Szkło, właściwości gleby, metale w przyrodzie

Krzem (Si, silicium) jest szarym, twardym i kruchym ciałem stałym o strukturze typu diamentu, niemetalem (półmetalem, o własnościach półprzewodnikowych) o temperaturze topnienia 1417C i gęstości 2,33 g/cm3. Otrzymywany przez redukcję krzemionki magnezem lub glinem, albo przez prażenie węgla, krzemionki i żelaza. W związkach jest z reguły czterowartościowy. Najważniejsze z nich to: dwutlenek krzemu SiO2 (krzemionka), kwasy krzemowe i ich sole - krzemiany i glinokrzemiany, połączenia z wodorem (krzemowodory czyli silany SinH2n+2) oraz z wodorem i tlenem (siloksany), związki z metalami (krzemki), związki fluorokrzemowe oraz karborund SiC. Zastosowania krzemu i jego związków są bardzo rozległe: podstawowe surowce w przemyśle szklarskim, ceramicznym, materiałów budowlanych, produkcja półprzewodników (tranzystory i układy scalone, procesory), smary silikonowe, to tylko niektóre z zastosowań.
Krzemionka (dwutlenku krzemu, SiO2)Jest to bezwodnik kwasów krzemowych (krzemiany). Bezbarwne ciało stałe o temperaturze topnienia 1723C, nierozpuszczalne w wodzie i kwasach (oprócz kwasu fluorowodorowego). Wykorzystywana jest do produkcji gumy technicznej, spodów obuwniczych, kabli, opon, ogumienia pneumatycznego, pestycydów, insektycydów, biofaktorów, katalizatorów, farb, lakierów, żywic, emalii, jako składnik niektórych lekarstw oraz instantów spożywczych, jako wypełniacz past, kremów i past do zębów. Występuje w postaci kilku odmian krystalicznych (ametyst, kwarc, trydymit, krystobalit).
Kwarc (dwutlenek krzemu, SiO2) to najbardziej pospolity minerał budujący skorupę ziemską. Może być bezbarwny. Jest to wtedy kryształ górski , przezroczysty, o dobrze wykształconych kryształach. W Polsce spotykany głównie na Dolnym Śląsku. Kwarc stosowany jest w przemyśle szklarskim, ceramicznym, w optyce, radiotechnice. Zastosowanie ciekłych kryształów kwarcu zrewolucjonizowało współczesny przemysł elektroniczny. Odmiany szlachetne kwarcu używane są w jubilerstwie. Jednak występowanie wielu domieszek powoduje istnienie jego różnobarwnych odmian. Zabarwione kryształy posiadają osobne nazwy mineralogiczne:
Agat, minerał, odmiana chalcedonu, kamień półszlachetny. Charakterystyczna budowa wstęgowa - równoległe koncentryczne naprzemianległe warstewki o odmiennym zabarwieniu, np. czarne i białe (onyks), brunatne i białe (sardonyks).Występuje w geodach wśród skał wylewnych. Główne złoża: Brazylia, Urugwaj, Ameryka Północna, obszar dawnego ZSRR. W Polsce - Dolny Śląsk. Stosowany w mechanice precyzyjnej (np. wyrób łożysk) i jubilerstwie (zwykle sztucznie barwiony).
Ametyst, minerał, przezroczysty kamień półszlachetny, odmiana kwarcu. Barwa fioletowa, purpurowa lub purpurowofioletowa, uwarunkowana domieszką żelaza. Powstaje jako produkt procesów hydrotermalnych. Występuje zwykle w geodach (druza). Główne złoża: Brazylia, Urugwaj, Meksyk, Indie, Iran, Madagaskar. W Polsce - okolice Krzeszowic koło Krakowa, Dolny Śląsk. Używany w jubilerstwie (uzyskanie kamieni czystych oszlifowanych jest trudne, gdyż większość pozyskanego materiału wykazuje wiele spękań i inkluzji).
Chryzopraz, minerał, jedna z odmian kwarcu. Kamień półszlachetny barwy zielonej. Wykorzystywany w jubilerstwie. Największe złoża znajdują się w Rosji i Stanach Zjednoczonych. W Polsce od średniowiecza eksploatowany na Dolnym Śląsku, w pobliżu Ząbkowic.
Karneol, krwawnik, minerał, odmiana chalcedonu, kamień półszlachetny o barwie czerwonej lub brunatnoczerwonej wywołanej domieszką żelaza. Stosowany jest w jubilerstwie

Krzemiany, sole kwasów krzemowych , na ogół nie znanych w stanie wolnym. Występują w przyrodzie krzemiany naturalne odpowiadają kwasom: (H2SiO3)n (kwas metakrzemowy), H4SiO4 (kwas ortokrzemowy) i inne (ok. 800). Złożone krzemiany mają różne struktury zbudowane z czworościennych jednostek (merów) SiO44- tworząc ogromne bogactwo polimerów nieorganicznych: formy łańcuchowe, wstęgowe, warstwowe i inne (dodatkowo niektóre atomy Si mogą być wymienione na atomy innych pierwiastków, np. glinu, glinokrzemiany). Na skalę przemysłową otrzymuje się krzemiany litowców (metakrzemiany sodu i potasu są jednymi z nielicznych krzemianów rozpuszczalnych w wodzie) oraz złożone krzemiany sodu i wapnia (szkło).
Glinokrzemiany, krzemiany glinu. Mulit, który jest składnikiem porcelany i materiałów ogniotrwałych ma skład zmieniający się w granicach: m/n = od 3/2 do 2. Ważniejszymi glinokrzemianami są także: kaolinit Al2O3⋅2SiO2 i topaz Al2SiO4(OH,F)2 , andaluzyt, sylymanit, dysten. Najważniejsze w przyrodzie są glinokrzemiany sodu, potasu i wapnia (składniki granitu).
Cement, jedno ze spoiw twardniejących po zmieszaniu z wodą, po stwardnieniu odporne na jej działanie. Używany głównie w przemyśle budowlanym do zapraw i betonu. Otrzymywany poprzez wypalanie, a następnie mielenie odpowiednich minerałów. Odporny na działanie czynników atmosferycznych. Wyróżnia się różne rodzaje cementu, w zależności od rodzaju użytych surowców oraz sposobu produkcji. Cement portlandzki, otrzymywany przez prażenie w wysokiej temperaturze drobno zmielonych margli i wapieni zmieszanych z gliną, używany jest do wyrobu sztucznych marmurów, wyrabiany z czystych surowców i wypalany przy użyciu paliw nie dających popiołu. Cement anhydrytowy, otrzymywany z drobno zmielonego siarczanu wapnia z dodatkiem katalizatorów. Cement glinowy, otrzymywany przez zmielenie mieszaniny boksytu z wapieniem, który się stapia w piecach elektrycznych, a następnie miele. Cement hutniczy, wyrabiany z żużla wielkopiecowego i klinkieru cementu portlandzkiego, odporny na działanie słabych kwasów. Cement magnezjowy, otrzymywany poprzez zmieszanie magnezytu ze stężonym roztworem chlorku magnezowego, stosowany w budownictwie jako kit do metali i szkła. Wyróżnia się także cementy specjalne, np. pęczniejące, szybkowiążące (wykorzystywane do prac podwodnych). W zależności od przewidzianej normą wytrzymałości zaprawy, wylewanej z danego cementu rozróżnia się tzw. marki cementu - 250, 300, 350, 400, 450, co oznacza wytrzymałość na ściskanie po jednomiesięcznym okresie twardnienia, wyrażoną w kg/cm2. Produkcja cementu w świecie wynosi ogółem 995 mln ton (1990). Do głównych producentów należą (wydobycie w mln ton, udział w produkcji światowej): Chiny 215 (21,6%), kraje byłego ZSRR 140 (14,1%), Japonia 79 (7,9%), Stany Zjednoczone 74 (7,4%), Indie 45 (4,5%), Niemcy 41 (4,1%), Włochy 40 (4,0%), Korea Południowa 30 (3,0%).
Szkło, twarda, krucha, bezpostaciowa, najczęściej przezroczysta masa zbudowana głównie z krzemianów. Skład szkła jest często wyrażany jako procentowa zawartość tlenków SiO2, Al2O3, tlenków litowców i berylowców, tlenków B2O3, PbO i innych. Stopiony czysty tlenek krzemu (IV) nazywany jest szkłem kwarcowym. Szkło ma własności izotropowe. Ogrzewane stopniowo mięknie i może być formowane. Źle przewodzi elektryczność. Otrzymuje się je przez stapianie piasku kwarcowego z sodą, wapieniem, pięciotlenkiem fosforu (niekiedy także z potażem i boraksem) oraz ochłodzenie mieszaniny poreakcyjnej. W celu uzyskania szkła o specjalnych własnościach używa się odpowiednich dodatków, np. pigmentów nadających pożądany kolor (są to często tlenki metali przejściowych). 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. Szkło służy do produkcji szyb, opakowań szklanych, reflektorów, sprzętu laboratoryjnego, włókien szklanych, duranu.

Gleba to najbardziej zewnętrzna, biologicznie czysta warstwa skorupy ziemskiej. Powztaje w skutek wietrzenia skał (zjawiska jakie zachodzą podczas przemiany skał litych w drobnoziarnistą glebę; związane z czynnikami atmosferycznymi i działalnością świata organicznego) oraz rozpadających się substancji organicznych. Są różne rodzaje wietrzenia:
-fizyczne-polega na rozkruszaniu skał pod wpływem mechanicznego działania wody, zmian temperatury, wiatru.
-chemiczne-polegające na rozkładzie chemicznym pod wpływem wody, dwutlenku węgla, tlenu, kwaśnych deszczów oraz innych zanieczyszczeń powietrza.
-biologiczne-zachodzą podczas rozrastania się systemu korzeniowego roślin oraz pod wpływem mikroorganizmów.
Zazwyczaj w przyrodzie te trzy procesy wietrzenia zachodzą jednocześnie. Gleba ma właściwości sorpcyjne, czyli zatrzymuje cząstki gazu, cieczy i ciał stałych. Odpowiedzialne są za to jej najmniejsze cząstki: próchnica i materiały iglaste. Gleba składa się z trzech części: 1.część stała (cząstki zwietrzałych minerałów i próchnica), 2.część ciekła (woda z rozpuszczonymi solami mineralnymi tzw.roztwór glebowy), 3.część gazowa (powietrze i dwutlenek węgla, które wnikają w głąb gleby). Pierwiastki warunkujące żyzność gleby to głównie azot, fosfor, potas, wapń, magnez oraz tlen. Ważną rolę spełnia woda, a także próchnica. Chroni glebę przed wyschnięciem i wiąże substancje mineralne. Zawiera sole potasowe i wapniowe (azotany i fosforany), witaminy, mikroelementy oraz naturalne antybiotyki. Rozwijają się w niej bakterie glebowe, wiążące azot z powietrza. Obecność próchnicy sprzyja wzrostowi korzeni, dlatego uboga w nią gleba kamienieje mimo nawożenia i staje się bezużyteczna przez dłuższy czas.
Gleba ulega zniszczeniom, pochodzących głównie z odpadów przemysłowych, stałych, ciekłych i gazowych. Pierwiastki takie jak np.Hg, Cu, Pb, Cd, Sn, Ni, F bardzo często przedostają się z zanieczyszczonej gleby do roślin, a tym samym skażają żywność. Mogą one pozostać w glebie nawet tysiące lat. Jednym ze sposobów oczyszczania gleb jest wypłukiwanie z niej substancji toksycznych lub mieszanie gleb bardzo skażonych z glebą czystą.
Metale są to 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). Na 111 znanych obecnie pierwiastków 88 stanowią metale. 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. Metale w warunkach normalnych mają podobne (stały stan skupienia oprócz Hg, barwa srebrzysta oprócz miedzi i złota, połysk metaliczny, kowalność i ciągliwość, dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne) i różne właściwości (twardość, temp.topnienia, gęstość, aktywność chemiczna). Metale są w środowisku bardzo rozpowszechnione. W rudach i skalach górotworu występują najczęściej w postaci tlenków. Wówczas są mało groźne dla środowiska. Groźniejsze są tylko metale ciężkie występujące w postaci soli, roztworów, produktów ubocznych oraz w ściekach lub odpadach różnych gałęzi przemysłu. Do najbardziej niebezpiecznych dla środowiska i dla organizmów żywych zalicza się związki rtęci, kadmu, ołowiu, cyjanki i fluorki. Niewiele mniej niebezpieczne są związki chromu, arsenu, baru, boru i berylu, miedzi, niklu, selenu, antymonu, molibdenu, tytanu i inne.
Metalom ciężkim przypisuje się tak duże znaczenie dlatego, żeich obecność w ściekach bardzo obniża możliwości biologicznego oczyszczania ,akumulując się w osadach ściekowych utrudniają ich biochemiczną stabilizację ,osadów z metali nie można kompostować a także do ich składowania trzeba niejednokrotnie mieć wysypisko specjalnie izolowane od podłoża ,osadów takich nie można wykorzystywać rolniczo.
Metalurgia, dział nauki i techniki zajmujący się metodami otrzymywania metali i stopów oraz dalszą ich obróbką, mającą na celu nadanie im pożądanych kształtów i własności. Metalurgia dzieli się na następujące działy:
-przygotowywanie rudy, obejmujące wzbogacanie (np. grawitacyjne, ogniowe, magnetyczne, przez flotację),
-właściwe otrzymywanie metali (na drodze suchej - pirometalurgia lub na drodze mokrej - hydrometalurgia),
-rafinacja metali - procesy technologiczne mające na celu oczyszczenie surowego metalu lub stopu. Najczęściej przeprowadza się rafinację metali metodą ogniową, polegającą na wprowadzeniu do oczyszczanego materiału odpowiednich dodatków, które reagują z domieszkami tworząc związki łatwiejsze do usunięcia (np. w postaci żużla na powierzchni stopionego metalu). Rafinację metali można przeprowadzać metodą elektrolityczną (rafinacja elektrolityczna), przez destylację w kolumnach rektyfikacyjnych (np. rafinacja cynku), niekiedy dwustopniowo: najpierw metodą ogniową, a następnie elektrolityczną.
-otrzymywanie stopów,
-obróbka termiczna (np. hartowanie),
-odlewnictwo,
-obróbka plastyczna (np. walcowanie),
-obróbka powierzchniowa (np. cyjanowanie).
W zależności od rodzaju otrzymywanych metali rozróżnia się metalurgię żelaza i metalurgię metali nieżelaznych, której podstawowym działem jest metalurgia metali kolorowych.
Mosiądze, stopy miedzi z cynkiem (10-45%), zawierające często dodatki innych metali: ołowiu, glinu, żelaza, manganu (mosiądz manganowy, stosowany w obecnie będących w obiegu monetach 1, 2 i 5 groszy). Mosiądz czerwony (do 10% cynku, tombak), mosiądz kowalny (Muntza stop), mosiądz wysokoniklowy (argentan, nowe srebro). Mosiądze są na ogół łatwe do obróbki i odporne na korozję. Mosiądz otrzymuje się przez stapianie składników, a także przez elektrolityczne nakładanie powłok mosiężnych (mosiądzowanie). Zastosowanie do wyrobu blach, drutów, rur, śrub, części maszyn i przyrządów. Mosiądz wysokoniklowy, mosiądz, w którym drugim składnikiem stopowym jest nikiel. Stop zawierający 55-66% miedzi, 10-20% niklu, 20-24% cynku. Jest stopem plastycznym, dlatego też stosowany jest wyłącznie w stanie obrobionym plastycznie - jako pręty, druty, blachy, taśmy, rury. Mosiądz wysokoniklowy wykorzystywany jest m.in. do produkcji nakryć stołowych, wyrobów wytłaczanych, opraw narzędzi chirurgicznych oraz w przemyśle elektrotechnicznym.
Brązy, stopy miedzi z cyną (<20% Sn) zawierające domieszkę cynku i ołowiu, niekiedy także fosforu (0,5% P, brązy fosforowe), krzemu (<5% Si, brązy krzemowe), glinu (<12% Al, brązy aluminiowe), berylu (<5% Be, brązy berylowe), manganu (<12% Mn, brązy manganowe). Służą do odlewania dzwonów i pomników oraz do produkcji części maszyn. Spiż, brąz zawierający oprócz miedzi: cynę (11%), cynk (2-7%) i ołów (2-6%). Spiż wykazuje odporność na ścieranie. Stosowany do wytwarzania części maszyn, dzwonów oraz elementów dekoracyjnych. Dawniej także do odlewania armat.
Duraluminium (dural), wieloskładnikowy stop aluminium, miedzi (2,0% - 4,9%), magnezu (0,15% - 1,8%), manganu (0.3-1.0 %) z domieszkami krzemu i żelaza, przeznaczony do obróbki plastycznej. Duraluminium charakteryzuje się dobrymi własnościami mechanicznymi przy stosunkowo małym ciężarze właściwym (2,8 g/cm3) oraz dużą odpornością na korozję. Wykorzystywany jest głównie w przemysłach: lotniczym, samochodowym i chemicznym.
Stal, stop żelaza z węglem (do 2,06% C) i innymi pierwiastkami wprowadzonymi w celu uzyskania żądanych własności, najczęściej mechanicznych, technologicznych, elektrycznych, magnetycznych, chemicznych i innych, obrabialny plastycznie, otrzymywany w procesach stalowniczych (w konwertorach Bessemera lub Thomasa, w piecach martenowskich, tyglowych lub elektrycznych) w stanie ciekłym. W zależności od zastosowanej technologii produkcji rozróżnia się stal: laną (staliwo), kutą (wlewka otrzymywana przez kucie lub prasowanie na gorąco), walcowaną (wlewka uzyskiwana przez walcowanie na gorąco) oraz ciągnioną. Obrobioną plastycznie stal poddaje się obróbce cieplnej lub obróbce cieplno-chemicznej. Ze względu na skład chemiczny rozróżnia się stal węglową i stopową (tzw. szlachetną). Stal węglowa poza węglem zawiera jedynie pierwiastki pochodzące z przerobu hutniczego (krzem, mangan, siarka, fosfor, azot, tlen, arsen). Stal otrzymywana w piecach martenowskich ze złomu może zawierać wszystkie składniki występujące w stalach stopowych, dlatego też ustalone zostały umowne graniczne zawartości pierwiastków dla stali węglowych. Stale zawierające więcej składników stopowych uważane są umownie za stale stopowe. Znajdują się w nich oprócz pierwiastków pochodzących z przerobu hutniczego również pierwiastki wprowadzone celowo dla uzyskania określonych właściwości. Do najczęściej stosowanych składników stali stopowych należą: nikiel, chrom, mangan, krzem, wolfram oraz kobalt. Zależnie od zastosowania stal dzieli się na: konstrukcyjną, narzędziową i o szczególnych własnościach. Stal jest najważniejszym materiałem w budowie maszyn, a także jednym z podstawowych i niezbędnych materiałów w budownictwie.
Damasceńska stal, gatunek stali otrzymywanej przez kilkakrotne nawęglanie żelaza, a następnie przekuwanie, w celu uzyskania charakterystycznej struktury krystalicznej, ciemnego zabarwienia oraz sfalowanego lub sieciowego rysunku. Służyła do wykonywania broni (hełmy, szable), ceniona ze względu na trwałość, twardość i giętkość oraz odporność na korozję. Znana od starożytności, we wczesnym średniowieczu produkowana w Indiach, udoskonalona przez Arabów, spopularyzowana w Europie ok. 1400. Nazwa stali damasceńskiej pochodzi od syryjskiego miasta Damaszek, stanowiącego centrum jej eksportu do Europy.
Korozja, proces stopniowego niszczenia zachodzący na powierzchni metali i ich stopów oraz tworzyw niemetalowych (np. betonu, drewna) wskutek chemicznego lub elektrochemicznego oddziaływania środowiska. Korozja chemiczna polega na chemicznym oddziaływaniu ośrodka na tworzywo (np. tworzeniu się związków chemicznych metalu z pierwiastkami otoczenia), korozja elektrochemiczna, niszcząca metale, wywoływana jest przepływem ładunków elektrycznych przez granicę metal - elektrolit. Ze względu na fizykochemiczny charakter środowiska rozróżnia się korozję gazową, w elektrolitach, w nieelektrolitach, atmosferyczną, ziemną i biologiczną (biokorozja). Proces korozji może zachodzić także w wyniku równoczesnego działania środowiska i innych czynników, np. korozja cierna (fretting) - korozja metali wywołana jednoczesnym oddziaływaniem środowiska i tarcia. Przykładem korozji jest rdzewienie żelaza, śniedzenie mosiądzu i miedzi, czernienie srebra. Korozji zapobiega się m.in. przez wytworzenie na powierzchni przedmiotu cienkich warstewek ochronnych tlenkowych lub fosforanowych, pokrywanie farbami, emaliami i tworzywami sztucznymi lub przez stosowanie odpowiednich stopów.


Pasywacja metali, przejście niektórych metali, w środowisku kwasów tlenowych lub ich soli, w stan pasywny, w którym posiadają wyższy potencjał standardowy. Przyczyną pasywacji metali jest powstanie na powierzchni metalu cienkiej warstwy tlenku, która tworzy się samorzutnie lub może być uzyskana wskutek anodowego utleniania metalu w odpowiednim elektrolicie. Pasywacja metali wykorzystywana jest jako ochrona przed korozją.
Pozytywny i negatywnywpływ mikro imakroelementów metalicznych w organiźmie człowieka: Wapń jest najistotniejszym elementem kościotwórczym mleka ale nie jedynym – sama dbałość o wysoki jego poziom, nie zapewni właściwej kondycji tkanki kostnej, a obfitość w pokarmie, nie przesądza o wartości profilaktycznej takiego pokarmu czy suplementu. Rolę wapnia w metabolizmie kośćca możemy przyrównać do roli cementu na budownictwie wielkopłytowym. Chelatowanie to proces wiązania pierwiastków metalicznych przez słabe kwasy organiczne. Ten niezwykle istotny proces umożliwia wchłanianie pierwiastków, ich transport i magazynowanie w organizmie oraz usuwanie szkodliwego nadmiaru. Pierwiastki metaliczne wprowadzane do organizmu mogą mieć charakter albo czynników zdrowotnych, albo trucizn środowiskowych. Czynniki zdrowotne to niezbędne do przebiegu procesów życiowych biopierwiastki, znane jako makro i mikroelementy lub krótko – minerały. Trucizny środowiskowe to tzw. pierwiastki śmierci, np. ołów, kadm, cez, rtęć, arsen, antymon. Ale uwaga, w przypadku wielu pierwiastków (selen, chrom, wanad) granica pomiędzy czynnikiem zdrowotnym a toksyną jest niezwykle cienka. W małych dawkach sprzyjają zdrowiu, w wysokich trują. Chelatowanie pozbawia pierwiastki toksycznej aktywności. Te trujące, nie czyniąc szkody, mogą zostać usunięte poza organizm. Pierwiastki o zmiennej dynamice działania są pobierane z chelatów w miarę zapotrzebowania i kierowane do procesów metabolicznych zaś potencjalnie szkodliwy nadmiar, wraz z nieaktywnym chelatem opuszcza organizm. Wprawdzie zdolność chelatowania posiadają niemal wszystkie kwasy organiczne, to tylko nieliczne tego typu substancje uznać można za wzorcowe. Substancja wzorcowa powinna wiązać pierwiastki z optymalną siłą – ani za mocno, ani za słabo.