A VAS ÉS AZ ALUMÍNIUM
Fejezet 1 A vas
A vas története Sokáig úgy tűnt, hogy mindennapi életünk egyik leggyakrabban felhasznált féme, pontosabban annak ellátása az "istenek kegyétől" függ, hisz kr.e. 4200 és 2200 között csupán az égből hullott mennyei fémet, a meteorit eredetű vasat ismerték és használták fel. Az első biztosan nem meteorit eredetű vasfejsze kr.e. 2200-ból származik (Egyiptom, Abusir). Kr.e. 1300 környékén a vas még mindig ritka fémnek számít, erre utal többek közt, hogy Tutanhamon fáraó aranykései közt egy acélkést is találtak. Miért számít ritka fémnek a vas? Nem tudják érceiből elő állítani? Ez feltehetően nem igaz, hisz a rézércekhez hasonló hőmérsékleten állítható elő és kr.e. 1300 környékén a bronzgyártás jelentős fejlettségett ért el. A probléma abban keresendő, hogy a vasércek olvasztásakor a kemencék alján, a rézércekkel ellentétben nem gyűlik össze egy jellegzetes, csillogó fényű fémolvadék. A kemencékben nyert színvas szivacsos szerkezetű, piszkos anyagra emlékeztető végtermék. A másik ok feltehetően az, hogy a vasércek a leggyakrabban földszerű anyagok, a többi fémérccel ellentétben, amelyek egy része már önmagában is fémfényű. 2
A vas A vas előfordulása A vas részaránya a földkéregben 4,7%, az alumínium után a második leggyakoribb fém. Feltehetően a Föld belső magja túlnyomó részben vasból áll, ezzel van összefüggésben, hogy elemi állapotú vas csak meteoritokban fordul elő. A vasvegyületek száma jelentős, több, mint 400 vasásványt ismerünk. Földünk legnagyobb vasérclelőhelyei: Brazília, Szovjetunió utódállamai, Kanada, Ausztrália, India. Legismertebb vasércek Vasércek Mágnesvasérc (magnetit) Fe3O4 3
A vas tulajdonságai, reakciói, élettanihatásai A vas magas olvadáspontú, nagy sűrűségű fém. Elemi állapotban szürkésfehér, szívós, jól alakítható fém. A levegő oxigénje és nedvessége hatására oxidálódik (rozsdásodik). A vas jól mágnesezhető, mágneses tulajdonságát a mágneses tér megszűnése után is megtartja, a jelenséget ferromágnesességnek nevezzük. A vas fontos, Reakciói: -oxigénnel 4Fe + 3O2 = 2 Fe2O3 - kénnel Fe + S = FeS Élettani hatásai A vas az élőszervezetek nélkülözhetetlen eleme. Legnagyobb mennyiségben az oxigénmolekulák szállításáért felelős hemoglobin (felső kép) molekulában fordul elő (testünk teljes vastartalmának 60-70%), emellett izmainkban és egyes enzimeinkben is jelentős szerepet tölt be. Egy felnőtt nő napi vasszükséglete 15 mg (kb. 0,3 mmol), férfiaké 10 mg (0,2 mmol). táplálékkal felvett vasnak csupán 6-12%-a szívódik fel a vékonybélben, innen a vérútján kerül felhasználási helyére, illetve a vasraktárakba (pl.: máj). Vérveszteség esetén (pl.: menstuációkor), illetve terhesség esetén a szervezet vasszükséglete megnő, a megfelelő pótlásról gondoskodni kell. Vashiány okozhatja a vérszegénység(vashiányos anémia) nevű betegséget, amely sápadt bőrszínnel, ájulékonysággal, gyengeséggel jár. Alsó képen vörösvértestek. - híg savakkal reagál, tömény savakkal és lúgokkal nem lép reakcióba. Fe + 2 HCl = FeCl2 + H2 Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2 állapotban jól kovácsolható. tulajdonsága, hogy izzó 4
Szakasz 4 Vasgyártás A vasgyártás alapanyaga a vasérc és különböző segédanyagok (szén-koksz, salakképző anyag és levegő). A folyamat a nagyolvasztóban történik, ahol felülről adagolják a vasércet, a kokszot és salakképző anyagként mészkövet. A befúvott levegő a szénnel (koksz) reakcióba lép és szén-dioxid, majd szén-monoxid képződik. A keletkező szén-monoxid, illetve a szén a vasérccel reagálva elemi vasat és valamilyen szén-oxidot eredményez. A keletkező olvadt vas az ún. nyersvas, amely széntartalma (1,6-4%) miatt rideg, törékeny anyag. Az emlíett tulajdonságai miatt a nyersvas nem sok mindenre használható, ezért acélt gyártanak belőle. Az acélgyártás során a nyersvas széntartalmát 1,7 % alá csökkentik, valamint különböző ötvöző anyagokat adagolnak hozzá. A keletkező acél (az ötvözőelemektől függően) kemény, szívós, jól megmunkálható, korrózió- és saválló. A vasgyártás kémiai folyamatai: A befúvott levegő elégeti a szenet C + O2 = CO2 Magas hőmérsékleten az izzó szén reakcióba lép a szén-dioxiddal CO2 + C = 2CO A vasércet az izzó szén és a szén-monoxid redukálja ("oxigén elvonás") Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2 5
A legismertebb acélgyártási folyamat az ún. Siemens-Martin-féle eljárás, amelynek során rozsdás ócskavasat adagolnak a nyersvashoz. A rozsda, mint tudjátok oxidréteg (oxigénréteg), amely a nyersvas széntartalmát szén-dioxiddá alakítja. Az ócskavas idővel hiánycikké vált, ezért kidolgoztak egy új eljárást. Az LD-eljárás során a megolvasztott nyersvas felületére tiszta oxigéngázt fúvatnak, ez égeti el a nyersvas széntartalmát. 6
Szakasz 5 Ellenőrző kérdések Interaktív 1.1 Válaszolj az ellenőrző kérdésekre 7
FEJEZET 2 AZ ALUMÍNIUM ELŐFORDULÁSA,
Szakasz 1 Az alumínium története Az alumínium története Az alumínium története jóval rövidebb, mint a vasé. Az alumínium elemi állapotban nem, csupán érceiben fordul elő. A legismertebb és leggyakoribb alumíniumérc a bauxit, amelyet csupán a XIX. században (1821) fedeztek fel a névadó Les Baux község (Dél- Franciaország) mellett. Érdekes módon az alumínium tulajdonságait már felfedezése előtt jól ismerték. A XIX. században elkészülő periódusos rendszerek a ma ismert elemek csupán töredékét tartalmazták, a hiányzó elemek tulajdonságai azonban a periódicitás miatt könnyen megjósolható volt. Így volt ez az alumíniummal is. Felfedezését követően sem terjedhetett el gyorsan, hisz előállítása rendkívül költséges volt. Az 1855. évi párizsi világkiállításon bemutatott, hatalmas szenzációt keltő fém ára az aranyéval vetekedett (III. Napóleon számára evőeszközök, mellvért és más tárgyak készültek e különlegesen és drága fémből). A gazdaságos alumíniumgyártáshoz meg kellett várni az elektromos áram alkalmazását, hisz csupán ez tudott megfelelő energiát biztosítani a gazdaságos termeléshez. 9
Szakasz 2 Az alumínium előfordulása, tulajdonságai, reakciói Előfordulása: A legismertebb alumíniumérc a bauxit. Ez alumínium-oxidot, illetve -hidroxidot tartalmaz, vörös színét pedig az érc szennyező anyagai közül a vasvegyületek okozzák. A korund tiszta alumínium-oxid, amely atomrácsos anyag. Másik neve smirgel, ami egyik felhasználási területére utal: csiszolópapír, azaz smirglipapír készítésére használják. oxidréteg képződik így a levegőn nem korrodálódik (nem reagál az oxigénnel). Az oxidrétegétől megtisztított alumínium reagál a vízzel, védő réteg mellett is reakcióba lép savakkal és lúgokkal. További kémiai reakcióit a kísérletek közt találjátok. Az alumínium erős redukálószer, azaz könnyen oxidálódik. Ez egyben azt is jelenti, hogy nehezen redukálható. Az alumínium az élőszervezetek számára nem létszükségletű elem. Sőt! Nagyobb mennyiségben mérgező lehet! Feltehetően összefüggés van az "alumíniummérgezés" és az Alzheimer-kór kialakulása között Reakciói: Tulajdonságai: Az alumínium ezüstfehér színű, jól megmunkálható fém. Kis sűrűsége miatt a könnyűfémek közé tartozik. Olvadáspontja nem túl magas, az elektromosságot jól vezeti. -oxigénnal 4Al + 3 O 2 = 2 Al2O3 - vízzel 2 Al + 3 H2O = 2 Al(OH)3 + H2 -savval 2Al + 6 HCl = 2 AlCl3 + H2 Az alumínium felületén védő 10
Szakasz 3 Alumínium gyártás Az alumíniumgyártás nyersanyaga a bauxit. A bauxit kémiai összetétele: Al2O3 - timföld (55-60%), Fe2O3 - (5-20%), SiO2 - kvarc (5-25%), H2O - víz (12-13%). (kalcinálják), aminek eredményeként alumínium-oxid képződik. Ezután a Hall-Héroult eljárással a timföldhöz kriolitot kevernek, hogy csökkentsék olvadáspontját, majd hevítik és elektrolízissel alumíniummá redukálják: Galéria 2.1 A bauxitot először a Bayer-eljárással timfölddé alakítják, tehát az alumínium-oxidot nagy hőmérsékleten, NaOH oldattal oldják ki. A keletkezett aluminátlúgot ülepítéssel és szűréssel szétválasztják a fel nem oldott nagy vastartalmú maradéktól, a vörösiszaptól. vörösiszap Az oldatból hígítással és hűtéssel választják ki az alumíniumhidroxidot. Ezt szűrik, majd csőkemencében víztelenítik 11
Elektrolízis folyamata: Katód folyamat: Fémalumínium keletkezése: 2Al3+ 6e- 2 Al Anód folyamat: 3O2-1,5O2 + 6e- (a képződő oxigén reagál az anód anyagával (CO; CO2 keletkezik), ezért azt folyamatosan pótolni kell.) 12
Szakasz 4 Ellenőrző kérdések Értékelés 2.1 Mi az alumínium ásványa? A. sziderit B. bauxit C. pirit D. mészkő Válasz ellenőrzése 13