METALE WOKÓŁ NAS

PROGRAM CEO 2012/2013

„Szkoła pełna zasobów” to kolejny program ekologiczny Centrum Edukacji Obywatelskiej, w którym wzięła udział młodzież z Gimnazjum im. Kazimierza Jagiellończyka w Rzgowie, reprezentowana przez dziewczęta z koła ekologicznego pod opieką nauczycielki chemii. Realizowałyśmy projekt „Metale wokół nas” . Doskonaliłyśmy wiedzę teoretyczną i praktyczną z zakresu pozyskiwania, właściwości, zastosowania i odzyskiwania metali oraz ich stopów.

ZASTOSOWANIE A WŁAŚCIWOŚCI • Metale to substancje, z którymi spotykamy się

na co dzień. Mówiąc o ich zastosowaniu można wiele wymieniać począwszy od złotej biżuterii, a skończywszy na ogromnych konstrukcjach. Zastosowanie jest ściśle związane z właściwościami tych pierwiastków, przede wszystkim ich aktywnością chemiczną.

• Mamy biżuterię, komputery, lodówki, pralki i inne sprzęty AGD, samochody, rowery, czy puszki aluminiowe… W każdym z naszych telefonów komórkowych zawarte jest aż 30 rodzajów różnych metali. Ruszyłyśmy tropem metali zaczynając od historii otrzymywania miedzi, cyny, cynku, brązu, a następnie wytapiania żelaza w średniowiecznych dymarkach, aż do współczesnego wielkiego pieca. Poznałyśmy metody zapobiegania korozji: malowanie, oliwienie, smarowanie, pokrywanie tworzywami sztucznymi, powlekanie chromem, niklem, cyną, cynkowanie, stosowanie protektorów. Nie można sobie wyobrazić współczesnego świata bez metali ziem rzadkich, które są wykorzystywane przy produkcji np. paneli słonecznych, komputerów i motoryzacji. Metale te są nieodłącznym elementem nowoczesnych technologii np. silników hybrydowych, indukcyjnych, monitorów LCD, turbin wiatrowych, systemów fotowoltaicznych… Aktywność chemiczna metali to ważna cecha, która decyduje o ich zastosowaniach i wyjaśnia wiele otaczających nas zjawisk, wśród nich korozję żelaznych przedmiotów, czy pasywację innych. Wiążąc teorię z praktyką wykonałyśmy szereg doświadczeń chemicznych, podczas których m. in. otrzymałyśmy „drzewo ze srebrną koroną”, lustro srebrne i miedź. Badałyśmy również aktywność chemiczną wybranych metali przez wypieranie ich przez inne metale z roztworów ich soli. To praktyczne wykorzystanie wiedzy pozwoliło nam na lepsze poznanie świata metali. Poznałyśmy właściwości i zastosowania tzw. metali szkodliwych. Służą one do produkcji ogniw galwanicznych nieodnawialnych zwanych potocznie bateriami. Składniki, z których są one zbudowane powodują, że tych ogniw nie możemy ponownie naładować. Akumulatory, czyli ogniwa odnawialne są tak zbudowane, że zachodzące w nich procesy można wielokrotnie powtarzać za pomocą ładowania. Metale: ołów, kadm, rtęć, nikiel, lit, cynk, mangan powodują, że po zużyciu ogniwa galwaniczne stają się odpadem niebezpiecznym!!! Guzikowa bateria srebrowa może skazić 1m3 gleby i zatruć 400 litrów wody!!! Wykonałyśmy barwną instalację przestrzenną „Wydobywamy zieleń z odpadów”. Przedstawiającą możliwość odzyskania z 27 kg komputera i monitora – 26 kg produktów, w tym: szkła , tworzyw sztucznych, stali, aluminium, miedzi, ołowiu… Obecnie prowadzimy zbiórkę zużytych baterii i telefonów komórkowych, które oddamy do recyklingu. Efekty naszych działań przedstawiamy poniżej. Zaprezentowałyśmy je również na wystawie gimnazjalnej podczas „drzwi otwartych”.

CO TO JEST METAL? Jest to pierwiastek posiadający swobodne elektrony.

Metal posiada połysk. Jest stosunkowo twardy, cechuje się dość wysokimi temperaturami wrzenia i topnienia, dzięki obróbce cieplnej można mu nadać odpowiedni kształt. Jest dobrym przewodnikiem ciepła i elektryczności.

SYMBOLIKA SUBSTANCJI

• W starożytności znane były metale: złoto, miedź, cyna, srebro, ołów, żelazo, rtęć.

• W średniowieczu odkryto: arsen, antymon, bizmut, cynk. • Substancje miały alegoryczne znaczenia np. metalom

nadawano nazwy planet. Słońce- złoto Księżyc- srebro Merkury- rtęć, Wenus- miedź Mars- żelazo

ODKRYCIE METALI

• Pierwszym metalem wykorzystywanym przez człowieka była miedź. Wykonywano z niej ostrza narzędzi i broni. Narzędzia miedziane zastąpiły narzędzia kamienne.

• Około 6 tys. lat temu człowiek zaczął wykorzystywać cynę, a szczególnie jej stop z miedzią nazywany brązem. Brąz w porównaniu do miedzi jest o wiele twardszy i wytrzymalszy.

ODKRYCIE ŻELAZA

• Pierwsze żelazo, jakie zaczął wykorzystywać człowiek, pochodziło z meteorytów spadających na Ziemię. Były to niewielkie ilości i nie zaspokajały potrzeb ludzkości. Ok. 3 tys. lat p.n.e. nauczono się otrzymywać żelazo z rud.

DYMARKI • Dymarki to urządzenia do wytapiania metali,

głównie rud żelaza

• Dymarki murowane pojawiły się w okresie średniowiecza. Był to piec niewielki, w kształcie sześcianu o boku 1m i niewielkim wgłębieniu w środku, które przed każdym wytopem wylepiane było gliną. W pierwszej części znajdował się duży otwór zalepiony na czas wytopu mieszaniną gliny i kamieni, przez który wyciągano kawałek żelaza (tzw. bochen żelazny).

• Dalsze zwiększenie wysokości dymarki oraz pewne jej zmiany doprowadziły do narodzin wielkiego pieca, który wyparł całkowicie znacznie mniej wydajną dymarkę

• Do dziś metale otrzymuje się w procesie wielkopiecowym.

Schemat wielkiego pieca

Wielki piec: piec szybowy do wytapiania surówki ze wsadu składającego się z rudy żelaza z dodatkiem koksu i topników.

PODZIAŁ RUD

rudy monometaliczne, rudy polimetaliczne

(zawierają więcej niż 1 metal),

rudy żelaza (magnetyt, hematyt, limonit; syderyt rudy cynku (blenda cynkowa, galman cynkowy)

rudy ołowiu (galena in. siarczek ołowiu)

rudy miedzi (chalkozyn; chalkopiryt;)

rudy metali nieżelaznych.

GEORGIUS AGRICOLA • Jest oczywiste, że w czasach Kazimierza

Jagiellończyka nie istniała chemia jako oddzielna nauka, ale już wówczas ludzi interesowało wytapianie metali z rud. „Europejskim ojcem chemii stosowanej i mineralogii” był niemiecki uczony Georgius Agricola, żyjący na przełomie XV i XVI w. Wydał pierwszy podręcznik górnictwa i technologii hutniczej, który przez setki lat był jedynym poważnym źródłem wiedzy z tej dziedziny. Był też autorem pracy o sposobach nauczania młodzieży, poprzez doświadczenie i obserwację.

MIEDŹ

• Ze względu na duże zapotrzebowanie i stosunkowo małe zasoby naturalne miedź stanowi cenny materiał. Większość miedzi wydobywa się jako siarczek w kopalniach odkrywkowych ze złóż porfiru miedziowego zawierającego do 1% miedzi.

Zastosowanie

Jest masowo wykorzystywana jako surowiec do produkcji przewodów elektrycznych i ogólnie w elektronice, a także w budownictwie (pokrycie dachów, elementy różnych instalacji), jako barwnik szkła oraz katalizator.

Miedź jest dodawana do wielu stopów, zarówno do stali jak i do stopów aluminium. Jest też dodawana do srebra i złota poprawiając znacznie ich własności mechaniczne.

CYNA

• Cyny używa się do powlekania blachy żelaznej stosowanej do wyrobu puszek konserwowych. Stopy cyny z ołowiem używane są jako stopy czcionkowe i luty. Do wyrobu sprężyn, łożysk, dzwonów służą stopy miedzi z cyną - brązy. Tlenek cyny SnO2 używany jest do otrzymywania szkła mlecznego, do emaliowania naczyń żelaznych. Siarczek cynowy SnS2 stosuje się jako sztuczną pozłotę.

GLIN

• Stopy glinu z miedzią i molibdenem zwane duraluminium znalazły wiele zastosowań i są używane do wyrobu: od puszek do napojów do części statków kosmicznych. Czysty, krystaliczny glin jest kruchy i łamliwy. W pirotechnice amatorskiej glin jest używany do robienia domowych petard. Sproszkowany glin używany jest także w hutnictwie do otrzymywania metali z ich tlenków w procesie aluminotermii.

WOLFRAM

Wolfram stosowany jest jako dodatek do wysokogatunkowej stali, z jego stopów sporządza się elektrody lamp elektronowych i rentgenowskich, włókna żarowe itp. Węglik wolframu dzięki niezwykłej twardości służy do wyrobu materiałów ściernych i narzędzi - jest głównym składnikiem widii. Ze względu na wysoką twardość i ciężar właściwy jest używany do produkcji rdzeni podkalibrowych pocisków przeciwpacernych oraz kompozytowych pocisków pełnokalibrowych.

STOPY METALI

STAL

BRĄZ

MOSIĄDZ

STOPY ALUMINIUM

STOP METALI

Mieszanina metali lub metalu z pierwiastkami niemetalicznymi, o właściwościach metalu.

Stopy uzyskuje się przez stopienie składników, a następnie schłodzenie. Stop najczęściej posiada odmienne właściwości od jego elementów składowych, w niektórych przypadkach nawet niewielkie dodatki wpływają znacznie na właściwości stopu.

Panele ze stali nierdzewnej zostały użyte do wyłożenia ścian, stropów oraz schodów ruchomych na stacjach londyńskiego metra. Wybrano właśnie stal nierdzewną , gdyż jest odporna zarówno na korozję, jak i na ogień, a poza tym bardzo łatwo utrzymać ją w należytej czystości.

STAL

Stal manganowa zawiera około 1% węgla i 11 do 14% manganu. Używa się jej do wytwarzania elementów narażonych na wzmożone ścieranie, przykładowo zębów do łyżek koparek. Typowa stal nierdzewna, znana jako 18-8, składa się z żelaza oraz 18% chromu, 8% niklu oraz 0,08% węgla. Inne odmiany stali nierdzewnej zawierają od 12 do 30% chromu, często wraz z mniejszymi ilościami innych metali, jak nikiel, molibden czy miedź. Stopy te są szeroko stosowane w przemyśle oraz w wyrobach codziennego użytku. Wykonuje się z nich łożyska kulkowe, instalacje w fabrykach chemicznych, łopatki turbin, zlewozmywaki i sztućce.

BRĄZ Brąz jest najstarszym znanym stopem. Pierwotnie składał się z 75% miedzi oraz 25% cyny. Dzisiaj nazwa brąz odnosi się do szerokiej gamy stopów na bazie miedzi, zawierających różne dodatki, a niekiedy zupełnie nie zawierających cyny. Spośród najważniejszych odmian brązu należy wymienić fosforobrązy, wytwarzane przez dodanie do 0,5% fosforu do brązu o zawartości 85-90% miedzi. Przy zawartości fosforu nie większej niż 0,3% stop jest sprężysty i niemagnetyczny. Te własności decydują o jego szerokim zastosowaniu w przekaźnikach elektromagnetycznych. Styki wykonane z takiego stopu łatwo złączyć, a jako że nie ulegają namagnesowaniu, po ustaniu działania siły ściskającej łatwo się rozłączają, przerywając przepływ prądu w obwodzie. Gdy zawartość fosforu jest wyższa od 0,3% to stop staje się znacznie twardszy, wskutek powstawania w nim fosforku miedzi. Ta twarda forma fosforobrązu jest z kolei używana do wytwarzania łożysk w silnikach.

SPIŻ Spiż jest odmianą brązu zawierającą cynk. Normalny spiż zawiera około 88% miedzi,

8-10% cyny oraz 2-4% cynku. Spiż niklowy zawiera oprócz tego do 5% niklu, a spiże ołowiowe do 5% ołowiu. Spiżu używano pierwotnie do wyrobu luf armatnich oraz dzwonów. Dziś stosuje się go w różnych drobnych elementach, w tym do produkcji łożysk

BRĄZ ALUMINIOWY czyli brązal, jest stopem miedzi i aluminium, często z niewielkim dodatkiem innych metali, na przykład niklu, żelaza lub manganu. Mimo że nazywany brązem, stop ten zwykle nie zawiera w ogóle cyny. Brązal jest tak wytrzymały, jak miękka stal i cechuje się doskonałą odpornością na korozje, w tym także na działanie rozcieńczonych kwasów. Wytwarza się zeń śruby okrętowe, elementy hydrauliki siłowej oraz elementy instalacji przemysłu chemicznego, jak kwasoodporne zbiorniki i pompy.

MOSIĄDZ Mosiądz to stop miedzi i cynku, łączonych ze sobą w różnych proporcjach. Do tego podstawowego składu dodaje się często inne metale, przykładowo cynę, ołów i aluminium. Dawniej instrumenty pomiarowe, wagi, odważniki i tym podobne wykonywano z mosiądzu, często lakierując powierzchnie w celu zapobiegnięcia matowieniu. Dziś mosiądz został zastąpiony stalą nierdzewną i innymi stopami. Mosiądz łuskowy składa się w 70% z miedzi i w 30% z cynku. Stop ten jest bardzo ciągliwy (można zeń łatwo wyciągać cienkie druty), lecz wobec tego ma małą wytrzymałość na rozciąganie. Pierwszy raz zastosowano go do wytwarzania łusek do pocisków, co zresztą czyni się do dziś. Prócz tego wyrabia się zeń zawory i złączki wodociągowe oraz stopki żarówek.

Mosiądz o dużej wytrzymałości na rozciąganie, twardszy i wytrzymalszy od mosiądzu łuskowego, produkowany jest przez stopienie miedzi i cynku z dodatkiem manganu, żelaza, cyny, ołowiu i aluminium. Jest to materiał łatwy do obróbki i do odlewania. Produkuje się z niego między innymi śruby okrętowe. Znane są również inne odmiany mosiądzu, wytwarzane dla specyficznych zastosowań, są to miedzy innymi takie dziedziny jak zdobnictwo, wtyczki i gniazda elektryczne, przekładnie. Stopem z grupy mosiądzów jest również nowe srebro, czyli argentan lub po prostu mosiądz wysokoniklowy. Stop ten składa się z miedzi (normalnie około 65%), cynku (około 17%) oraz niklu (18%). Nowe srebro nie zawiera w sobie ani grama srebra, jednak swym wyglądem bardzo przypomina ten szlachetny metal. Jest szeroko stosowane do wyrobu sztućców. Wytworzone zeń sztućce zwykle bywają następnie pokrywane (platerowane) srebrem. Większość złotej biżuterii wytwarzana jest ze stopów złota z innymi metalami (głównie z miedzią), gdyż charakteryzują się one dużo większą twardością. Podawana ilość karatów (K) oznacza wagowo ilość części złota na 24 części stopu.

STOPY ALUMINIUM Stopy aluminium mają stosunkowo krótką historię, gdyż ich wytwarzanie zaczęto w XX wieku. Nadające się do odlewania stopy aluminium zawierają do 15% krzemu oraz niewielkie dodatki metali, takich jak cynk, miedź, żelazo, nikiel i mangan. Z tych lekkich stopów odlewane są bloki cylindrów, inne elementy silników spalinowych, a także elementy kadłubów samolotów. Stopy aluminium nadające się do kształtowania w trakcie takich procesów jak kucie, walcowanie lub ciągnięcie zawierają około 7% magnezu i około 1% manganu. Bardzo wytrzymałe stopy z tej grupy, używane w przemyśle lotniczym zawierają 5% cynku i mniejsze ilości miedzi, magnezu i manganu.

DURALUMINIUM

Lekki i wytrzymały stop, zastosowany przy produkcji sterowców i samolotów. Dziś stopy tego rodzaju używane są również w przemyśle kosmicznym. Skład ich zmienia się, ale zwykle

zawierają one, oprócz aluminium, 3,5-4,5% miedzi, po 0,4-0,7% magnezu i manganu oraz do 0,7% krzemu. Zmniejszenie wagi statków powietrznych owocuje zmniejszeniem zużycia paliwa.

Pierwsze śmigłowce EH101 z początku lat osiemdziesiątych XX wieku pojawiły się, zanim ultralekkie stopy aluminiowo-litowe stały się dostępne na rynku. Potem użyto tego materiału, zastępując nim niektóre aluminiowe elementy śmigłowca, co pozwoliło na redukcje jego masy

o ponad 200 kg.

1.Gwoździe w powietrzu 2.Gwoździe z olejem

3.Gwoździe z wodą

4.Gwoździe ze słoną wodą

Badanie wpływu różnych czynników na metale - gwoździe

ZAPOBIEGANIE KOROZJI

• Malowanie - statki, samochody i konstrukcje stalowe np. mosty pokrywa się odpowiednimi farbami i lakierami.

• Oliwienie i smarowanie – to najpopularniejszy sposób zabezpieczania ruchomych części mechanizmów.

ZAPOBIEGANIE KOROZJI

• Pokrywanie tworzywami sztucznymi – lodówki, zamrażarki i wiele innych sprzętów gospodarstwa domowego chroni się przed korozją, pokrywając je tworzywami sztucznymi, np. PCW

• Powlekanie metalem – stalowe puszki do konserw pokrywa się wewnątrz cienką warstwą cyny, która jest mniej aktywna od żelaza, wolniej więc ulega korozji.

• Powlekanie elektrolityczne niklem, a następnie chromem stosuje się do niektórych typów kranów, rowerów, motocykli…

ZAPOBIEGANIE KOROZJI

• Cynkowanie – to proces polegający na zanurzaniu przedmiotów w roztopionym cynku. Na powierzchni przedmiotu zostaje cienka warstwa cynku. Jeżeli nawet powierzchnia cynku zostaje uszkodzona, żelazo nie rdzewieje, ponieważ cynk jest bardziej aktywny od żelaza i to on będzie wchodził w reakcje z substancjami z otoczenia.

ZAPOBIEGANIE KOROZJI

• Ochrona protektorowa – w celu zabezpieczenia statków przed korozją w ich kadłubach umieszcza się cynkowe sztaby – protektory. Gdy protektor cynkowy ulegnie całkowitemu skorodowaniu, wymienia się go na nowy. Rurociągi wodne i gazowe, wykonane z żelaza i stali, łączy się blokami magnezu. Magnez podobnie jak cynk jest metalem bardziej aktywnym i korodując , czyli tracąc elektrony na rzecz żelaza – ochrania je.

METALE SZLACHETNE • Złoto-Złoto stanowi podstawę systemów monetarnych;

używane jest do wyrobu monet. Ma zastosowanie w elektronice (do wyrobu złączy). Do „złocenia" innych metali, produkcji specjalnego szkła, jest składnikiem szlachetnych stopów, ma zastosowanie w medycynie i w stomatologii. Złoto w czystej postaci jest zbyt miękkie do wykonania biżuterii. W tym celu używa się twardszych stopów z innymi metalami, głównie miedzią.

• Srebro-znajdują liczne zastosowania w przemyśle, elektrotechnice, jubilerstwie i fotografii.

• Platyna- jest wykorzystywana jako katalizator w reakcjach chemicznych.

ZŁOŻA ŻELAZA

ZASOBY METALI ZIEM RZADKICH • Przyszłość przemysłów wytwarzających wysoce precyzyjne,

nowe technologie wykorzystywane przy produkcji np. paneli słonecznych, komputerów i motoryzacji, zależy od dostępu do tzw. metali ziem rzadkich. W erze zielonej rewolucji energetycznej dostęp do tych metali to dla wielu krajów „być albo nie być”. Na terenie Chin znajduje się blisko 58% globalnych zasobów. Rosja i Wspólnoty Niepodległych Państw - 13 % światowych zasobów, USA - 9%, Australia ok 4%, a pozostałe państwa 15%. Metale te są nieodłącznym elementem nowoczesnych technologii np. silników hybrydowych, indukcyjnych, monitorów LCD, turbin wiatrowych , systemów fotowoltaicznych…

METALE ZIEM RZADKICH

• Nazwa zwyczajowa rodziny 17 pierwiastków chemicznych, w skład której wchodzi 15 lantanowców: lantan, cer, prazeodym, neodym, promet, samar, europ, gadolin, terb, dysproz, holm, erb, tul, iterb, lutet oraz skand i itr, które współwystępują w minerałach zawierających lantanowce i mają podobne właściwości chemiczne. Stanowią siódmą część wszystkich pierwiastków występujących w naturze. Spotykane są zazwyczaj w formie węglanów, tlenków, fosforanów i krzemianów.

• Znaczenie praktyczne mają m.in:

• cer - do produkcji szkła i stali

• lantan - do produkcji klisz rentgenowskich i katalizatorów do redukcji spalin

• europ - do produkcji czerwonego fosforu w ekranach CRT

• gadolin- do produkcji zielonego fosforu w ekranach CRT

i scyntylatorów w obrazowaniu rentgenowskim

• samar i neodym do produkcji wysokoenergetycznych materiałów magnetycznych

• erb - do budowy laserów i wzmacniaczy optycznych

• promet - do produkcji baterii jądrowych

METALE SZKODLIWE ?

OŁÓW

• Ma właściwości mutagenne (powoduje zmiany w komórkach)

• Działa toksycznie na układ nerwowy • Jest rakotwórczy • Obniża płodność, zaburza owulacje • Powoduje długotrwałe choroby nerek • Jest przyczyną dysfunkcji przewodu pokarmowego • Jego obecność naraża dzieci na niedokrwistość • U dorosłych przyczynia się do zaburzeń układu

sercowo- naczyniowego

KADM

• Zaburza działanie nerek oraz układu rozrodczego

• Powoduje nadciśnienie

• Powoduje deformacje szkieletu na skutek zaburzeń metabolizmu wapnia

• Powoduje rozrzedzenie struktury kości

• Wypiera cynk ze ścian tętnic, przyspiesza miażdżycę

• 90% narażenia na kadm to baterie Cd - Ni

RTĘĆ

• Działa na ośrodkowy układ nerwowy

• Blokuje przepuszczalność błony komórkowej

• Powoduje bezsenność, zawroty głowy, zmęczenie, stany depresyjne, osłabienie pamięci i koordynacji ruchów, osłabienie ostrości wzroku o słuchu, drżenie rąk, uszkadza nerki i powoduje nadciśnienie, deformuje kości

NIKIEL • Obniża poziom magnezu i cynku w organach

• Uszkadza błony śluzowe

• Powoduje odczyny alergiczne

• Zmienia chromosomy

• Powoduje zmiany w szpiku kostnym

• Może przyczynić się do rozwoju komórek nowotworowych

LIT

• Toksyczny dla wielu narządów

• powoduje zatrucia, obrzęk ślinianek, nudności, wymioty, biegunkę…

• Objawy toksyczne dotyczą również tarczycy

PROMIENIOTWÓRCZE

METALI ŻYCIE PO ZUŻYCIU

• Z 1 tony starych telefonów komórkowych można odzyskać średnio: 150 gramów złota, 100 kilogramów miedzi, 3 kilogramy srebra

WYDOBYWAMY ZIELEŃ Z ODPADÓW

• Ze zużytego komputera i monitora o wadze 27 kg możemy odzyskać m. in:

BADAMY METALE

• „Srebrna choinka”

„Lustro srebrne”

„POSREBRZAMY”

BADAMY AKTYWNOŚĆ CHEMICZNĄ METALI – WYPIERANIE METALI

PRZEZ INNE METALE Z ROZTWORÓW ICH SOLI

REAKCJE MIEDZI Z ROZTWORAMI KWASU AZOTOWEGO (V)

Wpływ kwasów i soli metali ciężkich na wzrost rzeżuchy

Metale w wodzie mineralnej „MILUSIA” – zdrój w Muszynie

METALE W JAJKU KURZYM

• 26,5 mg wapnia, 0,9 mg żelaza, 6,0 mg magnezu, 67,0 mg potasu, 70,0 mg sodu, 0,6 mg cynku, 0,1 mg miedzi,

KOŁO CHEMICZNE 2012/2013r.

Agnieszka Fryczka Natalia Gajda Martyna Łęgocka Aleksandra Stasiczka Dominika Chrzanowska opiekunka - Emilia Nowacka