Тема 1.5 Использование неорганических веществ в промышленности

Цель, форма работы: расширение знаний по использованию неорганических веществ в промышленности, составить конспект.

Вопросы, рекомендуемые для рассмотрения : использование серной кислоты в промышленности. Едкие щелочи, их использование в промышленности. Гашеная и негашеная известь, её применение в строительстве. Гипс и алебастр, гипсование.

Теоретические основы:

Значение серной кислоты (Н2SO4). Серная кислота является важнейшим продуктом основной химической промышленности, занимающейся производством неорганических кислот, щелочей, солей минеральных удобрений и хлора. По разнообразию применения серная кислота занимает первое место среди кислот. Наибольшее количество ее расходуется для получения фосфорных и азотных удобрений. Будучи нелетучей кислотой, серная кислота используется для получения других кислот — соляной, плавиковой, фосфорной, уксусной и т. д. Много ее идет для очистки нефтепродуктов — бензина, керосина и смазочных масел — от вредных примесей. В машиностроении серной кислотой очищают поверхность металла от оксидов перед покрытием (никелированием, хромированием и др.). Серная кислота применяется в производстве взрывчатых веществ, искусственного волокна, красителей, пластмасс и многих других. Ее употребляют для заливки аккумуляторов. В сельском хозяйстве она используется для борьбы с сорняками (гербицид).

В широком смысле слово "щелочь" относится к большому числу химических соединений, хорошо растворимых в воде и создающих в водном растворе высокую концентрацию гидроксид-ионов, например аммиаку, гидроксиду аммония и гашеной извести (гидроксиду кальция), которые были побочными продуктами устаревшего технологического процесса производства синтетической кальцинированной соды. Щелочи - растворимые активные вещества из более широкого класса оснований.

Кальцинированная сода. Технический карбонат натрия Na2CO3 (кальцинированную соду) применяют главным образом в производстве стекла и химикатов. Около половины кальцинированной соды идет на изготовление стекла, около четверти - химикатов, 13% - мыла и моющих средств, 11% употребляется на такие цели, как изготовление целлюлозы и бумаги, рафинирование металлов и нефти, дубление кожи и очистка воды, а остальное поступает в продажу.

Щелок. Наименование "щелок" (K2CO3, Na2CO3, NaOH) было присвоено продуктам, получаемым путем выщелачивания древесной золы. Она содержит приблизительно 70% карбоната калия (поташа), используемого в основном для изготовления мыла и стекла. Карбонат натрия (кальцинированная сода) - главный компонент золы некоторых растений (солянок). Путем обработки гашеной известью (гидроксидом кальция) карбонат натрия превращают в каустическую соду (гидроксид натрия), которая применяется для бытовых и промышленных целей под названием "щелок" или "каустик".

Поташ. Хотя в химической промышленности поташем называют главным образом карбонат калия (K2CO3), в сельском хозяйстве это наименование охватывает все соли калия, идущие на изготовление удобрений, но в основном хлорид калия (KCl) с небольшой примесью сульфата калия (K2SO4).

Карбонат калия применяется в производстве стекла, солей калия, красителей и чернил. Карбонат калия - важный компонент специальных стекол, например оптических и лабораторных.

Каустическая сода (едкий натр). Гидроксид натрия NaOH получил свое название по причине сильного разъедающего действия на животные и растительные ткани. Большое количество производимой в мире кальцинированной соды используется для получения каустической соды.

Наиболее важные области потребления каустической соды (перечислены в порядке уменьшения потребляемого количества) - химическое производство; переработка нефти; производство искусственного волокна и пленки, целлюлозы и бумаги, алюминия, моющих средств и мыла; обработка тканей; рафинирование растительного масла; регенерация резины.

Каустический поташ (едкое кали). Соединения калия менее распространены и поэтому более дороги, чем соответствующие соединения натрия. Они применяются только в тех случаях, когда необходим присущий им комплекс физико-химических свойств, не обеспечиваемый соединениями натрия. Гидроксид калия KOH, в обиходе называемый каустическим поташем, не является исключением из этого правила. Подобно каустической соде, каустический поташ можно получить путем обработки раствора карбоната калия K2CO3 гашеной известью Ca(OH)2 или электролизом раствора хлорида калия.

Главная область применения гидроксида калия - производство мягкого мыла. Смеси калиевых и натриевых мыл используются для получения жидких мыл, моющих средств, шампуней, кремов для бритья, отбеливателей и некоторых фармацевтических препаратов. Другая важная область применения каустического поташа - производство различных солей калия. Например, перманганат калия получают путем сплавления диоксида марганца с каустическим поташем и последующего окисления образовавшегося манганата калия в электролизной камере. Каустический поташ также применяют вместе с каустической содой в производстве многих красителей и других органических соединений.

Строительной известью называют продукт, получаемый путем обжига до возможно полного выделения углекислоты кальциево-магниевых горных пород, содержащих не более 8% глинистых и песчаных примесей. В качестве сырья используют карбонатные породы - известняк, мел, ракушечник, доломитизированный известняк.

П о виду содержащегося в воздушной извести основного окисла она может быть: кальциевой, магнезиальной, доломитовой.

Виды воздушной извести.

По времени гашения все сорта воздушной негашеной извести подразделяют на три группы: быстрогасящаяся, со временем гашения не более 8 мин; среднегасящаяся - время гашения не более 25 мин; медленногасящаяся - время гашения не менее 25 мин. Известковые растворы применяют для растворов каменной кладки, штукатурных работ, а также для производства известково-пуццолановых цементов. Кроме этого известково-кремнеземистое вяжущее используют при изготовлении силикатного кирпича. Целесообразно применять молотую негашеную известь в зимних условиях, поскольку раствор, приготовленный на гашеной извести, требуется подогревать, чтобы он не замерз, тогда как тепло, выделяющееся при гашении молотой извести, в момент приготовления раствора поддерживает его положительную температуру в первые сроки твердения. Широко применяют известь для изготовления искусственных каменных материалов - известково-песчаного кирпича, силикатных и пеносиликатных изделии, шлакобетонных блоков и т. д. Необходима известь и для приготовления красочных составов. В помещениях с высокой влажностью, в сырых местах и для кладки фундаментов зданий воздушную известь применять нельзя.

Гашение извести

Процесс гашения извести происходит по реакции:

СаО + Н2О = Са(ОН)2 + 65,1 кДж

Реакция гашения извести протекает бурно, с большим выделением тепла. Вода, проникая в глубину известковых зерен, вступает в химическое взаимодействие с СаО, и выделяющееся при этом тепло превращает воду в пар. Так как переход воды в пар сопровождается увеличением объема, создаются внутренние растягивающие напряжения в зернах извести, приводящие к их измельчению в тонкий порошок. В зависимости от количества воды, взятой на гашение извести, получается известь-пушонка, или известковое тесто.

Известковое тесто получается в том случае, если воды берут в 3…4 раза больше, чем извести-кипелки. Объем известкового теста, так же как и объем пушонки, и 2…3,5 раза превышает объем исходной негашеной извести. Плотность известкового теста составляет 1300…1400 кг/м3.

Известковое тесто получают преимущественно на строительных площадках. Немеханизированным путем гасят известь в тесто в творильных ящиках с большим количеством воды. Затем известковое молоко выливают через сливное отверстие, закрытое сетками для задержания крупных непогасившихся частиц, в нижерасположенную яму. В яме тесто обезвоживается благодаря испарению и отсосу воды через деревянные стенки ямы в грунт.

В творильной яме известь выдерживают не менее 14 дней до полного гашения и получения пластичной тонкодисперсной массы. Известковое тесто обычно содержит около 50% воды. В последние годы почти на всех стройках известь гасят механизированным способом в известегасителях, где известь одновременно гасится, размалывается и перемешивается, причем значительно ускоряется гашение и не остается отходов.

Гашеная известь твердеет в результате испарения воды и кристаллизации гидроокиси кальция. Вследствие потери влаги мельчайшие частицы Са(ОН)2, сближаясь между собой, образуют кристаллы, которые постепенно превращаются в прочный кристаллический сросток. Упрочнению известкового теста способствует также карбонизация - процесс взаимодействия гидрата окиси кальция ( в присутствии влаги) с углекислым газом, который всегда содержится в воздухе в небольших количествах (около 0,03 %):

Са(ОН)2 + СО2 + Н2O = СаСО3 + 2Н2O

В результате этой химической реакции гидроокись кальция переходит в углекислый кальций, т. е. образуется снова то же вещество, которое было использовано для получения извести. Твердеет гашеная известь очень медленно, и прочность известковых растворов невысокая.

Гипсовыми вяжущими веществами называют материалы, для получения которых используют сырье, содержащее сернокислый кальций. Чаще это природные гипс CaSО4·2H2O и ангидрит CaSO4, реже - некоторые побочные продукты химической промышленности (фосфо-гипс, борогипс). Гипс среди эффективных строительных материалов занимает одно из ведущих мест. Это обусловлено большими запасами гипсового сырья, низкой топливо и энергоемкостью производства, технологичностью материалов и конструкций и высокими их эксплуатационными и эстетическими свойствами. На изготовление 1 тоны изделий из гипса удельных капитальных вложений требуется в два раза, а электроэнергии в четыре раза меньше, чем на получение 1 тоны изделий из цемента. Гипс является одним из самых распространенных минералов в мире. По своей сути он является водным сульфатом кальция. Гипс обладает рядом достоинств и недостатков. К достоинствам гипса относят небольшую объемную массу, огнестойкость, хорошую звукоизоляцию. Кроме того, гипс является безопасным в применении материалом, то есть экологически чистым продуктом. К недостаткам гипса относят низкую водостойкость, низкую прочность и ползучесть под нагрузкой, особенно в условиях повышенной влажности. Гипс имеет относительно небольшой период хранения. Основная масса выпускаемых гипсовых вяжущих используется в строительстве. Их применяют при производстве штукатурки, перегородочных стеновых плит и панелей, вентиляционных коробов, работающих при относительной влажности воздуха менее 65%. Гипсовые изделия обладают невысокой плотностью, не горючестью и рядом других ценных свойств. Большие объемы гипса используются для изготовления штукатурных и кладочных растворов. Особенно перспективно использование сухой гипсовой штукатурки. ГЦПВ вследствие его повышенной водостойкости применяют для изготовления санитарно технических кабин, ванных комнат, вентиляционных каналов. Ангидритовое вяжущее используют для изготовления бесшовных полов, в качестве подстилающего слоя под линолеум, а также для получения легких бетонов, искусственного мрамора, для проведения декоративно-отделочных работ. Высоко обжиговый гипс применяют для настила тепло- и звукоизолирующих полов, изготовления подстилающего слоя под линолеум, а также для кладочных и штукатурных растворов и для искусственного мрамора. Марки гипсовых вяжущих от Г-5 до Г-25 тонкого помола с нормальными сроками твердения служат для изготовления форм и моделей в керамической, машиностроительной, литейной промышленности, а также в медицине. Гипс, это строительный материал, пришедший к нам из глубин древности. Незаменимые свойства гипса были оценены давно, еще Египтяне применяли гипс, когда строили свои знаменитые на весь мир пирамиды из этого природного живого минерала.

При удобрении гипс действует на вещества, находящиеся в почве, как в твердом виде, так и в растворе; переходя в углекислую известь он переводит двууглекислые щелочи в сернокислые, более способные проникать в глубь почвы, причем эти соли, дойдя до бедных кислородом слоев, превращаются, в присутствии разлагающихся без доступа воздуха органических веществ, в сернистые, затем, при избытке угольной кислоты, выделяя серу - в углекислые; таким образом, например, углекислый калий, находящийся в верхних слоях почвы, при удобрении последней гипсом, временно переходя в сернокислое кали, уносится в нижние почвенные слои, где снова превращается в углекислую соль. В водных кремнекислых соединениях известь гипса (31-35%) вытесняет другие основания, заменяя их собой. Гипс, растворенный в воде, извлекает из невыветрившихся горных пород, находящихся в почве, калий, натр и магнезию на 27,5%, 232% и 123% в большем количестве, чем чистая вода, но не действует на растворение глинозёма, окиси железа и кремневой и фосфорной кислот. Значение гипсования почвы для сельскохозяйственной культуры объяснялось прежде непосредственным одновременным действием, как удобрение, обеих составных частей гипса - извести и серной кислоты, что опровергается содержанием в золе разных растений кальция в большем количестве, чем сколько его необходимо для образования гипса с серной кислотой, содержащейся в той же золе.

Влияние гипсования на рост растений зависит: а) От состояния почвы и климата - оно благоприятно на почвах хорошо разработанных, содержащих в верхних слоях много питательных веществ, содействуя перенесению их вглубь почвы, и недействительно на почвах бедных, тяжелых, засоренных сорными травами, или покрытых стоячей на поверхности водой.

б) От различия культируемых растений, гипсование наиболее производительно для бобовых растений (клевера, люцерны, эспарцета, бобов, вики и гороха) и гречихи, менее для горчицы, капусты и рапса и незначительно для корнеплодов. Произведенные исследования показывают, что Г. увеличивает у клевера массу стеблей и цветов и, как видно на результатов химического анализа полученного сена, влияет на повышение содержания в последнем азотистых веществ.

Один из самых популярных материалов в строительной сфере – это алебастр. По сути, алебастр – это общее название двух разных минералов: кальцита и гипса. То есть, вопреки распространенному мнению, не алебастр разновидность гипса, а гипс – разновидность алебастра. Кальцит представляет собой ни что иное, как карбонат кальция, а гипс – диаквасульфат кальция. Второй вид минерала получил широкое распространение в наши дни, особенно в строительной, медицинской сферах и сфере искусства.

Виды алебастра отличаются друг от друга по своим свойствам и характеристикам. Например, на вид гипс – достаточно твердый материал, однако человек может оставить на нем царапину ногтем. Кальцит гораздо крепче гипса, но и его можно поцарапать, например, с помощью ножа. Алебастр занимает почетное второе место по мягкости среди всех горных пород и минералов, открытых, изученных и добываемых человеком. Мягче алебастра только тальк. Из-за этой мягкости алебастр совсем нетрудно обрабатывать. Новейшие технологии на сегодняшний момент позволяют получать гипсовый алебастр путем обработки природного двухводного гипса. Его термически обрабатывают и обжигают при температурах 150-180 градусов. Довольно часто, алебастр измельчают до порошкового состояния либо до, либо после термических обработок. Такой гипс используется для строительства, а если использовалось сырье высокого качества, то этот гипс пойдет и на медицинские цели.

Основное применение алебастра в строительной сфере заключается в использовании его как штукатурки. Алебастр, разведенный с водой, представляет собой вяжущее вещество и легко заполняет своей структурой всевозможные пустоты. Также из алебастра изготавливают листы гипсокартона, гипсовые перегородочные панели и другие строительные материалы. В медицине из гипса изготавливают различные лангетки, необходимые для того, чтобы закрепить сломанную конечность в нужном положении.

1. Перечислите отрасли применения серной кислоты в хозяйстве.

2. Перечислите отрасли применения щелочей в хозяйстве.

3. Напишите химический состав каустической соды и каустического поташа.

4. Где применяются гашенная и негашенная известь, гипс, алебастр, кальцит. Укажите их химический состав.

5. Почему нельзя хранить свежеприготовленный раствор извести в незакрытой таре? Напишите уравнение химической реакции, происходящей при этом процессе.

6. Что называется гипсованием почвы и какое значение это имеет в сельском хозяйстве?

Список рекомендуемой литературы: 1. Габриелян О.С. Химия: учеб. для студ. проф. учеб. заведений / О.С. Габриелян, И.Г. Остроумов. – М., 2005.

2.Габриелян О.С. Химия. 10 класс. Базовый уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений. – М., 2005.

3.Габриелян О.С. Химия. 11 класс. Базовый уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений. – М., 2006.

4. Глинка Н.Л. Общая химия.-Л.:Химия,1988.

5.Потапов В.М.Химия.-М.: Высшая школа, 1985.

6. http://www.slovoblog.ru/koler/shhelochejj_proizvodstvo/

7. http://snip8.narod.ru/article/article_isvest_vv.html

8. http://blogforbuilder.ru/materialy/chem-otlichaetsya-gips-ot-alebastra.htm

Порядок проверки, защиты самостоятельной работы: проверка рабочей тетради.