HEMIJA

Željezo Željezo je najkorišteniji od svih metala i njegova proizvodnja čini 95% (maseno) od ukupne svjetske proizvodnje metala. Razlog tome je kombinacija niske cijene i pogodnih fizičkih svojstava, zbog čega je željezo neizostavni materijal u automobilskoj industriji, brodogradnji i građevinarstvu. Željezo je tehnički najvažniji metal. U prirodi je vrlo zastupljen. U zemljinoj kori maseni udio mu je oko 5%. Pojavljuje se uglavnom u oksidnim, karbonatnim, silikatnim i sulfidnim rudama. Danas se za dobivanje željeza koriste isključivo oksidne i karbonatne rude. Glavne oksidne rude Fe su:  Magnetit Fe3O4 (ovo je dvostruki oksid FeO x Fe2O3)  Hematiti Fe2O3 i  Limonit FeOOH Glavna karbonatna ruda je siderti FeCO 3 Veća nalazišta tih ruda nalaze se kod Vareša, Ljubije i Topuskog. Tu su uglavnom: limonit, hematit i siderit. Dobivanje sirovog željeza: Sirovo je željezo, zbog većeg sadržaja nečistoća i ugljika, jako krhko i nepodesno za obradu ili primjenu. Može se koristiti samo za lijevanje najgrubljih masivnih predmeta (npr. postolja) koji nisu mehanički ili termički opterećeni. Da bi se dobilo kvalitetnije željezo ili čelik sirovo se željezo prerađuje. Proces se zasniva na redukciji oksida Fe sa koksom odnosno sa ugljik(II)oksidom (ugljenmonoksid CO) do sirovog željeza, koje sadrži približno do 4,5% ugljika. Osim ugljika sirovo željezo sadrži i druge primjese (silicij, fosfor, mangan), svaku u količini do nekoliko postotaka i male količine sumpora. Uklanjanjem tih primjesa (procesom izgaranja) i smanjenjem sadržaja ugljika na maseni udio manji od 1,7% dobiva se čelik. Čelik je po hemijskom sastavu željezo u kom je sadržaj primjesa manji od 1,7%. Dobivanje sirovog željeza: Oksidi Fe se redukuju u visokim pećima (slika). Peć se sastoji od tri dijela idući odozgo prema dole:  grotlo (na vrhu)  trbuh (u sredini i najveći je) i  bunar (na dnu) Na vrhu visoke peći (visoka oko 30 metara) nalazi se dvostruko „zvono“ koje omogućuje dodavanje materijala bez izlaska plinova. Promjer peći proširuje se prema dolje da bi se kompenzirao porast volumena materijala porastom temperature. Na dnu peći, u bunaru, skuplja se rastaljeno željezo i troska.

Peć se nizmjenično puni slojevima koksa (ugljik) i rude sa dodacima. Osim oksida željeza ruda sadrži i jalovinu, najčešće alumosilikate koji se uklanjaju u obliku troske s dodacima bazičnog karaktera (vapnenac CaCO 3). Proizvodnja visoke peći iznosi oko 1.000 tona na dan i da bi se ona ostvarila potrebno je u peć ubaciti oko 2.000 tona rude, 1.000 tona koksa, oko 500 tona dodataka i oko 5.500 tona zraka. Ni jedna od tih sirovina nije potpuno čista, a prisutna onečišćenja tekođer sudjeluju u hemijskim reakcijama. Zbog toga su reakcije povezane sa dobivanjem sirovog željeza prilično zamršene i stvarni proces nije moguće predočiti odgovarajućim hemijskim reakcijama. Uzimajući u obzir samo glavne reakcije, danas se općenito smatra da se pojednastevljena šema redukcije može prikazati: Pri dnu koks izgara s predgrijanim zrakom (do 800 oC) dajući ugljen(II)oksid (CO): C(čvrsti) + O2 (gas) → CO2 CO2(gas) + C(čvrsti) ═ 2CO(gas) Ugljen(II)oksid je glavno redukciono sredstvo, a oksidi željeza reduciraju se po svoj prilici postupno, ovisno o temperaturi pojedinih zona peći. Pri vrhu peći redukcija vjerovatno ide samo do Fe3O4: 3Fe2O3 (s) + CO (g) → 2Fe3O4(s) + CO2 (g) S znači čvrsto a g gas U nižim slojevima redukcija ide do FeO: Fe3O4 (s) + CO (g) → 3FeO (s) + CO2 (g) Da bi u nižim slojevima dobili spužvasto željezo: FeO (s) + CO (g) → Fe (S) + CO2 (g) Sve ove reakcije deševaju se u gornjoj polovini peći, u temperaturnom području između 300 i 800oC. Kako su to samo vjerovatne reakcije, redukciju oksida željeza možemo pokazati i samo jednom reakcijom: Fe2O3 (s) + 3CO (g) → 2Fe (s) + 3 CO2 (g) Reakcijom oslobođeni CO2 reagira sa ugrijanim koksom (C) i nastaje CO koji dalje služi kao redukciono sredstvo: CO2(g) + C (s) → 2 CO (g) A ugljik(II)oksid raspada se u manje vrućim dijelovima peći na CO 2 i fino dispergovani (raspršeni) ugljik koji se otapa u spužvastom željezu. Željezo onečišćeno ugljikom ima tačku topljenja 1.100 do 1.200 oC i u rastaljenom stanju sakuplja se u najnižim dijelovima peći. (Napomena: rastvorena supstanca je ona koja je u tekučem stanju ali se nalazi u smjesi sa nakim rastvaračem – šečer u vodi, rastaljeno znači da je u tečnom stanju ali čista supstanca prevedena u tečno stanje usljed visoke temperature – šečer zagrijavan i preveden u tečnost, karamel) Prema naprijed navedenom u visokoj peći nastaju:

U visokoj peći nastaju: a)

Sirovo željezo.

Sastav mu zavisi od kvaliteta upotrijebljene rude, vrste goriva i režimu rada peći. Dobivaju se različite vrste sirovog Fe. Ipak je uobičajena podjela sirovog Fe na:  Sivo sirovo Fe sadrži dosta silicija (više od 2%) i malo mangana (manje od 1%). Polaganim hlađenjem ovog sirovog Fe izlučuje se gotovo sav ugljik u obliku vrlo finih lističa grafita, zbog čega je ovo Fe sive boje pa se i naziva sivo sirovo Fe. Njegovim pretaljivanjem sa starim Fe dobiva se lijevano Fe.  Bijelo sirovo Fe sadrži malo silicija (manje od 1%) i dosta mangana (više od 2%). Podaci se odnose na masene dijelove. Naglim hlađenjem takvog sirovog Fe ugljik se ne može izlučiti kao grafit i nalazi se u Fe u obliku cementita (Fe 3C), pa je na prelomu bijele boje i otuda mu naziv, bijelo sirovo Fe. Podjela Fe na sivo i bijelo u novije vrijeme nema više smisla, jer se najveći dio sirovog Fe prerađuje direktno u čelik, bez predhodnog hlađenja i očvršćavanja. Zbog toga je hemijski sastav mnogo važniji nego struktura i prelom. b)

Troska.

Sastav troske također može biti vrlo raznolik. U jednom slučaju sastav troske bio bi izražen ovako: Tvar Maseni udio SiO2 32% Al2O3 22% CaO 36% MgO 7% MnO 1% S 1% Fe 1% Zbog takvog sastava troska se može upotrijebiti za proizvodnju cementa, a zbog šljunkovitosti može poslužiti kao izolacijski materijal. Može se koristiti i za proizvodnju puteva. Prije je troska bila nekoristan materijal, ali se danas sve više upotrebljava za proizvodnju cementa. c) Grotleni plin. Sastoji se najvećim dijelom od azota, a sastav mu se približno može izraziti: Plin Volumni dio CO 12% CO2 24% N2 60% H2 4% Vodik nastaje redukcijom vodene pare iz zraka pomoću koksa. Zbog velike količine ugljik(II)oksida grotleni plin se upotrebljava za zagrijavanje zraka koji se upuhuje u peć.

Dobivanje čelika: Dobivanje čelika iz sirovog Fe u suštini se svodi na oksidaciju svih nečistoća. Sadržaj ugljika mora se smanjiti na vrijednost masenog udjela ispod 1,7%, a sve ostale nečistoće koje bi mogle štetno djelovati na osobine čelika nastoje se potpuno ukloniti. Ako se dobivanje čelika direktno nadovezuje na dobivanje sirovog Fe, razumljiva su nastojanja da se izbjegne očvršćavanje sirovog Fe i suvišni troškovi povezani sa njegovim ponovnim pretaljivanjem. Pri ovome se javljaju poteškoće:  Sirovo Fe iz visoke peći kvalitetno je neujednačeno, što stvara poteškoće za dobivanje ujednačene kakvoće čelika  Vrlo je teško uskladiti vremenske kapacitete visoke peći sa kapacitetom postrojenja za dobivanje čelika. Svaki zastoj ili smetnja u radu visoke peći uzrokovali bi zastoj i u radu postrojenja za dobivanje čelika. Obrnuto, smetnje pri preradi sirovog Fe nužno bi dovele do očvršćavanja sirovog Fe iz visoke peći. Srećom obje teškoće mogu se riješiti izgradnjom velikih mješača u kojima se drže dovoljno velike količine rastaljenog sirovog Fe. Miješanjem sastav sirovog Fe postaje prilično ujednačen, a ujedno se omogućuje nezavisan rad i visoke peći i pogona za dobivanje čelika. Rastopljeno Fe prerađuje se u čelik u:  Simens-Martenovoj peći  Elektropeći (pretapanjem) i  Besemerovom ili Tomasovom konvertoru Bizna razlika između Simens-Martenovog postupka i pretapanja u elektropećima s jedne strane i konvertorskog postupka s druge strane ogleda se u načinu dobivanja toplote potrebne za dobivanje čelika. Dok se u prvom slučaju radi o spoljašnjim izvorima toplote (sagorjevanje gasova u Simens-Martenovom postupku ili električni luk kao najčešća varijanta elektropeći), dotle se za konvertorski postupak potrebna količina toplote obezbjeđuje hemijskim reakcijama kojima se čelik prečišćava, prvenstveno pomoću kisika pod pritiskom. Izbor postupka za dobivanje čelika zavisi od više faktora, a najvažniji su kvalitet i cijena dobivenog čelika, kao i hemijski sastav Fe, tj. njegova čistoća. Npr. za Simens-Martenov postupak i za pretvaranje u elektropećima Fe, kao polazna sirovina, treba da ima što manje primjese, tj. da je što veće čistoće. Pri tome se dobija čelik boljeg kvaliteta, ali skuplji od konvertorskog čelika. Za primjenu konvertorskih postupaka koriste se Fe sa većim sadržajem silicija (Besemerov postupak), odnosno sa većim sadržajem fosfora (Tomasov postupak), koji pri prečišćavanju Fe daju dodatnu količinu toplote. Podjela čelika: Čelici se mogu podijeliti prema:  Hemijskom sastavu  Namjeni  Strukturi  Načinu dobivanja  Kvaliteti  Obliku i stanju poluproizvoda

Prema hemijskom sastavu:  Ugljenični čelici  Legirani čelici Prema namjeni:  Konstrukcioni čelici  Alatni i  Čelici sa posebnim osobinama Prema strukturi:  Feritni  Podeutektoidni  Eutoktoidni  Nedeutektoidni  Ledeburitni  Austenitni i  Martenzitni (je struktura koja se dobija termičkom obradom – kaljenjem, koja se odlikuje visokom tvrdoćom) Prema načinu dobivanja:  Tomasov  Besemerov  Martenov i  Elektro-čelik Prema kvalitetu: (tj sadržaju sumpora i fosfora)  Čelik obične kvalitete (ugljenični) sa sadržajem sumpora do 0,06% i fosfora do 0,07%  Kvalitetne čelike (ugljenični i legirani) sa sadržajem sumpora 0,035 – 0,04% i fosfora 0,035 – 0,04%  Visoko kvalitetne čelike (legirani) sa sadržajem sumpora do 0,025 i fosfora do 0,025%  Plemenite čelike (legirani) sa sadržajem sumpora do 0,015 i fosfora do 0,015% Prema obliku i stanju poluproizvoda:  Valjani  Vučeni  Kovani  Liveni  Brušeni  Presovani i  Ljušteni

STAKLO Porijeklo stakla je do danas ne razriješeno. Predpostavlja se da potiče još iz 5 vijeka prije nove ere iz Mezopotamije (područje današnjeg Iraka i Irana), i početkom 4 vijeka p.n.e. u Egiptu. U Egipatskim grobnicama nađene su zelene staklaste perle koje potiču iz doba 3.500 godina p.n e. Fizičko-hemijske osobine Staklo je materijal sa nesređenom molekulskom strukturom koja ne obrazuje kristalne rešetke, pa je zbog toga prozirno. Staklo nema tačno definisanu takčku topljenja. Zagrijavanjem najprije prelazi u plastično a zatim u tečno stanje i obrnuto. Osnovna sirovina za proizvodnju stakla je kvarcni pijesak (SiO 2). Ostali dodaci (njihova količina i vrsta) zavise od vrste i namjene stakla koje se želi proizvesti. Staklo je amorfna supstanca nastala hlađenjem i skrućivanjem rastopa bez kristalizacije. Staklom se smatra samo prozirni materijal koji nastaje od anorganskih silikatnih rastopa, mada su obzirom na sastav poznata i npr. metalna i organska stakla. Obično staklo propušta 90% svjetlosti a reflektuje 7 do 8% na obje površine po 3,5 do 4%. Obično staklo ima specifičnu masu 2.400 do 2.600 kg/m 3, dok je kod olovnog stakla 6.000 kg/m3. Hemijski sastav Silicijumdioksid Kalcijum oksid Natrijumoksid Magnezijumoksid Alminijumoksid

SiO2 CaO Na2O MgO Al2O3

% 69 – 74 5 – 12 12 – 16 0–6 0–3

Tvrdoća stakla po Mosu je 5-7, a za obično ravno staklo je oko 6. obično ravno staklo, u slučaju dejstva kratkotrajnog opterečenja, ima čvrstoću pri pritisku od 200 do mega paskala, dok je za oste uslove čvrstoća pri pritisku kristalnog stakla preko 1.000 MPa. Kada je staklo izloženo dugotrajnom opterećenju čvrstoća mu se smanjuje za 15 – 20%. Dobivanje stakla Mašinski dobivene staklene ploče proizvode se tek od 1913-te godine u Belgiji. Poznato je nekoliko postupaka dobivanja stakla (Fourcaultov, Colburnov, pittsburški, Float) ali se svi postupci svode ugrubo na sljedeće faze: miješanje sirovina (kvarc SiO2, oksidi metala, stakleni krš – čak do 30% starog stakla), topljene smjese na oko 1.200oC u kadnoj peći (koja se nekada zagrijavala sagorijevanjem drveta, zatim uglja, a danas i električnom energijom) pri čemu nastaje tekučina koja se dalje obrađuje: razvlačenjem – nastaje ravno staklo, duvanjem nastaju šuplje vrste stakla (sijalice) ili različito oblikovane sferne staklene figure (vazne, zdjele, čaše, itd), zatim hlađenje, sječenje na željene dimenzije i skladištenje. Rastaljena staklena masa se može obrađivati valjanjem. Npr. staklena masa se izlije na horizontalni sto sa ravnom ili

ornamentnom površinom. Zatim se preko mase prelazi valjkom čija površina može biti glatka ili ornamentisana. Ovako se mogu dobiti ploče različitih debljina. U ove vrste stakla spadaju:  Ornamentno liveno staklo se najčešće izrađuje upotrebom reljefnih valjaka kojima se valja izlivena staklena masa, čime se dobiju različiti ornamenti. Ovo staklo može biti bezbojno ili obojeno u masi. Primjenu je našlo kod zastkljivanja elemenata kod kojih se traži zahtjev za dovoljnom količinom svjetla, te za zaštitu od pogleda, npr škole, obdaništa, bolnice, industrijski pogoni, itd.  Armirano liveno staklo odlikuje se time što se kroz staklo pruža mreža žičanog pletiva. Značajno je spomenuti da je Venecija u periodu između 15 i 17 vijeka bila vodeći proizvođač staklenih zdjela, posuda od stakla, posuda za piće i ogledala koja se i danas nalaze izložena u Njemačkoj i Francuskoj. Uspjeh Venecijanskog stakla temelji se na izvanrednoj čistoći i bezbojnošću, kao posljedica dodataka pepela jedne obalske biljke, od mangana i arsenika kao sredstva za izbjeljivanje. Poznato je venecijansko Murano staklo od kog se izrađuje skupocjeni nakit. Vrste stakla a) Ravno staklo Ovo staklo prenosi talase iz domena vidljivog dijela sunčevog spekra, a ne prenosi infracrveno zračenje i talase manjih talasnih dužina. Na ovoj osobini se zasniva efekat „staklene bašte“ koji ima ogroman značaj za iskorištavanje sunčeve energije za zagrijavanje prostora. Zračenja koja prolaze kroz zastakljenu površinu na objektu padaju na unutrašnje površine. Usljed djelovanja ovih zraka sve se te površine zagrijavaju. Time se sva energija koja je ušla u prostor akumulira u njemu i zrači sa elemenata u unutrašnjosti objekta dok se ne postigne izjednačavanje temperature. Ukupna količina energije koja pada na stsklo ne prolazi u unutrašnjost, pošto se dio apsorbuje u samom staklu a dio reflektuje. Staklo ima dvostruki uticaj na toplotni bilans prostora:  zimi se na zastakljenju, usljed velikog koeficijenta prolaza toplote, javljaju veliki toplotni gubitci  zbog providnosti staklo je veliki izvor toplote, kako zimi (kada je to poželjno) tako i ljeti (kad je nepoželjno jer bitno smanjuje uslove komfora). U zavisnosti od odnosa između prenijet, reflektovane i apsorbovane energije razlikuju se: apsorbujuće, reflektujuće, fotohromatsko i bezbojno i obično staklo. b) Termoizolaciona stakla upotreba niskoemisionog stakla – stakla sa toplotno zaštitnim slojem za ostakljivanje velikih površina uzrokuje niske toplotne gubitke a istovremeno pruža osjećaj ugodnosti za korisnike tih prostora. To se postiže ostvarivanjem što manjih temperaturnih razlika u prostoru i zraka na unutrašnjoj strani ostakljenja, što omogučava i manje korištenje energije za zagrijavanje. c) Sunčano zaštitna stakla Sunčana zaštitna stakla se mogu podijeliti na:  apsorpcijska stakla za zaštitu od sunca sastavljena od u masi (prije obrade) obojenih float stakla. Ova stakla smanjuju propusnost sunčeve energije i vidljive svjetlsti, a istovremeno osiguravaju nisku odbojnost svjetlosti. Obojenost ovih stakala se postiže dodavanjem oksida metala

još u toku proizvodnje (u peći za topljenje). Izolacione moći ovog stakla zasnivaju se na apsorpciji infracrvenih zraka čime se propustnost smanjuje za 40% u odnosu na obično staklo.  Refleksna stakla nastaju izradom odgovarajućih prevlaka koje selektivno propuštaju, odnosno reflektuju sunčevo zračenje. Zavisno od toga da le se nanose pirolitičkim (uz visoke temperature) putem ili raspršivanjem u vakuumu, prevlake se postavljaju sa spoljašnje ili unutrašnje strane stakla.  Visoko selektivna stakla za zaštitu od sunca su stakla sa vakuumski višeslojno, pomoću pare, nanesenim veoma tankim slojevima metala, koji se uvijek nalaze sa unutrašnje strane vanjskog stakla. Odgovarajućim kombinacijama i debljinom njihovih slojeva obezbjeđuje se visoka transparentnost, niska propusnost sunčeve energije, niska refleksija svjetlosti, nizak koeficijent toplotne provodljivosti i neutralno obojeni pogled kroz staklo. d) Sigurnosna zaštitna stakla Sigurnosna stakla u koja ubrajamo armirano, kaljeno i lijepljeno staklo, prvenstveno su namijenjena da u slučaju loma osiguraju betbjednost ljudi. Ovdje spadaju:  Kaljeno staklo se dobiva termičkom obradom ravnog stakla. Na taj način se postiže da staklo postaje 4 do 6 puta otpornije na udar i 5 do 8 puta većom čvrstoćom pri savijanju od običnog ravnog stakla. Prilikom loma raspada se na sitne komade sa tupim ivicama. Obično se koristi kod automobila, te za vrata, plafone i pregrade u građevinarstvu.  Lijepljeno staklo je lamenirano staklo koga čine dvije ili više staklenih tabli međusobno povezanih umetnutim slojevima (od 2 do 16 slojeva) određenog providnog materijala (folije polivinilbutilrola debljine 0,4 do 0,75 mm). Debljina ovakvog stakla iznosi 5 do 65 mm. U slučaju loma naprsline odnosno mreže naprslina. Ako dođe do dezintegracije stakla komadići stakla ostaju vezani za sloj folije. Kada dođe do ovakve pojave staklo i dalje ostaje djelimično providno.  Stakla otporna na požar su mnogobrojna i na različite načine se suprostavljaju visokim temperaturama. U ovu grupu se ubrajaju i stakla koja čine dva kaljena ili dva kaljena stakla sa jednim običnim između njih. Elementi su uokvireni posebnim metalnim ramom, a praznina između tabli se ispunjava bezbojnim specijalnim materijalom koji u slučaju požara na temperaturama iznad 120 oC prelazi u pjenu. Ovo dovodi do toga da staklo postaje neprovodivo. Nakon što je stvorena pjena i termoizolacijski materijal staklo obezbjeđuje zaštituod požara u periodu od 30 do 90 minuta, što zavisi od broja međuslojeva. Debljina ovakvog stakla je do 7,5 cm. Ona istovremeno pružaju zaštitu od buke. e) Parapetni elementi – sunčano zaštitna stakla fasada- na poslovnim, upravnim i industrijskim zgradama sve više se susreću različite vrste stakla. Sve češće se nailazi na potpuno staklene zgrade. U ovim slučajevima potrebno je riješiti mnogobrojne energetske izazove. Treba težiti što većem protoku svjetlosti kako ne bi došlo do nepoželjnog pregrijavanja prostora tokom ljeta ili gubitka toplote tokom zime. Ta su stakla obično debljine 6 mm. f) Ostale staklene ogradne površine. Ostali proizvodi od stakla koji se, osim ravnog stakla, koriste u građevinarstvu, najčešće se dobivaju lijevanjem u

kalupe i eventualno presovanjem, ali i primjenom nekih drugih postupaka. Ovakvi proizvodi mogu biti puni ili šipkasti, providni ili prozračni, bezbojni ili bijeni, itd. Potrebno je pomenuti sljedeće vrste ovog stakla:  Puna ili šuplja tijela, za izvođenje prozračnih pregradnih elenemata ili međuspratnih konstrukcija (šuplji elementi se dobivaju spajanjem dvije „polutke“ u toplom stanju).  Profilisano liveno staklo poznato pod različitim trgovačkim imenima (profilit, formalit), a koristi se za jednostruko ili dvostruko zastakljivanje sportskih hala, industrijskih i poljoprivrednih objekata, stepenišnih prostora.  Stakleni crijep, koji se izrađuje u istim oblicima i dimenzijama kao i obični crijep.

ALUMINIJ I NJEGOVE OSOBINE Aluminijum je hemijski elemenat koji u periodnom sistemu elemenata nosi simbol Al, atomski broj mu je 13, a atomska masa 26,9815386. Srebreno-bijeli sjajan metalni elemenat koji pripada grupi 3 (3B) periodnog sistema elemenata. Talište mu je pri 660o C, a vrelište pri 2519o C. Sam metal je jako reaktivan, ali je zaštićen tankim prozirnim slojem oksida, koji brzo nastaje na zraku. Aluminijum i njegov oksid su amfoterni. Osobine aluminija 1. Mala gustoća (3.702 g/cm3) što ga svrstava u lake metale 2. Visoka provodljivost toplote 3. Visoka provodljivost elektriciteta 4. Legure aluminijuma su dosta čvrste 5. Teško se istroši, otporan je na koroziju 6. Lako se oblikuje 7. Visoka zastupljenost: Zemljina kora 8,3% RUDE ALUMINIJA Boksit Osnovna sirovina za dobijanje aluminijuma je heterogena ruda boksit. Prosječni sastav boksita je : 45-55% Al2O3 15-30% Fe2O3 1-7% SiO2 2-3% TiO2 12-30% konstitucijske vode Aluminijum oksid nalazi se u boksitu u tri hidratizirana oblika: -hidrargirit ili gibst -dijaspor

-bemit Koji se razlikuju po svojstvima kako je prikazano u tablici 1. Hidrargilit Bemit Sastav Al2O3 · 3H2O Al2O3 · H2O Kristalni sastav monoklinski rompski Relativna 2,42 3,01 gustoća,103kg/m3 Temp.dehidratacije 150 350 o C Dehidratacijom γ - Al2O3 γ - Al2O3 nastaje Sadržaj Al2O3

65,4

85

Dijaspor Al2O3 · H2O Rompski 3,44 450 α- Al2O3 85

Tablica 1. :Karakteristike aluminijevih oksida Kvaliteta boksita najviše zavisi o primjesama željeza i silicijuma. Prisutno željezo nema bitan uticaj pri Bayerovom procesu, jer nije topivo u NaOH. Ali ako ga ima više nastaje više crvenog mulja s kojim se gubi i više lužine. Željezo daje i crvenosmeđu boju boksitima. Ako boksiti sadrže svega 5% željeza, boja im je puno svjetlija pa se nazivaju bijelima. Prisutan silicijum reagira pri Bayerovom procesu s lužinom pa njegova količina mora biALUMINIJ I NJEGOVE OSOBINE Aluminijum je hemijski elemenat koji u periodnom sistemu elemenata nosi simbol Al, atomski broj mu je 13, a atomska masa 26,9815386. Srebreno-bijeli sjajan metalni elemenat koji pripada grupi 3 (3B) periodnog sistema elemenata. Talište mu je pri 660o C, a vrelište pri 2519o C. Sam metal je jako reaktivan, ali je zaštićen tankim prozirnim slojem oksida, koji brzo nastaje na zraku. Aluminijum i njegov oksid su amfoterni. Osobine aluminija 1. Mala gustoća (3.702 g/cm3) što ga svrstava u lake metale 2. Visoka provodljivost toplote 3. Visoka provodljivost elektriciteta 4. Legure aluminijuma su dosta čvrste 5. Teško se istroši, otporan je na koroziju 6. Lako se oblikuje 7. Visoka zastupljenost: Zemljina kora 8,3% RUDE ALUMINIJA Boksit Osnovna sirovina za dobijanje aluminijuma je heterogena ruda boksit. Prosječni sastav boksita je : 45-55% Al2O3 15-30% Fe2O3 1-7% SiO2 2-3% TiO2 12-30% konstitucijske vode

Aluminijum oksid nalazi se u boksitu u tri hidratizirana oblika: -hidrargirit ili gibst -dijaspor -bemit Koji se razlikuju po svojstvima kako je prikazano u tablici 1. Hidrargilit Bemit Sastav Al2O3 · 3H2O Al2O3 · H2O Kristalni sastav monoklinski rompski Relativna 2,42 3,01 gustoća,103kg/m3 Temp.dehidratacije 150 350 o C Dehidratacijom γ - Al2O3 γ - Al2O3 nastaje Sadržaj Al2O3

65,4

85

Dijaspor Al2O3 · H2O Rompski 3,44 450 α- Al2O3 85

Tablica 1. :Karakteristike aluminijevih oksida Kvaliteta boksita najviše zavisi o primjesama željeza i silicijuma. Prisutno željezo nema bitan uticaj pri Bayerovom procesu, jer nije topivo u NaOH. Ali ako ga ima više nastaje više crvenog mulja s kojim se gubi i više lužine. Željezo daje i crvenosmeđti ograničena. Proizvodnja aluminijuma je ekološki štetna jer se pri elektrolizi oslobađa otrovni flour, kojeg treba obavezno uhvatiti i pretvoriti u aluminijev flourid. Ostatak proizvodnje stvara tzv. „crveno blato“ koje je takođe ekološki štetno. Razlikujemo primarni i sekundarni aluminijum. Primarni aluminijum se dobiva iz boksita, a sekundarni aluminijum se sastoji iz recikliranog aluminijuma i ponovo se dobija tehnološkim postupkom iz otpada. Feldspat Je naziv za grupu vrlo važnih petrogenih minerala, koji izgrađuju više od 60% Zemljine kore. Ime dolazi od njemačkih riječi „feld“ što znači polje i „spar“ što je termin za svijetlo obojene minerale sa glatkom površinom. Feldspat minerali su najčešće svijetle boje, čvrstoće 6 na Mohsovoj skali. Njegova glavna hemijska formula je xAl(Al,Si)3O8 gdje x može biti natrij (Na) i/ili kalcij (Ca) i/ili kalij (K). Feldspati se mogu javiti i u intruzivnim i u efuzivnim magmatskim stijenama, što znači da mogu kristalisati i dok se magma nalazi u Zemljinoj kori, kao i kada se izlije na površinu. Takođe se mogu javiti u određenoj grupi metamorfnih stijena, kao i u mnogim sedimentnim stijenama. Grupa feldspata dijeli se na dvije podgrupe: alkalnefeldspate i plagioklase. Tinjci ili liskuni (Kal2(OH,F)2[AlSi3O10]) je zajedničko ime za grupu kompleksnih hidro kalijum-aluminijum silikatnih minerala koji se blago razlikuju u hemijskom sastavu. Imaju nizak koeficijent širenja, visoku dielektričnu snagu, dobru električnu otpornost, jedinstvenu dielektričnu konstantu i kapacitativnu stabilnost, koji su pozanti kao najbolji električni i termalni izolatori. U Korundu se također nalazi aluminijum, jer se korund kristalizirani oblik aluminij-oksida (Al2O3). Korund prozirne je boje se zove drago kamenje, crveni se naziva rubin, dok ga u svim ostalim bojama zovemo safir. Prema Mohsovoj skali korundova čvrstoća je izmjerana na 9,0, što ga čini drugom najčvršćom stvari na svijetu, odmah iza dijamanta.

Kriolit (Na3AlF6 natrij-heksafluoroaluminat) je rijedak mineral koji je eksploatiran na ogromnom nalazištu u Ivigututu, na zapadnoj obali Grenlanda, ali ga je nestalo 1987. Korišten je kao ruda aluminij kao i u proizvodnji boksita elektrolizom. Problemi u odvajanju oksigena od aluminija prevaziđeni su korištenjem kriolita za razdvajanje oksidnog minerala. Čisti kriolit se topi na temperaturi od 1012oC. TEHNOLOGIJA PROIZVODNJE ALUMINIJUMA Tehnički se aluminijum dobiva elektrolizom aluminijum-oksida u rastaljenom kriolitu. Aluminijum-oksid potreban za ovaj postupak mora biti veoma čist. Zato se dobijanje aluminijuma sastoji od dva radna procesa : -dobivanje čistog aluminijum oksida (tehnički naziv glinica) - elektroliza glinice Proizvodnja glinice Kao sirovina za proizvodnju čiste glinice služi isključivo boksit. Boksiti dolaze u prirodi onečišćeni sa više ili manje Fe2O3 i SiO2. Takozvani „crveni boksiti“ sadrže većinom (20-25%) Fe2O3 i (1-5%) SiO2, a „bijeli boksit“ samo 5% Fe2O3 ali do 25% SiO2. Ove nečistoće, uglavnom željezo (jer kao ishodni materijal za dobivanje aluminijuma služe najviše crveni boksit) mogu se ukloniti suhim ili mokrim raščinjavanjem. U našoj zemlji se primjenjuje mokri postupak, pa će on i biti objašnjen. Mokro raščinjavanje boksita Navešćemo Bayerov (A.Bayer) postupak. Boksit se samelje u prahu, a zaitm se mješa u „autoklavima“ s 35-50%-tnim rastvorom natrijum-hidroksida i zagrijava 6-8 sati, na temperaturi od 160o-170o i pritisku od 506,5-709,1 kPa (5-7 atmosfera). Pri ovom procesu postaju natrijum-silikat i natrijum-aluminat, Na[Al(OH)4], koji se rastvra u vodi, pa se dekantovanjem i cješenjem odvajaju od nerastvornog gvožđa (III), hidroksida: Al2O3 · 3H2O1 + 2NaOH = 2Na[Al(OH)4] Uvođenjem ugljen-dioksida u tako dobiven rastvor, razlaže se natrijum-aluminat i taloži u obliku aluminijum-hidroksida, koji se, poslije pranja, žari u peći na temperaturi od oko 1200 o, pri čemu se pretvara u Al2O3. Ovakvo dobiven aluminijum-oksid zove se, kod nas glinica: 2Na[Al(OH)4] + CO2 = 2Al(OH)3 + Na2CO3 + H2O 2Al(OH)3 = Al2O3 + 3H2O.

1

.Broj molekula vezane vode za Al2O3 nije stalan.

Slika 2.Bayerov postupak Elektroliza glinice Elektroliza aluminijum-oksida vrši se u specijalnoj elektrolitičkoj peći (ćeliji). Rastvoreni Al2O3 u kriolitu se disosuje: Al2O3 2Al3+ + 3O2Na3AlF6 katoda: 4Al3+ +12e- = 4Al (1) anoda: 3C + 6O2- = 3CO2(g) +12e-2 Ukupna reakcija ćelije: 4Al3+ + 3C + 6O2- = 4Al + 3CO2Elektrolitička se peć sastoji od gvozdene kade, koja je sa unutrašnje strane obložena grafitnom masom koja služi kao katoda (K). Kao anoda služi ugalj od petrol-koksa3. U peć se prvo stavlja vještački kriolit i kad se ovaj istopi postepeno se dodaje glinica. Proces se obično vrši pri temperaturi oko 930-950o, pri jačini struje od 20 000 do 50 000 ampera i naponu od 5-7 volti. Pošto rastop aluminijuma ima veću gustinu od istopljene smjese kriolit i Al2O3, skuplja se na dnu ćelije, odakle se svrenmenomna vreme vadi. Kiseonični jonovi na anodi reaguje sa ugljenom elektrodom gradeći prvo CO, a zatim CO 2. Usljed ove reakcije anoda se na dnu troši, pa se zbog toga povremeno dodaje nova masa petrol-koksa u (anodni) kalup.

2

.Osim kiseonika djelimično se oslobađa i fluor iz kriolita, koji isto tako reaguje sa grafitnom elektrodom. Pošto se ovaj dragocjeni mineral, kriolit, rijetko nalazi u prirodi, proizvodi se vještačkim putem. 3

.Industrijska proizvodnja aluminijuma jako zagađuje životnu sredinu, jer u okolinu ispušta oko 235 g policikličnih aromatičnih ugljovodonika po svakoj proizvedenoj toni aluminijuma. Od te količne (od 235 g) oko 15 g dolazi na jedan od najopasnijih karcinogena, benzapiren. Ovi ugljovodonici nastaju iz smole (katrana kamenog uglja), koja se upotrebljava kao vezivno sredstvo u izradi ugljenih elektroda.

Obično je na jednom mjestu instalirano više ovakvih elektroličnih peći. U crvenom otpadnom materijalu, koji preostaje poslije prerade glinice na aluminijumu, a sadrži gvožđe, otkrivene su znatne količne lantanoida. Poslije metala gvožđa danas se aluminijum najviše proizvodi. Aluminijum koji se dobiva na ovaj način, nije sasvim čist, već obično sadrži nešto gvožđa, bakra i silicijuma.

Slika 3.Elektroliza glinice OSNOVNI KORACI PRI PROIZVODNJI ALUMINIJA Od rude do željenog produkta Ukratko na slikama koje slijede prikazani su ključni postupci u proizvodnji aluminijuma: Prije svega geolozi ispituju stijene da procjene količinu prisutnog boksita, radi odluke o otvaranju rudnika. Boksit se obično nalazi blizu površine,pa ga je lako iskopavati. Cijeli pejzaž je prekriven crveno-smeđom boksitnom prašinom. Boksit iz rudnika se odvozi u tvornicu glinice čiji je konačan produkt bijeli prah aluminijumoksid tj. glinica. Glinica se prebacuje u drugo postrojenje za elektrolizu. Elektrolitski aluminijum se izvalči u limove i blokove te prodaje metalnoj industriji za proizvodnju brojnih finaknih proizvoda.

Od aluminijuma se proizvode limenke za razne napitke i hranu, folije i posuđe za domaćinstvo , bicikli, TV antene , električni kablovi, brodovi , avioni , pa čak i vasionski brodovi. PRIMJENA ALUMINIJA Građevinarstvo Od aluminija i lakih legura prave se : kompletne noseće konstrukcije kao npr. mostovi, tornjevi, montaže,elementi za fasade zgrada, krovovi prozori i vrata, razni arhitetonski elementi, elementi unutrašnje arhitekture, namještaj, obloge od aluminijske folije za zvučnu i toplinsku izolaciju. Elementi koji su izvrgnuti opasnosti od korozije npr. u industrijskoj atmosferi. Transportna sredstva : Upotreba aluminijskih legura na ovom području omogućava znatnu uštedu na težini,što se očituje povećanjem korisnog tereta. Aluminijske legure uptrebljavaju se za gradnju željezničkih putničkih teretnih vagona, gradskih vozila na šinama. Brodogradnja: Se koristi aluminijskim legurama ( uglavnom tipa Al-Mg ). Manji objekti grade se potpuno od aluminijskih legura, naručito čamci za spašavanje. U novije vrijeme izgrađeno je nekoliko tankera za tekuće gorivo i ulje potpuno od lakih legura. Elektrotehnika : Upotrebljava aluminij i njegove legure kao aktivni materijal koji provodi struju i kao pasivni za konstrukcije. Najviše služi za užad za dalekovode, i to ili kao uže u cjelosti od aluminijskih žica ili kao uže od aluminijum – čelika. Služi i za sprovodne kablove, antene itd. Hemijska i prehrambena industrija : Upotreblajvaju pregrejače, izmjenjivače toplote, hladnjače, kotlove, posude, ambalžu od lakih metala. Metalurgija : Metalurgija željeza i cinka upotrebljava aluminij kao sredstvo za dezoksidaciju, za poboljšanje otpornosti, protiv korozije na visokim temperaturama, za magnetske legure. Aluminij i njegove legure primjenjuju se na dalji niz područja kao što su npr. tekstilna industrija, rudarstvo, poljoprivreda, ribarstvo, vojna oprema itd.