ธาตุและสารประกอบบางชนิดในสิ่งมีชีวิตและในสิ่งแวดล้อม

                   1.  ธาตุอะลูมิเนียม  ( Al ) เป็นโลหะที่พบมากบริเวณเปลือกโลก  เป็นอันดับสามรองจากธาตุซิลิกอน  พบประมาณ 7.5%  โดยมวล ในธรรมชาติจะอยู่ในรูปของสารประกอบชนิดต่างๆ  เช่น  บอกไซด์  ( Al2O3.2H2O )  ไครโอไลด์  ( Na3AIF6 )  อะลูมิเนียมบริสุทธิ์มีสีขาวเงิน มีความหนาแน่น  2.699  g/com3 ที่ 20 ํC  นำไฟฟ้าได้ดี และนำได้ดีขึ้นเมื่อมีความบริสุทธิ์เพิ่มขึ้น  มีความว่องไวในการเกิดปฏิกิริยามาก  ทิ้งไว้ในอากาศจะทำปฏิกิริยากับก๊าซออกซิเจนกลายเป็น  Al2O3 เคลือบที่ผิวของโลหะช่วยในการป้องกันไม่ให้ผุกร่อน  ทับทิม  ไพริน  และบุษราคัมที่ใช้เป็นเครื่องประดับ  เป็นพลอยประเภทคอรันดัมสูตรเคมี  คือ  Al2O3  ซึ่งมีความแข็งรองจากเพชร  แต่มีสีต่างกัน  เพราะมีธาตุอื่นที่เป็นมลพิษต่างกัน  ถ้ามีโครเมียมออกไซด์ปนอยู่จะมีสีชมพูถึงแดงเข้มเรียกว่า  ทับทิม  ถ้ามีไทเทเนียมและเหล็กออกไซด์ปนอยู่จะมีสีน้ำเงินเรียกว่า  ไพลิน  และถ้ามีเหล็กออกไซด์ปนอยู่จะมีเหลือง  เรียกว่า  บุศราคัม  โลหะอะลูมิเนียมเตรียมได้จากการแยกออกไซด์ที่หลอมเหลวด้วยกระแสไฟฟ้า  จะได้โลหะอะลูมิเนียมที่ขั้วแคโทดหรือขั้วลบ

                   ประโยชน์  โลหะอะลูมิเนียมเป็นโลหะเศรษฐกิจที่สำคัญ  เพราะมีราคาถูก  และใช้ประโยชน์ได้มากมาย  เช่น  โลหะเจืออะลูมิเนียม  ใช้ทำเครื่องบิน  ยานอวกาศ  กลอนประตู  หน้าต่าง เครื่องใช้ต่างๆ  ภายในบ้านนอกจากนั้น  อะลูมิเนียมยังใช้ทำสายไฟฟ้า  ทำวัสดุห่อของในลักษณะอะลูมิเนียมแผ่นบางใช้ทำกระป๋องน้ำอัดลม  กระป๋องเบียร์  กระป๋องน้ำผลไม้  ชิ้นส่วนของเครื่องจักร  อุปกรณ์เคมีและอื่นๆ  สารส้ม ( K2SO4Al2(SO4)3.24H2O  ซึ่งเป็นสารประกอบของอะลูมิเนียมใช้ในกระบวนการทำน้ำประปา  การทำกระดาษ

                   2.  ธาตุแคลเซียม  โลหะแคลเซียมอยู่หมู่ที่ IIA  มีความหนาแน่นน้อย  มีสีขาวเงินเป็นมันวาวเหนียว  แคลเซียมไม่พบในสภาพอิสระในธรรมชาติ  แต่จะพบแคลเซียมในรูปของสารประกอบต่างๆ   เช่นพบในรูปแคลเซียมคาร์บอเนต  ( CaCO3 )  ซึ่งเป็นองค์ประกอบในหินงอก  หินย้อย  เปลือกหอย  ดินมาร์ล  เป็นต้น  พบในรูปของสารประกอบซัลเฟต  เช่น  ยิปซัม  ( CaSO4. 2H2O )  แคลเซียมเตรียมได้โดยการผ่านไฟฟ้ากระแสตรงลงในสารประกอบของแคลเซียมที่อยู่ในสภาพหลอมเหลว  ก็จะได้โลหะแคลเซียมที่ขั้วลบหรือขั้วแคโทด

                         ประโยชน์  สารประกอบของแคลเซียมได้ถูกนำมาใช้ประโยชน์มากมาย  เช่น ยิบซัมให้ผลิตแผ่นยิบซัมบอร์ด  แคลเซียมคาร์บอเนตจากหินปูนใช้ทำปูนขาว  ชอล์ก  ดินสอพอง  เครื่องปั้นดินเผา  เถ้ากระดูกซึ่งประกอบด้วยแคลเซียมฟอสเฟต  ( (Ca3(PO4)2 )  ร้อยละ 67-85  แคลเซียมคาร์บอเนตร้อยละ 3 – 10  และสารอื่นเล็กน้อยผสมกับดินขาวและแร่ฟันม้าในอัตราส่วนพอเหมาะใช้ทำเครื่องปั้นดินเผาชนิดโบนไชนา  ( Bone China )  ซึ่งมีคุณภาพดีและราคาแพง  แคลเซียมคาร์ไบด์  ( CaC2 )  ใช้ผลิตก๊าซอะเซติลีน  ( C2H2 )  ( ก๊าซอะเซติลีนใช้ในการเชื่อมและตัดโลหะ )  แคลเซียมคาร์บอเนต  (CaCO3) ใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตโซดาแอช  ( Na2CO3 )  หินปูน  ดินมาร์ลหรือเปลือกหอยใช้แก้ความเป็นกรดของดิน  ใช้แคลเซียมดูดน้ำอกจากน้ำมัน  นอกจากนั้นแคลเซียมยังเป็นองค์ประกอบที่สำคัญของกระดูกและฟัน

                   3.  ธาตุทองแดง   ทองแดงเป็นโลหะสีน้ำตาลแดงค่อนข้างอ่อนสามารถตีแผ่เป็นแผ่นบางๆ  หรือดึงเป็นเส้นได้  นำความร้อนและไฟฟ้าได้ดีรองจากทองคำและเงิน  ทองแดงเป็นโลหะที่พบในแร่ต่างๆ เช่น  แร่คาลโคโพไรต์  (CuFeS2)  คิวไพรต์  (Cu2O)  มาลาโคต์  (Cu2CO3(OH)2) คาลโคไซต์  (Cu2S)  โลหะทองแดงสามารถเตรียมได้โดยวิธีการถลุง  การถลุงทำได้โดยการเผาแร่คาลโคไพไรต์ในอากาศ  จะได้คอปเปอร์(I)ซัลไฟด์  ( Cu2S )   ไอร์ออน(II)ออกไซด์ ( FeO )  และก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ ( SO2 )  ดังสมการ                      แยกก๊าซ  SO2  ออก  จากนั้นนำผลิตภัณฑ์ที่เหลือนำไปเผารวมกับออกไซด์ของซิลิคอนในเตาถลุง  FeO  จะทำปฏิกิริยากับออกไซด์ของซิลิคอน ( SiO2 )  ได้กากตะกอน ( Slag )  ลอยอยู่บน Cu2S  ซึ่งไขแยกออกมาได้เมื่อนำ  Cu2S ไปเผารวมกับอากาศจะได้คอปเปอร์(I)ออกไซด์ ( Cu2O ) ดังสมการ

   Cu2O  จะผสมกับ  Cu2S  ที่เหลือ เมื่อเผาในที่ไม่มีอากาศจะได้โลหะทองแดงและก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ดังสมการ   ทองแดงที่ยังไม่บริสุทธิ์เนื่องจากมีโลหะอื่นปนอยู่  เช่น  เหล็ก เงิน  แพลทินัม  ซึ่งสามารถทำให้บริสุทธิ์โดยการแยกด้วยกระแสไฟฟ้า

                         ประโยชน์  ส่วนใหญ่ใช้ประโยชน์ในงานด้านไฟฟ้า  เช่น  ทำสายไฟฟ้า  ไดนาโม  มอเตอร์  อุปกรณ์และเครื่องใช้ไฟฟ้าต่างๆ  เนื่องจากทองแดงทนทานต่อการกัดกร่อนของสารเคมีจึงใช้ทำหม้อน้ำรถยนต์ผงทองแดงใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา  นอกจากนี้ทองแดงยังใช้ทำโลหะผสมต่างๆ  เช่น  ทองเหลือง ( ทองแดง+สังกะสี ) เป็นตัน  ทองสัมฤทธิ์ใช้ทำลานนาฬิกา  ปืนใหญ่  ระฆัง เป็นต้น  สารประกอบคอปเปอร์(II)ออกไซด์ ใช้ทำยาฆ่าแมลงหรือฆ่าเชื้อรา  สารประกอบเชิงซ้อนของทองแดง ( Cu )  เรียกว่า  ฮีโมไชยานิน  เป็นส่วนประกอบในเลือดของสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังบางชนิด  เช่น  ปลาหมึก  ปู หอยโข่ง  แมวป่อง  ฮีโมไซยานินทำหน้าที่ขนส่งออกซิเจนแทนฮีโมโกลบิน   นอกจากนั้นทองแดงยังมีธาตุจำเป็นสำหรับพืชด้วย  เช่น  จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์คลอโรฟิลล์  และเอนไซม์ของพืช

                   4.  ธาตุโครเมียม ( Cr ) โครเมียมเป็นโลหะสีขาวเงินเป็นมันวาวและแข็งมาก ไม่พบธาตุโครเมียมในรูปธาตุอิสระ แต่จะพบในรูปของแร่ต่าง ๆ  ที่พบมากคือแร่ไครไลต์ ( FeO.Cr2O3 )  สารประกอบหรือไอออนต่างๆ  ของธาตุโครเมียมมีสี เช่น K2CrO4หรือ  มีสีเหลือง , K2Cr2O7 หรือ มีสีส้ม  , KCr(SO4)2.12H2O มีสีม่วงแดง

                   Cr เตรียมได้โดยการเผาแร่ไครโลต์กับคาร์บอน

Fe  และ  Cr  ที่เกิดขึ้นจะอยู่ในรูปโลหะเจือโดยมี  Fe:Cr = 1:2  ถ้าต้องการโครเมียมบริสุทธิ์  สามารถเตรียมได้โดยเผาแร่ไครโลต์กับ  K2CO3  ในอากาศจะได้  K2CrO4  ซึ่งละลายน้ำได้จึงสามารถแยกออกจาก  FeO  ได้

                                                                                                                         เติม  H2O

                                                                                                                           

แล้วกรอง  K2CrO4  ออกจาก  FeO  ระเหยน้ำออกจะได้  K2Cro4 (s)  จากนั้นนำมาเผากับคาร์บอน

 ( C )  จะได้  Cr2 O3  และเมื่อเผา  Cr2 O3  กับ  Al  จะได้  Cr

                  

 

                   ประโยชน์  ใช้เป็นส่วนผสมในเหล็กกล้าไร้สนิม  ( Stainless steel )  ประกอบด้วย  Fe 73%  Cr 18%  Ni 8%   และ C  0.4%  ใช้ทำเครื่องผ่าตัด  ตัวเรือนนาฬิกา ช้อน และภาชนะต่างๆ ใช้เคลือบบนผิวเหล็ก เพื่อความสวยงามและป้องกันการผุกร่อนของเหล็กใช้เป็นส่วนประกอบในเหล็กกล้าที่ใช้ทำตู้นิรภัยเครื่องยนต์  เกราะกันกระสุน  ใช้ทำโลหะเจือโคบอลซึ่งใช้ทำกระดูกเทียม  Cr2O3  เป็นของแข็งสีเขียวแก่ใช้ทำสีเพื่อเขียนลวดลายเครื่องเคลือบดินเผา  Na2Cr2O7 ใช้อุตสาหกรรมฟอกหนัง  สารละลายผสมของ  K2Cr2O7  กับกรดฟิวริก  (H2SO4)  เข้มข้นใช้ทำความสะอาดเครื่องแก้วในห้องปฏิบัติการเคมี

                   5.  ธาตุเหล็ก ( Fe ) เหล็กเป็นโลหะแทรนซิซันที่มีมากที่สุดในธรรมชาติและเป็นโลหะที่มีมากในพื้นโลกเป็นอันดับ 2  รองจากอะลูมิเนียม  เหล็กบริสุทธิ์มีสีเทาเป็นวาว  สามารถดูดได้โดยแม่เหล็กแต่ความเป็นแม่เหล็กจะหายไปอย่างรวดเร็ว  เหล็กเป็นโลหะที่สึกกร่อนหรือเป็นสนิมได้ง่าย ในธรรมชาติพบเหล็กอยู่ในรูปของแร่ฮีมาไทต์( Fe2O3 ) แมกนีไทต์( Fe3O4 )  และไพไรต์( FeS2

                   เหล็กเตรียมได้โดยการถลุงจากแร่ฮีมาไทต์ในกระบวนถลุงเหล็กจะใช้ฮีมาไทต์ในปริมาณมากผสมกับถ่านโค้กและหินปูน  ใส่ในเตาถลุงโดยใส่ทางส่วนบนของเตา  จากนั้นก็พ่นอากาศหรือออกซิเจนร้อนเข้าทางส่วนล่าง  ถ่านโค้กก็จะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนบริเวณก้นเตาเกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์  ( CO2 )  ดังสมการ

ปฏิกิริยานี้คายความร้อนออกมาทำให้อุณหภูมิบริเวณก้นเตาสูงประมาณ  1900?C  แล้วก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะทำปฏิกิริยากับถ่านโค้กต่อไปเกิดก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์  ( CO )  ดัง  สมการ

 ปฏิกิริยาดูดความร้อน)  …(2)

ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ที่เกิดขึ้นจะลอยขึ้นไปทำปฏิกิริยากับแร่ฮีมาไทต์ได้ ไอร์ออน (II/III) ออกไซต์  ( Fe3O4 )  ดังสมการ

 

Fe3O4  จะทำปฏิกิริยากับก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์  ได้ไอร์ออน(II/III)ออกไซด์  ( Fe3O4 )  ดัง       สมการ 

จากนั้น  FeO  ก็จะถูกรีดิวซ์โดยก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์   ( ทำปฏิกิริยากับ CO )  กลายเป็นเหล็กบริเวณก้นเตา  ซึ่งมีอุณหภูมิสูงถึง  1300 ?C   ถึง  1800  ?C   ทำให้เหล็กที่ได้หลอมเหลว

ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์  ที่เกิดขึ้นบริเวณก้นเตาในสมการ  (5)  จะทำปฏิกิริยากับถ่านโค้กให้ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์  ซึ่งใช้ประโยชน์ต่อไปได้อีก ( ดูสมการ (2) )

                   เนื่องจากในสินแร่มักมีสิ่งเจือปนอยู่ด้วย  เช่น  ออกไซด์ของซิลิคอน ( SiO2 )  ออกไซด์ของอะลูมิเนียม ( Al2O3 )  ซึ่งจะทำปฏิกิริยากับหินปูนที่เติมลงไปกลายเป็นกากตะกอน  ( Slag )  ลอยอยู่เหนือเหล็กเหลวที่ก้นเตาถลุง 

                   เหล็กที่ถลุงได้ เรียกว่า เหล็กหล่อ ( Pig iron )  ซึ่งแข็งแต่เปราะแตกง่ายเมื่อทุบหรือตี  ซึ่งเหล็กที่ได้นี้สามารถนำไปใช้ประโยชน์บางอย่างได้เท่านั้น  เพราะยังไม่มีสมบัติดีพอที่จะนำไปใช้งานทั่วๆ ไป จึงต้องนำมาปรับปรุงคุณภาพโดยการแยกมลทินออกให้เหลือน้อยที่สุดหรือใช้โลหะอื่นผสมอยู่ด้วยแต่จะปรับปรุง

คุณภาพอย่างไรนั้นขึ้นอยู่กับลักษณะของงานที่จะนำเหล็กไปใช้เหล็กที่ใช้ในอุตสาหกรรมและงานต่างๆ  มักเป็นเหล็กเหนียว  เหล็กกล้าและเหล็กกล้าผสม