Најважније из лекције
Индустријски процеси: Карактерише их економичност, велике масе и рециклажа. Састоје се из основних операција (физичко раздвајање: дестилација, филтрација) и основних процеса (хемијске реакције: оксидација, редукција, неутрализација).
Пирометалургија гвожђа: Оксидне руде гвожђа се редукују помоћу \(\text{CO}\) у високој пећи уз помоћ кокса и топитеља. Добија се сирово гвожђе (сиво за ливење, бело за челик) и згура.
Електрометалургија алуминијума: Боксит се пречишћава у чисту глиницу (\(\text{Al}_2\text{O}_3\)), која се затим електролизује у растопу криолита на угљеничним електродама.
Минерална ђубрива: Обезбеђују \(\text{N}\) (уреа, \(\text{NH}_4\text{NO}_3\), КАН), \(\text{P}\) (суперфосфат: \(\text{Ca(H}_2\text{PO}_4)_2 + 2\text{CaSO}_4\)) и \(\text{K}\) (силвин).
Пречишћавање и тврдоћа воде: Припрема обухвата аерацију, бистрење (коагулација са \(\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3\) и филтрирање) и дезинфекцију (\(\text{Cl}_2, \text{O}_3\)). Тврдоћа се дели на пролазну (уклања се кувањем или \(\text{Ca(OH)}_2\)) и сталну (уклања се помоћу \(\text{Na}_2\text{CO}_3, \text{Na}_3\text{PO}_4\) или зеолита).
Пирометалургија гвожђа: Оксидне руде гвожђа се редукују помоћу \(\text{CO}\) у високој пећи уз помоћ кокса и топитеља. Добија се сирово гвожђе (сиво за ливење, бело за челик) и згура.
Електрометалургија алуминијума: Боксит се пречишћава у чисту глиницу (\(\text{Al}_2\text{O}_3\)), која се затим електролизује у растопу криолита на угљеничним електродама.
Минерална ђубрива: Обезбеђују \(\text{N}\) (уреа, \(\text{NH}_4\text{NO}_3\), КАН), \(\text{P}\) (суперфосфат: \(\text{Ca(H}_2\text{PO}_4)_2 + 2\text{CaSO}_4\)) и \(\text{K}\) (силвин).
Пречишћавање и тврдоћа воде: Припрема обухвата аерацију, бистрење (коагулација са \(\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3\) и филтрирање) и дезинфекцију (\(\text{Cl}_2, \text{O}_3\)). Тврдоћа се дели на пролазну (уклања се кувањем или \(\text{Ca(OH)}_2\)) и сталну (уклања се помоћу \(\text{Na}_2\text{CO}_3, \text{Na}_3\text{PO}_4\) или зеолита).
Индустријски процес представља организован скуп операција и процеса којима се сировине преводе у финалне производе у великим количинама (израженим у тонама), уз поштовање принципа економичности и очувања животне средине.
| Систем | Обим и карактеристике | Циљ и специфичности |
|---|---|---|
| Живи системи | Микроколичине, реакције у строго контролисаним низовима и циклусима. | Катализоване ензимима, тренутно одвијање на собној температури. |
| Лабораторија | Мале масе (милиграми или грами). | Испитивање својстава, развој нових метода, контрола квалитета. |
| Индустрија | Велике масе (тоне сировина и производа). | Економичност, висок принос, рециклажа реактаната и топлоте. |
Основне операције (физички процеси): поступци раздвајања, мешања и пречишћавања супстанци без промене хемијског састава (дестилација, екстракција, цеђење, филтрирање, центрифугирање, сушење, кристализација, адсорпција).
Основни процеси (хемијски процеси): поступци хемијског мењања супстанци (сагоревање, оксидација, редукција, неутрализација, хидролиза).
Принцип рециклаже: Неизреаговани реактанти или споредни производи се поново враћају у производни циклус ради повећања ефикасности и смањења загађења.
Металургија је научна и индустријска грана која се бави добијањем метала из руда, њиховим пречишћавањем (рафинацијом) и прерадом. Дели се на пирометалургију (примена високих температура за тешке метале) и електрометалургију (примена електричне енергије за лаке метале).
1. Обогаћивање руде (уситњавање и уклањање јаловине) \(\to\) 2. Пржење руде \(\to\) 3. Редукција (добијање сировог метала) \(\to\) 4. Рафинација (добијање чистог метала).
Сировине за високу пећ:
- Руде гвожђа: оксидне (хематит \(\text{Fe}_2\text{O}_3\), магнетит \(\text{Fe}_3\text{O}_4\)) или карбонатне (сидерит \(\text{FeCO}_3\)).
- Кокс (\(\text{C}\)): гориво, редукционо средство и извор угљеника за карбиде.
- Топитељи (кречњак): везују нечистоће (силикате и алумосиликате) у лако топљиву згуру (шљаку).
- Загрејан ваздух: удувава се кроз каупере ради сагоревања кокса.
Хемијске реакције у високој пећи:
\[ \text{C(s)} + \text{O}_2\text{(g)} \longrightarrow \text{CO}_2\text{(g)} \]
\[ \text{C(s)} + \text{CO}_2\text{(g)} \longrightarrow 2\text{CO(g)} \quad (\text{главно редукционо средство}) \]
\[ 3\text{Fe}_2\text{O}_3\text{(l)} + \text{CO(g)} \longrightarrow 2\text{Fe}_3\text{O}_4\text{(l)} + \text{CO}_2\text{(g)} \]
\[ \text{Fe}_3\text{O}_4\text{(l)} + \text{CO(g)} \longrightarrow 3\text{FeO(l)} + \text{CO}_2\text{(g)} \]
\[ \text{FeO(l)} + \text{CO(g)} \longrightarrow \text{Fe(l)} + \text{CO}_2\text{(g)} \]
Производи високе пећи:
- Сирово гвожђе: сиво (садржи више \(\text{Si}\), погодно за ливење) и бело (садржи више \(\text{Mn}\), прерађује се у челик са \(0,5\text{--}1,7\,\%\ \text{C}\)).
- Згура (шљака): сировина за цемент, изградњу путева и силикатну вуну.
- Колошни гас (\(\text{CO}, \text{CO}_2, \text{N}_2, \text{H}_2\)): користи се као индустријско гориво за загревање каупера.
Алуминијум се као лак метал добија електрометалуршким поступком из руде боксита (\(\text{Al}_2\text{O}_3 \cdot n\text{H}_2\text{O}\)) у две главне фазе.
Уситњени боксит третира се концентрованим раствором \(\text{NaOH}\) на повишеној температури и притиску. Алуминијум прелази у растворан комплексни хидроксид, док примесе оксида гвожђа остају као „црвени муљ”:
\[ \text{Al}_2\text{O}_3(\text{s}) + 2\text{NaOH}(\text{aq}) + 3\text{H}_2\text{O}(\text{l}) \longrightarrow 2\text{Na}[\text{Al}(\text{OH})_4](\text{aq}) \]Након филтрирања раствор се хлади, при чему комплексна со хидролизује и таложи се алуминијум-хидроксид, који се жарењем преводи у чисту глиницу:
\[ 2\text{Al}(\text{OH})_3(\text{s}) \xrightarrow{\Delta} \text{Al}_2\text{O}_3(\text{s}) + 3\text{H}_2\text{O}(\text{g}) \]Чиста глиница има изузетно високу тачку топљења (\(2\,045\ ^\circ\text{C}\)), па се раствара у растопљеном криолиту (\(\text{Na}_3\text{AlF}_6\)), чиме се радна температура спушта на око \(950\ ^\circ\text{C}\).
\[ 2\text{Al}_2\text{O}_3(\text{l}) \xrightarrow{\text{електролиза}} 4\text{Al}(\text{l}) + 3\text{O}_2(\text{g}) \]
\[ 2\text{C}(\text{s}) + \text{O}_2(\text{g}) \longrightarrow 2\text{CO}(\text{g}) \]
- Катода: угљенична облога на дну пећи (издваја се течни \(\text{Al}\) чистоће \(99,5\text{--}99,9\,\%\)).
- Анода: угљени блокови који се постепено троше јер реагују са издвојеним кисеоником градећи \(\text{CO}\).
Процес је дисконтинуалан због неопходности периодичне замене угљеничних анода.
Минерална ђубрива су хемијски синтетисане или прерађене соли које надокнађују неопходне биогене елементе у земљишту (\(\text{N}, \text{P}, \text{K}, \text{Ca}, \text{Mg}, \text{S}\)).
Азотна ђубрива:
- Амонијум-нитрат: добија се неутрализацијом амонијака азотном киселином: \[ \text{NH}_3(\text{g}) + \text{HNO}_3(\text{aq}) \longrightarrow \text{NH}_4\text{NO}_3(\text{aq}) \]
- КАН (кречни амонијум-нитрат): смеша \(\text{NH}_4\text{NO}_3\) и \(\text{CaCO}_3\).
- Амонијум-сулфат: добија се из \(\text{NH}_3\) и \(\text{H}_2\text{SO}_4\).
- Уреа (карбамид) \(\text{CO(NH}_2)_2\): ђубриво са највећим масеним уделом азота: \[ 2\text{NH}_3 + \text{CO}_2 \longrightarrow \text{CO(NH}_2)_2 + \text{H}_2\text{O} \]
Фосфорна ђубрива:
Природни калцијум-фосфат је нерастворан у води, па се дејством сумпорне киселине преводи у растворни суперфосфат:
\[ \text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2(\text{s}) + 2\text{H}_2\text{SO}_4(\text{aq}) \longrightarrow \underbrace{\text{Ca(H}_2\text{PO}_4)_2(\text{aq}) + 2\text{CaSO}_4(\text{s})}_{\text{суперфосфат}} \]
Калијумова и калцијумова ђубрива: користе се млевени природни минерали силвин (\(\text{KCl}\)), карналит (\(\text{KCl} \cdot \text{MgCl}_2 \cdot 6\text{H}_2\text{O}\)) и кречна ђубрива.
Вода за пиће мора бити бистра, без мириса и укуса, бактериолошки исправна и контролисане тврдоће. Речна вода се преводи у воду за пиће кроз неколико технолошких фаза.
Контакт воде са ваздушним кисеоником (распрскавањем или преко преграда). Уклањају се непожељни гасови (\(\text{CO}_2, \text{H}_2\text{S}\)), а растворени \(\text{Fe}^{2+}\) и \(\text{Mn}^{2+}\) јони се оксидују у нерастворне хидроксиде који се таложе.
- Коагулација и флокулација: додавање хемијских средстава попут \(\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3\) или \(\text{FeCl}_3\) за неутрализацију колоидних честица и формирање крупнијих пахуљица.
- Таложење: спонтано слегање честица у базенима под утицајем гравитације.
- Филтрирање: пропуштање кроз дебеле слојеве пешчаних филтера.
Уништавање патогених микроорганизама. Најчешће се примењују: гасовити хлор (\(\text{Cl}_2\)), натријум- или калцијум-хипохлорит, хлорни креч, хлор(IV)-оксид (\(\text{ClO}_2\)) или озон (\(\text{O}_3\)).
Тврдоћа воде потиче од растворених соли калцијума и магнезијума. Изражава се, између осталог, у немачким степенима (\(1\ ^\circ\text{dH} = 10\text{ mg/L CaO} = 17,9\text{ mg/L CaCO}_3\)).
| Врста тврдоће | Соли које је чине | Метода уклањања |
|---|---|---|
| Пролазна (карбонатна) | \(\text{Ca(HCO}_3)_2\), \(\text{Mg(HCO}_3)_2\) | Термички (кувањем) или кречним млеком \(\text{Ca(OH)}_2\) |
| Стална (некарбонатна) | \(\text{CaSO}_4\), \(\text{MgSO}_4\), \(\text{CaCl}_2\), \(\text{MgCl}_2\) | Хемијски реагенси (\(\text{Na}_2\text{CO}_3\), \(\text{NaOH}\), \(\text{Na}_3\text{PO}_4\)) или јоноизмењивачи |
1. Термичко омекшавање (разлагање топлотом):
\[ \text{Ca(HCO}_3)_2(\text{aq}) \xrightarrow{\Delta} \text{CaCO}_3(\text{s}) \downarrow + \text{CO}_2(\text{g}) + \text{H}_2\text{O}(\text{l}) \]
\[ \text{Mg(HCO}_3)_2(\text{aq}) \xrightarrow{\Delta} \text{MgCO}_3(\text{s}) \downarrow + \text{CO}_2(\text{g}) + \text{H}_2\text{O}(\text{l}) \]
2. Хемијско омекшавање (таложење реагенсима):
- Кречно млеко: \(\text{Ca(HCO}_3)_2 + \text{Ca(OH)}_2 \longrightarrow 2\text{CaCO}_3 \downarrow + 2\text{H}_2\text{O}\)
- Сода (\(\text{Na}_2\text{CO}_3\)): \(\text{CaSO}_4 + \text{Na}_2\text{CO}_3 \longrightarrow \text{CaCO}_3 \downarrow + \text{Na}_2\text{SO}_4\)
- Тринатријум-фосфат: \(3\text{CaCl}_2 + 2\text{Na}_3\text{PO}_4 \longrightarrow \text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2 \downarrow + 6\text{NaCl}\)
3. Јонска измена: пропуштање воде кроз колоне са зеолитима или синтетичким јоноизмењивачким смолама, где се јони \(\text{Ca}^{2+}\) и \(\text{Mg}^{2+}\) замењују јонима \(\text{Na}^+\).
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Која је основна улога криолита (\(\text{Na}_3\text{AlF}_6\)) у процесу индустријског добијања алуминијума електролизом?
Чиста глиница (\(\text{Al}_2\text{O}_3\)) има изузетно високу тачку топљења (\(2\,045\ ^\circ\text{C}\)), што процес чини енергетски и технички неодрживим. Растварањем глинице у растопљеном криолиту радна температура електролизе се смањује на око \(950\ ^\circ\text{C}\).
Задатак 2 (средњи): Зашто се кокс у високој пећи за добијање гвожђа сматра сировином са вишеструком улогом? Навести све његове улоге.
Кокс у високој пећи има троструку улогу:
- Као гориво: његовим сагоревањем са удуваним ваздухом ослобађа се топлота неопходна за рад високе пећи.
- Као извор редукционог средства: у реакцији са \(\text{CO}_2\) гради угљеник(II)-оксид (\(\text{CO}\)), који је главно редукционо средство за оксиде гвожђа.
- Хемијско везивање: реагује са гвожђем градећи карбиде гвожђа у саставу сировог гвожђа.
Задатак 3 (средњи): Написати једначину хемијске реакције која се дешава приликом термичког уклањања пролазне тврдоће воде која садржи калцијум-хидрогенкарбонат, као и једначину омекшавања исте воде помоћу кречног млека.
1. Термичко разлагање (кување):
\[ \text{Ca(HCO}_3)_2(\text{aq}) \xrightarrow{\Delta} \text{CaCO}_3(\text{s}) \downarrow + \text{CO}_2(\text{g}) + \text{H}_2\text{O}(\text{l}) \]2. Хемијско таложење кречним млеком:
\[ \text{Ca(HCO}_3)_2(\text{aq}) + \text{Ca(OH)}_2(\text{aq}) \longrightarrow 2\text{CaCO}_3(\text{s}) \downarrow + 2\text{H}_2\text{O}(\text{l}) \]
Задатак 4 (тежак): Зашто се сирови калцијум-фосфат \(\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2\) не користи директно као ефикасно фосфорно ђубриво и како се индустријски прерађује у суперфосфат? Написати једначину те реакције и навести ману добијеног производа.
Калцијум-фосфат је практично нерастворан у води, због чега биљке не могу да га усвајају преко кореновог система. Дејством сумпорне киселине он се преводи у растворни калцијум-дихидрогенфосфат:
\[ \text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2(\text{s}) + 2\text{H}_2\text{SO}_4(\text{aq}) \longrightarrow \text{Ca(H}_2\text{PO}_4)_2(\text{aq}) + 2\text{CaSO}_4(\text{s}) \]Мана суперфосфата: Поред корисног калцијум-дихидрогенфосфата, у смеши настаје и гипс (\(\text{CaSO}_4\)), који представља баласт који није неопходан земљишту.
