SUMUINEN AAMU METALLINKIERRÄTYSLAITOKSELLA Työskentelet metallinkierrätyslaitoksella. Asiakas tuo kierrätyslaitokselle 1200 kilogramman erän kellertävää metallimateriaalia, joka on löytynyt purettavasta varastorakennuksesta. Kierrätykseen tuotavasta kuparista maksetaan 2 /kg. Asiakkaan arvion mukaan metallimateriaalin kuparipitoisuus on ainakin 50 %. Mitä teet: a) tarjoat asiakkaalle metallierästä 1000 ja kokeilet, hyväksyykö hän tarjouksen b) selvität kemiallisin mittauksin metallimateriaalin kuparipitoisuuden? Työn suoritus Näyteliuoksen valmistus: Punnitse tutkittavaa metallia n. 0,1 grammaa ja laita se koeputkeen, jossa on 2 millilitraa väkevää typpihappoa. Kirjaa punnitun näytteen massa seuraavalla sivulla olevaan taulukkoon. Kun metalli on liuennut, kaada koeputken sisältö suppilon avulla 100 millilitran mittapulloon, jossa on 25 millilitraa 5 % ammoniakkiliuosta. Täytä koeputki vielä vedellä ja kaada vesi mittapulloon. Täytä mittapullo lopuksi merkkiin asti vedellä ja sekoita. Mittauksen suoritus: Laita näyteliuosta ja vertailuliuoksia pipetin avulla spektrofotometrin mittausastioihin. Valitse spektrofotometristä aallonpituudeksi 600 nm ja mittaa kunkin liuoksen absorbanssi. Kirjaa liuosten absorbanssit seuraavalla sivulla olevaan taulukkoon. Tulosten tulkinta: Kirjoita mitatut liuosten absorbanssit taulukkolaskentaohjelmaan. Nyt ohjelma ilmoittaa näyteliuoksen kuparipitoisuuden (mg/l). Tämän jälkeen kirjoita ohjelmaan näytteen massa, jolloin ohjelma laskee metallinäytteen kuparipitoisuuden (m-%) ja metallierästä maksettavan hinnan.
Teoria Väkevä typpihappo hapettaa metallisen kuparin reaktioyhtälön Cu + 4 HNO 3 Cu(NO 3 ) 2 + 2 NO 2 + 2 H 2 O mukaisesti. Kupari-ioni muodostaa ammoniakin kanssa sinisen yhdisteen, tetra-ammiinikupari(ii)- ionin: Cu 2+ + 4 NH 3 [Cu(NH 3 ) 4 ] 2+ Metallimateriaalin kuparipitoisuus saadaan selville liuottamalla metallia ensin typpihappoon, ja sekoittamalla typpihappoliuos ammoniakkiliuokseen. Mitä enemmän kuparia on, sitä voimakkaampi on liuoksen sininen väri. Liuoksen värin voimakkuus mitataan spektrofotometrillä. Näyteliuoksen värin voimakkuutta verrataan sellaisiin liuoksiin, joiden kuparipitoisuudet tunnetaan. Tulokset Kirjaa mittaustulokset alla oleviin taulukoihin. Näytteen massa (grammoina) Laimean vertailuliuoksen absorbanssi (200 mg/l) Väkevän vertailuliuoksen absorbanssi (1000 mg/l) Näyteliuoksen absorbanssi
Kuparipitoisuuden mittaukseen liittyviä tehtäviä Ennen vierailua tehtäviä etukäteistehtäviä: 1. Kupari on jalometalli, mutta se reagoi typpihapon kanssa. Miksi? Esitä metallisen kuparin reaktio väkevän typpihapon kanssa. Miten reaktio eroaa, jos typpihappo on laimeaa? 2. Metallista kuparia käytetään sekä sellaisenaan että metalliseoksissa, ns. lejeeringeissä. Minkälaisia kuparipitoisista metallilejeerinkejä on olemassa ja mihin niitä käytetään? 3. Mieti, miksi kuparia kierrätetään ja miksi metallinkierrätyslaitos haluaa maksaa asiakkailleen kierrätykseen tuodusta kuparista? Vierailun jälkeen tehtäviä koontitehtäviä: 4. Kuinka suuri on asiakkaan tuoman metallimateriaalin kuparipitoisuus? Kuinka paljon asiakkaan toimittamasta metallierästä voidaan maksaa? 5. Kierrätykseen tuodusta metallimateriaalista voidaan maksaa hyvin, jos metallien hinnat ovat korkealla. Kun hinnat ovat alhaalla, metallimateriaalista voidaan maksaa vain vähän, mikä saattaa vähentää kierrätykseen tuodun metallin määrää. Tulisiko mielestäsi yhteiskunnan tukea metallinkierrätystä takaamalla kierrätykseen tuotavalle metallille korkea hinta myös silloin, kun metallien hinnat ovat alhaalla. Perustele.
Tehtävien vastaukset Tehtävä 1. Väkevä typpihappo hapettaa kuparin hapetusasteelle +II. Samalla typpihapon typpi pelkistyy hapetusasteelta +V hapetusasteelle + IV, jolloin muodostuu ruskeaa typpidiokdisia: Cu + 4 HNO 3 Cu(NO 3 ) 2 + 2 NO 2 + 2 H 2 O Jos typpihappo on laimeaa, muodostuu väritöntä typpimonoksia, jossa typen hapetusaste on +II: 3 Cu + 8 HNO 3 3 Cu(NO 3 ) 2 + 2 NO + 4 H 2 O Tehtävä 2. Esimerkkejä kuparipitoisista metallilejeeringeistä on lueteltu seuraavassa taulukossa: Lejeeringin nimi Messinki Pronssi Konstantaani Uushopea Lejeeringin pääkomponentit Kupari ja sinkki Kupari ja tina Kupari ja nikkeli Kupari, nikkeli ja sinkki Tehtävä 3. Kuparia kierrätetään, koska sitä voidaan käyttää uudelleen kuparituotteiden valmistuksessa. Kuparituotteita valmistava teollisuus ostaa kierrätettyä kuparia, kunhan sen puhtaus on tarpeeksi hyvä ja hinta sopiva. Metallinkierrätyslaitos haluaa maksaa kierrätykseen tuotavasta kuparista, jotta asiakkaat suostuvat tuomaan kuparia kierrätykseen. Tehtävä 4. Kuparipitoisuuden ja hinnan voi laskea Excel-taulukon avulla. Tehtävä 5. Jos kierrätykseen tuotavasta metallista ei voida maksaa tarpeeksi hyvin, saattaa kierrätykseen tuotavan metalliromun määrä vähentyä. Tällöin tuotantoalueen teollisuuden metallinsaannissa tuontimetallin tai malmin osuus kasvaa, mikä taas heikentää ulkomaankauppatasetta (= kansantalouden viennin arvo tuonnin arvo). Tätä kautta voidaan olettaa, että yhteiskunnan tuki kierrätykseen tuotavasta metallista maksettavalle hinnalle saattaa vaikuttaa myönteisesti kansantalouteen. Metallinkierrätyksen tukemaista voidaan perustella myös energian kulutuksen näkökulmasta. Esimerkiksi kierrätetyn alumiinin valmistukseen menee huomattavasti vähemmän energiaa kuin sen valmistukseen alumiinipitoisesta malmista. Tämä johtuu siitä, että kierrätettävää alumiinia ei tarvitse elektrolysoida metalliseen muotoon.
Teknistä tietoa Liuosten valmistus: 5 % NH 3 : 100 ml 25 % NH 3 laimennetaan 500 ml:ksi. Kuparin perusliuos (kuparia 4 g/l): 3,143 g CuSO 4. 5 H 2 O laimennetaan vedellä 200 ml:ksi liuosta. Laimea vertailuliuos, kuparia 200 mg/l: Pipetoi 2 ml väkevää typpihappoa 100 ml mitapulloon, jossa on 25 ml 5 % ammoniakkia. Pipetoi perään 5 ml kuparin perusliuosta (Cu 2+ 4 g/l) ja täytä merkkiin asti vedellä. Väkevä vertailuliuos, kuparia 1000 mg/l: Pipetoi 2 ml väkevää typpihappoa 100 ml mitapulloon, jossa on 25 ml 5 % ammoniakkia. Pipetoi perään 25 ml kuparin perusliuosta (Cu 2+ 4 g/l) ja täytä merkkiin asti vedellä. Analysoitava näyte: Näytteenä toimii messinkinaula, jonka tietoja seuraavassa: ostopaikkana Oulunkylän K-Rauta, tuotteen nimi on K PROF Messinkinaula, 15 x 10, 200 kpl, keltainen pahvi ja naulat läpinäkyvässä muovissa, kuparipitoisuus (81 + 1) %, yhden naulan massa n. 0,11 g.