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 bogactw 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. Data utworzenia: 2008-11-30 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 innych 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 2PbO + C = 2Pb + CO2 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. Data utworzenia: 2008-11-30 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(OH)2 i węglanu miedzi(II) CuCO3. 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 Data utworzenia: 2008-11-30 strona 4/5 4. Sole wapnia wykorzystywane w budownictwie Węglan wapnia CaCO3 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 CaO. W piecach zwanych wapiennikami poddaje się wapienie termicznemu rozkładowi: o 900 C CaCO3 → CaO + CO2 Otrzymane wapno palone miesza się z wodą i otrzymuje się wapno gaszone, czyli w postaci stałej wodorotlenek wapnia Ca(OH)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. CaO + H2O = Ca(OH)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(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O Powyższe równanie reakcji ilustruje proces twardnienia zaprawy murarskiej, jest również odpowiedzią na pytanie: dlaczego w nowo wybudowanym budynku czuje się wilgoć. Oprócz tlenku węgla(IV) wiąże zaprawę murarską również piasek, którego głównym składnikiem jest tlenek krzemu(IV) SiO2: Ca(OH)2 + SiO2 = CaSiO3 + H2O Skały wapienne można wykryć spośród innych skał za pomocą roztworu kwasu np. popularnego octu CaCO3 + 2CH3COOH = (CH3COO)2Ca + H2O + CO2↑ Na powierzchni skały wapiennej oblanej kwasem pojawiają się pęcherzyki wydzielającego się gazu – tlenku węgla(IV). Siarczan(VI) wapnia – woda 1/2, czyli CaSO4 ⋅ 2H2O, to główny składnik gipsu. Ozdobna 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. CaSO4 · 2H2O to siarczan(VI) wapnia – woda 1/2, co oznacza, że na 1 kation wapnia Ca2+ i 1 anion SO42– przypadają 2 cząsteczki wody. Data utworzenia: 2008-11-30 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: temperatura 2[CaSO4 ⋅ 2H2O] → (CaSO4)2 ⋅ H2O + 3H2O 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 SiO2 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): SiO2 • szkło sodowe (wyrób przedmiotów codziennego użytku): SiO2, CaO, Na2O • szkło potasowe (produkcja szkła laboratoryjnego): SiO2, CaO, K2O • szkło ołowiowe (produkcja soczewek i kryształów): SiO2, PbO, K2O Data utworzenia: 2008-11-30