úvod
Zlatokopi na Aljaške aj v slovenských potokoch preplachovali piesok a hľadali v ňom zrnká rýdzeho zlata. Železo by takto nikto nenašiel. V prírode je len v zlúčeninách, napríklad v hrdzavom kameni hematite, a hliník v sivom bauxite. Získať z nich kov znamená odobrať mu kyslík alebo síru, s ktorými je viazaný. V tejto lekcii zistíš, prečo sa každý kov vyrába inak a čo výroba kovov znamená pre prírodu.
teória
Rudy a rýdze kovy
Ruda je hornina, z ktorej sa oplatí kov získavať. Kov je v nej viazaný v zlúčenine:
| druh rudy | príklady |
|---|---|
| oxidy | hematit Fe₂O₃, magnetit Fe₃O₄, bauxit (oxid hlinitý s vodou), kasiterit SnO₂ |
| sulfidy | galenit PbS, sfalerit ZnS, chalkopyrit CuFeS₂ |
| uhličitany | siderit FeCO₃, malachit |
Len najušľachtilejšie kovy, zlato a platina, niekedy aj striebro a meď, sa nachádzajú rýdze. Prečo, vysvetľuje lekcia Rad napätia kovov.
teória
Výroba kovu je redukcia
Kov je v rude v kladnom oxidačnom čísle, železo v hematite má +III. Aby vznikol kov s oxidačným číslom 0, musí prijať elektróny, teda sa zredukovať. Čím je kov reaktívnejší, tým pevnejšie drží kyslík a tým ťažšie sa redukuje. Preto o spôsobe výroby rozhoduje miesto kovu v rade napätia:
- Veľmi reaktívne kovy, ako sodík, lítium a hliník, sa vyrábajú elektrolýzou taveniny. Uhlík im kyslík neodoberie a z vodného roztoku by sa namiesto nich vylučoval vodík. Elektrolýza spotrebuje veľa elektriny, ako ukazuje lekcia Elektrolýza.
- Stredne reaktívne kovy, ako železo, olovo a cín, sa vyrábajú redukciou uhlíkom (koksom) alebo oxidom uhoľnatým. Železo vzniká vo vysokej peci: Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂. Ako vysoká pec funguje, ukazuje lekcia Železo.
- Ušľachtilé kovy sa nachádzajú rýdze a stačí ich oddeliť od horniny.
Surový kov z rudy býva nečistý. Meď na elektrické drôty sa preto čistí rafináciou elektrolýzou na 99,99 % a zo surového železa sa vyrába oceľ.
vyskúšaj si
Ako sa vyrába kov?
Ako sa kov získava? Rozhoduje miesto v rade napätia: veľmi reaktívne kovy len elektrolýzou taveniny, menej reaktívne redukciou uhlíkom, ušľachtilé nájdeme aj rýdze.
0 / 0Pri každom kove si najprv nájdi jeho miesto v rade napätia: K, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Pb, H, Cu, Ag, Au. Kovy na začiatku radu sa vyrábajú elektrolýzou, kovy v strede redukciou uhlíkom a kovy na konci radu sú rýdze. Hliník je najrozšírenejší kov v zemskej kôre, a predsa sa vyrába ťažko, lebo je reaktívny.
teória
Výroba kovov a príroda
Výroba kovov patrí k najväčším spotrebiteľom energie a znečisťovateľom ovzdušia:
- vysoké pece a elektrolýza hliníka spotrebujú veľa uhlia a elektriny a uvoľňujú oxid uhličitý,
- pri spracovaní sulfidových rúd vzniká oxid siričitý, ktorý spôsobuje kyslé dažde, ak sa nezachytí. Viac v lekcii Síra,
- z vysokej pece zostáva troska, ktorá sa používa na cement a štrk do ciest,
- pri výrobe oxidu hlinitého z bauxitu zostáva silno zásaditý červený kal.
Preto sa oplatí kovy recyklovať. Roztavenie starých hliníkových plechoviek spotrebuje len asi 5 % energie potrebnej na výrobu hliníka z bauxitu, ako píše lekcia Hliník. Oceľový šrot sa taví v elektrických oblúkových peciach a zo starých autobatérií sa znova získava takmer všetko olovo.
teória
Kovy na Slovensku
Slovensko má bohatú banícku a hutnícku históriu. V Kremnici a Banskej Štiavnici sa ťažilo zlato a striebro, zo Španej Doliny sa v 15. a 16. storočí vyvážala meď do celej Európy a v Spišsko-gemerskom rudohorí, napríklad v Rudňanoch, sa ťažila železná ruda. Viac v lekciách Meď, striebro, zlato a zinok a Železo. Dnes sa na Slovensku vyrába oceľ v železiarňach v Košiciach, ktoré spracúvajú hlavne dovezenú rudu.
Praženie a redukcia
Sulfidové rudy sa najprv pražia na vzduchu, sulfid sa zmení na oxid a uniká oxid siričitý:
- 2 ZnS + 3 O₂ → 2 ZnO + 2 SO₂
- 2 PbS + 3 O₂ → 2 PbO + 2 SO₂
Oxidy sa potom redukujú uhlíkom alebo oxidom uhoľnatým:
- PbO + C → Pb + CO
- SnO₂ + 2 C → Sn + 2 CO
- Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂
Oxid siričitý z praženia sa dnes zachytáva a vyrába sa z neho kyselina sírová.
Redukcia kovom alebo vodíkom
Kovy, ktoré by s uhlíkom tvorili karbidy alebo ktoré treba veľmi čisté, sa redukujú iným, reaktívnejším kovom alebo vodíkom:
- aluminotermia: Cr₂O₃ + 2 Al → 2 Cr + Al₂O₃. Hliník je v rade napätia pred chrómom a reakcia uvoľní toľko tepla, že chróm sa roztaví. Rovnako funguje termit so železom z lekcie Hliník,
- titán sa vyrába z chloridu titaničitého roztaveným horčíkom: TiCl₄ + 2 Mg → Ti + 2 MgCl₂,
- volfrám na vlákna a hroty sa získava redukciou oxidu vodíkom: WO₃ + 3 H₂ → W + 3 H₂O.
Ako dokáže reaktívny kov odobrať kyslík aj kremíku, ukazuje pokus Lítium s kremíkom.
Elektrolýza taveniny
Hliník sa vyrába elektrolýzou oxidu hlinitého rozpusteného v roztavenom kryolite pri teplote okolo 950 °C. Kryolit zníži teplotu topenia z vyše 2 000 °C. Celkovo 2 Al₂O₃ → 4 Al + 3 O₂. Kyslík na uhlíkových anódach hneď reaguje s uhlíkom na oxid uhličitý, a tak anódy ubúdajú. Rovnako sa z roztavených chloridov vyrábajú sodík (2 NaCl → 2 Na + Cl₂) a lítium.
Meď
Meď sa vyrába hlavne z chalkopyritu CuFeS₂. Pražením a tavením sa železo oddelí do trosky a vznikne sulfid meďný. Ten sa vo vzduchu premení na surovú meď: Cu₂S + O₂ → 2 Cu + SO₂. Surová meď s čistotou okolo 99 % sa potom čistí elektrolytickou rafináciou na 99,99 %. Zinok sa dnes vyrába väčšinou elektrolýzou roztoku síranu zinočnatého, lebo tak vzniká čistejší kov ako redukciou uhlíkom. Jednoduché pravidlo podľa radu napätia má teda aj výnimky.
rozšírenie Červený kal v Ajke
Pri výrobe oxidu hlinitého z bauxitu zostáva červený kal, zmes oxidov železa a ďalších látok v silno zásaditom roztoku hydroxidu sodného. Ukladá sa vo veľkých nádržiach. Dňa 4. októbra 2010 sa pretrhla hrádza takejto nádrže pri meste Ajka v Maďarsku. Asi milión kubických metrov červeného kalu zaplavil okolité dediny, zahynulo desať ľudí a mnohí utrpeli popáleniny od žieravého kalu. Kal sa dostal aj do riek a cez Rábu až do Dunaja. Zásaditosť riečnej vody vtedy znižovali sadrou a kyselinou.
Havária ukázala, že pri výrobe kovov nejde len o chémiu v peci, ale aj o to, čo zostane po nej. Dnes sa hľadajú spôsoby, ako z červeného kalu získať železo a ďalšie kovy a ako ho bezpečne uložiť.
teória
Časté chyby
- „Kov sa z rudy vytaví samotným teplom.“ Teplom sa ruda len roztaví. Aby vznikol kov, treba ho zredukovať, napríklad uhlíkom alebo elektrolýzou.
- „Hliník sa vyrába vo vysokej peci.“ Hliník je na to príliš reaktívny. Vyrába sa elektrolýzou taveniny oxidu hlinitého.
- „Recyklácia stojí rovnako veľa energie ako výroba z rudy.“ Recyklácia hliníka spotrebuje len asi 5 % energie a recyklácia ocele tiež výrazne menej.
- „Čím vzácnejší kov, tým ťažšie sa vyrába.“ Zlato je vzácne, no nachádza sa rýdze. Hliník je najrozšírenejší kov, a predsa sa vyrába ťažko, lebo je reaktívny.
Celú kapitolu si over v teste Precvičovanie: test z redoxných reakcií a elektrochémie.