Podle
původu rozdělujeme suroviny chemického průmyslu na nerostné, fosilní, rostlinné
a živočišné.
vzduch,
voda, síra, sůl kamenná, chlorid draselný, síran draselný, síran hořečnatý,
vápenec, magnezit, dolomit, sádrovec, těživec, fosforit, kazivec, pyrit,
kaolín, písek (křemičitany).
uhlí
(černé, hnědé, lignit, rašelina), zemní plyn, ropa, zemní vosk, přírodní
asfalt, pryskyřice, guano.
řepa
cukrovka, obilí, brambory, dřevo, rostlinná vlákna (bavlna, len, konopí),
mořské řasy, rostlinná semena, rostlinné šťávy, přírodní kaučuk, balzámy,
květy, listy, kry a plody.
mléko,
med, tuky, vosky, kůže (rohy, kopyta, srst, peří, hedvábí), kosti, maso, krev,
vnitřnosti, vejce.
Je
třeba rozlišovat mezi přípravou látky a její výrobou.
Příprava
látky se většinou provádí
v chemické laboratoři v malém
množství, na poměrně jednoduchém zařízení a její uskutečnění bývá ve
srovnání s výrobou relativně rychlé. Množství a čistotu připravené látky
může experimentátor ovlivňovat podle svých potřeb. Produkt je při přípravě
často získán v takové formě, že je nutno jej ihned použít. Chemické děje
využívané při přípravě látek se však málokdy využívají v průmyslovém
měřítku, protože by byly velice finančně nákladné, protože jako výchozí
suroviny se často používají poměrně drahé chemické látky, které se
v přírodě nevyskytují a napřed musely být vyrobeny.
Výrobou
látky rozumíme její získání ve velkém množství, přičemž produkt se
buď ihned využije k další výrobě, nebo je určen na prodej. Zařízení pro
výrobu bývají obvykle složitá a finančně nákladná (často se jedná o celé
továrny). Investice do zařízení se vrací tím, že k výrobě se používají buď
přírodní suroviny (ropa, zemní plyn, různé rudy, vzduch) nebo látky
z nich co nejjednodušeji získané, případně suroviny recyklované (kovový
šrot, recyklované sklo, papír,...) a také tím, že provoz běží ve velkém
měřítku.
Velmi
často platí, že je-li nějakou látku možno získat fyzikálním dějem, je to
finančně výhodnější, než ji získávat dějem chemickým, přestože tato cesta může
být náročnější časově i přístrojově. Může-li tedy látka být vyrobena fyzikální
cestou, často se toho využívá.
Kyslík se v chemické laboratoři připravuje např. zahříváním
manganistanu draselného a zachytává se do nádoby na principu vytlačování vody.
Manganistan draselný je poměrně drahý, získaný kyslík je v nádobě pod
atmosférickým tlakem (a tedy zabere „moc místa“), navíc z něj snadno
„uteče“. Zahřát KMnO4 ve zkumavce však je velmi snadné a manipulace
se získaným kyslíkem je relativně snadná a bezpečná.
Výroba kyslíku se provádí destilací vzduchu. Vzduch je
v přírodě ve velkém měřítku nesrovnatelně dostupnější než KMnO4,
jako surovina je tedy mnohem lacinější. Zařízení na destilaci vzduchu (resp.
jeho zkapalňování) je však velice drahé a složité a laik ho není schopen
obsluhovat. Získaný kyslík se pak plní do tlakových lahví, ve kterých je možno
dlouhodobě skladovat velké množství čistého kyslíku. Lahve jsou však velmi
těžké, takže např. ženy s nimi nesmějí manipulovat. Při špatné manupulaci
s nimi může dojít k explozi.
Úkoly:
1) Byly navrženy dva způsoby
získání chloru:
a)
reakce KMnO4
s HCl
b)
elektrolytický
rozklad roztoku NaCl.
Která možnost se hodí pro
přípravu a která pro výrobu?
2) Chlorid sodný je možno
v přímořských oblastech získat buď odpařováním a přečištěním mořské vody,
nebo reakcí HCl s NaOH. Který způsob použijete pro přípravu a který pro
výrobu?
úprava
a čištění vody – podrobnosti zde,
podklady pro práci s videem zde.
kyslík,
dusík a vzácné plyny se získávají destilací vzduchu – podrobněji zde.
Sádra se vyrábí pálením (zahříváním na vysokou teplotu) sádrovce. Sádrovec
se po ztrátě vody mění na sádru. Při použití sádry je nutno přidávat sádru do
vody (ne naopak) za stálého míchání, až vznikne hustá kaše. Tuhnutí sádry je
přeměna sádry zpět na sádrovec (příjem vody). Při tuhnutí se sádra zahřívá a
asi o 1 % zvětšuje svůj objem.
Vápno se vyrábí tepelným rozkladem vápence nebo dolomitu. Takto vzniká tzv.
pálené vápno. Pálené vápno se velmi ochotně reaguje s vodou za vzniku tzv.
hašeného vápna. Podle obsahu vody se dělí na hašené vápno práškovité (leštění
kovů), vápennou kaši (k přípravě malty), vápenné mléko (k dezinfekci) a
vápennou vodu. Při tuhnutí malty se
z hašeného vápna odpařuje voda a hašené vápno se mění na vápenec.
Cementy jsou materiály, které rozemlety a smíchány
s vápnem tuhnou na vzduchu i ve vodě. Používali je již staří Římané při
stavbě vodních staveb. Portlandský cement: vápenec, hlíny, případně strusky
z vysoké pece. Jsou i jiné druhy cementů.
Základem
keramického průmyslu je všeobecná vlastnost hlín, že rozmíchány s vodou dávají
plastické hmoty, které vypáleny trvale tvrdnou na výrobky ve vodě stálé. Hlavní
suroviny keramického průmyslu jsou hlíny.
Nejčistší hlína je kaolín.
Pomocnými surovinami jsou: ostřiva
(písek, křemen, šamot) – zmenšují smršťování hlíny při vypalování, zabraňují
tak trhání výrobků při vypalování
taviva (živce, slídy, vápenec, dolomit) – zhutňují výrobek, někdy se
přidávají do glazur
barvy: dávají hotovému výrobku barvu
glazury: tvoří na výrobku skelné povlaky ® lesk, vodonepropustnost.
dělíme
na minerální barvy (pigmenty) a barviva. Minerální barvy jsou anorganické
látky, práškovité sloučeniny některých kovů. Jsou původu buď přírodního, nebo
umělého. Barviva jsou složité organické sloučeniny, vesměs umělého původu.
Přírodní barviva (karmín, indigo) dnes již ztratila svůj původní význam.
Výroba
skla včetně jeho barvení byla známa (podle nálezů v pyramidách) ve Starém
Egyptě ve 3. tisíciletí př. n. l. Z Egypta se umění vyrábět sklo přeneslo
do středozemí, zejména do Benátek. U nás se vyrábělo již v 10. století,
ale výroba našeho světoznámého broušeného křišťálu se datuje až od počátku 16.
století.
Sklo
je směs křemičitanů a kovových oxidů. Vyrábí se roztavením vhodných surovin
(viz dále). Ochlazením hmota přechází ze stavu kapalného do stavu pevného, aniž
se přitom měnila její stejnorodost (homogenita). Sklo je tedy ztuhlý roztok.
Suroviny k výrobě skla: sklářský písek (křemen). Křemenné sklo je nejčistší, používané v laboratořích,
v optických přístrojích apod. Nejlevnější sklo (sodnovápenaté) – na láhve, okenní tabule apod. se vyrábí tavením
sklářského písku se sodou. Skla
s velkým obsahem olova se používají na broušení napodobenin drahokamů
pro bižutérii (velká lámavost světla). Čedičové
sklo se používá na pivní láhve.
je
problematika velmi široká a přesahuje rámec tohoto studijního materiálu.
je
pro chemický průmysl velmi důležitá, protože kyseliny a hydroxidy jsou
nezastupitelné polotovary chemického průmyslu. Je to však problematika chemicky
specializovaná a poměrně složitá, takže se jí nebudeme podrobněji zabývat.
Řekneme si jen tolik, že řada výrob kyselin je založena na rozpouštění
kyselinotvorných oxidů ve vodě. Tyto kyseliny je pak velmi obtížné získat
čisté, většinou jsou k dispozici pouze jako vodné roztoky.
Opět
se jedná o specializovanou chemickou problematiku, kterou nebudeme rozebírat.
Zmíníme pouze:
Výroba kuchyňské soli: těžbou v nalezištích (sůl kamenná) nebo
z mořské vody odpařením a krystalizací, čištění překrystalováním.
Ryzí kovy se v přírodě nacházejí zřídka (platina, zlato stříbro). Ostatní kovy se
v přírodě nacházejí ve sloučeninách (rudách).
Každá ruda obsahuje vedle hlavní kovové sloučeniny ještě hlušinu, kterou je nutno odstranit buď úpravou rudy před výrobou,
nebo během výroby převedením do strusky.
Obyčejně se napřed vyrobí kov surový,
s vysokým obsahem nečistot, který se dále čistí (rafinuje).
Jako
příklad si uvedeme výrobu železa
(nejlevnější a nejpoužívanější kov).
Železné rudy: magnetovec (magnetit), krevel (hematit), hnědel
(limonit), ocelek (siderit). O výrobě železa se dočtete zde.
Slitiny: Slitina vzniká, roztaví-li se dva nebo více kovů nebo
nekovů v homogenní taveninu,která ochlazením ztuhne v hmotu na pohled
stejnorodou. Některé kovy se vzájemně slévají ve všech poměrech, jiné jen
v určitém poměru a jiné se vůbec neslévají.
Podle složení slitiny dělíme na:
Slitiny železa: surová železa, oceli.
Slitiny těžkých kovů: bronzy
(měď, cín a případně některé další prvky), mosazi
(měď, zinek a jiné kovy) aj.
Slitiny lehkých kovů: dural
(základem je hliník), elektron
(základem je hořčík).
Slitiny drahých kovů: jsou slitiny stříbra, zlata a platiny používané
především v klenotnictví a v zubní technice. Čistota zlata se udává
v karátech. Počet karátů je úměrný čistotě zlata. Nejčistší zlato má 24
karátů.
Slitiny rtuti jsou amalgamy.
Kdysi měly technický význam (výroba zrcadel aj.), dnes v zubní technice na
zubní plomby.
je
vesměs složitá a přesahuje rámec tohoto studijního materiálu.
U
nás se cukr vyrábí z řepy cukrovky. Ta se očistí od hlíny a zbaví chrástu.
Pak se rozřeže na nudličky (tzv. řízky) a cukr se vyluhuje vodou. Zbylá voda se
z řízků odstraní lisováním. Vylisované řízky se zkrmí jako hnojivo.
Získaná šťáva se musí čistit. Řada nežádoucích látek se z ní odstraní tzv.
čeřením (přídavkem vápna, které nežádoucí látky převede na sraženinu).
Přebytečné vápno se reakcí s oxidem uhličitým převede na nerozpustný
uhličitan vápenatý (vápenec). Sraženiny se odstraní filtrací. Ze zbylé cukrové
šťávy se odstraňuje voda odpařováním, nejprve za vyšší teploty, nakonec za
nižší (aby cukr nezkarameloval). Nakonec se krystaly cukru od hustého cukerného
roztoku oddělí odstředěním. Takto se získá surový (žlutý) cukr. Ten se může
čistit (rafinovat), a to rozpuštěním surového cukru ve vodě, přidáním vápna a probubláním oxidem uhličitým
a nakonec adsorpcí nečistot na aktivním uhlí. Na závěr se sražený uhličitan
vápenatý i aktivní uhlí s navázanými nečistotami odfiltrují a ze zbylého
přečištěného cukerného roztoku se odpaří voda. Cukr se pak upravuje na různé
formy (moučkový, kostkový cukr, cukrové homole,...).
Nejdostupnější
a nejlevnější je škrob bramborový.
Očištěné brambory se rozstrouhají na jemnou kaši, ze které se pak vodou vypere
škrob. Bramborová drť se oddělí lisováním a zkrmí dobytku, od bramborové šťávy
se pak škrob oddělí usazováním (10-12 hodin) nebo odstřeďováním. Vyrábí se také
škrob pšeničný, kukuřičný a rýžový.
Výroba
škrobu se snadno demonstruje ve školních podmínkách. Experiment je zapotřebí
provést na začátku vyučovací hodiny, na konci hodiny se pak ukáže usazený
škrob.
Hlavní
surovinou papírenského průmyslu jsou hadry a papír ze sběru a dřevo.
Nejprve
se dřevo zbaví kůry a broušením rozmělní
(čím jemněji, tím lépe) na dřevovinu a pak se mele na papírovinu. Dokonale rozemletá
hmota se pak klíží, plní, případně barví.
Klížený papír je odolný vůči vodě, takže se při psaní
inkoustem písmo nerozpíjí, balicí papíry se deštěm neporušují, fotografické
papíry se ve fotografických lázních nerozmáčejí. Naopak neklížený papír rychle
vsakuje vodu (piják) a kapalinu rychle propouští (filtrační papír). Původně se
klížilo klihem, dnes se klíží pryskyřičným mýdlem.
Plněním papíroviny má být dosaženo hladkosti, měkkosti,
bělosti, neprůsvitnosti a váhy papíru. Některé papíry se neplní vůbec
(filtrační), jiné hodně (tiskový). Nejčastějšími plnivy jsou kaolín, mastek a
křída.
Barvení papíroviny se děje přídavkem minerálních barev nebo
roztoků anilínových barviv.
(výroba
octa, droždí, lihovin, piva, vína) budou nebo byly probrány v rámci
biologických předmětů.
Použitá literatura:
Karel Andrlík: Základy chemických výrob. SPN, Praha 1965.