Skorupa ziemska
Skorupa ziemska zbudowana jest ze skał i minerałów są to pierwiastki w stanie wolnym i związki chemiczne, które wytworzyły się w przyrodzie bez udziału człowieka. Są nimi: siarka, sól kamienna, kalcyt, kwarc, bursztyn, boksyt itp. Pierwiastki w minerałach i skorupie ziemskiej
- w stanie wolnym, np. złoto, srebro, platyna, węgiel (diament, grafit) siarka;
- w stanie związanym w postaci związków chemicznych, np. sylwin, kwarc, anhydryt, ruda żelaza: hematyt, blenda cynkowa oraz wiele innych tlenków metali i soli, a czasem i wodorotlenki.
Najwięcej, bo aż 45 % skorupy ziemskiej, stanowi tlen. Występuje on w stanie związanym w resztach kwasowych wszystkich soli tlenowych, w tlenkach metali i wodorotlenkach tworzących minerały. Drugie miejsce pod względem zawartości skorupy ziemskiej zajmuje krzem – jest go około 27 %. Występuje w kwarcu oraz w solach: krzemianach i glinokrzemianach, będących podstawowymi składnikami gleby oraz skał granitowych i piaskowców. Można powiedzieć, że tylko 8 pierwiastków stanowi aż 97,7 % skorupy ziemskiej. Zatem pozostałe pierwiastki to 2,3 % składu skorupy ziemskiej.
Skorupa ziemska jest najbardziej zewnętrzną powłoką kuli ziemskiej otoczona na powierzchni przez atmosferę i hydrosferę, natomiast w głębi granicząca z płaszczem Ziemi wzdłuż nieciągłości Mohoroviicia. Stanowi sztywny, niejednorodny twór, którego struktura jest zależna od obecności i sposobu wykształcenia trzech głównych warstw występujących w profilu pionowym: warstwy osadowej, warstwy granitowej i warstwy bazaltowej. Z tego względu wyróżnia się trzy typy skorupy ziemskiej: skorupę kontynentalną, skorupę oceaniczną i skorupę suboceaniczną (subkontynentalną). Grubość skorupy ziemskiej wynosi ok. 5-12 km pod dnem oceanów, ok. 35-40 km pod platformami kontynentalnymi, dochodząc do 80 km pod niedawno wypiętrzonymi górami. Na obszarze Polski grubość skorupy ziemskiej oceniana jest na 27-47 km.
Skały wapienne
Skały wapienne to wapień, kreda i marmur, Wapień jest to skała osadowa, która powstała na dnie mórz i oceanów. Z nich zbudowana jest Wyżyna Krakowsko – Częstochowska
Skały wapienne w Ogrodzieńcu, Wyżyna Krakowsko-Częstochowska.
W Polsce występują także miejscowo w Tatrach, Pieninach, Górach Świętokrzyskich, na Wyżynie Lubelskiej oraz w okolicach Chełna i Zamościa. Marmur jest skałą o budowie krystalicznej. Jest on najszlachetniejszą skałą wapienną. Ma zastosowanie głównie jako minerał dekoracyjny i rzeźbiarski. Podstawowym związkiem chemicznym, tworzącym wszystkie skały wapienne jest minerał kalcyt. Wapienie rozpadają się także pod wpływem temperatury. Palenie wapna - wykorzystywane jest masowo w przemyśle do otrzymywania tzw. wapna palonego - CaO. Wapno palone jest higroskopijne i pochłania CO2 z powietrza CaO + CO2 -> CaCO3. Ta reakcja znalazła zastosowanie w murarstwie. Reakcja tlenku wapnia z wodą nosi nazwę gaszenia wapna palonego, w wyniku której powstaje wapno gaszone. Wapno gaszone jest substancją słabo rozpuszczającą się w wodzie. Stężony roztwór ma właściwości żrące, w związku w czym wapna palonego i wapna gaszonego nie wolno bezpośrednio brać do rąk
Wapno gaszone stosuje się w budownictwie jako składnik zaprawy murarskiej oraz w przemyśle chemicznym do produkcji wielu odczynników chemicznych. Wapno gaszone sprzedawane jest w stanie suchym w workach papierowych jako wapno hydratyzowane. Używa się go w rolnictwie do wapnowania gleby oraz do bielenia drzew owocowych i ścian wewnątrz budynków gospodarczych, ponieważ ma właściwości bakteriobójcze. Wapno gaszone zmieszane z piaskiem i wodą tworzy tzw. zaprawę murarską.
Skały gipsowe
Główny składnik skał gipsowych to siarczan(VI) wapnia. Są nimi anhydryt zbudowany z samego kwasu siarczanu (VI) wapnia oraz gips krystaliczny lub alabaster. Mówi się że dwuwodny siarczan (VI) wapnia jest solą uwodnioną czyli hydratem. Hydraty, zwykle piękne kryształy, nie są substancjami trwałymi. Podczas ogrzewania tracą wodę i barwę, zamieniając się w proszek. Gips palony to półhydrat, Jest białym ciałem stałym, nierozpuszczalnym w wodzie. W wyniku ogrzewania traci częściowo wodę, przechodząc w temperaturze 120-130 C w gips palony, będący materiałem zaprawowym ponieważ łatwo pobiera wodę i twardnieje. Zaprawa gipsowa nie ma właściwości żrących jak zaprawa wapienna, dlatego znalazła zastosowanie w medycynie do sporządzania bandaży chirurgicznych i usztywniania złamanych kości. Stosuje się ją również w budownictwie jako tzw. zaprawę hydrauliczną.
Gips jest szeroko stosowany, m.in. do wyrobu kwasu siarkowego, cementu, nawozów, prefabrykatów budowlanych, odlewów, sztukaterii, również w chirurgii, dentystyce, modelarstwie oraz jako materiał rzeźbiarski.
Tlenek krzemu
Dwutlenek krzemu – tlenek krzemu (IV) – inaczej krzemionka występują w trzech odmianach polimorficznych: kwarc, trydymit, krystobalit. Każda z tych odmian posiada odmianę niskotemperaturową i wysokotemperaturową . Kryształy kwarcu, trydymitu i krystobalitu zbudowane są z tetraedrów SiO4 połączonych w ten sposób, że każdy atom tlenu jest wspólny dla dwóch tetraedrów. W krystobalicie atomy Si są rozmieszczone tak, że w środku odległości między nimi znajdują się atomy tlenu. W kwarcu i trydymicie tetraedry SiO4 tworzą układ spiralny. Kwarc jest najczęściej spotykaną odmianą. Bezbarwny kwarc zwany jest kryształem górskim. Zabarwiony za fioletowo to ametyst, za żółto to cytryn, Wymienione odmiany kwarcu, a także inne jak tygrysie oko, chalcedon (szary), jaspis (czerwony), kwarc zadymiony lub agat – to piękne kamienne półszlachetne, używane często w jubilerstwie. Kwarc jest składnikiem wielu skał np. granitów, gnejsów, skaleni i miki. Pokruszony kwarc tworzy piasek. Jest on stosowany do wyrobu pryzmatów i soczewek w przyrządach optycznych. Piezoelektryczne własności kwarcu wykorzystuje się m.in. w radiotechnice. Krzemionka wchodzi w skład skał zwanych krzemieniami. Są one bardzo twarde. Krzemionka jest bardzo odporna na czynniki chemiczne. Nie reaguje z kwasami, tlenem i wodą. Nie rozkłada się też podczas prażenia w wysokiej temperaturze. Reaguje ona tylko z jednym kwasem – kwasem fluorowodorowym. Ta reakcja znalazła zastosowanie przy trawieniu napisów na szkle. Krzemionka w postaci piasku znalazła zastosowanie w budownictwie jako składnik zaprawy murarskiej oraz cementu. Krzemiany są to sole kwasów krzemianowych. Krzemianów jest bardzo wiele bo aż około 800 rodzajów o różnorodnej strukturze. Krzemiany są ciałami stałymi, nierozpuszczalnymi w wodzie z wyjątkiem krzemianów litowców. Są składnikami wielu minerałów i skał.
Szkło
Do produkcji szkła zużywa się najwięcej krzemionki. Stopiony czysty tlenek krzemu (IV) nazywany jest szkłem kwarcowym. Odznacza się niewielką rozszerzalnością cieplną, wysoką temperaturą mięknienia, dużą przezroczystością dla promieniowania UV-VIS, odpornością na działanie wielu czynników chemicznych. Znajduje zastosowanie w produkcji sprzętu optycznego i aparatury chemicznej. Do produkcji szkła wykorzystuje się : sodę, wapień i krzemionka. Zmieloną masę surowcową stapia się w temperaturze 1200 C – 1400 C. W tej temperaturze wapień i soda ulegają rozkładowi, wydzielając dwutlenek węgla. Powstałe tlenki: CaO i Na2O reagują z krzemionką, tworząc krzemiany. Masę szklaną ochładza się do temperatury 1000 C, formuje przez wydmuchanie, wytłaczanie, wyciąganie lub walcowanie.. W celu uzyskania szkła o specjalnych własnościach używa się odpowiednich dodatków, np. pigmentów nadających pożądany kolor (są to często tlenki metali przejściowych).
Produkcja szkła płaskiego - załadowanie piasku, wapienia i sody bezwodnej (a) do pieca (b); warstwa stopionego szkła zastyga na powierzchni stopionej cyny (c) po zastosowaniu chłodzenia (d); dalsze chłodzenie na wałkach (e); cięcie szkła przecinakiem (f).
Szkło jest substancją bezpostaciową tzw. nie ma uporządkowanej budowy wewnętrzne. Szkło ma własności izotropowe. Źle przewodzi ciepło i nie przewodzi prądu elektrycznego. Jest odporne na działanie kwasów z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego. Przykłady różnych gatunków szkła: szkło hartowane, otrzymywane przez powtórne ogrzewanie i schłodzenie, mające właściwość pękania bez rozpryskiwania, szkło klejone, zachowujące się podobnie, zbudowane z kilku warstw sklejonych przezroczystym tworzywem organicznym, szkło zbrojone, z metalową siatką wtopioną w jego strukturę, szkło jenajskie, szkło ołowiowe.
Wyroby ze szkła są stosowane między innymi : w budownictwie, przemyśle chemicznym, farmaceutycznym, spożywczym, w gospodarstwie domowym, wykorzystywane jako części przyrządów optycznych i jako wyroby artystyczne.
Metale
Spośród znanych 115 pierwiastków chemicznych, 91 stanowią metale. W większości występują w przyrodzie, inne otrzymano sztucznie drogą reakcji jądrowej. Metale stanowią 10 % masy pierwiastków występujących w przyrodzie. Niektóre z nich występują w stanie wolnym – metale szlachetne, inne w stanie związanym np. w postaci tlenków, soli, wodorotlenków. Naturalne związki chemiczne nazywa się rudami. Metale dobrze przewodzące ciepło i elektryczność pierwiastki chemiczne, odznaczające się zazwyczaj kowalnością i charakterystycznym połyskiem. Mają najczęściej niską elektroujemność, w reakcjach chemicznych wykazują tendencję do oddawania elektronów. W temperaturze pokojowej wszystkie metale, z wyjątkiem rtęci, występują w stałym stanie skupienia (tworzą tzw. kryształy metaliczne).
Właściwości metali (w warunkach normalnych)
Podobieństwa
- stały stan skupienia (z wyjątkiem Hg – stan ciekły)
- barwa srebrzystoszara (oprócz miedzi i złota – kolor żółty)
- połysk metaliczny
- kowalność i ciągliwość
- dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne
Różnice
- twardość
- temperatura topnienia
- gęstość, za metale lekkie uważa się, te których gęstość d < 5 g/cm3 np. Na, Al., metale ciężkie to te których gęstość d > 5 g/c m3 np. Fe, Pd
- aktywność chemiczna : metale aktywne np. Na, K, Ca, metale nieaktywne tzw. szlachetne np. Cu, Ag, Au
Reakcje utleniania – redukcji oraz proces elektrolizy soli to przykłady reakcji, które stosowane są do otrzymywania metali. Reakcje utleniania – redukcji zachodzą np. w wielkim piecu. Metoda elektroniczna prowadzi do otrzymania metali o wysokim stopniu czystości.
W życiu codziennym rzadko stosuje się metale w stanie czystym. Używa się stopów metali. Są to mieszaniny jednorodne najczęściej samych metali, stopionych w odpowiedniej proporcji. Znane są też stopy metali z niemetalami np. stal to stop żelaza z 1% - 2% węgla.
Stopy mają właściwości inne niż ich składniki. Wprowadzenie niewielkiej ilości jakiegoś pierwiastka powoduje znaczne, pożądane zmiany. Może się zmienić np. żarowytrzymałość, twardość, odporność na korozję, właściwości magnetyczne, elektryczne i inne. Właściwości fizyczne stopów są zazwyczaj lepsze niż składnika zasadniczego, a temperatura topnienia jest zwykle niższa niż metali, z którym stopy powstały Zależnie od gęstości metale dzieli się na metale lekkie oraz metale ciężkie. Z uwagi na położenie w układzie okresowym pierwiastków (wynikające z budowy ich atomów) można je podzielić na metale grup głównych, wraz z cynkowcami, oraz metale przejściowe.