Најважније из лекције
Индустријски процеси: Обухватају прераду сировина у великим размерама уз оптималну економичност, висок принос и заштиту животне средине.
Производња гвожђа: Редукција оксида гвожђа у високој пећи помоћу \(\text{CO}\) насталог из кокса (\(\text{FeO} + \text{CO} \rightarrow \text{Fe} + \text{CO}_2\)), уз издвајање сировог гвожђа и згуре.
Производња алуминијума: Пречишћавање боксита у глиницу (\(\text{Al}_2\text{O}_3\)) и њена електролиза у растопу криолита на графитним електродама (\(2\text{Al}_2\text{O}_3 \rightarrow 4\text{Al} + 3\text{O}_2\)).
Вештачка ђубрива: Обезбеђују N, P, K у растворном облику (амонијум-нитрат, уреа, суперфосфат \(\text{Ca(H}_2\text{PO}_4)_2\)).
Пречишћавање и омекшавање воде: Вода за пиће се припрема аерацијом, коагулацијом, филтрирањем кроз песак и дезинфекцијом (\(\text{Cl}_2\)). Тврдоћа воде (\(\text{Ca}^{2+}, \text{Mg}^{2+}\)) уклања се термички (кувањем) или хемијски (\(\text{Ca(OH)}_2, \text{Na}_2\text{CO}_3, \text{NaOH}\)) превођењем у нерастворне талоге (\(\text{CaCO}_3, \text{Mg(OH)}_2\)).
Производња гвожђа: Редукција оксида гвожђа у високој пећи помоћу \(\text{CO}\) насталог из кокса (\(\text{FeO} + \text{CO} \rightarrow \text{Fe} + \text{CO}_2\)), уз издвајање сировог гвожђа и згуре.
Производња алуминијума: Пречишћавање боксита у глиницу (\(\text{Al}_2\text{O}_3\)) и њена електролиза у растопу криолита на графитним електродама (\(2\text{Al}_2\text{O}_3 \rightarrow 4\text{Al} + 3\text{O}_2\)).
Вештачка ђубрива: Обезбеђују N, P, K у растворном облику (амонијум-нитрат, уреа, суперфосфат \(\text{Ca(H}_2\text{PO}_4)_2\)).
Пречишћавање и омекшавање воде: Вода за пиће се припрема аерацијом, коагулацијом, филтрирањем кроз песак и дезинфекцијом (\(\text{Cl}_2\)). Тврдоћа воде (\(\text{Ca}^{2+}, \text{Mg}^{2+}\)) уклања се термички (кувањем) или хемијски (\(\text{Ca(OH)}_2, \text{Na}_2\text{CO}_3, \text{NaOH}\)) превођењем у нерастворне талоге (\(\text{CaCO}_3, \text{Mg(OH)}_2\)).
Индустријски процес представља организован скуп физичких операција и хемијских процеса којим се полазне сировине прерађују у комерцијалне финалне производе у великим количинама (израженим у тонама).
| Параметар | Лабораторијско добијање | Индустријско добијање |
|---|---|---|
| Количина супстанце | Мале количине (милиграми, грами) | Велике количине (тоне) |
| Примарни циљ | Испитивање својстава, усавршавање метода | Економичност, исплативост, висока чистоћа и принос |
| Ток процеса | По потреби, у мањим апаратурама | Континуални или дисконтинуални рад уз рециклажу |
Основне операције су физичке промене (мешање, цеђење, дестилација, екстракција, кристализација, сушење), док су основни процеси хемијске трансформације (оксидација, редукција, сагоревање, неутрализација, хидролиза).
Металургија је научна и индустријска грана која се бави издвајањем метала из руда, њиховом рафинацијом и прерадом:
- Пирометалургија: Добијање „тешких” метала (\(\text{Fe}, \text{Cu}, \text{Pb}, \text{Zn}\)) на високим температурама помоћу хемијских редукционих средстава.
- Електрометалургија: Добијање „лаких” и електропозитивних метала (\(\text{Al}, \text{Mg}, \text{Na}\)) помоћу електричне енергије (електролизом).
1. Обогаћивање руде (уситњавање и одвајање јаловине до концентрата)
2. Пржење руде (превођење руда у оксидни облик)
3. Редукција (добијање сировог метала)
4. Рафинација (пречишћавање сировог метала)
2. Пржење руде (превођење руда у оксидни облик)
3. Редукција (добијање сировог метала)
4. Рафинација (пречишћавање сировог метала)
Гвожђе се индустријски добија у високим пећима континуалном пирометалуршком редукцијом оксидних руда (хематит \(\text{Fe}_2\text{O}_3\), магнетит \(\text{Fe}_3\text{O}_4\)) или карбонатних руда (сидерит \(\text{FeCO}_3\)).
Основне сировине за високу пећ:
- Руда гвожђа: Извор оксида гвожђа.
- Кокс: Има троструку улогу - гориво за постизање високе температуре, извор редукционог средства (\(\text{CO}\)) и извор угљеника за легирање (грађење карбида).
- Топитељи (кречњак, песак): Са нечистоћама (јаловином) из руде grade лако топљиву згуру (шљаку) и тако их одвајају.
- Загрејан ваздух: Удувава се кроз каупере ради сагоревања кокса.
Хемијске реакције у високој пећи:
\[ \text{C(s)} + \text{O}_2\text{(g)} \longrightarrow \text{CO}_2\text{(g)} \]
\[ \text{CO}_2\text{(g)} + \text{C(s)} \longrightarrow 2\text{CO(g)} \quad (\text{главни редуктор}) \]
Поступна редукција гвожђа:
\[ 3\text{Fe}_2\text{O}_3\text{(s/l)} + \text{CO(g)} \longrightarrow 2\text{Fe}_3\text{O}_4\text{(s/l)} + \text{CO}_2\text{(g)} \]
\[ \text{Fe}_3\text{O}_4\text{(s/l)} + \text{CO(g)} \longrightarrow 3\text{FeO(s/l)} + \text{CO}_2\text{(g)} \]
\[ \text{FeO(l)} + \text{CO(g)} \longrightarrow \text{Fe(l)} + \text{CO}_2\text{(g)} \]
Производи високе пећи:
- Сирово гвожђе (лив): Садржи већи проценат угљеника (преко \(2\ \%\)), силицијум, манган. Дели се на бело сирово гвожђе (прерађује се у челик) и сиво сирово гвожђе (користи се за ливење).
- Челик: Легура гвожђа са \(0{,}5\ \%\) до \(1{,}7\ \%\) угљеника, жилава и погодна за ковање и обраду.
- Згура (шљака): Сировина за цемент, изградњу путева и силикатну вуну.
- Високопећни гас: Смеша \(\text{CO}, \text{CO}_2, \text{N}_2, \text{H}_2\) која се користи као енергетско гориво.
Алуминијум се производи из руде боксита (\(\text{Al}_2\text{O}_3 \cdot n\text{H}_2\text{O}\)) у два главна технолошка корака: пречишћавање боксита до глинице и електролиза растопа.
Добијање чисте глинице (\(\text{Al}_2\text{O}_3\)):
Уситњени боксит се загрева са концентрованим раствором \(\text{NaOH}\) под притиском: \[ \text{Al}_2\text{O}_3 + 2\text{NaOH} + 3\text{H}_2\text{O} \longrightarrow 2\text{Na}[\text{Al}(\text{OH})_4](\text{aq}) \] Нерастворне примесе (оксиди \(\text{Fe, Si, Ti}\)) се одвајају као талог (црвени муљ). Након хлађења и разблаживања, раствор хидролизује у \(\text{Al}(\text{OH})_3\), који се цеди и жари: \[ 2\text{Al}(\text{OH})_3(\text{s}) \xrightarrow{\Delta} \text{Al}_2\text{O}_3(\text{s}) + 3\text{H}_2\text{O}(\text{g}) \]
Уситњени боксит се загрева са концентрованим раствором \(\text{NaOH}\) под притиском: \[ \text{Al}_2\text{O}_3 + 2\text{NaOH} + 3\text{H}_2\text{O} \longrightarrow 2\text{Na}[\text{Al}(\text{OH})_4](\text{aq}) \] Нерастворне примесе (оксиди \(\text{Fe, Si, Ti}\)) се одвајају као талог (црвени муљ). Након хлађења и разблаживања, раствор хидролизује у \(\text{Al}(\text{OH})_3\), који се цеди и жари: \[ 2\text{Al}(\text{OH})_3(\text{s}) \xrightarrow{\Delta} \text{Al}_2\text{O}_3(\text{s}) + 3\text{H}_2\text{O}(\text{g}) \]
Електролиза глинице у растопу криолита:
Глиница има високу температуру топљења (\(2045\ ^\circ\text{C}\)), па се раствара у растопљеном криолиту (\(\text{Na}_3\text{AlF}_6\)), чиме се тачка топљења смеше спушта на око \(950\ ^\circ\text{C}\).
Глиница има високу температуру топљења (\(2045\ ^\circ\text{C}\)), па се раствара у растопљеном криолиту (\(\text{Na}_3\text{AlF}_6\)), чиме се тачка топљења смеше спушта на око \(950\ ^\circ\text{C}\).
\[ 2\text{Al}_2\text{O}_3(\text{l}) \xrightarrow{\text{електролиза}} 4\text{Al}(\text{l}) + 3\text{O}_2(\text{g}) \]
- Катода: Угљенично дно пећи на којем се издваја течни \(\text{Al}\) високе чистоће (\(99{,}5-99{,}9\ \%\)).
- Анода: Графитни (угљенични) блокови који се постепено троше јер реагују са издвојеним кисеоником: \(2\text{C}(\text{s}) + \text{O}_2(\text{g}) \longrightarrow 2\text{CO}(\text{g})\).
Због сталног трошења угљеничних анода, процес се мора повремено заустављати ради њихове замене, што га чини дисконтинуалним и енергетски захтевним.
Вештачка (минерална) ђубрива су неорганске или органске соли које биљкама обезбеђују неопходне елементе у облику растворљивом у води (\(\text{N}, \text{P}, \text{K}, \text{Ca}, \text{Mg}, \text{S}\)).
1. Азотна ђубрива:
- Амонијум-нитрат: Добија се неутрализацијом азотне киселине амонијаком: \[ \text{NH}_3(\text{g}) + \text{HNO}_3(\text{aq}) \longrightarrow \text{NH}_4\text{NO}_3(\text{aq}) \] Често се користи као КАН (кречни амонијум-нитрат) у смеши са \(\text{CaCO}_3\).
- Амонијум-сулфат: \(\text{NH}_3 + \text{H}_2\text{SO}_4 \longrightarrow (\text{NH}_4)_2\text{SO}_4\).
- Карбамид (уреа): \(\text{CO(NH}_2)_2\) – садржи највећи масени удео азота: \[ 2\text{NH}_3 + \text{CO}_2 \longrightarrow \text{CO(NH}_2)_2 + \text{H}_2\text{O} \]
2. Фосфорна ђубрива:
Сирови фосфат \(\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2\) је нерастворан у води. Да би постао доступан биљкама, преводи се у растворни суперфосфат (смеша калцијум-дихидрогенфосфата и гипса) помоћу сумпорне киселине:
\[ \text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2(\text{s}) + 2\text{H}_2\text{SO}_4(\text{aq}) \longrightarrow \text{Ca(H}_2\text{PO}_4)_2(\text{aq}) + 2\text{CaSO}_4(\text{s}) \]
3. Калијумова и калцијумова ђубрива:
Као калијумова ђубрива користе се самлевени природни минерали силвин (\(\text{KCl}\)) и карналит (\(\text{KCl} \cdot \text{MgCl}_2 \cdot 6\text{H}_2\text{O}\)), а као извор калцијума кречна ђубрива.
Вода за пиће мора бити бистра, без мириса, пријатног укуса, умерене тврдоће, те физички, хемијски и бактериолошки исправна према строго дефинисаним стандардима.
Аерација: Довођење воде у интензиван контакт са кисеоником из ваздуха (распрскавањем или преливањем).
- Уклањају се непожељни гасови попут \(\text{CO}_2\) и \(\text{H}_2\text{S}\).
- Кисеоник оксидује растворене јоне \(\text{Fe}^{2+}\) и \(\text{Mn}^{2+}\) у нерастворне хидроксиде (\(\text{Fe(OH)}_3, \text{MnO(OH)}_2\)) који се лако таложе и филтрирају.
Бистрење (коагулација, флокулација и филтрирање):
- Вода мирје у таложницима ради седиментације крупнијих честица под дејством гравитације.
- Додају се коагулациона средства (\(\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3, \text{FeCl}_3\)) која повезују ситне колоидне честице у веће пахуље (флокуле).
- Вода пролази кроз пешчане филтере (пешчана цедила) који задржавају суспендоване честице.
Дезинфекција: Уништавање патогених микроорганизама пре слања воде у водоводну мрежу.
Користе се: гасовити хлор (\(\text{Cl}_2\)), натријум- или калцијум-хипохлорит (\(\text{NaOCl}, \text{Ca(OCl)}_2\)), хлорни креч, хлор(IV)-оксид (\(\text{ClO}_2\)) или озон (\(\text{O}_3\)).
Користе се: гасовити хлор (\(\text{Cl}_2\)), натријум- или калцијум-хипохлорит (\(\text{NaOCl}, \text{Ca(OCl)}_2\)), хлорни креч, хлор(IV)-оксид (\(\text{ClO}_2\)) или озон (\(\text{O}_3\)).
Тврдоћа воде потиче од присутних растворених соли калцијума и магнезијума:
- Пролазна (карбонатна) тврдоћа: Чине је хидрогенкарбонати \(\text{Ca(HCO}_3)_2\) и \(\text{Mg(HCO}_3)_2\). Може се уклонити загревањем.
- Стална (некарбонатна) тврдоћа: Чине је хлориди и сулфати \(\text{CaCl}_2, \text{MgCl}_2, \text{CaSO}_4, \text{MgSO}_4\). Не може се уклонити загревањем.
1. Термичко омекшавање (уклањање пролазне тврдоће):
\[ \text{Ca(HCO}_3)_2(\text{aq}) \xrightarrow{\Delta} \text{CaCO}_3(\text{s})\downarrow + \text{CO}_2(\text{g})\uparrow + \text{H}_2\text{O}(\text{l}) \]
\[ \text{Mg(HCO}_3)_2(\text{aq}) \xrightarrow{\Delta} \text{MgCO}_3(\text{s})\downarrow + \text{CO}_2(\text{g})\uparrow + \text{H}_2\text{O}(\text{l}) \]
2. Хемијско омекшавање (таложење нерастворних једињења):
- Кречним млеком \(\text{Ca(OH)}_2\) (за пролазну тврдоћу): \[ \text{Ca(HCO}_3)_2 + \text{Ca(OH)}_2 \longrightarrow 2\text{CaCO}_3\downarrow + 2\text{H}_2\text{O} \]
- Содом \(\text{Na}_2\text{CO}_3\) (за сталну тврдоћу): \[ \text{CaSO}_4 + \text{Na}_2\text{CO}_3 \longrightarrow \text{CaCO}_3\downarrow + \text{Na}_2\text{SO}_4 \] \[ \text{CaCl}_2 + \text{Na}_2\text{CO}_3 \longrightarrow \text{CaCO}_3\downarrow + 2\text{NaCl} \]
- Натријум-хидроксидом \(\text{NaOH}\): \[ \text{MgSO}_4 + 2\text{NaOH} \longrightarrow \text{Mg(OH)}_2\downarrow + \text{Na}_2\text{SO}_4 \]
- Натријум-фосфатом \(\text{Na}_3\text{PO}_4\): \[ 3\text{CaCl}_2 + 2\text{Na}_3\text{PO}_4 \longrightarrow \text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2\downarrow + 6\text{NaCl} \]
3. Јонска измена: Пропуштање воде кроз зеолите или јонске измењиваче где се јони \(\text{Ca}^{2+}\) и \(\text{Mg}^{2+}\) замењују јонима \(\text{Na}^{+}\).
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Које је главно редукционо средство у високој пећи за добијање гвожђа и како оно настаје из кокса?
Главно редукционо средство је угљеник(II)-оксид (\(\text{CO}\)).
Настаје тако што кокс најпре сагорева до \(\text{CO}_2\), а затим се \(\text{CO}_2\) редукује усијаним коксом на вишим температурама пећи: \[ \text{C} + \text{O}_2 \longrightarrow \text{CO}_2 \] \[ \text{CO}_2 + \text{C} \longrightarrow 2\text{CO} \]
Настаје тако што кокс најпре сагорева до \(\text{CO}_2\), а затим се \(\text{CO}_2\) редукује усијаним коксом на вишим температурама пећи: \[ \text{C} + \text{O}_2 \longrightarrow \text{CO}_2 \] \[ \text{CO}_2 + \text{C} \longrightarrow 2\text{CO} \]
Задатак 2 (средњи): Зашто се при индустријској производњи алуминијума растопљеној глиници додаје криолит и зашто се овај процес сматра дисконтинуалним?
1. Улога криолита (\(\text{Na}_3\text{AlF}_6\)): Раствара алуминијум-оксид (\(\text{Al}_2\text{O}_3\)) и спушта његову веома високу тачку топљења са \(2045\ ^\circ\text{C}\) на око \(950\ ^\circ\text{C}\), чиме се омогућава економски изводљива електролиза.
2. Дисконтинуалност процеса: На аноди се ослобађа кисеоник који реагује са угљеничним (графитним) електродама градећи \(\text{CO}\). Због тога се аноде константно троше и процес се мора периодично обустављати ради њихове замене.
2. Дисконтинуалност процеса: На аноди се ослобађа кисеоник који реагује са угљеничним (графитним) електродама градећи \(\text{CO}\). Због тога се аноде константно троше и процес се мора периодично обустављати ради њихове замене.
Задатак 3 (средњи): Напишите једначину хемијске реакције добијања суперфосфата из сировог калцијум-фосфата и објасните због чега се сирови фосфат прерађује пре употребе као ђубриво.
Једначина реакције:
\[ \text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2(\text{s}) + 2\text{H}_2\text{SO}_4(\text{aq}) \longrightarrow \text{Ca(H}_2\text{PO}_4)_2(\text{aq}) + 2\text{CaSO}_4(\text{s}) \]
Објашњење: Природни сирови калцијум-фосфат \(\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2\) је нерастворан у води, па биљке не могу да га усвоје преко корена. Дејством сумпорне киселине преводи се у растворни калцијум-дихидрогенфосфат \(\text{Ca(H}_2\text{PO}_4)_2\) који биљке могу лако да користе.
Задатак 4 (тежак): Узорак воде садржи и пролазну тврдоћу у виду \(\text{Ca(HCO}_3)_2\) и сталну тврдоћу у виду \(\text{CaCl}_2\).
а) Како се једноставним загревањем може уклонити само пролазна тврдоћа (написати једначину)?
б) Коју супстанцу треба додати да би се хемијским путем истовремено уклониле обе врсте присутне тврдоће калцијума и које реакције се тада одигравају?
а) Како се једноставним загревањем може уклонити само пролазна тврдоћа (написати једначину)?
б) Коју супстанцу треба додати да би се хемијским путем истовремено уклониле обе врсте присутне тврдоће калцијума и које реакције се тада одигравају?
а) Термичко омекшавање:
\[ \text{Ca(HCO}_3)_2(\text{aq}) \xrightarrow{\Delta} \text{CaCO}_3(\text{s})\downarrow + \text{CO}_2(\text{g})\uparrow + \text{H}_2\text{O}(\text{l}) \]
Калцијум-хлорид (\(\text{CaCl}_2\)) остаје непромењен у раствору.
б) Додавање соде (\(\text{Na}_2\text{CO}_3\)) или натријум-фосфата (\(\text{Na}_3\text{PO}_4\)): Сода таложи калцијум из \(\text{CaCl}_2\): \[ \text{CaCl}_2 + \text{Na}_2\text{CO}_3 \longrightarrow \text{CaCO}_3\downarrow + 2\text{NaCl} \] Ако се користи натријум-хидроксид (\(\text{NaOH}\)), хидрогенкарбонат прелази у карбонат и таложи \(\text{Ca}^{2+}\): \[ \text{Ca(HCO}_3)_2 + 2\text{NaOH} \longrightarrow \text{CaCO}_3\downarrow + \text{Na}_2\text{CO}_3 + 2\text{H}_2\text{O} \] након чега настали \(\text{Na}_2\text{CO}_3\) реагује са \(\text{CaCl}_2\).
б) Додавање соде (\(\text{Na}_2\text{CO}_3\)) или натријум-фосфата (\(\text{Na}_3\text{PO}_4\)): Сода таложи калцијум из \(\text{CaCl}_2\): \[ \text{CaCl}_2 + \text{Na}_2\text{CO}_3 \longrightarrow \text{CaCO}_3\downarrow + 2\text{NaCl} \] Ако се користи натријум-хидроксид (\(\text{NaOH}\)), хидрогенкарбонат прелази у карбонат и таложи \(\text{Ca}^{2+}\): \[ \text{Ca(HCO}_3)_2 + 2\text{NaOH} \longrightarrow \text{CaCO}_3\downarrow + \text{Na}_2\text{CO}_3 + 2\text{H}_2\text{O} \] након чега настали \(\text{Na}_2\text{CO}_3\) реагује са \(\text{CaCl}_2\).
