Lezione 24 –

Processi termochimici nell’industria, ovvero

ossidazione ed energia

1. Riduzione del minerale di ferro nell’altoforno

Il ferro è il metallo più abbondate nella crosta terrestre dopo l’alluminio. Presenta numero di ossidazione +2 (composti ferrosi) e +3 (composti ferrici). Ha una temperatura di fusione di 1535°C e di ebollizione di 2750°C alla pressione di 1 atm

squamoso e permeabile di idrossido ferrico idrato Fe(OH)3·H2O (ruggine).

 4Fe(s) + 3O2 + 10H2O → 4 Fe(OH)3·H2O

 ->strato passivante di ossido con il minio, Pb3O4

->cromatura->zinco o stagno (la "latta" possiede uno spesso strato di stagno; se questo viene danneggiato->subentra una rapida corrosione con formazione di una cella galvanica)->acciai inossidabili sono in lega con cromo e nichel.

Gli acidi non ossidanti attaccano il ferro sviluppando H2, per esempio:

 Fe + 2HCl FeCl2 + H2

  

FeStruttura: compare in tre modificazioni a seconda della temperatura

 -Fe -Fe (908°C) -Fe (1400°C)

 -Fe è ferromagnetico fino alla temperatura di Curie (768°C), presenta una struttura cubica a corpo centrato mentre -Fe presenta invece una struttura piu' compatta , cubica a facce centrate.

Fe2O3 + 3H2(gas) 2Fe + 3H2O(gas)

Fe2O3 + 2Al 2Fe + Al2O3

 

o mediante deposizione elettrolitica da soluzioni di solfato ferroso  

[-] Fe++ + 2e- Fe(s)

Riduzione del ferro dagli ossidi

2C + O2 2CO H = -221 kJ

 e la temperatura nella parte inferiore dell'altoforno raggiunge i 1600°C. Il CO caldo sale nello strato di minerale sovrastante e riduce Fe2O3 a metallo :

 Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2

 Lo strato sovrastante però trasforma CO2 in CO secondo l'equilibrio di Bouduard

 CO2 + C 2CO

 il CO riduce il ferro nello strato sovrastante e così via.

Una parte del carbonio riduce direttamente il ferro  Fe2O3 + 3C(solido) 2 Fe(s) + 3CO(gas)

Il silicio, elemento chiave nell'elettronica, è presente in natura solo come ossido..che fare? 

SiO2 + 6 HF H2SiF6 + 2 H2O

 La silice contenuta nel vetro comune reagisce nello stesso modo; questo spiega perché il l'acido fluoridrico non può essere conservato in questo materiale. Gli idrossidi alcalini lo attaccano a caldo formando idrogeno (tipico comportamento non-metallico):  Si + 2 NaOH + H2O Na2SiO3 + 2 H2(gas)  

All'aria brucia solo dopo i 1000°C :Si + O2 SiO2

  Il carburo di silicio, SiC, è uno degli abrasivi più comunemente usati, per la sua durezza e per il basso costo. Esso viene prodotto riscaldando carbone e sabbia silicea in forno elettrico a resistenza :  

SiO2 + 3 C SiC + 2 CO(gas)

 

Il silicio puro: reazione ad alta temperatura con Al (alluminotermia):

3 SiO2 + 4 Al 3 Si + 2 Al2O3

 seguita da una separazione finale con acido cloridrico, in cui il Si è insolubile.

Veniamo ora alla produzione del silicio. Esso non si trova libero in natura, ma è abbondantemente presente nella crosta terrestre, con una concentrazione del 27% in peso combinato con l'ossigeno a formare la silice ed i silicati.Forno elettrico (2000°C) :

SiO2 + 2C Si + 2 CO(gas)

 Si lavora in condizioni analoghe alla produzione del carburo di silicio, usando però un eccesso di SiO2 per prevenire la formazione di SiC. Il silicio ottenuto ha una purezza del 98-99% e viene utilizzato prevalentemente per la produzione di leghe ferro-silicio o purificato per i dispositivi a semiconduttore

AuMolto resistente all'ossidazione viene usato in contatti elettrici; non è attaccato dagli acidi, nemmeno ossidanti, ma si scioglie in una miscela di 1:3 di acido nitrico e cloridrico concentrati (acqua regia) per formazione di ioni complessi AuCl4

-.

 Au + HNO3 + 4 HCl AuCl4

- + NO(gas) + 2H2O + H+

 

PtPt si scioglie solo in acqua regia come acido esacloroplatinico H2PtCl6.

 

3 Pt + 4 HNO3 + 18 HCl 3 H2PtCl6 + 4 NO(gas) + 8 H2O

Nei cosiddetti catalizzatori a tre vie, vengono catalizzate le seguenti reazioni nei gas di scarico dell’autoveicolo, che a tale scopo devono contenere una piccola percentuale di ossigeno libero (O2). La temperatura ottimale deve essere tra 400 e 500°C

 2 NO N2 + O2

2 CO + O2 2 CO2

CnH2n+2 (idrocarburi incombusti) + (3n+1)/2 O2 n CO2 + (n+1)H2O (gas)