Transcript prednes12 – kopie

CHEMIE
http://homen.vsb.cz/~val15
http://rccv.vsb.cz/iTutor
VÝROBA KOVŮ
 Průmyslové získávání kovů lze rozdělit do čtyř částí:

Těžba rud a jejich úprava

Chemické zpracování a příprava suroviny

Vlastní chemický děj k získání surového kovu

Rafinace vyrobeného kovu
Výroba kovů
2. Hliník
1. Železo
3. Měď
ruda
obohacování
pražení
aglomerace
metalurgické zpracování
pyrometalurgie
hydrometalurgie
Úprava rud
 Obohacení o čistou složkou
 Zbavení balastních materiálů (hlušiny)
 Mechanické, fyzikálně-chem. postupy:
flotace
magnetická separace
sedimentace
Chemické zpracování
 Převedení základní suroviny většinou na oxidy, event. chloridy
(vhodnější k vlastní výrobě):
 Oxidační pražení: zahřívání za přístupu vzduchu (vznik oxidu kovu a
SO2)
2 ZnS + 3 O2 = 2 ZnO + 2 SO2
 Redukční chlorace: pomocí uhlíku event. za přítomnosti chloru
TiO2 + 2 C + 2 Cl2 = TiCl4 + 2 CO
Aglomerace
 Spékaní směsi práškové rudy + paliva (5% uhlí) na vzduchu
 Vzniklý aglomerát se rozemele
 Uplatnění hlavně u železných rud
 Snížení obsahu: S, Zn, Pb, Cd
 Nešetrný vůči životnímu prostředí
ruda
obohacování
pražení
aglomerace
metalurgické zpracování
pyrometalurgie
hydrometalurgie
hydrometalurgie
výluh
cementace
elektrolýza
rafinace
čistý kov
 Vyluhování
- selektivní loužení iontů kovů z rud chem. činidlem
- vznik rozpustné sloučeniny vyráběného kovu (např. kyanidové
loužení Au a Ag)
- použití: Zn, Au, Pt, U, W, Cu, Ni, Co, Al
 Vytěsňování (tzv. cementace) ušlechtilého kovu kovem neušlechtilým:
HgS + Fe = Hg + FeS
CuSO4 + Fe = Cu + FeSO4
2Au3+ + 3Zn = 2Au + 3Zn2+
 Elektrolýza
- z vodných roztoků: ušlechtilé a některé neušlechtilé kovy (E0 > – 0,4 V)
Cu, Ag, Au, Ni, Pb, Sn, Zn aj.
- z tavenin (halogenidů, oxidů nebo hydroxidů): velmi neušlechtilé kovy
a polokovy Al, Na, Mg, Si, B, Ti aj.
Elektrolýza
Oxidace a redukce probíhají odděleně na
elektrodách
- = Red1
Ox1
+
ze
Na katodě (redukce):
Na anodě (oxidace):
Red2 - ze- = Ox2
Elektrolyt: tavenina, vodný roztok
Výroba kovů: Na, Ca, Mg, Al
Rafinace kovů: Cu, Ni
Výroba hydroxidů alkalických kovů
Princip elektrolýzy
redukce
oxidace
Elektrolýza roztoku NaCl
Ox: 2Cl- - 2e- = Cl2
Red: 2H+ + 2e- = H2
NaCl + H2O = H2 + NaOH + Cl2
pyrometalurgie
termický rozklad
redukce
rafinace
čistý kov
elektrolýza tavenin
 Termický rozklad: např. halogenidů, hydridů nebo karbonylů
TiI4
= Ti + 2 I2 (g)
2 AsH3 = 2 As + 3 H2
Použití pro přípravu malých množství kovu o vysoké čistotě nebo k
rafinaci.
 Redukce (pro oxidickou sloučeninu):
uhlíkem
vodíkem
NiO + C = Ni + CO
MoO3 + 3 H2 = Mo + 3 H2O
neušlechtilým kovem
Cr2O3 + 2 Al = 2 Cr + Al2O3
polokovem
2 BaO + Si
= 2 Ba + SiO2
Redukce neušlechtilým kovem nebo polokovem: metalotermie (např.
při použití hliníku aluminotermie). Tyto reakce jsou většinou silně
exotermické a vyredukovaný kov vzniká v kapalném skupenství
Aluminotermická reakce
 Silně exotermní reakce

Práškový hliník jako redukční činidlo:
Fe2O3 + 2 Al → Al2O3 + 2 Fe

Využití: svařování kolejnic (dříve), dále získávání
některých kovů z jejich oxidů

Velký nedostatek: nízká čistota produktu
Elektrolýza taveniny NaCl
bauxit
250C
NaOH (konc.)
Na[Al(OH)4]
100C
80C
Fe2O3+SiO2
Al(OH)3
NaOH
1200C
Al2O3
Tavná elektrolýza Al2O3
Ox: 6OII- - 12e- = 3O2
Red: 4Al3+ + 12e- = 4Al
2 Al2O3 = 4 Al + 3 O2
Rafinace kovů
 Zonální přetavování: pomalý, opakovaný průchod ingotu
surového kovu úzkou zónou s teplotou blízkou jeho teplotě varu
- Nečistoty se hromadí na konci ingotu
- Nerozpustné příměsi jsou koncentrovány v jeho přední části
- Čistý kov je uprostřed ingotu
 Elektrolýza: surový kov je zapojen jako anoda, katodou je plíšek
velmi čistého vyráběného kovu.
- Nečistoty se hromadí v anodovém prostoru (tzv. anodové kaly)
- Čistý kov je vyredukován na katodě
Rafinace mědi
Anodové kaly: Ag, Au, Pt,
Pd..
Železná ruda
pražení
obohacování
aglomerace
metalurgické zpracování
pyrometalurgie
Surové železo
Ocel, litina
Železné rudy
Magnetit Fe3O4 (55-70%)
Hematit Fe2O3 (50-60%)
Pyrit FeS2 (<40%)
Siderit FeCO3 (30-40%)
Limonit Fe2O3.nH2O
(25-35%)
Výroba železa
 Vysokopecním hutnickým způsobem
 Principem je redukce oxidických rud železa uhlíkem (koksem), resp.
oxidem uhelnatým
 Surové železo obsahuje 5 – 10% příměsí,
zejména nekovů
 Vedlejší produkt: struska (rafinační a
ochranná funkce)
 Rafinací vznikají tzv. technická železa:
ocel a litina
 Zkujňování spočívá v oxidaci a
následném odstranění nekovů (C, Si, P)
Výroba železa-vsázka
 kovonosná surovina + palivo + struskotvorné přísady
železná ruda
+ koks
+
vápenec
Schéma vysoké pece
Vysoká pec-reakce paliva
 Horní část: upravená ruda, koks a vápenec
 Spodní část: předehřátý vzduch, často
obohacený kyslíkem
 Vzduch reaguje s koksem:
C + O2 = CO2
 Reakce je exotermní ( teploty ve spodní
části pece až na 2000 °C)
 Při postupu vzhůru reaguje CO2 s koksem
podle Boudouardovy rovnice
C + CO2 = 2 CO
Vysoká pec-reakce rudy, vápence
 Směrem nahoru  teplota až na 150°C
 Ve střední části (500 – 800°C) probíhá nepřímá redukce:
3 Fe2O3 + CO = 2 Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO = 3 FeO + CO2
FeO
+ CO = Fe
+ CO2
 Ve spodní části při 2000 °C probíhá i přímá redukce:
FeO
+ C = Fe
+ CO
 Současně se rozkládá vápenec a váže se na křemičitany obsažené v rudě:
CaCO3
= CaO + CO
CaO + SiO2
= CaSiO3
 Vzniklá struska klesá s vyredukovaným železem do spodní části pece
 Struska vytváří ochrannou vrstvu železa
 Je vedlejším produktem a druhotnou surovinou: výroba žáruvzdorných
vláken, cementu, hnojiv, apod.
 Vedlejším produktem je také vysokopecní plyn (využití k topným účelům)
 Surové železo je roztok obsahující nežádoucí příměsi
Obsahy doprovodných prvků v železe
prvek
C
Si
Mn
w [%] cca 4,2 0,2-0,7 0,2-0,8
P
S
0,1
0,03
Rafinace surového železa
 Ocelárenské pochody: zkujňování surového železa
 Účelem: odstranění nebo snížení obsahu nežádoucích prvků
 Princip zkujňování: oxidační reakce za vysokých teplot a vznik
oxidů vázaných na strusku (Si, Mn, P) nebo odváděny v plynné
formě (C)
 V konvertorech, martinských, tandemových nebo elektrických
pecích
 Oxidačním činidlem je vzduch, kyslík nebo struska
 Zkujňování v elektrických pecích: nejdražší, výhoda: kvalita oceli
 Vznik technického železa: litina, ocel
 Další zlepšení vlastností oceli: legování pomocí legur
Technická železa-doprovodné prvky
5
1-litina
2-ocel
uhlík
křemík
mangan
fosfor
4
3
2
1
0
1
2
Technická železa
Dělí se podle obsahu uhlíku
Litiny (> 2 %)
Oceli (< 2 %)
Vliv legur na vlastnosti technických želez
vlastnost
C Si Cr Ni W V
P
S Mn Mo
pevnost
tvrdost
pružnost
kujnost
žárovzdornost
korozivzdornost
svařitelnost
houževnatost
magnetičnost
obrobitelnost
++ + ++ +
++ + ++ +
+ ++ +
+
- ++ +
++ +
- + ++
- + - - -
+
+
++ ++
++ ++
+ +
+ +
- +
+
+
+
+
+
+
-
+
+
+
+
+
+
-
-
+
+
+
+
+
+
-
+
Metalurgické strusky
 Vedlejší produkt výroby surového železa
 CaO-MgO-MnO-FeO-Fe2O3-Al2O3-SiO2-P2O5
štěpí polymerní
křemičitany a
fosforečnany
tvoří dlouhé
polymerní
řetězce
 Bazicita (V) strusky: w(CaO) / w(SiO2)
 V > 1,8…zásadité strusky
Klasifikace metalurgických
strusek
 Vysokopecní: nízký obsah oxidů železa, 14501550ºC, převažují CaO- SiO2- Al2O3-MgO
 Ocelářské oxidační:  obsah oxidů železa,
bazicita, teploty odlévání o 100ºC, hlavní složky
CaO-FeOx-SiO2
Mimopecní rafinační: vysoká bazicita, odlévají
se při 1400ºC, obsahují hlavně CaO-Al2O3
Přehled dalších technicky
důležitých silikátových materiálů
 Materiály na bázi křemičitanů
 Podobné složení jako strusky
 Významné vlastnosti: chemická odolnost,
žáruvzdornost, plasticita
 Patří sem: skla, keramika, žáruvzdorné materiály,
anorganická pojiva
Skla (křemičitá)
 Amorfní ztuhlé taveniny přebytku SiO2 (event.
P2O5 nebo B2O3) a zásaditých oxidů Na2O nebo K2O, CaO, MgO
 Nepravidelná struktura křemičitanových tetraedrů
 Nemají bod tání, ale teplotní interval tání
 Výchozí suroviny: křemenný písek nebo mletý křemen, uhličitan a
síran sodný nebo draselný a mletý vápenec
 Promíchaná směs tzv. sklářský kmen se roztaví a zpracovává se:
lisováním
odléváním
foukáním
Druh skla
Složení
Křemenné
SiO2
Vlastnosti
Odolné teplotním
rázům; kyselinám
SiO2-Na2O-CaO Měkne při 500-600C;
neodolává louhům
SiO2-K2O-PbO Vysoký index lomu;
Křišťálové
brousí se, leptá, rytí
Tepelně a
Malá tepelná
chem. odolné SiO2-Na2O-B2O3 roztažnost; odolné
chemikáliím, teplotě
Vodní
SiO2-Na2O
Rozpustné ve vodě;
jeví zásaditou reakci
Užitkové
Keramika




Porézní na bázi jílových minerálů
Má heterogenní strukturu: krystalická a skelná fáze
Rozdělení: porézní (cihlářské zboží) a hutná (porcelán, kamenina)
Porcelán: bílé barvy, průsvitný; výchozí suroviny jsou kaolin, živec a
křemen; výrobky se suší a vypalují při 900°C, pak se glazurují sklovinou
a znovu vypalují při 1450°C
 Kamenina: tvrdá, hutná a také dobře odolná chemickým vlivům
Zbarvena žlutě až hnědě dle použitých jílů
 Cihlářské zboží: z nejméně hodnotných jílů; velmi pórovité vzhledem k
nízké teplotě výpalu zbarveny červeně Fe2O3
Žáruvzdorné materiály a staviva







Materiály odolávající teplotám alespoň 1600°C
Hlavní složky: SiO2 a Al2O3 v různých poměrech
Dinas: přes 90% SiO2, kyselý, špatně odolává prudkým změnám teploty
Šamot: kyselý i zásaditý
Silimanit: vysoce žáruvzdorný, větší odolnost proti korozi struskou
Korundová keramika: až 95% Al2O3, odolnost vůči změnám teploty
Ostatní (magnezit, dolomit): hlavní složky MgO, CaO; zásadité
Anorganická pojiva
 Samovolně se zpevňují (tuhnou) a spojují zrnité soustavy na vzduchu
resp. v přítomnosti CO2
Malta
 Směs písku, „hašeného vápna“ a vody
 Tuhnutí malty:
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3(s) + H2O
Cementy
 Tuhnou pomocí vody
 Soustava CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3
 Hlavní suroviny: vápenec, jíly a železná ruda
 Zahřátí na cca 1450°C a rozemletý slínek se smíchá s vodou
 Podstata tuhnutí: vznik krystalických hydratovaných křemičitanů a
hlinitanů
Beton
 Směs cementu, písku a drobného štěrku
 Tuhne po smíchání s vodou
Sádra
 Pojivo odlišného typu
 Vyroba: zahříváním sádrovce CaSO4.2 H2O na 160°C
 Vzniká tzv. hemihydrát CaSO4.1/2H2O
 Tuhne smícháním s vodou: zpětná reakce
za vzniku dihydrátu
Uhlí
 Hořlavá hornina
 Vznik: z rostlinné hmoty pravěkých rostlin tvořené
především celulózou (C6H10O5)n
 Obsah uhlíku a výhřevnost: dle prouhelnění (antracit >
černé a hnědé uhlí > rašelina)
 Zpracování: nejvíce jako palivo, efektivnější je však chemické
Černé uhlí
Hnědé uhlí
Karbonizace uhlí
 Nejpoužívanější zpracování: zahřívání bez přístupu vzduchu
 Vzniká: koks, dehet, čpavková voda a koksárenský plyn (svítiplyn)
Nízkoteplotní karbonizace (při 600°C)
– zpracovává hnědé uhlí
– hlavní produkt: dehet (hlavně benzen,
toluen, anthracen)
– k výrobě pohonných hmot
Vysokoteplotní karbonizace (při 1000 – 1300°C)
– zpracovává černé uhlí
– hlavní produkt: koks nebo svítiplyn
– koks jako redukční činidlo a palivo
Ropa








Hnědá až nazelenalá hořlavá kapalina
Nazývá se též surová nafta, černé zlato
Složení: směs uhlovodíků převažují alkany
Vznik: z odumřelých mikroorganismů, písku,
hlíny a Ca-nerostů
Výskyt: až 8 km pod povrchem spolu se
zemním plynem
Těžba: z vrtu samovolně vyvěrá nebo se čerpá
1 barel=158,97 litrů
Zpracování: palivářsky nebo petrochemicky
Palivářské zpracování ropy
 Výroba pohonných hmot frakční destilací (atmosférická, vakuová) na
základě rozdílné teploty varu (s délkou řetězce  teplota varu)
 Za atmosférického tlaku v rozsahu 50 – 360°C oddestilují
plynné uhlovodíky (C1 – C4)
benzíny (C5 – C11)
petroleje (C12 – C15)
nafta a LTO (C16 – C19)
zbytek (mazut-TTO)
 Za  tlaku ve vakuu (teploty varu o 150C ) se získají
mazací oleje
vazelíny
parafín
tuhý zbytek (asfalt)
Petrochemické zpracování ropy




Používá se frakce surových benzínů (nafta): C16 – C19
Krakováním: zkracování (roztržení) uhlíkatého řetězce
V přítomnosti vodní páry při 750-850C nebo katalytickou hydrogenací
Vznikají alkeny (ethylen, propen, C4-frakce), aromáty (benzen, toluen,
xylen), H2 a CH4
 Konečné produkty: PE, PS, PES, PU, silon, butadien
Zemní plyn








Současně s ropou a zpravidla ji doprovází
Tvořen směsí alkanů v dutinách pod tlakem MPa
Hlavní složky: methan (80 – 99%) a ethan (až 10%)
Využití: hlavně jako palivo, dále k výrobě vodíku, acetylenu a sazí
Vlastnosti: vysoká výhřevnost, neobsahuje jedovatý CO jako svítiplyn
Bez zápachu, nutno odorizovat: ethyl-merkaptan
Dolní a horní meze výbušnosti: 4,3-15%
Ekologické palivo: nejmenší emise CO2 při spalování
Průmyslové plyny

Vznikají zplyňováním tuhých paliv (koks,
antracit, černé uhlí) v generátorech

Obsahují oxidy uhlíku, především CO

Složení závisí na druhu tuhého paliva a složení
plynu vháněného do generátoru
 Slouží jako paliva a jako suroviny pro výrobu
amoniaku, methanolu, benzínu, plastických hmot
Přehled nejdůležitějších
průmyslových plynů
druh plynu
generátorový
vodní
smíšený
syntézní
vysokopecní
koksárenský
svítiplyn
průměrné složení suchého plynu [obj. %]
CO
25
40
30
40
26
8
10
CO2
4
5
5
5
10
2
2
H2
<1
50
15
50
3
50
50
N2
70
5
50
3
60
12
6
CH4
<1
<1
<1
<2
<1
25
29