Kako su izrađeni metali

Kako su izrađeni metali

Imate li prst na prstu? Je li izrađena od zlata, srebra, platine ili drugog prirodnog metala? Zatim razmislite o tome: Metal u tom prstenu na prstu stari je od planeta na kojem stojite.

ŠTO JE "METAL"?

Znanstveno govoreći, metali su prirodni kemijski elementi koji su tipično tvrdi, sjajni i dobri dirigenti toplinske i električne energije. Primjeri uključuju željezo, zlato, srebro, bakar, cink, nikal itd., Ali i elemente za koje obično ne mislimo kao metale. Jedan je natrij-metal koji redovito jedemo: natrij je mekan, srebrnkav bijeli metal koji se obično veže s elementom klora da stvori natrijev klorid ili zajedničku sol.

Drugi je astatin, otkriven 1940. godine u laboratoriju, gdje je umjetno stvoren. Nije otkriveno u prirodi sve do 1943. Astatine je visoko radioaktivno, a vjeruje se da postoji samo jedna unca - u cjelini - na Zemlji. Od ukupno 118 poznatih kemijskih elemenata, njih 88 su metali.

REALNA ALCHEMIJA

Dakle, odakle su svi ti metali dolazili? Ovo je vrlo pojednostavljeno objašnjenje:

Svi elementi, uključujući metale, izrađeni su od istih stvari: atomskog materijala-elektrona, neutrona i protona. Atomi različitih elemenata razlikuju se od broja protona koji sadrže. (Broj neutrona i elektrona može varirati čak i između atoma istog elementa.) Na primjer, atom vodika sadrži samo jedan proton. Zlatni atom ima 79. To vrijedi za svaki od bezbrojnih vodikovih i zlatnih atoma u svemiru.

Ako biste mogli pronaći način da se zajedno s atomima ugljika nakupljaju 79 vodikovih atoma, imat ćete atom s 79 protona, i zato biste imali zlatni atom. I to je gotovo točno ono što se događa ... osim što se događa unutar zvijezda.

ZEMLJA U THER STARS

Prije otprilike 13,7 milijardi godina, materija se prvi put pojavila u obliku atoma dvaju najlakših elemenata: vodika, s jednim protonom i helijem, s dva. Ostaju, daleko, najplemenitiji elementi u svemiru.

Nakon mnogo milijuna godina, prvi atomi vodika i helija prikupljeni u oblacima prašine i plinova tako ogromni trebali bi se mjeriti u svjetlosnim godinama (1 svjetlosna godina = 6 trilijuna milja ili 9,5 trilijuna kilometara). Oblaci su se na kraju iznijeli na svoju ogromnu gravitaciju i urušili, stvarajući prve zvijezde. Zvijezde su bile razarači atoma, dovoljno vruće da razgrađuju one vodikove i helijeve atome i spojite ih zajedno, pretvarajući ih u veće atome različitih, teľih elemenata.

Na primjer, ako spojite dva atoma vodika, imate atom s dva protona - ili helijem. Spojite tri hidrogena zajedno i dobivate atom s tri protona - litij, prvi i najlakši metal. Spojite tri helija zajedno i dobivate atom s šest protona - ugljika. To je ono što se događa u svim zvijezdama koje vidite na nebu noću. U masivnim procesima može doći do proizvodnje teških i težih elemenata, uključujući metale poput titana (22 protona) i željeza (26 protona). Ako su posebno masivni, mogu proizvesti najteže metale, poput zlata (79 protona) i urana (92 protona). To je jedna od stvari koje zvijezde rade i tako su svi elementi, uključujući sve one sjajne metale, formirane u prirodi.

Kako su došli ovamo?

Dolje u zemlju

U prvih nekoliko milijardi godina nakon Big Banga, rođeni su milijarde i milijarde zvijezda, na način na koji smo upravo opisali. Mnogi su bili iznimno masivni (stotine puta veći od našeg sunca), a masivne zvijezde žive relativno kratkim životima - u nekim slučajevima samo nekoliko milijuna godina (manje zvijezde mogu živjeti milijarde godina) - a zatim umiru eksplodirući kao supernovu.

A kada su te velike zvijezde eksplodirale prije nekoliko milijardi godina, protjerali su teške elemente koje su stvarali i poslali ih u svemir. Imali su, staviti je na jedan način, "posadili" svemir s elementima, uključujući metale. I super masivne, nemoguće razumjeti količine trilijuna, bilijuna i trilijuna megatona. To znači da su, kad su se kasnije formirale nove zvijezde, već bile "zasijane" metalima koji su ostavili te supernove.

Jedna od onih kasnije zvijezda obogaćenih metalima bilo je naše sunce. Brzi pogled na tu priču:

  • Prije otprilike 4,5 milijarde godina, masivni kozmički oblak prašine i plina, zasađen s puno težih elemenata, srušio se, započinjući proces formiranja nove zvijezde.
  • Većina vodika i helija u oblaku postala je dio novoformirane zvijezde. Ostatak prašine i plina, uključujući i metale, nakupljen u rastaljenoj masi, okrećući se oko nove zvijezde. Pokretanje rotirajući masu (pizza tijesto za slikanje) u rastaljenu, predajnu ploču.
  • Tijekom milijuna godina, dok se disk osvježivao, dijelovi su se skupili ovdje i tamo, a ti čvorovi postali su planeti u našem Sunčevom sustavu. A metali u prašini? Postali su svi metali pronađeni na svim planetima, uključujući i naše vlastite.

Naš udio: Zemlja ima puno metala. Gotovo trećina mase planeta je element željeza, najveći dio koji se nalazi u jezgri planeta.Još 14 posto je magnezij, 1,5 posto je nikal, a 1,4 posto je aluminij. To je 49 posto planeta. Ostatak Zemljinih metala, uključujući "dragocjene" metale kao što su zlato, srebro, platina i paladij, postoje samo u tragovima. Ostatak - ne-metalni dio - je oko 30 posto kisika i 15 posto silicija, uz manje količine brojnih drugih nemetalnih elemenata.

IZGLED! SJAJAN!

Za najmanje nekoliko milijuna godina ljudska bića i njihovi preci koristili su alate izrađene od materijala poput drveta, kosti i stijene, kako bi im pomogla da im život lakše postane lakše. Njihova života nije mnogo lakše: Homo sapiens su relativno primitivni nomadski lovci i sakupljači za skoro cijelo svoje postojanje. Zatim, oko 10.000 godina, počeli su otkrivati ​​načine rada s "novim" materijalom: metalom.

Prvi metali koje su koristili ljudi bili su oni koje rane metalurice nisu morale učiniti mnogo kako bi ih bile korisne. To su prirodni metalni metali koji se pojavljuju u prirodi u čistom stanju ili su prirodno pomiješani s drugim elementima na način koji održava njihova korisna svojstva. Oni uključuju bakar, kositar, olovo, srebro i zlato.

Netko je upravo pronašao nuggets ovih metala u kanalu, ili u korijenu nekog neobrađenog stabla i smatrao da su privlačni. Možda su ih udarali kamenim čekićima i otkrili da ih mogu oblikovati. To je moglo dovesti do korištenja metala u nakitima ili ukrasima, ili za izradu metalnih alata i oružja kao što su sjekire, noževi i mačevi - veliki napredak nad starim kamenim alatima. Sve to je dovelo do ljudi koji su aktivno tražili više metala, uspostavu mina, trgovanje metalom između različitih naroda i rođenje metalne industrije. Ipak se to dogodilo - dogodilo se na mnogim mjestima diljem svijeta.

METALURGIJA

Počevši od oko 8.000 godina, ljudi su počeli otkrivati ​​da mogu mijenjati metal. Moguće je da su ga slučajno otkrili, ili su možda ljudi samo kreativni, ili je možda bila kombinacija oboje. U svakom slučaju, razvili su se novi postupci za mijenjanje metala, a zatim stvorili posve novu koja uopće ne postoji u prirodi - s ogromnim poboljšanjima kvalitete. Tijekom idućih nekoliko tisuća godina, rudarstvo i obrada metala postali su sastavni dio većine kultura na Zemlji, a metal je postao jedan od najvažnijih tvari koje promijene civilizaciju u ljudskoj povijesti. Svaki od tih novih procesa uključivao je vatru, a vjerojatno je da eksperimentiranje s njom vodi izravno na drugu. Najvažniji napredak:

  • Žarenja. Ovo je jednostavno proces zagrijavanja metala dok ne postane crvena trešnja. To vraća stari, krhki metal u prvobitno podebljano stanje, dopuštajući da se preobrazi i produlji njezina upotrebljivost. Prušenje se može provesti na relativno niskim temperaturama (bakar se može žariti u logorskoj vatri). Prvi put se dogodilo negdje oko 6000. g., Negdje na Bliskom istoku, a vjerojatno u Europi i Indiji u isto vrijeme.
  • Taljenje. U tom procesu, metali se rastopi u tekuće stanje, nudeći mnogo veću slobodu da ih oblikuju u različite oblike. Metali su prvi put namočeni oko 5000. g., Nakon razvoja naprednijih peći za keramiku, koji mogu proizvesti mnogo veće vrućine nego što bi se moglo postići u jednostavnim otvorenim požarima.
  • Proizvodnja legura. Ovo je postupak miješanja različitih metala dok su u rastaljenom stanju. Počeo je oko 3300. godine. (početak brončanog doba), s prvom proizvodnjom bronce - mješavinom bakra i kositra koja je mnogo teža i izdržljiva od bilo koje od njezinih sastojaka.
  • Izvlačenje. S daljnjim poboljšanjima u tehnologiji peći i naknadnom sposobnošću postizanja viših temperatura razvijene su tehnike koje omogućuju ekstrakciju metala iz rude. Prvo se radi s željeza na Bliskom Istoku oko 1500. g., Obilježavajući početak željeznog doba.
  • Prelijevanja, proizvodnja legure i ekstrakcije prakticirali su drevni narodi u Europi, Aziji, Južnoj Americi, i do sjevera kao i Meksiko, ali ne u ostatku Sjeverne Amerike ili u Australiji, sve dok Europljani ne dođu. Ovi jednostavni procesi ostaju temelj onoga što je vjerojatno najveća i najuspješnija industrija u povijesti čovječanstva: metalna industrija.

ŽELJEZO

Željezo je najzastupljeniji metal na Zemlji. Ali kao i većina metala, doći do nje je teško, jer se vrlo rijetko nalazi u čistoj državi u prirodi. Najčešće se pojavljuje u željeznim oksidima - molekula sastavljenog od željeza i kisika, koje se nalaze pomiješane sa stijenkom u željeznoj rudaču. Da biste dobili željezo, morate se riješiti kisika i stijene. Ovo je najčešći proces koji se danas koristi:

  • Priprema: Nakon miniranja, željezna ruda se slomi u prašak. Ogromni magnetski bubnjevi se zatim koriste za odvajanje siromašnih željeza od rude obogaćene željeza. (Ruda obogaćena željezo drži se na bubnjevima, a ostatak pada.) Prašak bogat željezom pomiješan je s glinom i izrađen u kuglice veličine mramora koje se zatim zagrijavaju. To omogućava učinkovitije gorenje tijekom sljedećeg koraka, taljenje.
  • Topljenje: Peleti se melje u peći uz koksni ugljen koji je obrađen u gotovo čisti ugljen i vapnenac. Intenzivna toplina razbijaju željezne i kisikove veze u rude, oslobađajući kisik kao plin, koji se vezuje s plinovima ugljika koji se oslobađa iz gorivog koksa da stvara CO2 (ugljični dioksid). CO2 izlazi iz vrha peći, a željezo, sada bez kisika, topi se (približno 2.800 ° F) i skuplja na dnu peći. Vapnenac se također topi i povezuje s nečistoćama u obliku rastopljenog otpada poznatog kao troska.Šljasta je lakša od željeza i kontinuirano se uklanja s vrha peći.
  • Rezultat: Proizvod ovog postupka je željezo od legure željeza. Ima relativno visok sadržaj ugljika od oko 5 posto, što ga čini vrlo krhkim, a željezno željezo je stoga uglavnom beskorisno osim u proizvodnji ostalih legura željeza, posebice čelika.

ŽELJEZO

Danas oko 98 posto sirovog željeza proizvedeno širom svijeta odlazi u proizvodnju čelika, najčešće korištene metalne ili metalne legure u povijesti. Postupak počinje nalijevanjem rastaljenog željeza u čelične peći, gdje se tretira za uklanjanje svih preostalih nečistoća i da se sadržaj ugljika smanji na između 0,1 i 2 posto. To je jedna od glavnih karakteristika čelika: Sve osim vrlo malo stotina različitih vrsta čelika sadrži ugljik na tim razinama. To smanjuje krhkost, a povećava snagu i tvrdoću. Ovisno o vrsti čelika koji se stvara, mješavini se dodaju različiti elementi. Dva primjera:

  • Manganski čelik ili mangalloy je oko 13 posto mangana, što rezultira izuzetno otpornim na udarce. To čini mangalloy popularnim za uporabu u rudarskim alatima, opremom za drobljenje stijena i oklopnom opremom za vojna vozila.
  • Nehrđajući čelik zapravo je naziv za širok raspon čelika, ali svi imaju jednu zajedničku stvar: krom, od oko 10 do 30 posto, ovisno o vrsti. Krom na površini nehrđajućeg čelika povezuje kisik u zraku da stvori sloj krom-oksida, što daje nehrđajući čelik vrlo tvrdu, sjajnu pojavu i otporan je na koroziju. A ako je oštećen ili ožiljak, krom se ponovno povezuje s kisikom, a novi se sloj oblikuje pa se samo popravlja. Nehrđajući čelici koriste se u širokom rasponu proizvoda, od kuhinjskih pribora do kirurške opreme do vanjske skulpture. (Također je 100% recikliran.)

ALUMINIJ

Najčešća ruda koja se koristi za proizvodnju aluminija je boksit, glinena tvar koja je oko 50 posto aluminij-aluminija povezana s kisikom. Kao i kod željeza, doći do aluminija znači riješiti kisik i minerale u rude. Proces je mnogo složeniji od ekstrakcije željeza i razvijen je tek krajem 19. stoljeća. (Aluminij je identificiran samo kao jedinstveni element 1808.) Prvi dio sustava koji se danas najčešće koristi naziva se Bayerovim procesom, nazvanim po austrijskom kemičaru Karl Bayeru, koji ga je izumio 1877. godine.

Bayerov proces: Boksit je miniran i slomljen, zatim pomiješan s vodom i lužinom, te zagrijavan u spremnicima. Ta toplina i tekućina uzrokuju da se aluminij u rude rastopi u vodi, a nečistoće potonu na dno. Voda koja je bogata aluminijevim oksidom potom se odvaja i filtrira kako bi se uklonile daljnje nečistoće, a potom pumpa u ogromne taložne spremnike, gdje se voda ostavi da se istaloži. Ostaje bijeli kristalni prah koji je oko 99% aluminija. Kristali su isprani i ostavljeni da se osuše.

Sljedeći je korak poznat kao proces Hall-Héroult, nazvan za dva kemičara koji su ga razvili - neovisno jedan o drugome - 1886. godine. U tom procesu kristali aluminija (zajedno s mineralima koji pomažu u razgradnji glinice) su smrdeni na oko 1.760 ° F u čeličnim posudama. Ali to nije dovoljno da prekine veze aluminija i kisika u glinici; oni su puno jači od veza između željeza i kisika. Tako se snažna električna struja šalje kroz rastaljenu materiju - i to uzrokuje prekidanje veza. Kisik se oslobađa kao plin, a privlači se ugljikovim štaglama suspendiranim iznad rastaljenog mješavina, gdje se vezuje s ugljikom u obliku plina CO2 (baš kao u procesu otapanja željeza). Oslobodeni aluminij se otapa i skuplja na dnu lonca. U ovom trenutku 99,8% čistog aluminija.

Aluminij se koristi u širokom nizu primjena, u čistom obliku (aluminijska folija izrađena je od gotovo čistog aluminija), a najčešće u legurama, pomiješana s elementima kao što su silicij, bakar i cink. Neki su jači od čelika i imaju dodatnu korist da budu puno lakši. Uobičajene namjene uključuju u posuđe, limenke za bezalkoholna pića i blokove motora automobila.

PLATINA

Platinum je sjajni, srebrno-bijeli metal koji je vrlo rijedak i ima neke jedinstvene osobine: To je jedan od najgušćih metala, ali je vrlo kovitljiv; izuzetno je otporan na koroziju temperature, hrđe ili izloženosti materijalima kao što su kiseline; i ima vrlo visoku točku taljenja od 3.215 ° F (zlatna točka topljenja je samo 1.064 °, a željezo je 1.535 °.) Platinum postoji u čistom obliku u prirodi, ali se obično nalazi pomiješan s drugim elementima, uključujući kisik, bakra i nikla. Više od 90 posto platinastih minerala u svijetu danas potječe od samo četiri mjesta: tri u Rusiji i jedan u Južnoj Africi. Proizvodnja je prilično složena.

Više od deset tona rude mora biti iskopano da bi napravio jednu jedinicu platine. Kratak opis procesa je sljedeći:

  • Ore je minirano, slomljeno u prah, i pomiješano s vodom i kemikalijama. Zrak se upuhuje kroz mješavinu, stvarajući mjehuriće - na koje se drže sitne čestice platine. Mjehurići se podižu na površinu spremnika i stvaraju sapunicu. Pjena se sakupi, osuši i rasprši na temperaturama iznad 2700 ° F. Teže čestice - metali - sudoperi na dno peći. Lakše nečistoće sakupljaju na vrhu rastaljenog metala i uklanjaju se. Komplicirani kemijski procesi se zatim koriste za odvajanje platine od bilo kojeg bakra, nikla i ostalih metala koji su još prisutni sve dok se konačno ne dobije čista platina.

SHINY BITS

  • Željezna rudači su raspršeni u visokoj peći: Prekomjerno zagrijani zrak - do 2200 ° F - "upadne" u peć, što ga uzrokuje gorenje puno toplije nego inače. Tipična eksplozivna peć na čeličnoj mlinici radi 24 sata dnevno, 365 dana u tjednu, do 20 godina, prije nego što se mora zamijeniti.
  • Čisti čelik je vrlo osjetljiv na hrđu. Pocinčani čelik je prevučen cinkom od čelika koji je vrlo otporan na hrđu.
  • Glavni kemijski sastojak u rubinima, smaragama i safirima: aluminij.
  • Za što se koristi većina iznimno rijetke metalne platine? Katalitički pretvornici - uređaji na automobilima koji se koriste za čišćenje ispušnih plinova. Platinum je iznimno dobar katalizator: pomaže pri pretvorbi toksičnih plinova u ispušni plin, kao što je ugljični monoksid, u netoksične plinove.
  • To je mit o tome da nije bilo obrade metala među Indijanci. Mnoga plemena zapravo su imale dugu tradiciju rada bakra, osobito oko Velikih jezera, gdje je metal bio prirodno bogat.
  • Sva platina minirana u povijesti mogla bi se uklopiti u prosječni podrum u kući.

Ostavite Komentar