[CHEMIA] Surowce i tworzywa

Surowce i tworzywa

Skorupa ziemska- górna, sztywna warstwa litosfery (najbardziej zewnętrznej warstwy Ziemi). Jej grubość wynosi od kilku do 70 km.

Minerały- to pierwiastki w stanie wolnym i związki chemiczne, które wytworzyły się w przyrodzie bez udziału człowieka. Przykłady: sól kamienna (NaCl), kalcyt (CaCO₃) czy kwarc (SiO₂). Pierwiastki te występują w skorupie ziemskiej w stanie wolnym (np. złoto, platyna lub węgiel) albo w stanie związanym (w postaci związków chemicznych, np. kwarc (SiO₂) , anhydryt (CaSO₄)).

Skały- to większe skupiska, grupy minerałów w skorupie ziemskiej. Skały dzielimy na:

-osadowe

-magmowe

-metamorficzne

Zawartość pierwiastków chemicznych w skorupie ziemskiej:

- tlen (46%) w postaci tlenków metali, reszt kwasowych soli tlenowych i wodorotlenków

- krzem (27%) występujący w kwarcu, solach (krzemiany), składnik granitów i piaskowców

- glin (8%)

- żelazo (7%)

- wapń (5%)

Surowce mineralne- skały i minerały, które człowiek wykorzystuje w różnych dziedzinach życia. Dzielimy je w następujący sposób:

- energetyczne (np. ropa naftowa, gaz ziemny, węgiel)

- budowlane (np. skały wapienne, skały gipsowe, piasek)

- chemiczne (np. skały wapienne, sól kamienna, rudy metali, nawozy mineralne)

- metalurgiczne (np. rudy żelaza, rudy miedzi, rudy cynku)

- zdobnicze (np. metale i kamienie szlachetne: złoto, srebro, ametyst)

Skały wapienne- podstawowym elementem tworzącym skały wapienne jest minerał kalcyt (CaCO₃). Najbardziej rozpowszechnione skały wapienne to wapień, kreda oraz marmur.

Kreda i wapień to skały osadowe, w Polsce występujące w Jurze Krakowsko- Częstochowskiej, w Tatrach, Górach Świętokrzyskich czy Pieninach.

Marmur- to skała wapienna o budowie krystalicznej. Ma zastosowanie głównie jako materiał budowlany i rzeźbiarski. Ze względu na dużą twardość i odporność wyroby z marmuru są bardzo trwałe, ale nieodporne na zanieczyszczenia atmosferyczne, np. kwaśne deszcze.

Reakcję rozkładu skał wapiennych można przeprowadzić za pomocą kwasu solnego (HCl). Wydziela

się wtedy dwutlenek węgla, pod wpływem którego mętnieje woda wapienna.

Wapno palone (CaO)- inaczej tlenek wapnia, to biały proszek powstały w wyniku prażenia wapieni. Jest on silnie higroskopijny. W reakcji z wodą tworzy wapno gaszone. Reakcję prażenia wapieni na skalę przemysłową przeprowadza się w tzw. wapiennikach. Schemat reakcji prażenia wapieni:

CaCO₃ ---> CaO+CO₂

Wapiennik- piec szybowy służący do prażenia wapieni. Wapiennik wypełnia się od góry rozdrobnioną skałą wapienną i koksem, a od dołu wprowadza się gorące powietrze. Następuje termiczny rozkład wapieni. Górą odprowadza się dwutlenek węgla, a dołem wapno palone.

Schemat wapiennika:

Wapno gaszone (Ca(OH)₂)- inaczej wodorotlenek wapnia, to wapno palone po reakcji gaszenia (zalaniu wodą). Jest to słabo rozpuszczalna i bardzo silnie żrąca substancja używana w budownictwie do produkcji zaprawy murarskiej oraz w przemyśle chemicznym do produkcji odczynników. Zmieszane z piaskiem i wodą tworzy zaprawę murarską.

Skały gipsowe- skały, których główny składnik to siarczan (VI) wapnia (CaSO₄). W przyrodzie znane są dwa minerały zawierające ten związek chemiczny. Są to gips krystaliczny (CaSO₄) i anhydryt (hydrat o wzorze CaSO₄ ∙ 2 H₂O).

Hydrat- sól uwodniona, zawierająca w swojej sieci krystalicznej cząsteczki wody.

Gips palony (2 CaSO₄ ∙ H₂O)- to substancja powstała w wyniku prażenia gipsu krystalicznego. Jest to biały proszek nierozpuszczalny w wodzie używany m.in. w budownictwie do produkcji zaprawy gipsowej oraz w medycynie do produkcji usztywniających bandaży gipsowych. Jest też stosowany jako zaprawa hydrauliczna szybko twardniejąca pod wpływem wody.

Krzem- to twarde, kruche ciało stałe o budowie krystalicznej i szarofioletowej barwie. Jest mało aktywny chemicznie i jest półprzewodnikiem (wykorzystywany w elektronice). Jest to również składnik wielu stopów, np. żelazokrzemu. Używany do wyrobu szkła i fotoogniw.

Tlenek krzemu (IV)- inaczej krzemionka, najczęściej spotykany pod postacią kwarcu (SiO₂). Bezbarwny kwarc to kryształ górski, ale występuje on również w innych postaciach, np. ametyst, krzemień, agat, obsydian czy tygrysie oko. Pokruszony kwarc tworzy piasek. Krzemionka jest niezwykle odporna na czynniki chemiczne i temperaturę, reaguje jedynie z kwasem fluorowodorowym (HF). Jest używana w budownictwie jako składnik zaprawy murarskiej (piasek) oraz cementu (zaprawa hydrauliczna, twardniejąca zarówno na powietrzu jak i pod wodą).

Krzemiany- sole kwasów krzemowych. Są to ciała stałe, nierozpuszczalne w wodzie. Oprócz nich w przyrodzie występują też glinokrzemiany (np. skalenie), czyli krzemiany w cząsteczkach których niektóre atomy krzemu zostały zastąpione atomami glinu.

Szkło- to nieorganiczny materiał schłodzony do postaci stałej bez procesu krystalizacji. Szkło jest ciałem bezpostaciowym, czyli jest wewnętrzna budowa jest nieuporządkowana i nie ma stałej temperatury topnienia. Szkło jest mieszanką krzemionki (SiO₂), sody (Na₂CO₃) i wapienia (CaCO₃). Szkło, podobnie jak krzemionka, jest odporne na wszystkie substancje z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego (HF). Rodzaje szkła to np. szkło kwarcowe, szkło budowlane, szkło pancerne, szkło przeciwsłoneczne czy szkło bezpieczne. Szkło stosowane jest do:

- produkcji soczewek i pryzmatów

- produkcji szyb

- produkcji naczyń

- produkcji sprzętu laboratoryjnego

- produkcji waty szklanej i włókna szklanego

- produkcji izolatorów

Gleba- zewnętrzna, biologicznie czynna warstwa skorupy ziemskiej. Powstaje w wyniku procesów glebotwórczych. Jest produktem wietrzenia skał. Gleba ma właściwości sorpcyjne.

Skład gleby dzieli się na trzy części:

- część stała (zawiera kompleks sorpcyjny gleby: cząstki zwietrzałych minerałów i próchnicę)

- część ciekła (zawiera roztwór glebowy: wodę z rozpuszczonymi solami mineralnymi)

- część gazowa (zawiera powietrze wnikające w głąb gleby)

Wietrzenie- wszelkie zmiany zachodzące w skałach pod wpływem różnych czynników i prowadzące do powstania gleby. Rozróżniamy trzy rodzaje wietrzenia:

- fizyczne (rozkruszanie pod wpływem mechanicznego działania wody, wiatru i temperatury)

- chemiczne (rozkład chemiczny pod wpływem wody, dwutlenku węgla, tlenu, kwaśnych opadów oraz zanieczyszczeń powietrza)

- biologiczne (zachodzi podczas rozrastania się systemu korzeniowego roślin oraz pod wpływem mikroorganizmów)

Sorpcja- zjawisko zatrzymania przez ciało stałe jonów lub cząstek rozpuszczonych w gazie lub cieczy.

Żyzność- to cecha gleby zapewniająca rosnącym roślinom właściwe warunki wegetacji. Żyzność gleby zależy m.in. od obecności w niej pierwiastków chemicznych (głównie azotu, tlenu, potasu, wapnia oraz magnezu).

Właściwości metali:

- stały stan skupienia (wyjątek: rtęć)

- barwa srebrzystoszara (wyjątki: złoto i miedź)

- połysk metaliczny

- kowalność i ciągliwość

- dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne

Ruda- minerał zawierający związki metalu, m.in. tlenki tego metalu (np. ruda miedzi czy ruda żelaza).

Podstawowe sposoby otrzymywania metali to elektroliza i proces utleniania-redukcji zachodzący w wielkim piecu.

Reakcje utlenienia-redukcji- zachodzą w wielkim piecu, gdzie na skalę przemysłową otrzymuje się żelazo z jego rud. Wielki piec jest najważniejszym urządzeniem w każdej hucie żelaza, jego pojemność wynosi 1000-2000 m³. Produkty procesu wielkopiecowego to surówka (stopione żelazo z wieloma domieszkami) i żużel, odbierane u dołu wielkiego pieca.

Schemat wielkiego pieca:

Topniki- substancje obniżające temperaturę topnienia.

Całość procesów wielkopiecowych:

Stop- mieszanina jednorodna metali stopionych w odpowiednich proporcjach. Stopy mają właściwości inne niż ich składniki. Właściwości mechaniczne stopów są zazwyczaj lepsze od właściwości metalu będącego składnikiem, a temperatura topnienia jest zwykle niższa. Najczęściej używane stopy metali:

- mosiądz (miedź z cynkiem)

- brąz (cyna z miedzią)

- stal (żelazo z niewielką ilością węgla- ok. 2%)

- duraluminium (glin z dodatkiem miedzi, manganu)

Korozja- niszczenie metali i ich stopów przez czynniki środowiska przyrodniczego (tlen, roztwory kwasów, zasad i soli). Korozja rozpoczyna się na powierzchni metalu i postępuje w głąb. Jedyne metale odporne na korozję to metale szlachetne. Korozja to bardzo szkodliwy proces zmieniający właściwości metalu i przyczyniający się do niszczenia wielu konstrukcji.

Sposoby ochrony metalu przed korozją:

- malowanie

- pokrywanie innym metalem (cynk, chrom, nikiel)

- pokrycie tlenkiem metalu

- zmniejszenie agresywności środowiska

Węgiel- surowiec energetyczny powstały ze szczątków roślin przysypywanych warstwami skał osadowych i zalewanych wodą. Szczątki te odcięte od dostępu tlenu i poddawane działaniu wysokiego ciśnienia i temperatury ulegały przeobrażeniom: twardniały i zamieniały się w skałę tworząc węgiel.

Pirogenizacja- to rozkład termiczny bez dostępu powietrza, inaczej sucha destylacja węgla. Produkty pirogenizacji węgla kamiennego to:

- koks (stały, porowaty, czarny produkt pirogenizacji zawierający ok. 90% czystego węgla. Jest on zanieczyszczony niewielką ilością siarki i innymi substancjami. Używa się go w hutnictwie oraz jako opału, gdyż koks nie zanieczyszcza środowiska tak jak węgiel kamienny)

- woda pogazowa (zawiera wodę, amoniak i sole amonu)

- smoła pogazowa (czarna, mazista ciecz o intensywnym zapachu. Jest mieszaniną wielu związków organicznych)

- gaz świetlny (inaczej gaz koksowniczy, to gazowy produkt termicznego rozkładu węgla kamiennego. Jest to gaz palny, a jego składniki to: wodór (60%), węglowodory (30%) i amoniak. Jest używany do otrzymywania amoniaku i do ocieplania)

Ropa naftowa- ciekła mieszanina jednorodna węglowodorów nazywana olejem skalnym. Powstała przed milionami lat ze szczątków roślinnych i zwierzęcych w wyniku procesów rozkładu zachodzących pod dużym ciśnieniem i w temperaturze ok. 200°C. Jest to oleista ciecz barwy żółtej, brunatnej lub czarnej (zależnie od pochodzenia-rodzajów szczątków organicznych z których powstała). Ropa pływa po powierzchni wody (jest od niej rzadsza), więc nie można jej gasić wodą, a jedynie piaskiem lub gaśnicami. Aby wydzielić z niej składniki, poddaje się ją destylacji.

Destylacja- metoda oczyszczania i oddzielania na składniki ciekłej mieszaniny, wykorzystująca temperatury ich wrzenia.

Frakcja- mieszanina cieczy o podobnej lub takiej samej temperaturze wrzenia.