Најважније из лекције
Извори сировина: Неорганска индустрија користи литосферу (руде), хидросферу (соли), атмосферу (гасови), биосферу и рециклажу.
Технички гасови: Могу бити елементи (\(\text{O}_2, \text{N}_2, \text{H}_2, \text{Ar}, \text{He}\)) или једињења (\(\text{NH}_3, \text{CO}_2, \text{SO}_2, \text{CO}\)).
Добијање из ваздуха: Ваздух се пречисти, укапљи компримовањем и хлађењем до \(-200\ ^\circ\text{C}\), а затим раздваја у ректификационој колони на азот (\(t_{\text{k}} = -196\ ^\circ\text{C}\)) на врху и кисеоник (\(t_{\text{k}} = -183\ ^\circ\text{C}\)) у доњем делу.
Складиштење: Гасови се чувају под притиском у посебно обојеним челичним боцама са манометрима и редукционим вентилима.
Технички гасови: Могу бити елементи (\(\text{O}_2, \text{N}_2, \text{H}_2, \text{Ar}, \text{He}\)) или једињења (\(\text{NH}_3, \text{CO}_2, \text{SO}_2, \text{CO}\)).
Добијање из ваздуха: Ваздух се пречисти, укапљи компримовањем и хлађењем до \(-200\ ^\circ\text{C}\), а затим раздваја у ректификационој колони на азот (\(t_{\text{k}} = -196\ ^\circ\text{C}\)) на врху и кисеоник (\(t_{\text{k}} = -183\ ^\circ\text{C}\)) у доњем делу.
Складиштење: Гасови се чувају под притиском у посебно обојеним челичним боцама са манометрима и редукционим вентилима.
Неорганска хемијска индустрија обухвата процесе прераде неорганских сировина и производњу метала, техничких гасова, киселина, база, соли, оксида и вештачких ђубрива.
Сировине за индустријске процесе експлоатишу се из свих Земљиних сфера:
- Литосфера (Земљина кора): руде метала, минерали и фосилне сировине.
- Хидросфера: налазишта растворених соли у океанима, морима и сланим језерима.
- Атмосфера: ваздух као основни извор индустријских гасова.
- Биосфера: органски и секундарни неоргански ресурси, уз све већи значај рециклаже отпадних материјала.
Технички важни гасови су гасовите супстанце (елементи и неорганска једињења) које се производе у великим количинама и користе као сировине за даље хемијске синтезе или имају директну примену у медицини, металургији и пољопривреди.
| Врста гаса | Примери | Значај и примена |
|---|---|---|
| Елементарни гасови | Кисеоник (\(\text{O}_2\)), азот (\(\text{N}_2\)), водоник (\(\text{H}_2\)), аргон (\(\text{Ar}\)), хелијум (\(\text{He}\)), озон (\(\text{O}_3\)) | Металургија, заваривање, медицина, прехрамбена индустрија, синтеза амонијака. |
| Гасовита једињења | Амонијак (\(\text{NH}_3\)), угљеник(IV)-оксид (\(\text{CO}_2\)), сумпор(IV)-оксид (\(\text{SO}_2\)), угљеник(II)-оксид (\(\text{CO}\)) | Производња минералних ђубрива, синтеза азотне и сумпорне киселине, расхладни системи. |
Азот (\(\text{N}_2\)) добијен из ваздуха реагује са водоником (\(\text{H}_2\)) дајући амонијак (\(\text{NH}_3\)), који је кључна полазна сировина у производњи вештачких ђубрива:
\[ \text{N}_2\text{(g)} + 3\,\text{H}_2\text{(g)} \rightleftarrows 2\,\text{NH}_3\text{(g)} \]
Основни индустријски поступак за добијање азота, кисеоника и племенитих гасова је фракциона дестилација (ректификација) течног ваздуха, која се заснива на разликама у њиховим тачкама кључања.
Атмосферски ваздух се механички филтрира како би се уклониле механичке нечистоће (прашина), а затим се из њега уклањају влага (\(\text{H}_2\text{O}\)) и угљеник(IV)-оксид (\(\text{CO}_2\)) да не би дошло до њиховог смрзавања и зачепљења апаратура.
Пречишћени ваздух се сабија компресорима на висок притисак, при чему се загрева. Након тога се нагло шири (отпушта) на нижи притисак, што доводи до његовог интезивног хлађења (Џул-Томсонов ефекат). Овај процес компримовања и ширења се понавља све док се ваздух не охлади на око \(-200\ ^\circ\text{C}\) и пређе у течно стање.
Течни ваздух се пропушта кроз специјалне филтере ради уклањања заосталих трагова чврстих честица и нечистоћа.
У ректификационој колони течни ваздух се постепено загрева:
- Азот има нижу тачку кључања (\(t_{\text{k}} = -196\ ^\circ\text{C}\)), први испарава и као гас одводи се са врха колоне.
- Кисеоник има вишу тачку кључања (\(t_{\text{k}} = -183\ ^\circ\text{C}\)), дуже остаје у течном стању и издваја се у доњем делу колоне.
Поред дестилације ваздуха, многи технички гасови се издвајају као главни или споредни производи других индустријских процеса:
- Водоник (\(\text{H}_2\)): добија се прерадом воденог гаса (смеша \(\text{CO}\) и \(\text{H}_2\)) или електролизом воде/раствора соли.
- Угљеник(II)-оксид (\(\text{CO}\)): настаје при редукцији руда у металургији (нпр. добијање алуминијума из боксита).
Складиштење и манипулација гасовима:
Због високих притисака и специфичних хемијских особина (запаљивост, токсичност, експлозивност), складиштење захтева строге мере безбедности:
- Гасови се складиште у челичним боцама под високим притиском или у термоизолованим криогеним резервоарима (за течне гасове).
- Боце су стандардизовано означене бојама према врсти гаса (нпр. плава боца за кисеоник).
- Контрола притиска врши се специјалним регулаторима притиска и манометрима.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): На ком физичком својству супстанци се заснива раздвајање азота и кисеоника из течног ваздуха, и који се од ова два гаса први издваја у ректификационој колони?
Раздвајање се заснива на разлици у тачкама кључања компонената у течној смеши (фракциона дестилација).
Први испарава и издваја се азот, јер има нижу тачку кључања (\(-196\ ^\circ\text{C}\)) у односу на кисеоник (\(-183\ ^\circ\text{C}\)).
Први испарава и издваја се азот, јер има нижу тачку кључања (\(-196\ ^\circ\text{C}\)) у односу на кисеоник (\(-183\ ^\circ\text{C}\)).
Задатак 2 (средњи): Зашто је пре поступка хлађења и укапљивања неопходно из ваздуха потпуно уклонити водену пару и угљеник(IV)-оксид?
Вода (\(\text{H}_2\text{O}\)) и угљеник(IV)-оксид (\(\text{CO}_2\)) имају знатно више температуре мржњења/сублимације (\(0\ ^\circ\text{C}\) и \(-78{,}5\ ^\circ\text{C}\)) у поређењу са азотом и кисеоником. При хлађењу ваздуха до \(-200\ ^\circ\text{C}\) ове супстанце би прешле у чврсто агрегатно стање (лед и суви лед) и изазвале зачепљење цеви, филтера и вентила у постројењу.
Задатак 3 (тежак): Како се добија амонијак (\(\text{NH}_3\)) полазећи од сировина из атмосфере и воденог гаса, и за шта се углавном користи у пољопривреди?
Азот (\(\text{N}_2\)) се добија фракционом дестилацијом течног ваздуха из атмосфере, док се водоник (\(\text{H}_2\)) издваја из воденог гаса. Њиховом директном синтезом под одговарајућим условима добија се амонијак:
\[ \text{N}_2\text{(g)} + 3\,\text{H}_2\text{(g)} \rightleftarrows 2\,\text{NH}_3\text{(g)} \]
У пољопривреди се амонијак користи као основна сировина за производњу азотних минералних (вештачких) ђубрива.
