Surowce i tworzywa.doc

CHEMIA 2

SUROWCE I TWORZYWA

SUROWCE I TWORZYWA POCHODZENIA MINERALNEGO

I              SKŁAD CHEMICZNY SKORUPY ZIEMSKIEJ

SKORUPA ZIEMSKA górna, sztywna część litosfery; zbudowana ze skał i minerałów

         MINERAŁY – to pierwiastki w stanie wolnym i związki chemiczne, które wytworzyły się w przyrodzie  bez udziału człowieka, np. siarka, sól kamienna, kalcyt, kwarc, bursztyn, boksyt

Pierwiastki w minerałach występują:

         w stanie wolnym – złoto, srebro, platyna, węgiel, siarka

         w stanie związanym w postaci związków chemicznych – sylwin, kwarc, anhydryt, ruda żelaza, hematyt, blenda cynkowa

* Minerały mogą tworzyć się w większe grupy, tworząc skały

SKAŁY – naturalne skupiska minerałów; możemy podzielić na magmowe, osadowe i metamorficzne

         Zawartość skorupy ziemskiej:

- 45% tlen

- 27% krzem

- 8,2% glin

- 6,1% żelazo

- 4,6% wapń

- 2, 7% magnez

- 2,3%sód

- 1,8% potas

- 2,3% inne…

SUROWCE MINERALNE – minerały i skały wykorzystywane przez człowieka w różnych dziedzinach życia:

         energetyczne – ropa naftowa, gaz ziemny, węgiel

         budowlane – skały wapienne, gipsowe, piasek

         chemiczne – rudy metali, skały wapienne, sól kamienna, nawozy mineralne

         metalurgiczne – rudy żelaza, miedzi, cynku i ołowiu

         zdobnicze – metale i kamienie szlachetne

II              SKAŁY WAPIENNE – ICH WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIE

SKAŁY WAPIENNE to wapień, kreda i marmur – skały osadowe:

         Marmur – skała o budowie krystalicznej, ma zastosowanie jako materiał dekoracyjny i rzeźbiarski

* Podstawowym związkiem chemicznym, tworzącym wszystkie skały wapienne, jest kalcyt CaCO3

* Reakcja kwasu solnego z wapniem przebiega gwałtownie, wydziela się bezbarwny gaz, powodujący mętnienie wody wapiennej – dwutlenek węgla

         CaCO3 + 2 HCl ––––> CaCl2 + H2O + CO2^

wydzielanie się CO2

         CO2 + Ca(OH)2 ––––> CaCO3 = H2O

proces mętnienia wody wapiennej

* Termiczny rozkład wapieni (prażenie) – po dłuższej chwili ogrzewania ich, powstaje biały proszek (tlenek wapnia CaO) i bezbarwny gaz (dwutlenek węgla CO2):

         CaCO3 ––––> CaO + CO2

* Powstały tlenek wapnia to wapno palone, powstaje podczas prażenia wapieni – jest biały, krystalicznym ciałem stałym, jest higroskopijny, dlatego stosowany jest w laboratoriach chemicznych do osuszania cieczy i gazów

Gaszenie wapna palonego:

         CaO + H2O ––––> Ca(OH)2 – ciepło

Tlenek wapnia bardzo energicznie reaguje z wodą, czemu towarzyszy wydzielanie się ciepła; powstały przy tym wodorotlenek wapnia nazywamy wapnem gaszonym

* Wapno gaszone jest substancją słabo rozpuszczalną w wodzie, stężony ma właściwości żrące, składnik zaprawy murarskiej, w stanie suchy występuje jako wapno hydratyzowane, stosuje się go do odkwaszania  gleby i do bielenia drzew; zmieszane z piaskiem i wodą tworzy zaprawę murarską – plastyczna początkowo masa, z czasem tężeje i wysycha – proces wiązania zaprawy:

         Ca(OH)2 + CO2 ––––> CaCO3 + H2O

III              SKAŁY GIPSOWE – ICH WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIE

* Składnikiem wszystkich skał gipsowych jest siarczan(VI) wapnia CaSO4

W przyrodzie występują dwie odmiany CaSO4:

         anhydryt – zbudowany z samego siarczanu(VI) wapnia

         gips krystaliczny (alabaster) CaSO4 * 2 H2O = dwuwodny siarczan(VI) wapnia – sól uwodniona czyli hydrat

Prażenie gipsu krystalicznego - po chwili ogrzewania, na ścianach probówki skrapla się para wodna; powstaje biały proszek (gips palony):

         2 (CaSO4 * 2 H2O) ––––> (CaSO4)2 * H2O + 3 H2O

         gips krystaliczny (dwuwodny siarczan(VI) wapnia) ––––> gips palony (półwodny siarczan(VI) wapnia)

Gips palony to półhydrat, jest białym ciałem stałym, nierozpuszczalnym w wodzie; zmieszany z wodą tworzy półpłynną, szybko twardniejącą masę – zachodzi reakcja odwrotna do prażenia gipsu krystalicznego i powstaje zaprawa gipsowa:

         (CaSO4)2 * H2O + 3 H20 ––––> 2 (CaSO4 * 2 H2O)

IV              TLENEK KRZEMU (IV) – JEGO ODMIANY I ZASTOSOWANIE

Właściwości SiO2:

         twarde i kruche ciało stałe o budowie krystalicznej oraz szafirowej barwie

         mało aktywny chemicznie

         jest półmetalem

         jest półprzewodnikowy (elektronika)

         dodaje się do wyrobu wielu stopów (żelazo- krzem – soczewki, fotoogniw)

         nie reaguje z kwasami, tlenem i wodą; nie rozpada się podczas prażenia (wyjątek, kwas fluorowodorowy HF)

KRZEMIONKA jest najczęściej spotykaną odmianą kwarcu:

         bezbarwny – jest kryształem górskim

         fioletowy – ametyst

         żółty – cytryn

         szary – tygrysie oko, chalcedon

         czerwony – jaspis

         kwarc zadymiony – agat (kamienie półszlachetne)

pokruszony kwarc tworzy piasek

* Krzemionka w postaci piasku znalazła zastosowanie w budownictwie jako składnik zaprawy murarskiej oraz cementu:

         CEMENT – zaprawa, która twardnieje zarówno w powietrzu, jak i pod wodą; jest zaprawą hydrauliczną; otrzymuje się go poprzez wypalenie w 1400`C wapniu, gipsu i gliny; z dodatkiem piasku, żwiru i wody tworzy beton i żelazobeton

* Krzemiany – to sole kwasów krzemowych (krzemian sodu – Na2SiO3) – ciała stałe, nierozpuszczalne w wodzie

* Glinokrzemiany – krzemiany, w których cząsteczkach pewne atomy krzemu zostały zastąpione atomami glinu; składniki grafitów, ortoklaz, albit i anortyt

V              SZKŁO

* Stopiony czysty tlenek krzemu(IV) nazywa się szkłem kwarcowym – charakteryzuje się bardzo małym współczynnikiem rozszerzalności temperaturowej

* Surowcami do produkcji szkła są: krzemionka, soda, wapień

Wapień i soda, stapiane w 1200`C-1400`C ulegają rozkładowi i wydzielają dwutlenek węgla:

         Na2CO3 ––––> Na20 + CO2

         CaCO3 ––––> CaO + CO2

powstałe tlenki reagują z krzemionką, tworząc krzemiany

Właściwości szkła:

         szkło jest substancją bezpostaciową (nie ma uporządkowanej budowy wewnętrznej i nie ma określonej, stałej temperatury topnienia);

         szkło w czasie ogrzewania mięknie, stopniowo tworząc bezbarwną, gęstą, plastyczną masę, po ostudzeniu krzepnie, ale nie powraca do wyjściowego kształtu;

         szkło źle przewodzi ciepło i nie przewodzi prądu elektrycznego, jest odporny na działanie kwasów

Szkło barwne:

         szkło zielone – zawiera związki żelaza(III) i chromu(III)

         szkło niebieskie – związki kobaltu(II) i miedzi(II)

         szkło fioletowe – związki manganu(VII)

         szkło żółte – związki kadmu i siarki

         szkło czerwone – koloidalne cząsteczki złota

* Szkło hartowane, optyczne – odporne na wysokie temperatury

VI              GLEBA I JEJ WŁAŚCIWOŚCI

GLEBA – najbardziej zewnętrzna, biologicznie czynna warstwa skorupy ziemskiej

* Wietrzenie – to całokształt zjawisk, jakie zachodzą podczas przemiany skał litych w drobnoziarnistą glebę

Rozróżniamy wietrzenia:

         fizyczne – rozkruszenie ciał pod wpływem mechanicznego działania wody, temperatury i wiatru

         chemiczne – rozkład chemiczny ciał pod wpływem wody, dwutlenku węgla, tlenu, kwaśnych deszczów

         biologiczne – powstają podczas rozstania się korzeniowego roślin oraz pod wpływem mikroorganizmów

pod wpływem wietrzenia, powstają minerały ilaste, np. glina, iły

* Sorpcja – do probówki z gliną wlano atrament – ciecz po przesączeniu jest bezbarwna i pozostał czarny osad –zatrzymanie przez dane ciało stałe cząstek gazu, cieczy i ciał stałych

* Gleba ma właściwości sorpcyjne

Skład gleb:

         część stałą – cząstki zwietrzałych minerałów i próchnica – kompleks sorpcyjny gleby

         część ciekła – woda z rozpuszczonymi solami mineralnymi – roztwór glebowy

         część gazowa – powietrze i dwutlenek węgla, które wnikają w głąb gleby

VII              METALE

         stan wolny – metale szlachetne

         związane – tlenki soli, wodorotlenków

* Rudy – naturalne związki chemiczne metali

Właściwości metali:

         Podobieństwa – stały stan skupienia, barwa srebrzystoszara (prócz złota i miedzi), metaliczny połysk, kowalność i ciągliwość, dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne

         Różnice – twardość, temperatura topnienia, gęstość, aktywność chemiczna

STOPY METALI – mieszaniny jednorodne najczęściej samych metali, stopniowo w odpowiedniej proporcji

Stopy:

         Mosiądz – stop miedzi z cynkiem; ma większą twardość niż te dwa metale, ma barwę od białej poprzez żółtą do czerwonej – maszyny, klamki, okucia, świeczniki

         Brąz – stop cyny z miedzią  - aparatura chemiczna, maszyny, monety,

         Duraluminium – stop glinu z miedzą, manganem, magnezem i krzemem; ma małą gęstość i dużą wytrzymałość mechaniczną – lotnictwo, maszyny, konstrukcje budowlane

         Stal – stop żelaza z węglem, oraz krzemem, fosforem i siarką – stosuje się ją wszędzie

KOROZJA METALI – niszczenie metali i ich stopów przez czynniki występujące w  otaczającym nas środowisku

Metody ochrony przed korozją:

         powłoki ochronne

         uzyskanie odpowiednich stopów odpornych na korozję

         osłabienie agresywności środowiska

WĘGLE KOPALNE, ROPA NAFTOWA, GAZ ZIEMNY - SUROWCE ENERGETYCZNE

I              WĘGLE KOPALNE

SKORUPA ZIEMSKA zawiera 0,14% węgla, w postaci różnych związków

WĘGLE KOPALNE  powstały przed milionami lat w odległych epokach geologicznych -> szczątki roślin zostały przysypane warstwą skał osadowych o odcięte od osepu tlenu, poddane działaniu podwyższonej temperatury i ciśnieniu, uległy przeobrażeniu twardniejąc i zmieniając się w skałę

         WĘGIEL KAMIENNY to odmiana zawierająca ok. 87% pierwiastka węgla; stosowany jest jako paliwo dogrzewania - spalanie węgla jest jednak bardzo szkodliwe dla środowiska, gdyż zawiera siarkę (podczas spalania wydziela się tlenek siarki IV

         WĘGIEL BRUNATNY zawiera ok. 70% pierwiastka węgla, również stosowany jest jako paliwo, jednak podczas jego spalania wydziela mniejszą ilość ciepła

         TORF zawiera ok. 60% pierwiastka węgla; ma barwę ciemnobrunatną - powstaje ze zgniłych roślin i występuje najczęściej na dnie bagien - znalazł zastosowanie jako opal, podściółka dla bydła, nawóz, ja...