Jak powstają metale

2024 Autor: Sherilyn Boyd | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-16 10:20

Czy masz pierścień na swoim palcu? Czy jest zrobiony ze złota, srebra, platyny lub innego naturalnego metalu? Potem zastanów się: metal w tym pierścieniu na twoim palcu jest starszy niż planeta, na której stoisz.

CO TO JEST "METAL"?

Naukowo mówiąc, metale są naturalnie występującymi pierwiastkami chemicznymi, które są zazwyczaj twarde, błyszczące i dobrze przewodzą ciepło i energię elektryczną. Przykłady obejmują żelazo, złoto, srebro, miedź, cynk, nikiel itp., Ale także elementy, których zwykle nie uważamy za metale. Jedną z nich jest sód - metal, który regularnie jemy: Sód to miękki, srebrzystobiały metal, który zwykle łączy się z pierwiastkiem chloru, tworząc chlorek sodu lub zwykłą sól.

Innym jest astat, który został odkryty w 1940 roku w laboratorium, w którym został stworzony sztucznie. Nie odkryto jej w naturze do 1943 roku. Astat jest wysoce radioaktywny i uważa się, że tylko jedna uncja jego ciała istnieje w całości na Ziemi. Spośród 118 znanych pierwiastków chemicznych, 88 z nich to metale.

REAL ALCHEMIA

Skąd się wzięły te wszystkie metale? Oto bardzo uproszczone wyjaśnienie:

Wszystkie elementy, w tym metale, są wykonane z tego samego materiału: materiału atomowego - elektronów, neutronów i protonów. Atomy różnych elementów można odróżnić od siebie liczbą zawartych w nich protonów. (Liczba neutronów i elektronów może się różnić nawet między atomami tego samego pierwiastka.) Na przykład atom wodoru zawiera tylko jeden proton. Złoty atom ma 79. Tak jest w przypadku każdego z niezliczonych atomów wodoru i złota we wszechświecie.

Gdybyś mógł znaleźć sposób na zjednoczenie 79 atomów wodoru razem w jeden atom, miałbyś atom z 79 protonami, a zatem miałbyś złoty atom. I dokładnie tak się dzieje … chyba że dzieje się to w gwiazdach.

ZNAJDUJE SIĘ W NICH GWIAZDY

Około 13,7 miliarda lat temu materia pojawiła się najpierw w postaci atomów dwóch najlżejszych pierwiastków: wodoru, z jednym protonem i helem, z dwoma. Pozostają one zdecydowanie najbogatszymi elementami we wszechświecie.

Po wielu milionach lat te pierwsze atomy wodoru i helu zgromadzone w obłokach pyłu i gazów tak wielkie, że musiałyby być mierzone w latach świetlnych (1 rok świetlny = 6 bilionów mil lub 9,5 biliona kilometrów). Chmury ostatecznie uległy własnej ogromnej grawitacji i runęły, tworząc pierwsze gwiazdy. Gwiazdy były niszczycielami atomu - wystarczająco gorącymi, by rozbić atomy wodoru i helu, i połączyć je ponownie, przekształcając je w większe atomy różnych, cięższych pierwiastków.

Na przykład, jeśli połączymy dwa atomy wodoru razem, mamy atom z dwoma protonami - lub hel. Połącz ze sobą trzy wodory i otrzymasz atom z trzema protonami-litu, pierwszym i najlżejszym metalem. Połącz ze sobą trzy helu, a otrzymasz atom z sześcioma protonami - węgiel. Oto, co dzieje się we wszystkich gwiazdach, które widzisz na niebie w nocy. W tych masywnych proces może prowadzić do produkcji cięższych i cięższych pierwiastków, w tym metali, takich jak tytan (22 protony) i żelazo (26 protonów). Jeśli są szczególnie masywne, mogą wytwarzać najcięższe metale, takie jak złoto (79 protonów) i uran (92 protony). Jest to jedna z rzeczy, które robią gwiazdy, i tak wszystkie elementy - w tym wszystkie błyszczące metale - tworzą się w naturze.

Jak się tu dostali?

W DÓŁ DO ZIEMI

W pierwszych kilku miliardach lat po Wielkim Wybuchu urodziły się miliardy i miliardy gwiazd w sposób opisany właśnie. Wiele z nich było niezwykle masywnych (setki razy większych niż nasze słońce), a masywne gwiazdy żyły stosunkowo krótko - zaledwie kilka milionów lat w niektórych przypadkach (mniejsze gwiazdy mogą żyć przez miliardy lat) - a następnie umierają eksplodując jako supernowych.

A kiedy te masywne gwiazdy eksplodowały miliardy lat temu, wyrzuciły ciężkie pierwiastki, które stworzyły, wysyłając je w kosmos. Mieli, mówiąc jednym sposobem, "obsadzili" wszechświat elementami, w tym metalami. I super masywne, niemożliwe do zrozumienia ilości - tryliony, tryliony i tryliony megaton. Oznacza to, że kiedy powstały nowe gwiazdy - zostały już "wysiane" za pomocą metali pozostawionych przez te supernowe.

Jedna z tych późniejszych, bogatych w metal gwiazd, była naszym własnym słońcem. Rzut oka na tę historię:

• Około 4,5 miliarda lat temu masywna kosmiczna chmura pyłu i gazu, obsiana wieloma cięższymi pierwiastkami, upadła, rozpoczynając proces formowania nowej gwiazdy.
• Większość wodoru i helu w obłoku stała się częścią nowo powstałej gwiazdy. Reszta pyłu i gazu, w tym metali, nagromadziła się w stopionej masie, wirując wokół nowej gwiazdy. Ruch wirujący spłaszczył masę (ciasto z ciasta wyobrażeniowego) na stopiony, wirujący dysk.
• Przez miliony lat, gdy dysk się schładzał, jego cząsteczki zbijały się w jedną i drugą stronę, a te kępki stały się planetami w naszym Układzie Słonecznym. A metale w prochu? Stały się wszystkimi metalami znajdującymi się na wszystkich planetach, w tym naszą.

Nasz udział: Ziemia ma dużo metalu. Prawie jedna trzecia masy planety to żelazo, w większości znajdujące się w jądrze planety.Kolejne 14 procent to magnez, 1,5 procent to nikiel, a 1,4 procent to aluminium. To 49 procent planety. Pozostałe metale ziemskie, w tym "szlachetne" metale, takie jak złoto, srebro, platyna i pallad, istnieją tylko w śladowych ilościach. Reszta - część niemetaliczna - to około 30 procent tlenu i 15 procent krzemu, wraz z mniejszymi ilościami licznych innych niemetalicznych pierwiastków.

POPATRZ! BŁYSZCZĄCY!

Przez co najmniej kilka milionów lat ludzie i ich przodkowie używali narzędzi wykonanych z takich materiałów jak drewno, kość i kamień, aby ułatwić im życie. To nie ułatwiło ich życia: Homo sapiens byli względnie prymitywnymi koczowniczymi łowcami i zbieraczami przez prawie całe swoje istnienie. Następnie około 10 000 lat temu zaczęto odkrywać sposoby pracy z "nowym" materiałem: metalem.

Pierwszymi metalami używanymi przez ludzi były te, z którymi wczesni producenci metali nie musieli wiele robić, aby nadawały się do użytku. Są to rodzime metale - metale, które występują w naturze w stanie czystym lub są naturalnie mieszane z innymi pierwiastkami w sposób, który zachowuje ich właściwości użytkowe. Obejmują one miedź, cynę, ołów, srebro i złoto.

Ktoś mógł właśnie znaleźć bryłki tych metali w strumieniu lub w korzeniach odkopanego drzewa i pomyślał, że są atrakcyjne. Mogli ich uderzyć kamiennymi młotami i odkryli, że mogą je kształtować. To mogło spowodować, że metale będą używane w biżuterii lub ozdoby, albo do wyrobu metalowych narzędzi i broni, takich jak siekiery, noże i miecze - ogromna poprawa w stosunku do starych kamiennych narzędzi. Wszystko to doprowadziło w końcu do ludzi aktywnie poszukujących większej ilości metali, zakładania kopalń, handlu metalami między różnymi narodami i narodzin przemysłu metalowego. Tak się jednak stało - zdarzyło się to w wielu miejscach na całym świecie.

METALURGIA

Około 8000 lat temu ludzie zaczęli odkrywać, że mogą zmienić metal. Być może odkryli to przez przypadek, a może ludzie stali się kreatywni, a może to była kombinacja obu. W każdym razie opracowano nowe procesy, aby zmienić metale, a następnie stworzyć zupełnie nowe, które w ogóle nie występowały w przyrodzie - z ogromną poprawą jakości. W ciągu następnych kilku tysięcy lat górnictwo i obróbka metali stały się integralną częścią większości kultur na Ziemi, a metal stał się jedną z najbardziej zmieniających cywilizację substancji w historii ludzkości. Każdy z tych nowych procesów wymagał pożaru i prawdopodobnie eksperymentowanie z jednym z nich doprowadziło bezpośrednio do następnego. Najważniejsze osiągnięcia:

• Wyżarzanie. Jest to po prostu proces podgrzewania metalu, aż zacznie świecić czerwienią. Przywraca to stary, kruchy metal do jego oryginalnego plastycznego stanu, umożliwiając jego przeróbkę i przedłużając jego użyteczność. Wyżarzanie można przeprowadzić w stosunkowo niskich temperaturach (miedź można wygrzać w ognisku). Po raz pierwszy wykonano około 6000 BC, gdzieś na Bliskim Wschodzie, a być może także w Europie i Indiach w tym samym czasie.
• Wytapianie. W procesie tym metale topią się w stan ciekły, oferując znacznie więcej swobody w kształtowaniu ich w różne formy. Metale po raz pierwszy przetapiano w okolicach 5000 B.C., po opracowaniu bardziej zaawansowanych pieców garncarskich, które mogą wytwarzać znacznie wyższe temperatury niż w zwykłych otwartych pożarach.
• Produkcja stopowa. Jest to proces mieszania różnych metali, gdy są w stanie stopionym. Zaczęło się około 3300 BC. (początek epoki brązu), z pierwszą produkcją brązu - mieszaniną miedzi i cyny, która jest znacznie twardsza i trwalsza niż którykolwiek z jej składników.
• Ekstrakcja. Wraz z dalszymi ulepszeniami technologii pieca i późniejszą zdolnością do osiągania wyższych temperatur opracowano techniki umożliwiające wydobywanie metali z rudy. Najpierw zrobiono to z żelazem na Bliskim Wschodzie około 1500 roku pne - oznaczając początek epoki żelaza.
• Wytapianie, produkcja stopów i ekstrakcja były praktykowane przez starożytnych ludzi w Europie, Azji, Ameryce Południowej, a także daleko na północy Meksyku, ale nie w pozostałej części Ameryki Północnej, czy w Australii, dopóki Europejczycy nie przybyli. Te proste procesy pozostają podstawą tego, co jest prawdopodobnie największym i najbardziej udanym przemysłem w historii ludzkości: metalem.

ŻELAZO

Żelazo jest najobficiej występującym metalem na Ziemi. Ale jak większość metali, dotarcie do niego jest trudne, ponieważ jest bardzo rzadko spotykane w stanie czystym. Najczęściej występuje w tlenkach żelaza - cząsteczkach złożonych z żelaza i tlenu, które w rudzie żelaza są mieszane ze skałą. Aby zdobyć żelazo, musisz pozbyć się tlenu i skały. Oto najczęściej używany proces używany dzisiaj:

• Przygotowanie: Po wydobyciu rudy żelaza są kruszone na proszek. Ogromne bębny magnetyczne są następnie używane do oddzielania ubogich w żelazo od rudy bogatej w żelazo. (Ruda bogata w żelazo przykleja się do bębnów, reszta odpada.) Bogaty w żelazo proszek miesza się z gliną i tworzy granulki wielkości marmuru, które następnie hartuje się na gorąco. Pozwala to na bardziej wydajne spalanie podczas następnego etapu, wytapiania.
• Wytapianie: Peletki są wytapiane w piecu wraz z węglem koksowniczym, który został przetworzony w prawie czysty węgiel i wapień. Intensywne ciepło przerywa wiązania żelaza z tlenem w rudzie, uwalniając tlen jako gaz, który wiąże się z gazem węglowym uwalnianym z płonącego koksu z wytworzeniem CO2 (dwutlenku węgla). CO2 wydobywa się ze szczytu pieca, a żelazo, teraz wolne od tlenu, topi się (około 2800 ° F) i gromadzi się na dnie pieca. Wapień topi się i wiąże z zanieczyszczeniami tworząc stopione odpady znane jako żużel.Żużel jest lżejszy niż żelazo i jest stale usuwany ze szczytu pieca.
• Wynik: Produktem tego procesu jest żelazo ze stopu żelaza. Ma stosunkowo wysoką zawartość węgla około 5%, co czyni ją bardzo kruchej, a surówka jest w związku z tym bezużyteczna, z wyjątkiem produkcji innych stopów żelaza, zwłaszcza stali.

STAL

Obecnie około 98 procent wyprodukowanej surówki na świecie trafia do produkcji stali, najpopularniejszego metalu lub stopu metali w historii. Proces rozpoczyna się od wlania stopionej surówki do stalowych pieców, gdzie jest przetwarzany w celu usunięcia wszelkich pozostałych zanieczyszczeń i obniżenia zawartości węgla do między 0,1 a 2 procent. To jedna z głównych cech stali: wszystkie z bardzo niewielu spośród setek różnych rodzajów stali zawierają węgiel na tych poziomach. To zmniejsza kruchość, zwiększając siłę i twardość. W zależności od rodzaju wytwarzanej stali do mieszanki dodawane są różne elementy. Dwa przykłady:

• Stal manganowa lub mangalloy to około 13 procent manganu, co powoduje, że jest niezwykle odporny na uderzenia. To sprawia, że mangalloy jest popularny w narzędziach górniczych, sprzętach do kruszenia skał i poszyciu zbrojonym dla pojazdów wojskowych.
• Stal nierdzewna jest tak naprawdę nazwą dla szerokiej gamy stali, ale wszystkie mają jedną wspólną cechę: chrom, od około 10 do 30 procent, w zależności od rodzaju. Chrom na powierzchni stali nierdzewnej wiąże się z tlenem w powietrzu, tworząc warstwę tlenku chromu, co nadaje stali nierdzewnej bardzo twardy, błyszczący wygląd i czyni ją odporną na korozję. A jeśli jest uszkodzony lub pokryty bliznami, chrom ulega ponownemu związaniu z tlenem i tworzy nową warstwę - dzięki czemu sam się naprawia. Stale nierdzewne są stosowane w szerokiej gamie produktów, od przyborów kuchennych, przez sprzęt chirurgiczny po rzeźbę zewnętrzną. (Jest również w 100% możliwy do recyklingu.)

ALUMINIUM

Najbardziej popularną rudą stosowaną do produkcji aluminium jest boksyt, gliniasta substancja, która stanowi około 50% tlenku glinu i aluminium związanego z tlenem. Podobnie jak w przypadku żelaza, dotarcie do aluminium oznacza pozbycie się tlenu i minerałów w rudzie. Proces ten jest znacznie bardziej skomplikowany niż ekstrakcja żelaza i został opracowany dopiero pod koniec XIX wieku. (Aluminium zostało zidentyfikowane jako unikalny element w 1808 roku.) Pierwsza część systemu najczęściej używana dzisiaj nazywa się proces Bayera, nazwany na cześć austriackiego chemika Karl Bayer, który wynalazł go w 1877 roku.

Proces Bayera: Boksyt jest wydobyty i zmiażdżony, następnie zmieszany z wodą i ługiem i ogrzewany w zbiornikach. To ciepło i ług powoduje, że tlenek glinu w rudzie rozpuszcza się w wodzie, podczas gdy zanieczyszczenia znikają na dnie. Wodę bogatą w tlenek glinu następnie odsącza się i filtruje w celu usunięcia dalszych zanieczyszczeń, a następnie pompuje do wielkich zbiorników z precypitacją, gdzie woda może się wytrącić. Pozostaje biały krystaliczny proszek, który stanowi około 99% tlenku glinu. Kryształy są przemywane i pozostawione do wyschnięcia.

Kolejny etap jest znany jako proces Hall-Héroulta, nazwany przez dwóch chemików, którzy go opracowali - niezależnie od siebie - w 1886 roku. W tym procesie kryształy tlenku glinu (wraz z minerałami wspomagającymi rozkład tlenku glinu) są wytapiane około 1 760 ° F w stalowych kadziach. Ale to nie wystarczy, aby przełamać wiązania aluminium-tlen w tlenku glinu; są znacznie silniejsze niż wiązania żelazo-tlen. Tak więc potężny prąd elektryczny przesyłany jest przez stopiony materiał, co powoduje pękanie wiązań. Tlen uwalnia się w postaci gazu i przyciąga do prętów węglowych zawieszonych nad stopioną mieszaniną, gdzie wiąże się z węglem tworząc gaz CO2 (podobnie jak w procesie wytapiania żelaza). Uwolnione aluminium rozpływa się i gromadzi na dnie garnka. W tym momencie jest to 99,8% czystego aluminium.

Aluminium jest stosowane w szerokim zakresie zastosowań, w czystej postaci (folia aluminiowa jest wykonana z prawie czystego aluminium), a częściej w stopach, zmieszane z takimi pierwiastkami jak krzem, miedź i cynk. Niektóre są mocniejsze od stali i mają dodatkową zaletę, że są znacznie lżejsze. Typowe zastosowania obejmują naczynia kuchenne, puszki do napojów bezalkoholowych i bloki silników samochodowych.

PLATYNA

Platinum to lśniący, srebrno-biały metal, który jest bardzo rzadki i ma kilka unikalnych cech: Jest to jeden z najgęstszych metali, ale jest bardzo plastyczny; jest wyjątkowo odporny na korozję spowodowaną temperaturą, rdzą lub działaniem materiałów takich jak kwasy; i ma bardzo wysoką temperaturę topnienia 3215 ° F (temperatura topnienia złota wynosi zaledwie 1064 °, a żelazo wynosi 1535 °). Platyna występuje w czystej postaci w przyrodzie, ale częściej występuje w mieszaninie z innymi pierwiastkami, w tym tlenem, miedź i nikiel. Ponad 90 procent platyny wydobywanej obecnie na świecie pochodzi z zaledwie czterech miejsc: trzech w Rosji i jednego w Afryce Południowej. Produkcja jest dość skomplikowana.

Aby wydobyć jedną uncję platyny, trzeba wydobyć ponad dziesięć ton rudy. Krótki opis procesu jest następujący:

Ruda jest wydobywana, kruszona na proszek i mieszana z wodą i chemikaliami. Przez mieszaninę przepuszcza się powietrze, tworząc pęcherzyki - do których przyklejają się małe cząsteczki platyny. Bąbelki unoszą się do powierzchni zbiornika, tworząc mydlaną pianę. Piankę zbiera się, suszy i wytapia w temperaturze powyżej 2700 ° C. Cięższe cząstki - metale - opadają na dno pieca. Lżejsze zanieczyszczenia zbierają się na stopionym metalu i są usuwane. Skomplikowane procesy chemiczne są następnie wykorzystywane do oddzielania platyny od jakiejkolwiek miedzi, niklu i innych metali wciąż obecnych, aż w końcu otrzymuje się czystą platynę.

BŁYSZCZĄCE BITKI

• Ruda żelaza jest wytapiana w wielkim piecu: Przegrzane powietrze - do 2200 ° F - jest "piaskowane" w piecu, powodując jego spalanie znacznie gorętsze niż mogłoby to zrobić w inny sposób. Typowy wielki piec w hucie stali pracuje przez 24 godziny na dobę, 365 dni w tygodniu, przez okres do 20 lat, zanim musi zostać wymieniony.
• Czysta stal jest bardzo podatna na rdzę. Stal ocynkowana pokryta jest cynkiem, który jest bardzo odporny na rdzę.
• Główny składnik chemiczny w rubinach, szmaragdach i szafirach: aluminium.
• Do czego służy wyjątkowo rzadka metalowa platyna? Katalizatory - urządzenia w samochodach używane do czyszczenia spalin. Platinum jest wyjątkowo dobrym katalizatorem: pomaga w przekształcaniu toksycznych gazów w spalinach, takich jak tlenek węgla, w nietoksyczne gazy.
• To mit, że wśród rdzennych Amerykanów nie było metalów. Wiele plemion faktycznie miało długą tradycję obróbki miedzi, szczególnie w okolicach Wielkich Jezior, gdzie metal był naturalnie bogaty.
• Cała platyna wydobyta w historii mieści się w przeciętnej piwnicy domu.