Budowa Ziemi skorupa ziemska płaszcz (stały, ciekły) jądro zewnętrzne (ciekłe) jądro wewnętrzne (stałe)
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 0.0068%
Formy występowania pierwiastków stan rodzimy (złoto Au) skała (granit) minerał (kwarc SiO 2) ruda (boksyt)
Technologicznie ważne metale żelazo Fe glin Al miedź Cu tytan Ti
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
Żelazo: podstawowe fakty Naturalne rozpowszechnienie: 4.7% Stopień koncentracji w rudach: do 70% Produkcja globalna: 1 500 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
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
Wytop w wielkim piecu
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.
Produkcja stali: konwerter Bessemera
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
Rodzaje stali stal nierdzewna (18% Cr, 8% Ni) stal wysokowęglowa stal wolframowa stal wanadowa stal tytanowa
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
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. 6000 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
Rudy aluminium Podstawowa ruda: boksyt Skład mineralny: gibbsyt Al(OH) 3 diaspor α-alo(oh) boemit γ-alo(oh)
Korund korund Al 2 O 3 rubin (Cr) szafir (Fe, Ti, Cr)
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)
Produkcja aluminium:ii etap (elektroliza) Drugi etap: elektroliza stopionej mieszaniny tlenku glinu Al 2 O 3 i kriolitu Na 3 AlF 6.
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
Miedź: fakty Naturalne rozpowszechnienie: 0.0068% 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. 12 000 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.
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
Wydobycie miedzi 1. Flotacja: wzbogacenie rudy do 15%
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)
Wydobycie miedzi 3. Elektrorafinacja miedzi (99.999% Cu)
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
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. 120 000 PLN Przemysł lotniczy i areonautyka zużywają 50-80% tytanu produkowanego na świecie.
Rudy tytanu rutyl TiO 2 (60% Ti) ilmenit FeTiO 3 (28% Ti)
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)
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 1 200 PLN za tonę (tytan 120 000 PLN za tonę)
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 4.7 10 1 500 1 500.00 Aluminium 7.8 220 6 000 32.00 Miedź 0.0068 60 12 000 9.00 Tytan 0.6 500 120 000 0.05
Recykling metali Reakcje powstawania tlenków metali są silnie egzotermiczne: 2 Fe(s) + 1½ O 2 (g) Fe 2 O 3 (s) ΔH 0 f = -824.2 kj mol -1 2 Al(s) + 1½ O 2 (g) Al 2 O 3 (s) ΔH 0 f = -1657.7 kj mol -1 Cu(s) + ½ O 2 (g) CuO(s) ΔH 0 f = -157.3 kj mol -1 Ti(s) + O 2 (g) TiO 2 (s) ΔH 0 f = -939.7 kj mol -1
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 412.1 7 359 936 10 000 Aluminium 828.9 30 700 989 220 000 Miedź 157.3 2 477 912 60 000 Tytan 939.7 19 617 1169 500 000
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
Struktura metalu a właściwości Wszystkie charakterystyczne cechy metali wynikają z ich specyficznej struktury wewnętrznej.