Processi termochimici nell’industria, ovvero ossidazione ed energia 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

4Fe(s) + 3O2 + 10H2O → 4 Fe(OH)3·H2O 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

-Fe  -Fe (908°C) -Fe (1400°C) Struttura: 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) Riduzione del ferro dagli ossidi Fe2O3 + 3H2(gas)  2Fe + 3H2O(gas) Fe2O3 + 2Al  2Fe + Al2O3   o mediante deposizione elettrolitica da soluzioni di solfato ferroso [-] Fe++ + 2e-  Fe(s)

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 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

Au + HNO3 + 4 HCl  AuCl4- + NO(gas) + 2H2O + H+ Molto 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+

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