โลหะวิทยาและเคมีของโลหะ

บทที ่1

Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

•แร (mineral) เปนสสารทีเ่กดิขึ้นเองตามธรรมชาติมีสวนประกอบทางเคมีตั้งแตชนิดเดยีวจนถึงหลายชนิดปนกนั•แหลงแร (ore) เปนสถานที่ทีม่ีการสะสมตัวของแรมากพอทีจ่ะนํามาเขากระบวนการถลุงเปนโลหะทีต่องการได•โลหะวิทยา (metallurgy) เปนวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีในการแยกโลหะออกจากแหลงแรและสารประกอบอัลลอย•อัลลอย (alloy) เปนสารละลายของแข็ง (solid solution) ซึ่งมีโลหะผสมอยูตั้งแตสองชนิดขึ้นไปหรือเปนของผสมระหวางโลหะกบัอะโลหะก็ไดกระบวนการแยกโลหะจากแหลงแร:

• การทําเหมืองแร (การเตรียมหรือแยกแรจากแหลงแร)

• การแตงแร (mineral processing)

• การทําใหแรบริสุทธิ์ (ถลงุแร)

ชนดิของแรตาง ๆ

โลหะและแรที่พบโดยทั่วไป

การทําเหมอืง

แร + เพื่อนแร (gangue)

แหลงแร (ore)

การแตงแร (mineral processing)

การถลุงแร

วิธีทางเคมีวิธีทางกายภาพ

การทําเหมอืงแรการทําเหมอืงแร แบงออกเปนประเภทใหญๆ ได 2 ประเภทคือ

1. การทําเหมอืงเปด

2. การทําเหมอืงใตดิน

เครื่องมือและเทคนคิที่ใชในการแตงแร

Floatation machine Shaking Table

กระบวนการผลติโลหะRoasting (การยางแร)

CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g)

2PbS (s) + 3O2 (g) 2PbO (s) + 2SO2 (g)

Chemical Reduction (การรีดิวซดวยสารเคม)ีTiCl4 (g) + 2Mg (l) Ti (s) + 2MgCl2 (l)Cr2O3 (s) + 2Al (s) 2Cr (l) + Al2O3 (s)WO3 (s) + 3H2 (g) W (s) + 3H2O (g)

Electrolytic Reduction (การรดีิวซดวยไฟฟาเคม)ี2MO (l) 2M (at cathode) + O2 (at anode)

2MCl (l) 2M (at cathode) + Cl2 (at anode)

• คา E0 ที่เปนบวกยิ่งมากแสดงวาสารยิ่งมแีนวโนมถูกรีดวิซไดงาย

• ปฏิกิริยาครึ่งเซลสามารถผันกลับได

• เครื่องหมายของ E0 จะเปลี่ยนเมื่อปฏิกิริยาถูกผันกลับ

กระบวนการรีดิวซโลหะที่พบโดยทั่วไป

เตาถลุงเหล็ก(กระบวนการรีดิวซ)

CaO(s) + SiO2(s) CaSiO3(l)CaO(s) + Al2O3(s) Ca(AlO2)2(l)

ในลักษณะนี้เรียกวา“pyrometallurgy”

การผลิตเหล็กกลา (steel)(กระบวนการออกซิเดชัน)

ในกระบวนการผลติเหลก็กลาสิ่งเจือปน (impurity) จะถูกกาํจัดออกโดยใช O2

SiO2(s) + CaO(s) CaSiO3(l)

P4O10(l) + 6CaO(s) 2Ca3(PO4)2(l)

MnO(s) + SiO2(s) MnSiO3(l)

ประเภทของเหล็กกลา

การทําโลหะใหบริสุทธิ์Distillation (การกลัน่)

Ni (s) + 4CO (g) NiCO4 (g)70 0C

NiCO4 (g) Ni (s) + 4CO (g)200 0C

Electrolysis (การแยกดวยไฟฟาเคมี)Cu (s) (impure) Cu2+ (aq) + 2e-

Cu2+ (aq) + 2e- Cu (s) (pure)

Zone refining

การทําโลหะใหบริสุทธิ์ดวยวิธี Zone Refining

ทฤษฎีแถบของการนําไฟฟา (band theory of conductivity) กลาววาอิเลกตรอนจะเคลื่อนที่อยางอิสระผานแถบ (band) ซึ่งเกดิขึ้นจากการ overlap ของ molecularorbital Mg 1s22s22p63s2 or [Ne]3s2

e-e-

ชองวางระหวางพลงังานกับแถบอิเลกตรอนวงนอก (valence band) และ แถบนําไฟฟา (Cconduction band)

ในโลหะ สารกึ่งตัวนํา (semiconductor) และฉนวน (insulator)

e-

e-

ประเภทของสารกึ่งตัวนําSi

[Ne]3s23p2

n-type semiconductordonor impurities

P[Ne]3s23p3

p-type semiconductoracceptor impurities

B[Ne]3s23p1

เพิ่มสมบตัิความเปนโลหะเพิ่ม

สมบตั

ิความเปน

โลหะ

สมบตัิของโลหะแอลคาไล

โลหะแอลคาไล (ns1, n ? 2)

M M+1 + 1e-

2M(s) + 2H2O(l) 2MOH(aq) + H2(g)

2M(s) + O2(g) M2O(s)

Incr

easi

ng re

activ

ity

Electrolysis is the process in which electrical energy is usedto cause a nonspontaneous chemical reaction to occur.

Dawns Cell for the electrolysis of molten NaCl

สมบตัิของโลหะแอลคาไลนเอิรธ

โลหะแอลคาไลนเอิรธ (ns2, n ? 2)M M+2 + 2e-

Be(s) + 2H2O(l) No Reaction

Incr

easi

ng re

activ

ity

Mg(s) + H2O(g) MgO (s) + H2(g)

M(s) + 2H2O(l) M(OH)2(aq) + H2(g) M = Ca, Sr, or Ba

20.6

อลูมินมัImpure Al2O3 (s) + 2OH- (aq) 2AlO2

- (aq) + H2O (l)

AlO2- (s) + H3O+ (aq) Al(OH)3 (s)

2Al(OH)3 (s) Al2O3 (s) + 3H2O (g)∆

Anode:Cathode:

3[2O2- O2 (g) + 4e-]4[Al3+ + 3e- Al (l)]

2Al2O3 4Al (l) + 3O2 (g)

การรีไซเคลิอลูมินมัทําไมจึงตองมกีารรีไซเคิลอลูมนิัมลองเปรยีบเทียบพลังงานที่ใชในการผลิตอลูมนิัมจากแรบอกไซต (bauxite)กับการผลิตอลูมนิัมจากการรไีซเคิลการผลิตอลูมนิัมจากแรบอกไซต

Al2O3 + 3C(s) 2Al(s) + 2CO(g)∆H0 = 1340 kJ, ∆S0 = 586 J/K ที่อุณหภูมิ 1000 0C

∆G0 = ∆H0 - T∆S0 = -nFE0= 1340 kJ - (1273 K) (586 J K-1)

J1000kJ1

= 594 kJดังนั้นพลังงานที่ตองใชในการผลิต 1 โมลของอลูมินัมจากบอกไซต= 594 kJ/2 = 297 kJ

การรไีซเคิลอลูมนิัมการรไีซเคิลอลูมนิัมตองการเพยีงพลังงานความรอนในการหลอมเหลวมคีาประมาณ 660 0C บวกกับความรอนในการทําใหบรสิุทธิ์ประมาณ 10.7 kJ/molความรอนที่ตองใชในการหลอมอลูมนิัมจาก 25 0C ถึง 660 0C

= Ms∆t= (27.0 g) (0.900 J g-1 0C-1) (660-25) 0C= 15.4 kJ

รวมพลังงานในการรีไซเคิล = 15.4 kJ + 10.7 kJ = 26.1 kJเปรียบเทียบกับอลูมนิัมจากบอกไซต = x 100%

kJ 297kJ 26.1

= 8.8%ดังนั้นสามารถประหยัดพลังงานไปไดถึง 91% โดยการรีไซเคิล

จงเขียนสูตรเคม ี(chemical formulas) สําหรับแรตอไปนี้

(a) calcite(b) dolomite(c) fluorite(d) halite(e) corundum(f) magnetite(g) barite(h) galena(i) epsomite(j) hematite

CaCO3CaCO3.MgCO3CaF2NaCl

Al2O3Fe3O4BaSO4PbSMgSO4Fe2O3

จงเรยีกชื่อแรจากสูตรเคมตีอไปนี้

(a) MgCO3

(b) Al2O3

(c) Ag2S

(d) HgS

(f) ZnS

(g) TiO2

dolomite

corundum or bauxite

argentite

cinnabar

spharelite

rutile

แรชนิดใดตอไปนี้ตองใชวิธีการอิเลกโตรไลซิสเพือ่ใหไดโลหะAg2S, CaCl2, NaCl, Fe2O3, Al2O3, TiCl4

Very electropositive metals (strong reducing agent) can only be isolated from their compounds by electrolysis. No chemical reducing agent is strong enough to reduce them.

CaCl2, NaCl, Al2O3

จงอธิบายลักษณะของสารกึ่งตัวนําแบบ n-type และ p-type

หนังสืออิเล็กทรอนิกส

ฟสิกส 1(ภาคกลศาสตร( ฟสิกส 1 (ความรอน)

ฟสิกส 2 กลศาสตรเวกเตอร

โลหะวิทยาฟสิกส เอกสารคําสอนฟสิกส 1ฟสิกส 2 (บรรยาย( แกปญหาฟสิกสดวยภาษา c ฟสิกสพิศวง สอนฟสิกสผานทางอินเตอรเน็ต

ทดสอบออนไลน วีดีโอการเรียนการสอน หนาแรกในอดีต แผนใสการเรียนการสอน

เอกสารการสอน PDF กิจกรรมการทดลองทางวิทยาศาสตร

แบบฝกหัดออนไลน สุดยอดสิ่งประดิษฐ

การทดลองเสมือน

บทความพิเศษ ตารางธาตุ)ไทย1) 2 (Eng)

พจนานุกรมฟสิกส ลับสมองกับปญหาฟสิกส

ธรรมชาติมหัศจรรย สูตรพื้นฐานฟสิกส

การทดลองมหัศจรรย ดาราศาสตรราชมงคล

แบบฝกหัดกลาง

แบบฝกหัดโลหะวิทยา แบบทดสอบ

ความรูรอบตัวท่ัวไป อะไรเอย ?

ทดสอบ)เกมเศรษฐี( คดีปริศนา

ขอสอบเอนทรานซ เฉลยกลศาสตรเวกเตอร

คําศัพทประจําสัปดาห ความรูรอบตัว

การประดิษฐแของโลก ผูไดรับโนเบลสาขาฟสิกส

นักวิทยาศาสตรเทศ นักวิทยาศาสตรไทย

ดาราศาสตรพิศวง การทํางานของอุปกรณทางฟสิกส

การทํางานของอุปกรณตางๆ

การเรียนการสอนฟสิกส 1 ผานทางอินเตอรเน็ต

1. การวัด 2. เวกเตอร3. การเคลื่อนท่ีแบบหนึ่งมิต ิ 4. การเคลื่อนท่ีบนระนาบ5. กฎการเคลื่อนท่ีของนิวตัน 6. การประยุกตกฎการเคลื่อนท่ีของนิวตัน7. งานและพลังงาน 8. การดลและโมเมนตัม9. การหมุน 10. สมดุลของวัตถุแข็งเกร็ง11. การเคลื่อนท่ีแบบคาบ 12. ความยืดหยุน13. กลศาสตรของไหล 14. ปริมาณความรอน และ กลไกการถายโอนความรอน15. กฎขอท่ีหน่ึงและสองของเทอรโมไดนามิก 16. คุณสมบัติเชิงโมเลกุลของสสาร

17. คลื่น 18.การสั่น และคลื่นเสียง การเรียนการสอนฟสิกส 2 ผานทางอินเตอรเน็ต

1. ไฟฟาสถิต 2. สนามไฟฟา3. ความกวางของสายฟา 4. ตัวเก็บประจุและการตอตัวตานทาน 5. ศักยไฟฟา 6. กระแสไฟฟา 7. สนามแมเหล็ก 8.การเหนี่ยวนํา9. ไฟฟากระแสสลับ 10. ทรานซิสเตอร 11. สนามแมเหล็กไฟฟาและเสาอากาศ 12. แสงและการมองเห็น13. ทฤษฎีสัมพัทธภาพ 14. กลศาสตรควอนตัม 15. โครงสรางของอะตอม 16. นิวเคลียร

การเรียนการสอนฟสิกสท่ัวไป ผานทางอินเตอรเน็ต

1. จลศาสตร )kinematic) 2. จลพลศาสตร (kinetics) 3. งานและโมเมนตัม 4. ซิมเปลฮารโมนิก คลื่น และเสียง

5. ของไหลกับความรอน 6.ไฟฟาสถิตกับกระแสไฟฟา 7. แมเหล็กไฟฟา 8. คลื่นแมเหล็กไฟฟากับแสง9. ทฤษฎีสัมพัทธภาพ อะตอม และนิวเคลียร

ฟสิกสราชมงคล