Tworzywa mineralne

Tworzywa pochodzenia mineralnego to:

• Beton
• Ceramika
• Zaprawa wapienna
• Gips
• Metale
• Szkła

BETON

Beton to materiał budowlany utworzony ze stwardniałej mieszaniny cementu jako środka wiążącego oraz kruszywa w ilości do 85% (piasek, tłuczona cegła, żwir, żużel). Cement zarabia się wodą, miesza z kruszywem i pozostawia w odpowiedniej formie do związania i stwardnienia. W zależności od składu i ilości napełniaczy otrzymuje się betony ciężkie stosowane do otrzymywania żelbetonów, bardzo lekkie, specjalne bardzo porowate stosowane jako materiał termoizolacyjny. Betony odznaczają się bardzo małą wytrzymałością na rozciąganie i zginanie, a dużą na zgniatanie. Beton wzmocniony prętami stalowymi daje żelbeton  - tworzywo konstrukcyjne stosowane w budownictwie, odznaczające się doskonałą wytrzymałością mechaniczną. 

 ZAPRAWA WAPIENNA

Zaprawa wapienna to spoiwo budowlane, mieszanina wapna gaszonego (wodorotlenek wapniowy) z piaskiem. Mieszanina taka traci po paru godzinach plastyczność (proces wiązania) po czym następuje długotrwały proces twardnienia polegający na reakcji wodorotlenku wapniowego z dwutlenkiem węgla z powietrza i tworzeniu się węglanu:

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

Proce twardnienia przyspiesza się przez poddanie zaprawy wapiennej działaniu spalin z koksu. Obok zaprawy powietrznej znane są zaprawy hydrauliczne, np. cementowe twardniejące pod wodą.

GIPS

Gips (CaSO₄ 2H₂O) to minerał tworzący często samodzielne skały gipsowe, będące osadami chemicznymi. Gips podczas ogrzewania traci częściowo wodę i w temp. 120 - 130° przechodzi w gips palony CaSO₄ 1/2H₂O, który łatwo pobiera wodę i twardnieje.

Zastosowanie gipsu do:

• wyrobu kwasu siarkowego
• Cementu
• Nawozów
• Farb malarskich
• Odlewania rzeźb
• Wytwarzania form do odlewów
• Wyrobu sztucznego kamienia
• Ozdób architektonicznych
• W chirurgii do unieruchamiania części ciała w przypadku złamania kości

METALE

Metale topierwiastki chemiczne, których atomy mogą zastępować ulegające dysocjacji atomy wodoru kwasach, tworząc sole. Substancje proste tworzone przez metale charakteryzują się połyskiem metalicznym, kowalnością oraz dobrym przewodnictwem ciepła i elektryczności. Własności fizyczne i chemiczne metali związane są z ich budową atomową. Metale mają, obok całkowicie wypełnionych wewnętrznych powłok elektronowych, powłokę zawierającą niewielką liczbę elektronów i w związku z tym wykazują skłonność do oddawania tych elektronów i tworzenia jonów dodatnich (kationów). W substancjach prostych i związkach międzymetalicznych te słabiej związane elektrony zewnętrznej powłoki tworzą tzw. gaz elektronowy, powodujący dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne oraz wiążący ze sobą atomy metalu w ten sposób, że wiązania te nie ulęgają zerwaniu po przesunięciu się po sobie warstw atomów (stąd pochodzi kowalność metali).

Podział pierwiastków chemicznych na metale i niemetale nie da się przeprowadzić zupełnie ostro. Znana jest pewna liczba pierwiastków wykazujących typowe własności metali (np. sód, potas, wapń i inne) lub nie wykazujących żadnych własności metalicznych (typowe niemetale). Istnieje jednak wiele pierwiastków amfoterycznych zachowujących się obecności mocnych kwasów jak metale, a w obecności mocnych zasad jak niemetale, ale tworzących substancje proste charakteryzujące się cechami metalicznymi. Chemicznie najbardziej metalicznymi pierwiastkami są metale alkaliczne (litowce) i metale ziem alkalicznych (berylowce). Technicznie najważniejszym metalem jest żelazo, będące głównym składnikiem stali. Inne, poza żelazem, technicznie używane metale określa się nieraz nazwą metale lekkie o ciężarze właściwym do 4,5 g/cm³ (najważniejsze to glin, magnez, beryl) i metale ciężkie, o większym ciężarze właściwym. Wśród metali ciężkich wyróżnia się grupę metali kolorowych (np. miedź, cyna, cynk, ołów i inne), stosowanych do rozmaitych stopów, np. brązy, mosiądze, stopy łożyskowe. Chemicznie najodporniejsze są metale szlachetne – wszystkie platynowce, srebro, złoto. Metale szlachetne bardzo słabo reagują z innymi pierwiastkami, nie ulegając korozji, nie roztwarzają się w większości kwasów, nie reagują z wodą ani z gorącą parą wodną. Metale szlachetne s ą odporne na działanie stężonego kwasu solnego i innych kwasów beztlenowych. Roztwarzają się w kwasach tlenowych.

Olbrzymia większość pierwiastków w układzie okresowym to właśnie metale. Ze względu na własności rozróżnia się:

• metale alkaliczne - ze wzrostem ich liczby atomowej wzrastają ich własności zasadowe i metaliczne oraz reaktywność z wodą i powietrzem. Wszystkie, oprócz najmniej reaktywnego litu, reagują gwałtownie czy nawet wybuchowo (rubid) z wodą, wytwarzając gazowy wodór i wodorotlenek danego pierwiastka, zgodnie ze schematem:

2M + 2H₂O → 2MOH + H₂

Metale te są też na tyle reaktywne, że samorzutnie zapalają się na powietrzu

• metale ziem alkalicznych - są nieco mniej reaktywne od wyżej opisanych metali alkalicznych. Nie reagują z powietrzem (z wyjątkiem sproszkowanego magnezu), a z wodą tworzą odpowiednie wodorotlenki o dość silnych własnościach zasadowych (oprócz wodorotlenku berylu), jednak znacznie słabszych od metali z pierwszej grupy układu okresowego. Własności metaliczne, zasadowość i reaktywność wzrastają ze wzrostem ich liczby atomowej
• metale przejściowe - posiadają bardzo zróżnicowane własności chemiczne. Część posiada własności zbliżone do metali alkalicznych jest bardzo reaktywna, zapalając się już na powietrzu. Z kolei metale szlachetne, takie jak złoto czy platyna, nie reagują nawet z bardzo mocnymi kwasami i zasadami. To co łączy metale przejściowe to zdolność do tworzenia złożonych kompleksów, o intensywnym zabarwieniu (jak również wielobarwnych soli)
•  metale ziem rzadkich - ziemie rzadkie, zwane też lantanowcami, są 15 pierwiastkami z liczbą atomową 57 - 71 w układzie okresowym pierwiastków. Stanowią siódmą część wszystkich pierwiastków występujących w naturze. Znaczenie praktyczne mają np. Cer (Ce) – do produkcji szkła lub stali; Lantan (La)-do produkcji klisz rentgenowskich i katalizatorów do redukcji spalin; Europ (Eu) do otrzymywania barwy czerwonej w lampach kineskopowych; Samar (Sm) i Neodym (Nd) do produkcji wysokoenergetycznych materiałów magnetycznych.

Następujące najważniejsze cechy charakteryzujące substancje w stanie metalicznym:

a.  dobre przewodnictwo elektryczne i cieplne –

b. połysk metaliczny – ta cecha stanu metalicznego polega na zdolności odbijania światła, substancja w stanie metalicznym nie przepuszcza światła, natomiast substancje o budowie jonowej są z reguły przezroczyste dla promieni świetlnych. Połysk metaliczny uwidacznia się szczególnie na gładkich, polerowanych powierzchniach. W przypadku srebra odbicie światła od powierzchni dochodzi do 95%. Zjawisko to pozostaje również w związku z zawartością swobodnych elektronów w metalach.

c.  plastyczność – właściwa szczególnie pierwiastkom metalicznym o typowych strukturach metalicznych. Plastyczność czyli zdolność do trwałych odkształceń pod działaniem sił zewnętrznych należy do niezmiernie cennych wartości technologicznych, umożliwiających obróbkę mechaniczną (np. kucie, walcowanie) metali.

Cechy te wynikają z działania odrębnego typu wiązania chemicznego zwanego wiązaniem metalicznym. Spośród pozostałych typów wiązania chemicznego wyróżnia się ono istnieniem swobodnych, nie związanych z pojedynczymi atomami elektronów, wspólnie posiadanych przez wszystkie atomy metalu. Jakkolwiek stan metaliczny jest własnością, a nie rodzajem materii, to jednak dla uproszczenia substancje w stanie metalicznym określa się mianem metali. Metale w stanie gazowym nie wykazują cech charakteryzujących je w stanie stałym i ciekłym. Substancja metaliczna w stanie gazowym jest przezroczysta i nie przewodzi prądu elektrycznego w sposób metaliczny, lecz wymaga uprzednio zjonizowania, tak jak inne gazy. Metale w stanie gazowym mają cząsteczki jednoatomowe, natomiast cząsteczki innych gazów prostych (z wyjątkiem gazów szlachetnych) są dwuatomowe. Dla metali nie są znane rozpuszczalniki tego rodzaju jak dla substancji niemetalicznych. Wyjątkowo tylko skroplony amoniak rozpuszcza niektóre metale (litowce, cięższe berylowce).

Metale w stanie ciekłym na ogół rozpuszczają się wzajemnie, a więc tworzą jednorodną fazę ciekłą. Rzadziej spotykane są metale nie mieszające się ze sobą w stanie ciekłym, należą do nich np. żelazo i ołów. Niekiedy metale nie mieszają się w stanie ciekłym w pewnym zakresie składu ilościowego, zakres ten maleje wraz ze wzrostem temperatury.  (Cu – Pb).

Wśród pierwiastków metalicznych rozróżnia się  metale szlachetne i nieszlachetne. Metale szlachetne odznaczają się wielką odpornością na działania chemiczne, nie ulegają korozji atmosferycznej, czyli działaniu tlenu i wilgoci zawartej w powietrzu, i dlatego zachowują połysk metaliczny. Do metali tych należą: złoto, platyna, srebro, rtęć. W przeciwieństwie do nich metale nieszlachetne łatwo ulegają działaniu chemicznemu, a pod wpływem czynników atmosferycznych powlekają się warstwą tlenków lub wodorotlenków, tracąc przy tym połysk. Przed dalszą korozją chroni je niejednokrotnie wytworzona powierzchniowa warstwa tlenku chemicznie biernego i dlatego osłaniającego metal. Warstwa taka, nawet mikroskopowo niewidoczna, jak np. w przypadku chromu, żelaza, aluminium może działać bardzo skutecznie.

Ilościowe określenie szlachetności metalu znajduje swój wyraz w jego własnościach elektrochemicznych. Metal mniej szlachetny wypiera zawsze metal bardziej szlachetny z roztworu jego soli. Z roztworu soli miedziowej można wydzielić wolną miedź, zanurzając do niego kawałek żelaza, które jest mniej szlachetne od miedzi. Pewna ilość żelaza przejdzie do roztworu, a wydzieli się równoważna ilość miedzi. Podobnie z roztworu soli kadmu można wydzielić kadm przez zanurzenie do tego roztworu metalu jeszcze mniej szlachetnego od kadmu, np. cynku. Na tej zasadzie można ułożyć metale w charakterystyczny szereg:

wzrost szlachetności

-----------------------------------------------------------------------→

K Ca Al Mn Zn Fe Cd Co  Ni Sn Pb H₂ Cu Hg Ag Au

<-------------------------------------------------------------------------

spadek szlachetności

W szeregu tym każdy metal wydziela z roztworu wszystkie następujące po nim.

Wobec zajmowania przez wodór określonej pozycji w szeregu napięciowym można wytłumaczyć, dlaczego niektóre metale rozpuszczają się w rozcieńczonych kwasach HCl lub H₂SO₄, a inne, np. miedź, srebro, złoto nie ulegają ich działaniu. Rozpuszczanie się metali w kwasach polega na wypieraniu przez nie wodoru zawartego w roztworze w postaci kationów wodorowych. Wodór może być wyparty tylko przez metale poprzedzające go w szeregu napięciowym, położone zatem po stronie pierwiastków mniej szlachetnych. Rozładowują one jony wodorowe, same przechodząc w stan jonowy, podobnie jak to ma miejsce z cynkiem i z jonami miedziowymi. Proces rozpuszczania cynku w kwasie, a podobnie każdego innego nieszlachetnego metalu, przebiega według równania:

Zn + 2H⁺ →  Zn²⁺ + H₂

Nieszlachetny cynk oddaje elektrony jonom wodorowym, a sam przechodzi w stan jonowy. Metale szlachetne natomiast, jako leżące szeregu napięciowym za wodorem, nie rozpuszczają się w kwasach, gdyż nie mogą oddać swych elektronów mniej szlachetnemu do nich wodorowi.

Rozpuszczanie metali szlachetnych, jak np. złota w wodzie królewskiej, srebra w kwasie azotowym, miedzi w stężonym kwasie siarkowym lub kwasie solnym przy dostępie tlenu polega na procesie redukcji kwasu, a nie na wypieraniu wodoru. Przy rozpuszczaniu metalu szlachetnego w kwasie utleniającym nie wydziela się wodór, lecz produkty redukcji danego kwasu: z siarkowego dwutlenek siarki, a z kwasu azotowego lub wody królewskiej – tlenki azotu.

Szlachetność lub nieszlachetność metali związana jest ściśle z elektrochemicznym charakterem pierwiastka, miara zaś szlachetności metalu  jest potencjał elektrochemiczny jaki metal ten przyjmuje po zanurzeniu do roztworu swojej soli.

Istnieje wiele metod umożliwiających otrzymanie w stanie surowym albo chemicznie czystych metali z ich związków. Są one typowe dla tej kategorii pierwiastków chemicznych i mogą być stosowane zależnie od rodzaju metalu. Niektóre z tych metod są podstawą procesów metalurgicznych o doniosłym znaczeniu praktycznym, gdyż dzięki nim otrzymuje się ogromne ilości metali użytkowych. Procesy te można podzielić na trzy kategorie: redukcji, dysocjacji termicznej i wymiany.

Procesy redukcji:

1. za pomocą węgla: SnO₂ + 2C → Sn + 2CO

lub tlenku węgla: ZnO + CO → Zn + CO₂

2. za pomocą wodoru: WO₃ + 3H₂ → W + 3H₂O
3. za pomocą prądu elektrycznego: Cu²⁺ + 2e → Cu
4. za pomocą metali nieszlachetnych: Na, Ca, Al, Mg i Si, np.:

TiCl₄ + 4Na → Ti + 4NaCl

3Mn₃O₄ + 8Al → 9Mn + 4 Al₂O₃

Procesy dysocjacji termicznej:

5. Ni(CO)₄ → Ni + 4CO
6. ZrI₄ → Zr + 2I₂
7. NaN₃ → Na + 3/2 N₂

 Procesy wymiany:

8. Cu²⁺ + Fe → Cu + Fe²⁺

 Metale otrzymane za pomocą jednego z opisanych wyżej procesów metalurgicznych poddaje się niejednokrotnie ponownej przeróbce w celu uzyskania produktu o odpowiedniej czystości. W przypadku łatwiej lotnych metali Hg, Na, Mg, Zn stosuje się destylację w redukującej atmosferze wodoru lub w wysokiej próżni. Niekiedy działaniem jodu przeprowadza się surowe metale w jodki, otrzymane jodki, np. TiI₄, ponownie dysocjują termicznie, dając czysty metal (Ti, Zr). W wielu przypadkach stosuje się również rafinację elektrolityczną metali (można otrzymać często metale o stopniu czystości 99,99%, a nawet większym).

Szkło.

Szkło jest mieszaniną krzemianów w stanie szklistym. Stan taki uzyskuje się podczas przechładzania ciekłych stopów krzemianów. Substancje w stanie szklistym nie mają określonej temperatury topnienia, podczas ogrze­wania stopniowo miękną i przechodzą w stan ciekły. Skład zwykłego szkła okiennego wyraża się przybliżonym wzorem : Na₂O • CaO • 6SiO₂. Szkło otrzymuje się przez stapianie w specjalnych piecach mieszaniny sody Na₂CO₃, kredy CaCO₃ i białego piasku SiO₂. Chemizm procesu można przedsta­wić następująco. Najpierw powstają krzemiany sodu i wapnia, następnie krzemiany i krzemionkę stapia się na masę, którą stopniowo ochładza się. Często w produkcji szkła sodę zastępuje się siarczanem sodu i węglem. W celu otrzymywania szkła specjalnego zmienia się skład mieszaniny wyjściowej. Zastępując sodę Na₂CO₃ potażem K₂CO₃ otrzymuje się szkło trudno topliwe do aparatury chemicznej. Zastępując kredę tlenkiem ołowiu PbO otrzymuje szkło kryształowe. Dodatki do wyjściowej mieszaniny tlenków metali nadają szkłu różne zabarwienie. Tlenek chromu (III) Cr₂O₃ nadaje zabarwienie zie­lone, tlenek kobaltowy CoO - niebieskie, dwutlenek manganu MnO₃ -czerwono-liliowe itd. Ze szkła wytwarza,się włókna i tkaniny do celów technicznych.

Krzemiany, szczególnie zawierające dwa lub więcej kationów, skłonne są do krzepnięcia w postaci szkła. Najpospolitszym i najtańszym szkłem jest szkło butelkowe. Jest to szkło sodowe o przeciętnym  składzie:  Na₂O • CaO • 6SiO₂. Szkło to ma odcień brązowy lub zielonkawy i jest  bardzo mało odporne na działanie czynników chemicznych. Lepszym gatunkiem szkła, stosowanym do celów laboratoryjnych, jest szkło zawierające potas (szkło turyngskie): 1,68K₂O, l,25Na₂O, 0,67CaO, 0,3A1₂O₃. Jeszcze cenniejsze gatunki szkła laboratoryjnego zawierają trójtlenek boru, tlenek i inne składniki. Tablica poniżej podaje skład ilościowy kilku rodzajów szkła laboratoryjnego.

Rodzaj szkła	SiO2 %	B203 %	Na2O %	K2O %	MgO %	CaO %	A12O3 %	Fe2O3 %	BaO % - o ;
„Kavalier"	75,9		7,1	7,9	0,17	8,7	0,14	0,08
„Jena" laboratoryjne	75,3	7,6	5,7	0,8		1,1	6,2		3,5
„Supremax"	57,4	23,6	1,9	0,5	8,7	4,7	3,2
„Pyrex"	80,5	12,9	3,8	0,4			2,2

Niektóre gatunki szkła mogą zawierać znaczny procent tlenku ołowiu PbO. Używa się ich  do wyrobów zdobniczych, gdyż mają duży współczynnik załamania światła, natomiast chemicznie są mniej odporne. Służy ono także do ochrony przed szkodliwym działaniem  promieni rentgenowskich i γ. Liczne są gatunki szkieł specjalnych, używanych do celów optycznych (flint i crown), elektrycznych (izolatory, kondensatory) i chemicznych. Surowcami podstawowymi do produkcji szkła jest piasek o możliwie małej zawartości żelaza, soda, siarczan sodowy, potaż, węglan wapniowy. Mieszaniny o odpowiednio dobranym składzie wytapia się w wannach z materiałów ogniotrwałych, ogrzewanych gazami.

Nowym rodzajem szkła jest szkło skrystalizowane (Pyrokeram, Sitall). Dodatek pewnych substancji, np. dwutlenku tytanu TiO₂, do stopionej masy szkła działa jako ośrodki krystalizacyjne i powoduje jego krystalizację. Szkło zatraca przy tym swoją prze­zroczystość, ale zarazem swoją kruchość, a twardość wzrasta i ścieralność maleje. Współczynnik rozszerzalności cieplnej może być w szerokich granicach regulowany. Stosuje się m.in. ten rodzaj szkła jako powłoki ochronne na głowice rakiet, które wchodząc w at­mosferę ziemską bardzo silnie się nagrzewają.

Stan szklisty. Własności fizyczne. Struktura.

Stan fizyczny fazy stałej określanej mianem szkła różni się zasadniczo od stanu krystalicznego. Zazwyczaj porównuje ssę go ze stanem bezpostaciowym lub przechłodzonej cieczy. Zasadnicze cechy odróżniając; stan szklisty od krystalicznego są następujące:

1.  substancja krystaliczna ma stały i ściśle określony punkt topnienia, natomiast

2.  szkło mięknie na długo przed osiągnięciem stanu ciekłego, ma zatem cały przedział topnienia;

3.  szkło jest substancją izotropową, a kryształ anizotropową. Własności fizyczne

4.  szkła są we wszystkich kierunkach jednakowe, natomiast w krysztale takie własności jak współczynnik rozszerzalności termicznej, współczynnik załamania światła, przewod­nictwo elektryczne i inne zależą od rozpa­trywanego kierunku

5. substancja krystaliczna zmienia swoje własności fizyczne w punkcie topnienia skokowo na własności substancji ciekłej. Substancja szklista natomiast na długo przed osiągnięciem stanu wyraźnie ciekłego zmie­nia swe własności fizyczne stopniowo, bez tej skokowej zmiany, którą zauważyć mo­żna u substancji krystalicznej. Punkt, w którym dany rodzaj szkła najwydatniej zmienia własności substancji stałej na własności cieczy, nazywa się punktem (temperaturą) przemiany. Badania rentgenograficzne wykazały, że szkło zbudowane jest również z elementarnych tetraedrów  (SiO₄). W przeciwieństwie do krzemianów krystalicznych są one powiązane chaotycznie ze sobą.

Substancje krystaliczne cechuje długozakresowe uporządkowanie sieci przestrzennej, elementarne komórki sieciowe, zawierające atomy w ściśle określonych miejscach, powtarzają się okresowo w obrębie całego kryształu.

Substancje szkliste mają natomiast tylko uporządkowanie krótkiego zasięgu atomów, w przypadku szkła kwarcowego i krzemianów w postaci tetraedrów (SiO₄), z kolei chaotycznie miedzy sobą powiązanych. Powstaniu substancji szklistej sprzyja polimeryzacja fazy ciekłej, która może zwiększyć jej lepkość do tego stopnia, że nie powstanie możliwość uszeregowania składników w normalną sieć uporządkowania o długim zasięgu.

Stan szklisty nie jest ograniczony do kwarcu czy krzemianów. Trójtlenek boru i dwutlenek germanu, fluorek berylowy, metafosforany, tlenki, a nawet siarczki arsenu i antymonu, selen oraz liczne substancje organiczne mogą również występować w tej postaci. Stan szklisty nie jest trwałą formą fizyczną, lecz ma tendencję przejścia w stan krystaliczny.