Pierwiastki bloku d
Spis treści rozdziału - tutaj kliknij
Grupa 11 - miedziowce /
Grupa 12 - cynkowce /
Grupa 3 - skandowce /
Grupa 4 - tytanowce /
Grupa 5 - wanadowce /
Grupa 6 - chromowce /
Grupa 7 - manganowce /
Grupa 8, 9, 10 - żelazowce, palladowce, platynowce /
Pierwiastki bloku d
Pierwiastki przejściowe. Metale rodzin pobocznych - charakteryzują się innymi cechami niż metale rodzin głównych.
Posiadają inne rozmieszczenie elektronów wartościowych. Elektrony te występują nie tylko w powłoce zewnętrznej, lecz część znajduje się w powłokach głębszych, w których liczba elektronów może dochodzić do 18 lub 32. Elektrony niekompletnych powłok wewnętrznych również biorą udział w wiązaniach chemicznych, dlatego w 18 grupie mamy stopień utlenienia VIII. Powłoki wewnętrzne uzupełnione do liczby 18 lub 32 elektronów nie oddają ich w reakcjach z innymi atomami i wtedy reagują tylko 2 elektrony powłoki walencyjnej np. atomy cynkowców są tylko dwuwartościowe. Zawsze jednak łączna liczba elektronów walencyjnych jest zgodna z kolejną numeracją grupy.
Wszystkie pierwiastki przejściowe są metalami. Zależnie jednak od podgrupy, do której należą, różnią się właściowościami. Energie jonizacji pierwiastków przejściowych mają wartości pośrednie pomiędzy wartościami energii jonizacji pierwiastków bloku s i pierwiastków bloku p.
Charakterystyczną cechą pierwistków przejściowych jest ich zmienny stopień utlenienia, która może przyjmować wszystkie wartości od II (lub I) do maksymalnej w danej podgrupie.
W połączeniach z tlenem i wodorem metale grup pobocznych tworzą zasady, związki amfoteryczne albo kwasy. Zależy to od stopnia utlenienia atomu danego metalu.
Przy rzadko występującym wśród metali grup pobocznych stopniu utlenienia I i stopniu utlenienia II mamy do czynienia ze związkami typu zasad, a przy stopniu utlenienia III, IV związki mają charakter amfoterów, a przy stopniu utlenienia V, VI, VII - kwasów.
Zasady zawierające metal grup pobocznych na stopniu utlenienia I, o ogólnym wzorze MOH, są związkami nietrwałymi, rzadkimi i są z reguły mocnymi elektrolitami, chociaż na ogół trudnorozpuszczalnymi w wodzie (np. AgOH). Bardziej trwałymi są słabe zasady o wzorze ogólnym M(OH)2.
Przy trój- i czterododatnim stopniu utlenienia metalu związki mają charakter amfoteryczny, przy czym mogą mieć strukturę ortozwiązków, np. M(OH)3, M(OH)4, H3MO3, H4MO4, albo meta związków - HMO2 i H2MO3.
W przypadku gdy metale grup pobocznych występują na VI i VII stopniu utlenienia, tworzą się nietrwałe dość mocne kwasy o wzorach ogólnych H2MO4, HMO4.
Ważną również cechą metali przejściowych, rzadziej spotykaną u metali grup głównych jest zdolność tworzenia związków zabarwionych. Sole miedzi mają zwykle barwę zieloną lub niebieską, kobaltu różową, niklu zieloną, nadmanganianu fioletową, sole chromu od niebieskiej poprzez zieloną do żółtej
Grupę 11 układu okresowego pierwiastków stanowią trzy metale: miedź (Cu), srebro (Ag) i złoto (Au). Konfigurację elektronową dwóch pierwszych powłok atomów tych pierwiastków można przedstawić w sposób następujący: (n-1)d10ns1 gdzie n wynosi: dla Cu - 4, dla Ag - 5 a dla Au - 6. Obecność tylko jednego elektronu w najbardziej zewnętrznej powłoce elektronowej jest przyczyną, że pierwistki te występują w związkach głównie na I stopniu utlenienia i tworzą jony M+.
Zatem istnieją jony Ag+, Cu+ i Au+, jednak utleniają się do jonu Cu2+ i Au3+. Jon srebra Ag+ jest w rotworze wodnym trwały.
Miedź
|
Miedź. Występuje w przyrodzie zarówno w stanie rodzimym jako wolny metal, jak i w postaci związków, głównie siarczków, tlenków i węglanów.
Miedź posiada szereg cennych włąsności. Ze względu na wysokie przewodnictwo elektryczne i cieplne, a także korzystne własności mechaniczne, ma bardzo liczne zastosowania. Stosuje sie przede wszystkim w przemyśle elektrochemicznym i elektrotechnicznym. Z miedzi produkuje się przewody elektryczne, uzwojenia transformatorów, prądnic i motorów elektrycznych.
|
|
Na powietrzu miedź utlenia się słabo i powoli. W wilgoci pokrywa się zieloną, dobrze przylegającą powłoką weglanu-wodorotlenku miedzi(II) Cu2(OH)2CO3 zwaną patyną.
Miedź znajduje również zastosowanie jako metal stopowy. Ze znanych stopów należy wymienić brąz (stop miedzi z cyną), mosiądz (stop miedzi z cynkiem).
|
Srebro
Srebro niekiedy występuje w przyrodzie jako wolny pierwistek, częściej jednak w postaci związków, głównie jako siarczek Ag2S i chlorek AgCl.
|
Srebro jest metalem srebrzystobiałym o dużym połysku, dość miękkim, kowalnym i ciągliwym. Jest najlepszym przewodnikiem elektryczności spośród metali, a także dobrym przewodnikiem ciepła. Jest odporne na działanie kwasów i zasad, ulega tylko działaniu kwasu azotowego i gorącego kwasu siarkowego.
Zastosowanie srebra jest duże. W stopach z miedzią służy do wyrobu monet, ozdobnych przedmiotów, nakryć stołowych. itp. Związki srebra stosuje się do otrzymywania materiałów światłoczułych. Najważniejszym związkiem srebra jest azotan(V) srebra(I) AgNO3.
|
Złoto
|
Złoto występuje w przyrodzie głównie w stanie wolnym. Od domieszek, czyli od tzw. złoża, oddzielane jest w sposób mechaniczny (płukanie złota). Do najtrwalszych i najważniejszych połączeń złota należą jego chlorki, bromki i jodki.
|
Cynk (Zn), kadm (Cd), rtęć (Hg) tworzą 12 grupę tzw. cynkowców. Konfiguracja elektronowa dwóch zewnętrznych powłok atomów cynkowców jest następująca: (n-1)d10ns2 gdzie; n dla cynku wynosi 4, dla kadmu 5, dla rtęci 6. Ze względu na obecność trwałego 18 elektronowego układu w powłoce podzewnętrznej oraz dwóch elektronów w zewnętrznej powłoce s, cynkowce występują w związkach tylko na dwudodatnim stopniu utlenienia.
Najważniejszym spośród metali 12 grupy jest cynk. Zajmuje on w światowej produkcji metali trzecie miejsce za żelazem i miedzią.
Cynk
Cynk występuje w przyrodzie tylko w postaci związków. Do najważniejszych minerałów cynku należy blenda cynkowa ZnS oraz galman zawierający głównie ZnCO3. Minerały te są podstawowymi surowcami do produkcji cynku.
|
Cynk jest metalem srebrzystoszarym o gęstości 7,13 g/cm3, temperatura topnienia 419oC i temperatura wrzenia 907oC. Na powietrzu cynk pokrywa się ściśle przylegającą warstwą tlenku, albo hydroksywęglanu cynkowego, które chronią go przed korozją. Zastosowanie cynku jest różnorodne. Służy do wyrobu blachy cynkowej, do wykonania odlewów, do stopów oraz do cynkowania.
|
Cynk jest metalem dość aktywnym chemicznie, wypiera wodór z kwasów, a na gorąco z wody.
Kadm
Kadm występuje w przyrodzie w postaci minerału CdS, nie tworzy on samodzielnych złóż, występuje natomiast w większości złóż minerałów cynkowych. Kadm otrzymywany jako produkt uboczny przy produkcji cynku. Ma zastosowanie bardziej ograniczone niż cynk. Używa się jego do wytwarzania stopów np. topiący się w temperaturze 65,6oC stop Wooda składa się z 50% Bi, 25% Pb, 12,5% Sn i 12,5% Cd.
Właściwości chemiczne związków kadmu podobne są do związków cynku. Podobnie jak cynk, kadm występuje w związkach na +2 stopniu utlenienia.
Rtęć
|
Rtęć występuje w przyrodzie głównie w postaci siarczku HgS (cynober). Złoża cynobru zawierają niekiedy niewielkie ilości rtęci w stanie wolnym.
Wolna rtęć ma dość szerokie zastosowanie praktyczne i laboratoryjne, ponieważ jest metalem o najniższej temperaturze topnienia i w temperaturze pokojowej jest cieczą. Ze względu na bierność chemiczną, płynność, dużą gęstość i dobre przewodnictwo elektryczne stosuje się ją w produkcji kontaktów elektrycznych, termometrów, barometrów i wielu specjalnych aparatów naukowych.
|
Rtęć rozpuszcza wiele metali tworząc odpowiednie stopy zwane amalgamatami.
W związkach rtęć występuje głównie na II stopniu utlenienia. Związki dwudodatniej rtęci różnią się nieco własnościami od analogicznych związków cynku i kadmu, głównie dlatego, że jony rtęciowe mają tendencję do tworzenia wiązań atomowych spolaryzowanych. Wszystkie rozpuszczalne związki rtęci są silnie trujące. HgCl2 - sublimat, nierozpuszczalny żółty tlenek HgO, stosowany jest w różnych maściach.
Skand (Sc), itr (Y), lantan (La), aktyn (Ac) mają konfigurację elektronową (n-1)d1ns2 posiadaja zatem trzy elektrony walencyjne, z których dwa znajdują się na orbitalu s ostatniej powłoki elektronowej, a jeden na orbitalu d powłoki przedostatniej. Pierwsze trzy skandowce, wystepują w przyrodzie w postaci związków na III stopniu utlenienia. Tworzą one tlenki o wzorze ogólnym M2O3, z których wywodzą się wodorotlenki Sc(OH)3, Y(OH)3, La(OH)3. Zarówno skandowce, jak ich związki są bardzo rzadko spotykane w przyrodzie i w postaci bardzo rozproszonej.
W stanie wolnym otrzymuje się je metodą elektrolizy stopionych chlorków, albo przez redukcję chkorków magnezem.
|
Tytan (Ti), cyrkon (Zr) i hafn (Hf) mają konfigurację elektronową typu (n-1)d2ns2 a zatem posiadają cztery elektrony walencyjne, z których dwa znajdują się na orbitalu s ostatniej powłoki elektronowej, a pozostałe dwa na orbitalu d powłoki przedostatniej.
Pierwiastki grupy tytanu występują w związkach na II, III, IV stopniu utlenienia tworząc odpowiednie połączenia z tlenem i z chlorem. Najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem tej grupy jest tytan; stanowi on około 0,63% składu chemicznego skorupy ziemskiej. Najważniejszymi rudami tytanu są; rutyl (TiO2) i (ilmenit) FeTiO3.
|
Tytan jest metalem twardym, stosunkowo lekkim, o gęstości 4,5 g/cm3 odpornym na korozję i wysokie temperatury. Tytan ze względu na swoje cenne właściwości znalazł szereg zastosowań:
- ze względu na swoją odporność chemiczną jest dobrym materiałem do konstrukcji aparatów mających kontakt z odczynnikami chemicznymi i żywnością,
- jest dobrym materiałem na narzędzia chirurgiczne, wszczepy i protezy (tytanowe protezy biodra i innych stawów zachowują swoją sprawność przez ponad 30 lat),
- znalazł zastosowanie w lotnictwie - jest głównym budulcem silników samolotów i rakiet,
- poza wykorzystaniem tytanu w budowie silników lotniczych (gdzie oszczędność masy wpływa na zmniejszenie zużycia paliwa), metal ten znajduje się w prętach używanych do rekonstrukcji starożytnych zabytków, na przykład Partenonu i do naprawy betonowych mostów,
- związki tytanu wykorzystuje się w chemii analitycznej jako reduktory (tytanometria),
- węglik tytanu jest ze względu na swoją twardość wykorzystywany do konstrukcji narzędzi skrawających,
- dwutlenek tytanu jest powszechnie używanym w kosmetyce białym pigmentem.
- tytan jest również popularnym tworzywem w biżuterii -jubilerzy cenią nie tylko jego wytrzymałość i odporność na korozję, ale przyciąga ich również możliwość otrzymywania całej gamy kolorów poprzez anodyzowanie lub podgrzewanie metalu.
W stopach z innymi metalami używany jest do produkcji kotłów, chłodnic w reaktorach jądrowych, części podwodnych okrętów, części samolotów, itp.
Tlenek tytanu(IV) TiO2, tzw. biel tytanowa jest trudnoropuszczalnym w wodzie, białym proszkiem, stosowanym do wyrobu białych farb, białej gumy itp.
Chlorek tytanu(IV) TiCl4 hydrolizuje samorzutnie w wilgotnym powietrzu, stąd jego zastosowanie do wytwarzania zasłon dymnych.
Cyrkon i hafn występują razem, zwyle w postaci krzemianów i tlenków. Należą do pierwiastków rzadkich. Tlenek cyrkonu z uwagi na jego wysoką temperaturę topnienia (2700oC), stosowany jest do wyrobu tygli i wnętrz pieców odpornych na wysokie temperatury.
Wanad (V), niob (Nb) i tantal (Ta) posiadaja po pięć elektronów walencyjnych, 3 elektrony na orbitalu d i 2 na orbitalu s, mogą więc w związkach występować na II, III, IV i V stopniu utlenienia. Związki wanadowe zawierają V2+, sa związkami jonowymi, podobnie jak związki żelazowe są silnymi reduktorami, a ich wodorotlenki maja charakter zasadowy.
Tlenek wanadowy VO jest dość twardym ciemnoszarym ciałem stałym. Rozpuszcza się w rozcieńczonym kwasie solnym, kwasie fluorowodorowym i azotowym, zabarwiając roztwór na kolor fioletowy.
Związki zawierające atomy wanadu na III stopniu utlenienia własnościami swymi przypominają związki żelazowe.
Związki zawierające wanad na IV i V stopniu utlenienia mają charakter kowalencyjny jak np. VCl4. Są też amfoteryczne jak np. VO2. Kwasy wanadowców HVO3, HNbO3, HTaO3 sa podobne do kwasów azotowców.
Wanad stosuje się jako jeden ze składników stali stopowych.
Niob używany jest do wyrobu nierdzewnej stali chromoniklowej. Tantal ze względu na bardzo małą reaktywność chemiczną stosowany jest do wyrobu narzędzi chrurgicznych. Ponadto tlenek wanadu(V) V2O5 jest jednym z ważniejszych katalizatorów, między innymi w reakcji utleniania SO2 do SO3 w metodzie kontaktowej produkcji kwasu siarkowego.
|
Chrom (Cr), molibden (Mo) i wolfram (W) stanowią 6 grupę w układzie okresowym zwaną podgrupą chromowców. Konfiguracja elektronowa tych pierwiastków jest następująca :
W - 5d46s2, Mo - 4d55s1 a Cr - 3d54s1. Podobnie jak atomy pierwiastków innych grup pobocznych, atomy chromowców mogą w reakcjach chemicznych oddawać lub angażować w wiązania elektrony nie tylko z ostatniej, lecz i z przedostatniej powłoki elektronowej. To tłumaczy różne stopnie utlenienia chromowców (od I do VI).
|
Największe rozpowszechnienie spośród pierwiastków chromowców wykazuje chrom; występuje w przyrodzie głównie w postaci minerału chromitu FeO*Cr2O3 lub FeCr2O4. Inne minerały zawierające chrom nie mają większego znaczenia technicznego.
Wolny chrom otrzymuje sie w reakcji
Cr2O3 + 2Al --> Al2O3 + Cr
Czysty chrom jest metalem barwy stalowoszarej o silnym połysku, topiącym sie w temperaturze około 1900oC. Chrom, podobnie jak mangan, odgrywa ważną rolę w produkcji wysokowartościowych stali. Przykładem tego typu stali może byc stal nierdzewna, która jest stopem żelaza z chromem i węglem (12% Cr, 0,3% C)
Stale stopowe zawierające chrom odznaczają się dużą twardością i odpornością na działanie zarówno czynników mechanicznych jak i chemicznych.
Chrom używa się do elektrolitycznego pokrywania metali i stopów mało odpornych na korozję. Proces ten nazywa się chromowaniem. W związkach chemicznych chrom występuje na I, II, III, IV, V, VI stopniu utlebnienia. Zwiazki chromu mają również duże znaczenie. Chromiany np. Na2CrO4 są inhibitorami korozji, ałun chromowo-potasowy
K2CrO4*Cr2(SO4)3*24H2O ma znaczenie w przemysle farbiarskim i garbarskim.
Chromian ołowiu(II) PbCrO4 - żółcień chromowa i tlenek chromu(III) Cr2O3 - zieleń chromowa stosowane sa jako pigmenty.
Chromiany maja własności utleniające, szczególnie w roztworach zakwaszonych. Utleniają one siarkowodór do wolnej siarki, wegiel do dwutlenku wegla, itp., przy czym chrom ze stopnia utlenienia +6 redukuje się do chromu +3
Cr2O72- + 3H2S + 8H3O+ --> 2Cr3+ + 3S + 15H2O
2Cr2O72- + 3C + 16H3O+ --> 4Cr3+ + 3CO2 + 24H2O
Molibden występuje w przyrodzie jako dwusiarczek MoS2 w minerale zwanym molibdenem. Minerał ten tworzy ciemne, błyszczące blaszki, bardzo podobne do grafitu. Ma on zastosowanie w przemyśle elektrycznym i elektronowym. Molibden o czystości wyższej niż 99,9% używany jest do wyrobu siatek i anod w lampach elektronowych oraz włókien w lampach żarowych. Stale szybkotnące zawierają ponad 8% Mo.
Wolfram występuje w przyrodzie w postaci minerałów - szelitu CaWO4 i wolframitu (Fe,Mn)WO4. Z powodu bardzo wysokiej temperatury topnienia (3370oC), wolfram podobnie jak molibden, używany jest do produkcji sprali żarówek elektrycznych, kontaktów specjalnych, tarcz elektronowych w lampach rentegenowskich, itp. stosowany jest również do wyrobu stali wolframowej, zachowującej twardość nawet w bardzo wysokich temperaturach.
Do 7 grupy układu okresowego należą; mangan (Mn), otrzymywany sztucznie technet (Tc) i ren (Re). Jedynie mangan występuje w przyrodzie w większych ilościach i w związku z tym jest lepiej poznany oraz znajduje szersze zastosowanie.
Konfiguracja elektronowa pierwiastków VII podgrupy jest następująca: (n-1)d5ns2.
Dlatego też mangan występuje w związkach jako pierwiastek II, III. IV, VI, VII dodatni.
Głównym minerałem, z którego otrzymuje się mangan i jego połączenie jest tlenek manganu(IV) zwany piraluzytem lub brausztynem.
Otrzymywanie manganu z piroluzytu polega na redukcji MnO2 za pomoca węgla lub glinu metalicznego.
Mangan jest metalem srebrzystoszarym, dość twardym i kruchym. jego gęstość wynosi 7,3 g/cm,sup>3, a temperatura topnienia 1243oC. W kwasach rozcieńczonych rozpuszcza się z wytworzeniem soli manganowych, zawierających Mn2+.
Mangan stosowany jest przede wszystkim do wyrobu stopów twardych, jako ferromangan, manganian, stal manganowa i inne. Najpospolitszymi związkami manganu są; siarczan(VI)manganu(II) MnSO4, tlenek manganu(IV) MnO2 i nadmanganian potasowy KMnO4.
Mangan tworzy kilka tlenków. MnO tlenek manganu, Mn2O3 braunit, MnO2 brausztyn, Mn3O4 hausmanit, Mn2O7 - ten ostatni jest cieczą barwy brązowej.
Inne związki to; wodorotlenek manganu Mn(OH)2, kwas manganawy Mn(OH)4, H4MnO4, kwas manganowy H2MnO4, kwas nadmanganowy HMnO4
Kwas nadmanganowy wystepuje tylko w postaci soli. Najbardziej znana sól to KMnO4, znana jako środek antyseptyczny i dobry utleniacz.
2KMnO4 --> K2MnO4 + MnO2 + O2
Ren jest pierwiastkiem bardzo rzadkim. Swoimi własnościami przypomina wolfram. podobnie jak wolfram posiada wysoką temperaturę topnienia (3200oC), dużą gęstość (21 g/cm3) i małą reaktywność chemiczną. Ponadto ren posiada specyficzne zdolności katalitycznego przyspieszania niektórych reakcji uwodornienia.
Technet jest pierwiastkiem bardzo mało znanym. Żadnego z ok. 20 jego izotopów nie wykryto na kuli ziemskiej.
Pierwiastki grupy 8, 9 i 10 układu okresowego tworzą trzy triady:
- żelazo Fe, kobalt Co, nikiel Ni
- ruten Ru, rod Rh, pallad Pd
- osm Os, iryd Ir, platyna Pt
Atomy tych pierwiastków posiadają różną liczbę elektronów na powłokach walencyjnych. Elektrony walencyjne żelaza mają konfigurację 3d64s2, kobaltu 3d74s2 a niklu 3d84s2. Na podstawie konfiguracji elektronowej można przewidzieć stopnie utlenienia tych metali w związkach.
Przyjmują one następujące stopnie utlenienia
- żelazo Fe III, II, IV, VI
- kobalt Co II, III, IV
- nikiel Ni II, III, IV
- ruten Ru IV, VI, VIII
- rod Rh III
- pallad Pd II, VI
- osm Os IV, VI, VIII
- iryd Ir I, III, IV, VI
- platyna Pt II, IV
Najważniejszymi pod względem użytkowym i najbardziej rozpowszechnionym w przyrodzie pierwiastkami podgrupy VIII są: żelazo, kobalt i nikiel
|
Żelazo jest najbardziej rozpowszechnionym metalem. W zewnetrznej skorupie ziemskiej zawartość Fe ocenia się na 4,7%, rdzeń skorupy ziemskiej prawdopodobnie zawiera przede wszystkim Fe i Ni.
Czyste żelazo jest stosunkowo miękkie, plastyczne, srebrzystoszare, dość odporne na korozję w powietrzu ze względu na pasywacje powierzchni.
|
Żelazo występuje w trzech odmianach alotropowych;
- żelazo a
- żelazo g
- żelazo d
Jedynie żelazo a posiada własności ferromagnetyczne. Przemiana alotropowa żelaza a w żelazo g zachodzi w temperaturze 723°C przy schładzaniu lub 728°C przy ogrzewaniu. Przemiana alotropowa żelaza g w żelazo d zachodzi w temperaturze 1400°C.
Żelazo jest wykorzystywane głównie do produkcji stali - podstawowego materiału konstrukcyjnego. Stale węglowe, stopy żelaza z kobaltem i niklem oraz ferryty są materiałami ferromagnetycznymi wykorzystywanymi w elektronice (magnesy, taśmy magnetofonowe i video). Z żelaza o bardzo niskiej zawartości węgla wytwarza się blachy transformatorowe, z których buduje się rdzenie transformatorów i silników elektrycznych. Żelazo na skale przemysłową otrzymuje się z jego rud, na drodze redukcji tych związków za pomocą koksu lub tlenku węgla. Proces ten polega na wytopie żelaza i uszlachetnianiu otrzymanego wyrobu.
Fe2O3 + 2C --> FeO + Fe + 2CO
FeO + CO --> Fe + CO2
Fe2O3 + 3CO --> 2Fe + 3CO2
Fe2O3 + 3C --> 2Fe + 3CO
Wytop żelaza. Proces produkcji przeprowadza się w urządzeniu zwanym wielkim piecem. Jest to konstrukcja wykonana ze stali, wyłożona wewnątrz ceramicznym i węglowym (w dolnej części) materiałem ogniotrwałym. Schemat wielkiego pieca przedstawiono na rysunku 12.
Rys. 12 Schemat wielkiego pieca
W takim piecu od góry wprowadza się mieszaninę rudy, topników i koksu a od dołu przez dysze wiatrowe wdmuchuje się podgrzane powietrze.
Rys 13. Wielki piec
|
W miarę jak stałe substancje posuwają, ulegają one przemianie w dwie ciecze, tj. żużel i surówkę a górą pieca uchodzą gazy, które zawierają ok. 25% tlenku węgla (CO). Uchodzące gazy miesza się z bardziej energetycznym gazem i ponownie kierowane są do wielkiego pieca. Wytwarzany żużel pływa po powierzchni nowo wytopionej surówki żelaznej. W regularnych odstępach czasu nowy wsad jest ładowany od góry, a surówka i żużel oddzielnie zbierane u dołu pieca. Z dużych pieców co sześć godzin spuszczane jest około 2 tysięcy ton surówki żelaznej.
Żelazo bądź odlewa się w formie dużych wlewek, zwanych gęsiami surówki, bądź też w formie ciekłej jest transportowane do instalacji produkującej stal. Proces wytopu jest ciągły. W normalnych warunkach przerywa się go tylko wtedy, gdy obudowa pieca wymaga wymiany. Do najważniejszych reakcji zachodzących w wielkim piecu należą: spalanie koksu na tlenek węgla, redukcja tlenku żelaza oraz łączenie się tlenków zasadowych i kwaśnych (zanieczyszczeń rudy i dodanego topnika) na żużel:
2C + O2 --> 2CO
3CO + Fe2O3 --> 2Fe + 3CO2
CaCO3 --> CaO + CO2
CaO + SiO2 --> CaSiO3
|
Z surówki można wytwarzać odlewy. Odlew szybko chłodzony ma jasny przełom i nosi nazwę żeliwa białego. Składa się ono głównie ze związku Fe3C zwanego cementytem. Przez powolne chłodzenie otrzymuje się tzw. żeliwo szare, które składa się z krystalicznych ziarn czystego żelaza (zwanego ferrytem) i płatków grafitu. Istnieje również odmiana żeliwa o nazwie żeliwo ciągliwe, które w odróżnieniu wcześniej opisanych jest bardziej wytrzymałe i mniej kruche. Otrzymuje się je przez obróbkę cieplną żeliwa szarego o odpowiednim składzie.
Produkcja stali. Produkcja stali polega na oczyszczeniu żelaza z węgla i innych domieszek, a następnie dodaniu w sposób kontrolowany określonych ilości węgla oraz metali, takich jak chrom, mangan, nikiel czy wanad. Domieszka węgla daje stali możliwość utwardzania jej w procesie obróbki cieplnej, natomiast inne metale są dodawane w celu poprawienia jej różnorodnych własności, między innymi odporności na korozję, twardości, łatwości obróbki czy odporności na temperaturę.
Rys 14. Konwertor
|
Stal wytwarza się głównie metodą martenowską, metodą Bessmera oraz w konwertorach tlenowych z górnym dmuchem. Większość rodzajów stali już w piecu osiąga swój finalny skład chemiczny. Istnieją jednakże takie gatunki, do wysoce specjalistycznych zastosowań, które wymagają dalszej obróbki po opuszczeniu pieca. Stali takich używa przykładowo aero- i astronautyka, energetyka jądrowa lub przemysł chemiczny. Wytwarzane są zwykle w piecach elektrycznych, a potem procesowi rafinacji, aby usunąć zawarte w nich gazy i inne substancje obce. Jedną z technik takiego doczyszczania jest ponowne przetopienie stali w próżni, podczas którego uwalniane gazy są natychmiast wypompowywane. Inna powszechnie stosowana metoda to przetapianie elektrożużlowe. Metal roztapia się łukiem elektrycznym, tak że ma on postać kropelek, które następnie przechodzą przez basen wypełniony roztopionym żużlem, gdzie następuje ich oczyszczenie z niepożądanych domieszek. Rafinowana stal jest w końcowym etapie zestalana w formach chłodzonych wodą.
|
Znaczenie biologiczne. Pierwiastek ten należy do ważnych dla zachowania pełni zdrowia składników pokarmowych. W organizmach ludzkich i zwierzęcych żelazo jest składnikiem hemoglobiny - białka czerwonych ciałek krwi i bierze udział w procesach przenoszenia tlenu. Zapotrzebowanie na żelazo jest zmienne i zależy od wieku, płci i stanu organizmu. Norma dobowego spożycia waha się w dość dużych granicach. U osób dorosłych od 10 mg/dobę u mężczyzn, do 20 mg u kobiet, z zastrzeżeniem że w okresie ciąży i karmienia powinno to być ok. 30 mg/dobę.
Oprócz minerałów, duże znaczenie technologiczne mają karbonylkowe kompleksy żelaza, które otrzymuje się z chlorków żelaza i które są katalizatorami licznych reakcji organicznych.
Palladowce i platynowce należą do metali szlachetnych i najszlachetniejszych. Występują w stanie rodzimym, ale są bardzo rzadkimi pierwiastkami. Są dobrymi tworzywami technicznymi, ale bardzo drogimi.
Najbardziej ropowszechniona jest platyna, metal bardzo ciężki, stalowosrebrzysty, bardzo plastyczny, stosowany do wyrobu tygli i innych urządzeń ogniotrwałych i odpornych na działanie kwasów. Bardzo ważne znaczenie posiada jako katalizator różnych procesów chemicznych (synteza amoniaku).
Stop platyna - rod stosuje się do wyrobu drutu do wysokotemperaturowych termoogniw (termopary)
Stop platyna - iryd jest bardzo twardy i odporniejszy chemicznie od czystej platyny - wzorzec metra i kilograma
Stop osm - iryd jest jeszcze twardszy i stosuje sie do wyrobu precyzyjnych mechanizmów.
Platyna i pallad mają zdolność rozpuszczania wodoru. Jedna objętość palladu pochłania 700 objętości wodoru.
|
