POLITECHNIKA WROCŁAWSKA

Wydział Chemiczny

CHEMIA NIEORGANICZNA – PODSTAWY

WYKŁAD

META

LE

Wykład 8 – METALE

Przemysłowe źródła podstawowych metali (Fe, Cu, Zn, Al)

Fe

Rudy tlenkowe

Rudy siarczkowe

Rudy węglanowe

Magnetyt Fe

3

O

4

Hematyt Fe

2

O

3

Limonit Fe

2

O

3·

xH

2

O

Piryt FeS

2

Syderyt FeCO

3

Wykład 8 – METALE

Przemysłowe źródła podstawowych metali (Fe, Cu,

Zn, Al)

Rudy siarczkowe

Cu

Chalkozyn Cu

2

S

Chalkopiryt CuFeS

2

Wykład 8 – METALE

Przemysłowe źródła podstawowych metali (Fe, Cu, Zn, Al)

Wurcyt ZnS

Blenda cynkowa ZnS

Rudy siarczkowe

Zn

Wykład 8 – METALE

Przemysłowe źródła podstawowych metali (Fe, Cu, Zn, Al)

Rudy tlenkowo - wodorotlenkowe

Al

Boksyt

Gibbsyt Al(OH)

3

Bemit γ-AlO(OH)

Diaspor AlO(OH)

Wykład 8 – METALE

Otrzymywanie metali z ich rud

Magnetyt Fe

3

O

4

+2, +3

Hematyt Fe

2

O

3

+3

Limonit Fe

2

O

3·

xH

2

O +3

Piryt FeS

2

+2

Syderyt FeCO

3

+2

Chalkozyn Cu

2

S

+1

Chalkopiryt CuFeS

2

+2, +2

Wurcyt ZnS

+2

Blenda cynkowa ZnS

+2

Gibbsyt Al(OH)

3

+3

Bemit γ-AlO(OH)

+3

Diaspor AlO(OH)

+3

MINERAŁ

ST. UT. METALU

METAL

REDUKCJA

C

u

Al

Z
n

F

e

Pirometalurgia

Hydrometalurgia

Biometalurgia

Wykład 8 – METALE

Metalurgia żelaza

Fe

Proces hutniczy - pirometalurgiczny

Wykład 8 – METALE

Metalurgia cynku

Zn

1. Prażenie rudy cynkowej

2ZnS + 3O

2

= 2ZnO + 2SO

2

2. Redukcja węglem

ZnO + C = Zn + CO

3. Destylacja metalu (t.wrz.= 1180 K)

Metoda hydrometalurgiczna - elektrolityczna

ZnO + H

2

SO

4

= ZnSO

4

+ H

2

O

1. Roztwarzanie ZnO w H

2

SO

4

2. Elektroliza

Katoda (–)

Zn

2+

+ 2e

–

= Zn

4OH

–

= O

2

+

2H

2

O + 4e

–

Anoda (+)

Metoda hutnicza

Wykład 8 – METALE

Metalurgia miedzi

Cu

1. Flotacja rudy (wzbogacanie)

2Cu

2

S + 3O

2

= 2Cu

2

O + 2SO

2

2. Prażenie i redukcja

Metoda hutnicza

2Cu

2

O + Cu

2

S = 6Cu + SO

2

3. Elektrorafinacja (oczyszczanie)

Miedź surowa

Miedź elektrolityczna 99,99%

Elektrolit: H

2

SO

4

Cu

2+

Ni

2+

Co

2+

Zn

2+

Fe

2+

Pb

2+

Szlam anodowy: Ag, Au, Pt

Cu [t] Ag [t] Pb [t] CuSO

4

[t] NiSO

4

[t] H

2

SO

4

[t] Au[kg]

560255 1244 21050 6769 2027 621570 713

Produkcja KGHM w roku 2005

Bakterie

Do otrzymania metalicznej miedzi poprzez elektrolizę lub
cementację potrzebna jest rozpuszczalna sól tego metalu

Cementacja cynkiem

Cu

2+

+ Zn = Cu + Zn

2+

Użyteczne minerały miedzi są trudnorozpuszczalne

I

r

(Cu

2

S) = 2·10

–47

Przeprowadzanie

Cu

2

S

w dobrze rozpuszczalny

CuSO

4

- siarczan

miedzi(II)

Cu

2

S + H

2

SO

4

+ 5/2O

2

2CuSO

4

+ H

2

O

Bakterie:

Thiobacillus ferrooxidans

Cu

2

S

CuSO

4

H

2

S

O

4

T.ferroox

.

Wykład 8 – METALE

Biometalurgia miedzi

Wykład 8 – METALE

Metalurgia glinu

Al

1. Prażenie i oczyszczanie boksytu

Al(OH)

3

+ AlO(OH) → Al

2

O

3

2. Elektroliza Al

2

O

3

w stopionym kriolicie, Na

3

AlF

6

(T=1220 K)

Al

3+

+ 3e

–

= Al

2O

2–

= O

2

+ 4e

–

KATODA

ANODA

ANODA

(grafit)

KATODA

(grafit)

Al

2

O

3

Na

3

AlF

6

Ciekły

glin

Wykład 8 – METALE

Roztwarzanie metali w kwasach, zasadach i w wodzie

KWASY

K Ca Na Al Zn Cr Fe Ni Pb

H

Cu Ag Hg

Au

Szereg napięciowy metali

0

Ox/Re

E

Metale nieszlachetne –

H

+

jako utleniacz

Metale szlachetne

Fe + 2HCl = FeCl

2

+ H

2

Fe + 2H

+

= Fe

2+

+ H

2

Zn + H

2

SO

4

= FeSO

4

+ H

2

Zn + 2H

+

= Zn

2+

+ H

2

2Al + 2H

3

PO

4

= 2AlPO

4

+ 3H

2

2Al + 6H

+

= 2Al

3+

+ 3H

2

3Cu + 8HNO

3

=

= 3Cu(NO

3

)

2

+ 2NO + 4H

2

O

Cu + 2H

2

SO

4

(st.) =

= CuSO

4

+ SO

2

+ 2H

2

O

Wykład 8 – METALE

Roztwarzanie metali w kwasach, zasadach i w wodzie

ZASADY

2Al + 2NaOH + 6H

2

O = 2Na[Al(OH)

4

] + 3H

2

3Fe + 4H

2

O = Fe

3

O

4

+ 4H

2

T ~500 K

WODA

2Na + 2H

2

O = 2NaOH + H

2

Wykład 8 – METALE

Stopy metali

Stopy – stałe roztwory metali, powstające po stopieniu dwóch lub

więcej metali, wziętych w odpowiednich proporcjach

Rodzaje stopów

Substytucyjny
nieuporządkowany

Substytucyjny
uporządkowany

Warunki tworzenia stopów substytucyjnych:

a) równopostaciowość (ten sam typ sieci krystalicznej) składników A i B)

b) zbliżone promienie atomowe (różnica do 15%)

c) zbliżone właściwości chemiczne składników A i B

Wykład 8 – METALE

Substrakcy
jny

Śródwęzło
wy

Warunek: Atomy wchodzące w luki muszą
być dostatecznie małe (H, B, C, N) w
stosunku do atomów tworzących sieć (Fe,
Ti, W).

Przyczyna: Stosunek zawartości składników
A i B wymusza nie obsadzenie niektórych
pozycji (luk).

Wykład 8 – METALE

Materiały kompozytowe

Materiał kompozytowy (lub kompozyt) - materiał o

strukturze
niejednorodnej, złożony z dwóch lub więcej
komponentów (faz)
o różnych właściwościach.

Skład
kompozytu:

Osnowa – najczęściej polimer, może być także
metal
( np. tytan, glin, miedź) lub ceramika ( np. tlenek
glinu).

Zbrojenie – silne włókna takie jak: metaliczne, szklane, kwarcowe,
polimerowe, węglowe, dające materiałowi dużą odporność na
rozciąganie.

●utrzymuje razem zbrojenie
●zapewnia wytrzymałość na ściskanie
●przenosi naprężenie zewnętrzne na
zbrojenie,
●zatrzymuje rozprzestrzenianie się
pęknięć,
●nadaje wyrobom żądany kształt.

●poprawa właściwości mechanicznych i/lub użytkowych
●zmniejszenie kosztu materiałów

Wykład 8 – METALE

Klasyfikacja kompozytów ze względu na budowę

c) Kompozytu warstwowe

(laminaty)

a) Kompozyty ziarniste

(cząstkowe)

b) Kompozyty włókniste

Cząstki Al w Ge

Wykład 8 – METALE

•żelazo-beton (Żelbet)

Przykłady:

•szkło zbrojone siatką metalową

•kompozyty metalowe typu osnowa metalowa - włókna

metalowe (np. miedź-wolfram, aluminium-bor) lub osnowa
metalowa - włókna ceramiczne, np. tytan-węglik krzemu
(Ti/SiC).

•włókna metalowe w innym metalu

•włókna Ti w SiC

Wykład 8 – METALE

Przykłady: - kompozyty w lotnictwie

Grafit

Wzmocniony grafit

Włókna
szklane

K.mieszane