Как се правят металите

2024 Автор: Sherilyn Boyd | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-16 10:17

Имате ли пръстен на пръста си? Изработен ли е от злато, сребро, платина или друг естествен метал? След това размишлявайте върху това: Металът в този пръстен на пръста ви е по-стар от планетата, на която стоите.

КАКВО Е "МЕТАЛ"?

Научно казано, металите са естествено срещащи се химически елементи, които обикновено са твърди, лъскави и добри проводници на топлина и електричество. Примерите включват желязо, злато, сребро, мед, цинк, никел и др., Но също и елементи, които обикновено не мислим като метали. Едната е натрий - метал, който редовно ядем: Натрият е мек, сребристо бял метал, който обикновено се свързва с елемента хлор, за да образува натриев хлорид или обикновена сол.

Друг е астатинът, открит през 1940 г. в лаборатория, където е създаден изкуствено. Тя не е била открита в природата до 1943 г. Астатин е силно радиоактивен и само една унция от него се смята, че съществува - общо - на Земята. От общо 118 известни химически елемента, 88 от тях са метали.

REAL ALCHEMY

И така, откъде идват тези метали? Ето едно много опростено обяснение:

Всички елементи, включително металите, са изработени от същите неща: атомен материал - електрони, неутрони и протони. Атомите на различни елементи могат да бъдат разграничени един от друг чрез броя на протоните, които съдържат. (Броят на неутроните и електроните може да варира дори между атомите на същия елемент.) Например водородният атом съдържа само един протон. Златен атом има 79. Това важи за всеки един от безбройните водородни и златни атоми във Вселената.

Ако можете да намерите начин да разбъркате 79 водородни атома заедно в един атом, ще имате атом с 79 протона и затова ще имате златен атом. И това е почти точно това, което се случва … освен, че се случва в звездите.

В тях има злато, освен зверове

Преди около 13.7 милиарда години материята за първи път се появи под формата на атоми от двата най-леки елемента: водород, с един протон и хелий, с два. Остават, далеч, най-изобилните елементи във Вселената.

След много милиони години тези първи водородни и хелиеви атоми, събрани в облаци от прах и газове, толкова големи, те трябва да бъдат измерени в светлинни години (1 светлина годишно = 6 трилиона мили или 9,5 трилиона километра). Облаците в крайна сметка се предадоха на собствената си огромна гравитация и се сринаха, образувайки първите звезди. А звездите са атомни разрушители - достатъчно горещи, за да разрушат тези водородни и хелиеви атоми, и да обединяват бита заедно, превръщайки ги в по-големи атоми от различни, по-тежки елементи.

Например, ако свържете два водородни атома заедно, имате атом с два протона - или хелий. Залепете заедно три водорода и ще получите атом с три протона - литий, първият и най-лек метал. Залепете три хелиума заедно и ще получите атом с шест протона - въглерод. Това се случва във всички звезди, които виждате в небето през нощта. В масивните такива процесът може да доведе до производството на по-тежки и тежки елементи, включително метали като титан (22 протона) и желязо (26 протона). Ако те са особено масивни, те могат да произвеждат най-тежките метали, като злато (79 протона) и уран (92 протона). Това е една от нещата, които правят звездите, и така се формират всички елементи - включително всички тези лъскави метали - в природата.

Сега, как дойдоха тук?

НАЛЯГАНЕ НА ЗЕМЯТА

През първите няколко милиарда години след Големия взрив се раждат милиарди и милиарди звезди по начина, който току-що описахме. Много от тях бяха изключително масивни (стотици пъти по-големи от слънцето) и масивните звезди живеят с относително кратък живот - в някои случаи само няколко милиона години (по-малките звезди могат да живеят милиарди години) и след това умират, като експлодират като супернови.

И когато тези огромни звезди избухнаха преди милиарди години, те изгониха тежките елементи, които създаваха, като ги изпращаха в космоса. Те са имали, за да го направят по един начин, "зародиха" вселената с елементи, включително метали. И супер масивни, невъзможни за разбиране количества от него - трилиони и трилиони и трилиони мегатони от него. Това означава, че когато по-късно се формираха нови звезди - те вече бяха "посяти" с метали, оставени от тези супернови.

Едно от тези по-късно, богати на метал звезди беше нашето собствено слънце. Един бърз поглед върху тази история:

• Преди около 4,5 милиарда години огромен космически облак от прах и газ, посяти с много по-тежки елементи, се срина, като започна процесът на формиране на нова звезда.
• Повечето от водорода и хелият в облака стават част от новоформираната звезда. Останалата част от праха и газа, включително и металите, натрупани в разтопена маса, се въртят около новата звезда. Превъртящото движение изглади масата (картина за преливане на пичено тесто) в разтопен, въртящ се диск.
• В продължение на милиони години, докато дискът се охлаждаше, парчета от него се сгромолясаха тук и там, а тези буци станаха планетите в нашата слънчева система. И металите в праха? Те станаха всички метали, открити на всички планети, включително нашите.

Нашият дял: Земята има много метал. Почти една трета от масата на планетата е елементът от желязото, повечето от които се намират в сърцевината на планетата.Други 14 процента са магнезий, 1,5 процента е никел, а 1,4 процента е алуминий. Това е 49% от планетата. Останалите метали на Земята, включително "ценните" метали като злато, сребро, платина и паладий, съществуват само в следи от количества. Останалата - неметалната част - е около 30% кислород и 15% силиций, заедно с по-малки количества от много други неметални елементи.

ВИЖ! SHINY!

За най-малко няколко милиона години човешките същества и техните предци използваха инструменти, изработени от материали като дърво, кости и скали, за да помогнат да направят живота им леко по-лесен. Това не направи живота им толкова лесно: Хомо сапиенс са относително примитивни номадски ловци и събирачи за почти цялото им съществуване. Тогава около 10 000 години започнаха да откриват начини да работят с "нов" материал: метал.

Първите метали, използвани от хората, бяха онези, които ранните металообразователи не трябваше да правят много, за да ги направят използваеми. Това са естествените метали-метали, които се срещат в природата в чисто състояние или са естествено смесени с други елементи по начин, който запазва използваните от тях свойства. Те включват мед, калай, олово, сребро и злато.

Някой може и току-що да е намерил късчета от тези метали в потока, или в корените на едно открито дърво, и е смятал, че са привлекателни. Те може би са ги ударили с каменни чукове и са открили, че могат да ги оформят. Това би могло да доведе до използването на метали в бижута или орнаменти или до изработката на метални инструменти и оръжия като оси, ножове и мечове - огромно подобрение над старите каменни инструменти. Всичко това в крайна сметка доведе до хората, които активно търсят повече метали, изграждането на мини, търговията с метали между различните народи и раждането на металодобивната промишленост. Но това се случи - това се случи на много места по целия свят.

МЕТАЛУРГИЯ

Преди около 8 000 години хората започнаха да откриват, че могат да променят метала. Те може би са открили случайно, или може би хората просто са били творчески, или може би това е комбинация от двете. Във всеки случай бяха разработени нови процеси, които да променят металите, а след това да създадат изцяло нови, които изобщо не съществуват в природата - с огромни подобрения в качеството. През следващите няколко хиляди години минното дело и металообработването се превърнаха в неразделна част от повечето култури на Земята и металът стана една от най-променящите се в цивилизацията вещества в човешката история. Всеки от тези нови процеси включваше пожар и е вероятно експериментирането с едно да доведе директно до следващото. Най-важните постижения:

• Отгряване. Това е просто процесът на нагряване на метала, докато е черешово червено. Това възстановява стария, чуплив метал до оригиналното му ковано състояние, позволявайки му да бъде преработен и удължавайки неговата използваемост. Закаляване може да се извърши при сравнително ниски температури (медта може да бъде закалена в лагерен огън). Първоначално е направено някъде около 6000 г. пр.н.е., някъде в Близкия изток и вероятно в Европа и Индия по същото време.
• Топене. В този процес металите се разтопяват в течно състояние, като предлагат много повече свобода да ги оформят в различни форми. Металите първоначално се топели около 5000 г. пр.н.е. след разработването на по-напредналите керамични пещи, които могат да произведат много по-високи температури, отколкото биха могли да бъдат постигнати при обикновени открити пожари.
• Производство на сплави. Това е процесът на смесване на различни метали, докато са в разтопено състояние. Започва около 3300 г. пр. Хр. (началото на бронзовата епоха), с първото производство на бронз - смес от мед и калай, която е много по-трудна и по-трайна от която и да е от нейните компоненти.
• Извличане. С по-нататъшни подобрения в технологията на пещта и последващата способност за постигане на по-високи температури бяха разработени техники, които позволиха извличането на метали от рудата. Първоначално е направено с желязо в Близкия изток около 1500 г. пр. Хр., Което отбелязва началото на желязната епоха.
• Изкореняването, производството на сплави и извличането се извършват от древни народи в Европа, Азия, Южна Америка и до север като Мексико, но не и в останалата част на Северна Америка или в Австралия, докато европейците не пристигнаха. Тези прости процеси остават основата на най-голямата и най-успешната индустрия в човешката история: металообработването.

ЖЕЛЯЗО

Желязото е най-богатия метал на Земята. Но, както повечето метали, навлизането в него е трудно, защото рядко се намира в чисто състояние в природата. Най-често съществува в железни оксиди - молекули, съставени от желязо и кислород, които са намерени смесени с камък в желязна руда. За да получите желязо, трябва да се отървете от кислород и скала. Ето и най-често използвания процес, използван днес:

• Подготовка: След извличане желязната руда се раздробява на прах. Огромни магнитни барабани се използват за отделяне на бедните от желязо богати на желязо руди. (Богатата на желязо руда се придържа към барабаните, а останалата част отстъпва.) Богатата на желязо прах се смесва с глина и се изработва в гранули с размер на мрамор, които след това се закаляват с топлина. Това позволява по-ефективно изгаряне по време на следващата стъпка, топене.
• Изпичане: Пелетите се разтопяват в пещ заедно с кокс-въглища, преработени в почти чист въглерод и варовик. Интензивната топлина разгражда желязо-кислородните връзки в рудата, освобождавайки кислорода като газ, който се свързва с въглероден газ, който се отделя от изгарящия кокс, за да образува CO2 (въглероден диоксид). СО2 излиза от горната част на пещта и желязото, което вече не съдържа кислород, се топи (при около 2800 ° F) и се събира в дъното на пещта. Варовикът също се топи и се свързва с примеси, за да образува разтопени отпадъци, известни като шлака.Шлаката е по-лека от желязото и е непрекъснато отстранена от върха на пещта.
• Резултат: Продуктът от този процес е чугунът от желязна сплав. Той има сравнително високо съдържание на въглерод от около 5%, което го прави много крехко, така че чугунът е най-вече безполезен, с изключение на производството на други железни сплави, особено стомана.

СТОМАНА

Днес около 98% от произведеното в света чугун отива в производството на стомана, най-широко използваната метална или метална сплав в историята. Процесът започва чрез изсипване на разтопен чугун в стоманени пещи, където се обработва, за да се отстранят всички останали примеси и да се намали съдържанието на въглерод между 0,1 и 2%. Това е една от основните характеристики на стоманата: Всички, освен много малко от стотиците различни видове стомана съдържат въглерод на тези нива. Това намалява крехкостта, като същевременно увеличава якостта и твърдостта. В зависимост от вида стомана, която се прави, към сместа се прибавят различни елементи. Два примера:

• Манганската стомана или мангалът е около 13% манган, което води до изключително устойчивост на удар. Това прави популярната мангалит за използване в минни инструменти, оборудване за раздробяване на скали и брониране на военни превозни средства.
• Неръждаемата стомана е всъщност наименование на широка гама от стомани, но всички те имат едно общо нещо: хром, от около 10 до 30 процента, в зависимост от типа. Хромът на повърхността на неръждаемата стомана се свързва с кислорода във въздуха, за да образува слой хромов окис, който дава на неръждаемата стомана много твърд, лъскав външен вид и го прави устойчив на корозия. И ако това е повредено или белязано, хромът се свързва отново с кислород и се образуват нови слоеве - затова се ремонтира. Неръждаемите стомани се използват в голямо разнообразие от продукти, от кухненски прибори до хирургическо оборудване до външна скулптура. (Също така е 100% рециклируем.)

аЛУМИНИЕВИ

Най-често срещаната руда, използвана за производство на алуминий, е бокситът, подобно на глина вещество, което е около 50% алуминий-алуминий, свързан с кислород. Както при желязото, навлизането в алуминия означава да се отървете от кислорода и минералите в рудата. Процесът е много по-сложен от извличането на желязо и е разработен само в края на 1800-те. (Алуминият е идентифициран само като уникален елемент през 1808 г.) Първата част от системата, която се използва най-често днес, се нарича процес на Байер, наречен от австрийския химик Карл Байер, който го е измислил през 1877 г.

Процесът на "Байер": Бакситът се добива и раздробява, след това се смесва с вода и луга и се нагрява в резервоари. Тази топлина и луга водят до разтваряне на алуминия в рудата във водата, докато примесите потъват до дъното. Водата, богата на алуминиев оксид, след това се изсмуква и се филтрира, за да се отстранят допълнителни примеси, и след това се изпомпват в огромни резервоари за утаяване, където водата се оставя да се утаи. Това, което остава, е бял кристален прах, който е около 99% алуминиев оксид. Кристалите се промиват и се оставят да изсъхнат.

Следващата стъпка е известна като процесът "Хол-Херолт", наречен за двамата химици, които са я разработили - независимо един от друг - през 1886 г. В този процес кристалите на алуминиевия оксид (заедно с минералите, които подпомагат разграждането на алуминиевия оксид) при около 1760 ° F в стоманени вани. Но това не е достатъчно, за да се счупят алуминиево-кислородните връзки в алуминиевия оксид; те са много по-силни от желязо-кислородните връзки. Така че мощен електрически ток се изпраща през разтопения материал и това води до счупване на връзките. Кислородът се отделя като газ и се привлича към въглеродни пръчки, висящи над стопената смес, където той се свързва с въглерод, за да образува СО2 газ (точно както при процеса на топене на желязо). Освободеният алуминий се топи и се събира в дъното на саксията. В този момент е 99,8% чист алуминий.

Алуминият се използва в широка гама от приложения в чиста форма (алуминиевото фолио е направено от почти чист алуминий) и по-често в сплави, смесени с елементи като силиций, мед и цинк. Някои от тях са по-силни от стоманата и имат допълнителна полза от това, че са много по-леки. Обичайните употреби включват готварски съдове, кутии за безалкохолни напитки и блокове за автомобилни двигатели.

PLATINUM

Платината е лъскав, сребристо-бял метал, който е много рядък и има някои уникални качества: Той е един от най-плътните метали, но е много ковък; е изключително устойчив на корозия от температура, ръжда или излагане на материали като киселини; и то има много висока точка на топене от 3,215 ° F (точката на топене на златото е само 1,064 ° и желязото е 1,535 °.) Платината съществува в чиста форма в природата, но по-често се среща в смес с други елементи, включително кислород, мед и никел. Повече от 90% от изкопаната платина в света днес идва от само четири обекта: три в Русия и един в Южна Африка. Производството е доста сложно.

Повече от десет тона руда трябва да бъдат добивани, за да се получи единична унция платина. Кратко описание на процеса е както следва:

Рудата се добива, раздробява се на прах и се смесва с вода и химикали. Въздухът се раздува през сместа, създавайки мехурчета - към които се придържат мъничките платинени частици. Мехурчетата се издигат до повърхността на резервоара, създавайки сапунена пяна. Пяната се събира, изсушава и се топи при температури над 2 700 ° F. По-тежките частици - металите - потъват до дъното на пещта. По-леките примеси се събират върху стопения метал и се отстраняват. След това се използват сложни химични процеси за отделяне на платината от все още съществуващите мед, никел и други метали, докато накрая се получи чиста платина.

ШИНИ БИЦ

• Желязната руда се топи в доменна пещ: Нагрява се въздух до 2200 ° F - в пещта, което го кара да гори много по-горещо, отколкото би могло да бъде. Типична доменна пещ в стоманена мелница работи 24 часа на ден, 365 дни седмично, до 20 години, преди да бъде заменена.
• Чистата стомана е много податлива на ръжда. Поцинкованата стомана е покрита с цинк, която е много устойчива на ръжда.
• Основна химическа съставка в рубини, изумруди и сапфири: алуминий.
• Каква е голямата част от изключително редките платинени метали? Каталитични преобразуватели - устройствата на автомобилите, използвани за почистване на отработените газове. Платината е изключително добър катализатор: спомага за превръщането на токсични газове в отработилите газове, като въглероден окис, в нетоксични газове.
• Това е мит, че между местните американци няма металообработка. Много племена всъщност са имали дълги традиции на работа с мед, особено около Големите езера, където металът е естествено изобилен.
• Цялата платина, извлечена в историята, би могла да се впише в средна сутерена.