Chemia ogólna dla metalurgów Sosnowiec

Metalurgia - to nauka o metalach i stopach oraz procesach ich otrzymywania i kształtowania. Z osiemdziesięciu metali występujących w przyrodzie 63 odkryto dopiero w XIX w., jednakże niektóre z nich znane są człowiekowi już ponad 9 000 lat. Do końca siedemnastego wieku otrzymywano metale głównie na drodze pirometalurgicznej. Wiele późniejszych nowych odkryć dokonanych w następnych stuleciach stworzyło spore możliwości ich wytwarzania, tym samym powstały nowe działy metalurgii: hydrometalurgia i elektrometalurgia. Na proces otrzymywania konkretnego metalu składa się dużo operacji technologicznych. Część tych operacji związana jest z przebiegiem wielu reakcji chemicznych. Można więc powiedzieć, że nie istnieje dzisiaj wyraźna granica między chemią a metalurgią. Chemia jest nierozerwalnie z nią związana, i to właśnie podstawy tej nauki pozwalają zrozumieć i udoskonalać procesy zachodzące w reaktorach metalurgicznych. Prezentowany podręcznik kierowany jest do studentów kierunków Inżynieria Materiałowa i Metalurgia. W pierwszych jego rozdziałach przybliża czytelnikowi podstawowe zagadnienia, dotyczące praw i pojęć chemicznych, budowy atomu, wiązań chemicznych, tworzenia związków chemicznych, a także elektrochemii, kinetyki i termodynamiki chemicznej. Ostatnie rozdziały książki kierowane są w szczególności do metalurgów bądź wszystkich zainteresowanych hutnictwem i inżynierią materiałową. Rozdział 8 dostarcza czytelnikowi wiedzy o 30 pierwiastkach chemicznych, które zostały wybrane z powodu ich szczególnego znaczenia w metalurgii: bądź ze względu na zastosowanie, bądź na przydatność w operacjach i procesach metalurgicznych. Każdy pierwiastek został przedstawiony według tego samego schematu: występowanie, najważniejsze związki, otrzymywanie, zastosowanie i znaczenie w metalurgii. W rozdziale 9 przedstawione zostały natomiast metody otrzymywania wybranych podstawowych metali. Do każdego rozdziału dołączony jest wykaz literatury. Może być on pomocny dla czytelnika w uzupełnieniu wiedzy o zagadnienia, którym w książce poświęcono zbyt mało uwagi ze względu na jej ograniczoną objętość. Mamy zatem nadzieję, że książka ta pozwoli zrozumieć czytelnikowi podstawowe zagadnienia chemii ogólnej oraz zaciekawi go w takim stopniu, by sięgnął po bardziej szczegółowe pozycje literaturowe z danego zakresu. SPIS TREŚCI Przedmowa 1.Podstawowe pojęcia, definicje i prawa chemiczne 9 1.1. Masa atomowa, masa cząsteczkowa 10 1.2. Mol, masa molowa, objętość molowa (z uwzględnieniem zmian z ciśnieniem i temperaturą) 11 1.3. Prawo stałości składu, stechiometria związków chemicznych 12 1.4. Prawo zachowania masy, stechiometria reakcji chemicznych 13 1.5. Roztwory 15 1.5.1. Rozpuszczalność 15 1.5.2. Stężenia 16 1.6. Elektrolity 21 1.6.1. Dysocjacja elektrolityczna 21 1.6.2. Stopień dysocjacji 24 1.6.3. Stała dysocjacji 24 1.6.4. Teorie kwasów i zasad 1.6.5. Iloczyn jonowy wody pH 28 1.6.6. Amfoteryczność 30 Literatura 31 2. Budowa atomu, układ okresowy pierwiastków w świetle budowy atomu 32 2.1. Elementarne składniki atomu 32 2.2. Izotopy 32 2.3. Siły jądrowe, defekt masy a energia wiązania 33 2.4. Rozwój poglądów na budowę atomu 33 2.5. Elektrony w atomie 34 2.6. Zasady zapełniania powłok, podpowłok i poziomów orbitalnych 36 2.7. Przemiany jądrowe 40 Literatura 43 3. Wiązania chemiczne 45 3.1. Wiązanie jonowe 46 3.2. Wiązanie kowalencyjne (atomowe), homojądrowe 47 3.3. Wiązanie kowalencyjne spolaryzowane 48 3.4. Wiązanie koordynacyjne (semipolarne)50 3.5. Wiązanie metaliczne 50 3.6. Inne rodzaje oddziaływań 50 3.7. Hybrydyzacja orbitali atomowych 51 3.8. Czynniki rządzące geometrią drobiny 54 Literatura 55 4. Związki chemiczne - klasyfikacja, nomenklatura, otrzymywanie 56 Literatura 65 5. Reakcje chemiczne 66 5.1. Typy reakcji chemicznych 66 5.2. Jakościowa klasyfikacja reakcji 68 5.2.1. Stopień utlenienia 68 5.2.2. Reakcje redoks 68 5.2.3. Reakcje zachodzące w roztworach wodnych bez zmiany stopnia utlenienia 71 5.2.3.1. Reakcje wytrącania 71 5.2.3.2. Reakcje otrzymywania słabych elektrolitów (słabych kwasów, słabych zasad, zobojętniania) 74 5.2.3.3. Reakcje hydrolizy 75 5.2.4. Reakcje zachodzące w roztworach wodnych ze zmianą stopnia utlenienia 77 5.2.4.1. Reakcje metal - kwas 77 5.2.4.2. Reakcje metal - sól innego metalu (cementacyjne wydzielanie metalu) 79 Literatura 80 6. Elektrochemia 81 6.1. Ogniwa galwaniczne 82 6.2. Szereg napięciowy metali 86 6.3. Elektroliza 88 6.4. Korozja 92 Literatura 94 7. Kinetyka chemiczna, równowaga chemiczna i elementy termodynamiki chemicznej 95 7.1. Szybkość reakcji chemicznej 95 7.2. Teorie kinetyczne 98 7.3. Równowaga chemiczna 101 7.4. Reguła przekory 103 7.5. Układ i otoczenie układu 104 7.6. Energia wewnętrzna. Pierwsza zasada termodynamiki 104 7.7. Entalpia. Pierwsza zasada termodynamiki dla procesów izobarycznych .105 7.8. Entalpia reakcji chemicznych 107 7.9. Entropia. Druga zasada termodynamiki 108 7.10. Entalpia swobodna (potencjał termodynamiczny) 109 7.11. Zależność entalpii, entropii i entalpii swobodnej od temperatury 111 Literatura 112 8. Omówienie pierwiastków o szczególnym znaczeniu w metalurgii 114 8.1. Pierwiastki bloku s 114 8.1.1. Wodór 119 8.1.2. Sód 123 8.1.3. Potas 126 8.1.4. Magnez 129 8.1.5. Wapń 132 8.2. Pierwiastki bloku p 137 8.2.1. Glin 150 8.2.2. Węgiel 154 8.2.3. Krzem 164 8.2.4. Cyna 169 8.2.5. Ołów 172 8.2.6. Azot 176 8.2.7. Fosfor 181 8.2.8. Tlen 185 8.2.9. Siarka 191 8.2.10. Chlor 196 8.2.11. Argon i hel 199 8.3. Pierwiastki bloku d 201 8.3.1. Tytan 214 8.3.2. Wanad 218 8.3.3. Chrom 220 8.3.4. Mangan 224 8.3.5. Żelazo 227 8.3.6. Kobalt 232 8.3.7. Nikiel 235 8.3.8. Platyna 238 8.3.9. Miedź 240 8.3.10. Srebro 244 8.3.11. Złoto 247 8.3.12. Cynk 251 8.3.13. Kadm 253 8.3.14. Rtęć 255 Literatura 257 9. Przykłady wybranych procesów metalurgicznych 259 9.1. Otrzymywanie metali z rud tlenkowych na drodze pirometalurgicznej - otrzymywanie żelaza i stali 259 9.2. Otrzymywanie metali z rud siarczkowych 266 9.2.1. Przygotowanie rud siarczkowych do procesów metalurgicznych 266 9.2.2. Otrzymywanie miedzi 267 9.2.3. Otrzymywanie cynku 275 9.3. Otrzymywanie metali na drodze elektrolizy 279 9.3.1. Otrzymywanie cynku na drodze elektrolizy wodnych roztworów 281 9.3.2. Otrzymywanie aluminium na drodze elektrolizy w solach stopionych 283 9.4. Procesy rafinacji metali 286 Literatura 295