Nota ulang kaji: Bahan Buatan dalam Industri

Nota ini mengerjakan bab Bahan Buatan dalam Industri satu standard kandungan pada satu masa. Bab ini menghargai dua kemahiran utama: menerangkan mengapa setiap keadaan industri dipilih sebagai satu kompromi, dan memadankan sesuatu bahan dengan kegunaannya melalui sifatnya. Simpan nota ini di sebelah soalan kertas lepas dan gunakannya untuk menyemak jawapan anda dengan definisi yang diharapkan skema pemarkahan.

8.1 Asid sulfurik dan proses sentuh

Asid sulfurik ialah salah satu bahan kimia industri yang paling banyak digunakan. Kegunaannya termasuk membuat baja seperti ammonium sulfat, membuat detergen, cat dan pigmen, bertindak sebagai elektrolit dalam akumulator kereta, dan membersih (menyadur) permukaan logam sebelum penyaduran.

Proses sentuh menghasilkan asid sulfurik dalam empat peringkat:

• Peringkat 1, menghasilkan sulfur dioksida. Sulfur dibakar dalam udara kering: S + O₂ → SO₂. Sulfur dioksida juga boleh diperoleh daripada pemanggangan bijih sulfida.
• Peringkat 2, menghasilkan sulfur trioksida. Sulfur dioksida dan oksigen berlebihan dialirkan melalui mangkin vanadium(V) oksida (V₂O₅): 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃. Langkah ini berbalik dan eksotermik, dan merupakan teras proses ini.
• Peringkat 3, menghasilkan oleum. Sulfur trioksida dilarutkan dalam asid sulfurik pekat untuk membentuk oleum: SO₃ + H₂SO₄ → H₂S₂O₇. Ia tidak dilarutkan terus dalam air kerana itu menghasilkan kabus asid sulfurik yang tebal dan sukar dimeluwapkan.
• Peringkat 4, mencairkan oleum. Oleum ditambah kepada air untuk memberi asid sulfurik pekat: H₂S₂O₇ + H₂O → 2H₂SO₄.

Penaakulan yang memperoleh markah. Keadaan Peringkat 2 ialah satu kompromi. Tindak balas ke hadapan bersifat eksotermik, jadi suhu rendah menyokong hasil SO₃ yang tinggi tetapi kadarnya terlalu perlahan. Suhu tinggi laju tetapi merendahkan hasil. Suhu sederhana kira-kira 450–550 °C mengimbangi hasil yang baik dengan kadar yang boleh diterima. Oleh sebab tindak balas ke hadapan mengurangkan bilangan mol gas (3 → 2), tekanan tinggi akan menaikkan hasil, tetapi hasil pada kira-kira 1 atmosfera sudah sangat tinggi, jadi menaikkan tekanan tidak berbaloi dengan kos loji yang lebih kukuh. Mangkin mempercepatkan kadar tanpa mengubah kedudukan keseimbangan atau hasil.

Sulfur dioksida yang dibebaskan ke udara ialah punca hujan asid, jadi loji industri mesti mengawal pelepasannya.

8.2 Ammonia dan proses Haber

Ammonia digunakan terutamanya untuk membuat baja bernitrogen (ammonium nitrat, ammonium sulfat dan urea) dan asid nitrik, serta sebagai bahan mentah untuk agen pencuci.

Dalam proses Haber, nitrogen dan hidrogen bergabung: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃. Nitrogen diperoleh daripada penyulingan berperingkat udara cair; hidrogen diperoleh daripada gas asli. Tindak balas ke hadapan berbalik dan eksotermik.

Logik kompromi yang sama. Oleh sebab tindak balas ke hadapan eksotermik, suhu rendah menyokong hasil tetapi perlahan; suhu kira-kira 450–550 °C ialah kompromi itu. Oleh sebab tindak balas ke hadapan mengurangkan mol gas (4 → 2), tekanan tinggi menyokong hasil, jadi tekanan tinggi kira-kira 200–300 atmosfera digunakan, setinggi yang selamat dan ekonomik. Mangkin besi mempercepatkan kadar. Ammonia disingkirkan dengan menyejukkan dan mencairkannya, dan nitrogen serta hidrogen yang tidak bertindak balas dikitar semula untuk meningkatkan penukaran keseluruhan.

Perhatikan bahawa proses sentuh dan proses Haber berkongsi rangka penaakulan yang sama, tindak balas ke hadapan eksotermik, mol gas berkurang, mangkin, tetapi mencapai keputusan tekanan yang berbeza kerana kenaikan hasil daripada tekanan berbeza. Berupaya menerangkan perbezaan itu ialah tepatnya perkara yang diuji soalan markah tinggi.

8.3 Aloi dan kegunaannya

Logam tulen terdiri daripada atom bersaiz sama yang tersusun dalam lapisan teratur. Apabila daya dikenakan, lapisan menggelongsor antara satu sama lain, jadi logam itu lembut dan mudah dibengkokkan. Aloi ialah campuran dua atau lebih unsur, yang utamanya logam. Atom asing bersaiz berbeza, jadi ia mengganggu susunan teratur dan menghalang lapisan daripada menggelongsor. Oleh itu aloi lebih keras dan kuat daripada logam tulen.

Pengaloian juga digunakan untuk menahan kakisan dan memperbaik rupa. Hafal beberapa contoh yang jelas berserta kegunaannya:

• Gangsa (kuprum + timah), pingat, patung, karya seni.
• Loyang (kuprum + zink), alat muzik, kelengkapan hiasan.
• Keluli (besi + karbon), lebih keras dan kuat daripada besi; badan kenderaan dan rangka bangunan.
• Keluli tahan karat (besi + karbon + kromium + nikel), menahan karat; alat pemotong dan alat pembedahan.
• Duralumin (aluminium + kuprum + magnesium), ringan tetapi kuat; badan pesawat.
• Piuter (timah + antimoni + kuprum), cenderamata dan barang hiasan.

8.4 Bahan komposit

Bahan komposit dihasilkan dengan menggabungkan dua atau lebih bahan supaya produknya mempunyai sifat yang lebih baik daripada mana-mana komponen tunggal. Hafal contoh piawai ini serta sifat yang menjadikan setiap satu berguna:

• Konkrit bertetulang (konkrit + bar keluli). Konkrit kuat apabila dimampatkan tetapi retak apabila diregangkan; keluli kuat apabila diregangkan. Bersama-sama ia kuat di bawah kedua-dua daya, jadi ia digunakan dalam bangunan dan jambatan.
• Gentian kaca (gentian kaca + resin plastik). Ringan, kuat dan menahan kakisan, jadi ia digunakan untuk badan bot dan kereta, tangki air dan topi keledar.
• Gentian optik (kaca yang sangat tulen). Membawa data sebagai cahaya sejauh jarak jauh dengan sedikit kehilangan.
• Kaca fotokromik (kaca + sebatian argentum). Menjadi gelap dalam cahaya terang, jadi ia digunakan untuk kanta cermin mata.

Tabiat peperiksaan di sini ialah perbandingan: nyatakan kelemahan bahan asal, kemudian nyatakan bagaimana komposit menghapuskannya.

8.5 Kaca dan seramik

Kaca dibuat terutamanya daripada silika (silikon dioksida, SiO₂). Bahan tambah yang berbeza memberikan jenis yang berbeza dengan kegunaan yang berbeza:

• Kaca lakur (kuarza), silika tulen; takat lebur tinggi, tahan perubahan suhu mengejut; digunakan untuk kanta dan optik makmal.
• Kaca soda-kapur (silika + natrium karbonat + batu kapur), murah; digunakan untuk botol, tingkap dan mentol lampu.
• Kaca borosilikat (silika + boron oksida), tahan haba dan perubahan suhu mengejut; digunakan untuk radas makmal dan perkakas memasak.
• Kaca kristal plumbum (silika + plumbum(II) oksida), tumpat dan berkilau; digunakan untuk barang kaca hiasan dan kanta.

Seramik dibuat daripada tanah liat dan dikeraskan dengan pembakaran pada suhu tinggi. Ia keras, rapuh, lengai secara kimia, mempunyai takat lebur yang sangat tinggi dan tidak mengalirkan elektrik. Sifat ini menerangkan kegunaannya: penebat elektrik, lapisan relau, jubin, bata dan pinggan mangkuk.

Cara menggunakan nota ini

Ulang kaji satu standard kandungan pada satu masa dan terangkannya dengan lantang tanpa melihat. Untuk 8.1 dan 8.2, latih hujah kompromi dalam ayat penuh, keadaan, kesan pada kadar, kesan pada hasil, keputusan. Untuk 8.3, berupaya menerangkan kekerasan dari segi atom dan lapisan menggelongsor. Untuk 8.4 dan 8.5, berlatih penaakulan sifat-ke-kegunaan. Seorang guru satu-ke-satu boleh menyemak bahawa penerangan kadar dan hasil anda lengkap, kerana di situlah markah diperoleh atau hilang dalam Kimia SPM. Kemudian cuba soalan latihan untuk bab ini dan tanda jawapan anda mengikut definisi ini.