Kaip pagaminti metalai

2024 Autorius: Sherilyn Boyd | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-16 10:19

Ar turite pirštu žiedą? Ar jis pagamintas iš aukso, sidabro, platinos ar kito natūralaus metalo? Tada apsvarstykite tai: toje žiede esantis metalas ant jūsų piršto yra senesnis už planetą, kurioje jūs stovite.

KAS YRA "METALAS"?

Moksliniu tyrimu, metalai yra natūraliai atsirandantys cheminiai elementai, kurie paprastai būna sunkūs, blizgūs ir geri šilumos ir elektros laidininkai. Pavyzdžiai: geležis, auksas, sidabras, varis, cinkas, nikelis ir tt, bet ir elementai, kurių mes paprastai nemanome kaip metalus. Vienas iš jų yra natris - metalas, kurį reguliariai valgo: natris yra minkštas, sidabriškas baltas metalas, kuris paprastai jungiasi su elementu chloru, kad sudarytų natrio chloridą arba paprastą druską.

Kitas yra astatinas, kuris buvo aptiktas 1940 m. Laboratorijoje, kur jis buvo sukurtas dirbtinai. Jis nebuvo atrastas gamtoje iki 1943 m. Astatinas yra labai radioaktyvus, ir manoma, kad tik viena jo uncija egzistuoja - iš viso - Žemėje. Iš 118 egzistuojančių žinomų cheminių elementų 88 iš jų yra metalai.

REAL ALCHEMY

Taigi, iš kur kilo visi šie metalai? Štai labai supaprastintas paaiškinimas:

Visi elementai, įskaitant metalus, yra pagaminti iš vienodų medžiagų: atominių medžiagų elektronų, neutronų ir protonų. Skirtingų elementų atomus galima atskirti tarpusavyje pagal jų sudėtyje esančių protonų skaičių. (Neutronų ir elektronų skaičius gali svyruoti net tarp to paties elemento atomų.) Pavyzdžiui, vandenilio atomų yra tik vienas protonas. Aukso atomas yra 79. Tai pasakytina apie kiekvieną iš nesuskaičiuojamų daugybės vandenilio ir aukso atomų visatoje.

Jei galėtumėte rasti būdą, kad 79 vandenilio atomus susimaišytų į vieną atomą, turėtumėte turėti atomą su 79 protonais, taigi turėtumėte turėti aukso atomą. Ir tai beveik būna tai, kas atsitinka … išskyrus tai, kas vyksta viduje žvaigždes.

ŠVIEŽUOSIEMIOS ŽENKLAI

Maždaug prieš 13,7 milijardus metų klausimas pirmą kartą pasirodė atomų dviejų lengviausių elementų: vandenilio su vienu protonu ir heliu, su dviem. Jie vis dar yra labiausiai paplitusių visatos elementų.

Po daugelio milijonų metų tie pirmieji vandenilio ir helio atomai, surinkti dulkių ir dujų debesyse, buvo tokie didžiuliai, kuriuos reikėjo išmatuoti šviesos metais (1 šviesos metai - 6 trilijonai mylių arba 9,5 trilijonai kilometrų). Galų gale debesys davė savo didžiulę gravitaciją ir žlugo, formuodama pirmąsias žvaigždes. Ir žvaigždės buvo atominių naikintojų-pakankamai karšta, kad sugriauti šias vandenilio ir helio atomus, ir suvynioti bitus atgal kartu, juos pakeitę į didesnius atomų, skirtų skirtingiems, sunkesniems elementams.

Pavyzdžiui, jei kartu sujungiate du vandenilio atomus, turite atomą su dviem protonais arba heliu. Sujunkite tris vandenilius kartu ir gaunate atomą su trimis protonais-ličiu, pirmuoju ir lengviausiu metalu. Sujunkite tris helius kartu ir gaunate atomą su šešiais protonų anglimi. Tai vyksta visose žvaigždėse, kurias matote danguje naktį. Didžiuliuose procesuose gali atsirasti sunkesnių ir sunkesnių elementų, įskaitant metalus, tokius kaip titanas (22 protonus) ir geležį (26 protonus). Jei jie ypač dideli, jie gali gaminti sunkiausius metalus, tokius kaip auksas (79 protonai) ir uranas (92 protonai). Tai yra vienas dalykas, kurį atlieka žvaigždės, ir tai, kaip visi elementai, įskaitant visus tuos blizgančius metalus, yra formuojami gamtoje.

Dabar kaip jie sugrįžo čia?

Į ŽEMĘ

Per pirmuosius keletą milijardų metų po Didžiojo sprogimo gimė milijardai ir milijardai žvaigždžių, kaip mes ką tik apibūdinome. Daugelis jų buvo itin masyvūs (šimtai kartų didesni už mūsų saulę), o masyvios žvaigždės gyvena palyginti trumpą gyvenimą - kai kuriais atvejais tik kelis milijonus metų (mažesnės žvaigždės gali gyventi milijardus metų), o po to miršta sprogdamos kaip supernovos.

Ir kai šios didžiulės žvaigždės sprogo prieš milijardus metų, jie išstoja sunkiuosius elementus, kuriuos jie kuria, siunčia juos į kosmosą. Jie turėjo, vienaip ar kitaip, "sėti" visatą su elementais, įskaitant metalus. Ir super masyvi, neįmanoma suprasti sumas, tai trilijonai ir trilijonai ir trilijonai megatonų iš jo. Tai reiškia, kad kai vėliau buvo suformuotos naujos žvaigždės, jos jau buvo "sėjamos" su metalais, paliktais tų supernovų.

Vienas iš tų vėliau turtingų metalų žvaigždžių buvo mūsų saulė. Greitai pažvelk į šią istoriją:

• Apie 4,5 milijardo metų senumo žlugo didžiulis kosminis dulkių ir dujų debesys, sėti daug sunkesnių elementų, pradedant naujos žvaigždės formavimu.
• Dauguma vandenilio ir helio debesyje tapo naujai suformuotos žvaigždės dalimi. Likusi dulkių ir dujų dalis, įskaitant metalus, sukaupta į išlydytą masę, sukasi aplink naują žvaigždę. Sukamasis judesis išmeta masę (paveikslėlį verpiant picos tešlą) į išlydytą verpimo diską.
• Per milijonus metų, kai diskas buvo atvėsęs, čia ir ten susimaišė skylės, o tie saulės sistemos planetos. Ir metalai dulkėse? Jie tapo visais metalais visose planetose, įskaitant mūsų pačių.

Mūsų dalis: Žemė turi daug metalo. Beveik trečdalis planetos masės yra elementas geležies, dauguma iš jų yra planetos šerdyje.Dar 14 procentų yra magnis, 1,5 procento yra nikelio, 1,4 procento - aliuminis. Tai 49 proc. Planetos. Likę Žemės metalai, įskaitant "tauriuosius" metalus, tokius kaip auksas, sidabras, platina ir paladis, egzistuoja tik šiek tiek. Likusi dalis - nemetalinė dalis - yra apie 30 proc. Deguonies ir 15 proc. Silicio bei mažesni kiekiai daugybės kitų nemetalo elementų.

ŽIŪRĖTI! BLIZGANTIS!

Maždaug kelerius milijonus metų žmonės ir jų protėviai naudojo įrankius, pagamintus iš tokių medžiagų kaip mediena, kaulas ir uolos, kad padėtų jų gyvenimui šiek tiek lengviau. Tai nepadarė daug lengvesnio jų gyvenimo: "Homo sapiens" buvo beveik visiško egzistavimo požiūriu gana primityvūs kilnieji medžiotojai ir rinkėjai. Tada, maždaug prieš 10.000 metų, jie pradėjo ieškoti būdų dirbti su "nauju" medžiaga: metalu.

Pirmieji žmonėms naudojami metalai buvo tie, kuriuos ankstyvieji metalo gamintojai neturėjo labai daug daryti, kad jie taptų tinkami naudoti. Tai natūralūs metalų metalai, kurie gamtoje yra grynos būsenos, arba natūraliai sumaišomi su kitais elementais taip, kad išlaikytų jų naudingus savybes. Tai yra varis, alavas, švinas, sidabras ir auksas.

Kažkas galbūt ką tik rasdavo šias metalas šiose metalo vietose griuvėsiuose, arklių šaknyse ir atrodo, kad jie yra patrauklūs. Jie galėjo juos nuplėšti akmenimis, ir jie nustatė, kad jie gali juos formuoti. Tai galėjo paskatinti metalus naudoti juvelyrinių dirbinių ar dekoratyvinių dirbinių ar metalinių įrankių ir ginklų, tokių kaip ašys, peiliai ir kardai, gamybai - daugybei geresnių nei senų akmeninių įrankių. Visa tai galiausiai paskatino žmones aktyviai ieškoti daugiau metalų, kurti minas, prekiauti metalais tarp skirtingų tautų ir gimti metalo pramonė. Tačiau tai atsitiko - tai atsitiko daugelyje vietų visame pasaulyje.

METALURGIJA

Nuo maždaug prieš 8000 metų žmonės pradėjo suprasti, kad jie gali pakeisti metalą. Jie galėjo tai atsitiktinai atrasti, o gal žmonės tiesiog įgijo kūrybiškumą, arba galbūt tai buvo abiejų derinys. Bet kokiu atveju buvo sukurti nauji procesai, skirti metalams keisti, tada sukurti visiškai naujus, kurių gamtoje neegzistavo, su didžiuliu kokybės gerinimu. Per artimiausius kelis tūkstančius metų kasyba ir metalo apdirbimas tapo neatskiriama daugumos Žemės kultūrų dalimi, o metalas tapo viena iš labiausiai civilizaciją besikeičiančių medžiagų žmogaus istorijoje. Kiekvienas iš šių naujų procesų buvo susijęs su ugnimi, ir tikėtina, kad eksperimentavimas su vienu tiesiogiai paskatino kitą. Svarbiausi pasiekimai:

• Atkaitinimas. Tai tiesiog metalo kaitinimo procesas, kol jis bus vyšninis raudonas. Tai atkuria seną, trapų metalą iki savo pradinio kaliojo būklės, leidžiant jį pertvarkyti ir pratęsti jo naudojimą. Atkaitinimas gali būti atliekamas santykinai žemoje temperatūroje (varis gali būti atkaitintas ugnyje). Tai pirmą kartą buvo atlikta maždaug per 6000 B.C., kažkur Vidurio Rytuose ir galbūt Europoje bei Indijoje tuo pačiu metu.
• Lydymasis. Šiame procese metalai ištirpsta į skystą būseną, suteikiant daug daugiau laisvės jas formuoti įvairiomis formomis. Iš pradžių metalai buvo išpūsti maždaug 5000 B.C. po to, kai buvo kuriamos pažangesnės keramikos krosnys, dėl kurių gali kilti daug didesnių šilumos, nei būtų galima pasiekti paprastuose atvirame ugnyje.
• Lydinio gamyba. Tai yra įvairių metalų maišymo procesas, kai jie yra išlydytos būsenos. Jis prasidėjo apie 3300 B.C. (bronzos amžiaus pradžia), pirmoji bronzos gamyba - vario ir alavo mišinys, kuris yra daug sunkesnis ir ilgesnis nei bet kuris iš jo komponentų.
• Gavyba. Toliau tobulinant krosnies technologijas ir tolesnį gebėjimą pasiekti aukštesnę temperatūrą, buvo sukurtos technologijos, leidžiančios metalus išgauti iš rūdos. Tai pirmą kartą buvo padaryta su geležimi Artimuosiuose Rytuose maždaug 1500 B.C., žymintį geležies amžiaus pradžią.
• Lydymas, lydinių gamyba ir gavyba praktikavo senovės tautų Europoje, Azijoje, Pietų Amerikoje ir toli į šiaurę, kaip Meksika, bet ne likusioje Šiaurės Amerikos dalyje arba Australijoje, kol atvyko europiečiai. Šie paprasti procesai išlieka to, kas gali būti didžiausia ir sėkmingiausia žmogaus istorija: metalo pramonė.

IRON

Geležis yra labiausiai paplitęs metalas Žemėje. Tačiau, kaip ir dauguma metalų, tai yra sudėtinga, nes tai labai retai randama natūralioje valstybėje. Tai dažniausiai egzistuoja geležies oksidai-molekulės, susidedančios iš geležies ir deguonies, kurios yra susimaišiusios su uolomis geležies rūda. Norėdami gauti geležies, turite atsikratyti deguonies ir uolos. Štai dažniausiai naudojamas procesas šiandien:

• Paruošimas: Gavęs gruntą, geležies rūdos susmulkinama į miltelius. Tada milžiniški magnetiniai būgnai naudojami atskirti geležies neturtingus iš geležies turtingos rūdos. (Geležies turinčios rūdos prisiliečia prie būgnų, o kita atpalaiduoja.) Geležies turtingi milteliai sumaišomi su molio ir pagaminti į marmurinius granules, kurie po to karštai kietėja. Tai leidžia efektyviau deginti kitame žingsnyje, lydant.
• Lydymas: granulės išpūstos krosnyje kartu su kokso anglimi, kuri buvo perdirbta beveik gryno anglies ir kalkakmenio. Intensyvus šilumos susilpninimas susideda iš geležies ir deguonies susimaišymo rūdoje, atpalaiduojant deguonį kaip dujas, kurios jungiasi su anglies dvideginiu iš degimo kokso ir sudaro CO2 (anglies dioksidas). CO2 išsiskiria iš krosnies viršaus, o geležis, dabar be deguonies, išsilydo (maždaug 2800 ° F) ir kaupiasi krosnies dugne. Kalkakmenis taip pat tirpsta ir susimaišo su priemaišomis, kad susidarytų išlydytas atliekas, vadinamas šlakiu.Šlakas lengvesnis nei geležis, ir jis nuolat pašalinamas iš krosnies viršaus.
• Rezultatas: Šis procesas yra geležies lydinio pigmentas. Jis turi palyginti didelį anglies kiekį apie 5 proc., Todėl jis labai trapus, todėl ketaus yra daugiausia nenaudingas, išskyrus gaminant kitus geležies lydinius, ypač plieną.

STEEL

Šiandien apie 98 proc. Pasaulyje pagaminto ketaus gaminama plieno, plačiausiai naudojamo metalo ar metalo lydinio, istorijoje. Procesas prasideda išlydyto ketaus liejimo į plienines krosnis, kur jis apdorojamas likusių priemaišų pašalinimui ir anglies kiekio mažinimui nuo 0,1 iki 2 procentų. Tai viena iš pagrindinių plieno charakteristikų. Visuose, išskyrus labai nedaugeliui šimtų skirtingų plieno rūšių, juose yra anglies. Tai sumažina trapumą, tuo pačiu padidindamas stiprumą ir kietumą. Priklausomai nuo pagamintos plieno rūšies, į mišinį dedami skirtingi elementai. Du pavyzdžiai:

• Mangano plienas arba mangolojus sudaro apie 13 proc. Mangano, todėl labai atsparus smūgiui. Tai leidžia mangalloy populiarus naudoti kalnakasybos įrankius, akmens smulkinimo įrangą ir karines transporto priemones.
• Nerūdijantis plienas iš tikrųjų yra plataus asortimento plieno pavadinimas, tačiau juose yra vienas bendras dalykas: chromas, nuo 10 iki 30 procentų, priklausomai nuo tipo. Chromas ant nerūdijančio plieno jungčių paviršiaus su deguonimi ore tampa chromo oksido sluoksniu, todėl nerūdijantis plienas suteikia labai stiprią, blizgančią išvaizdą ir atsparus korozijai. O jei jis yra pažeistas ar randuotas, chromas sujungiamas su deguonimi ir sukuria naują sluoksnį, taigi jis yra savaiminis. Nerūdijantis plienas yra naudojamas įvairiuose gaminiuose, nuo virtuvės reikmenų iki chirurgijos įrangos iki lauko skulptūros. (Taip pat 100% perdirbama.)

Aliuminis

Labiausiai paplitusi aliuminio gamybai naudojama rusiška medžiaga yra boksitas, molio medžiaga, kuri yra apie 50 proc. Aliuminio oksido ir aliuminio, sujungto su deguonimi. Kaip ir geležies, į aliuminį reiškia atsikratyti deguonies ir mineralų rūdoje. Procesas yra daug sudėtingesnis nei geležies gavyba, ir buvo sukurtas tik 1800-ųjų pabaigoje. (1808 m. Aliuminis buvo unikalus elementas.) Pirmoji šiandien dažniausiai naudojama sistemos dalis vadinama Bayer procesu, pavadinta Austrijos chemiko Karlo Bayerio vardu, kuris jį išrado 1877 m.

"Bayer Process": boksitas iškasamas ir susmulkinamas, tada sumaišomas su vandeniu ir nuosėdomis ir kaitinamas talpose. Ši karštis ir sieros rūgštis sukelia rūdos aliuminio oksido išsiskyrimą vandenyje, o priemaišos nusėda iki dugno. Gausiai aliuminio oksido turinys yra išfasuotas ir filtruojamas tolimesniam priemaišoms pašalinti, o po to pumpuojamas į didžiulius kritulių talpyklas, kuriose vanduo leidžiamas nusodinti. Kas lieka, yra balti kristaliniai milteliai, kurie sudaro apie 99% aliuminio oksido. Kristalai plaunami ir leisti išdžiūti.

Kitas žingsnis vadinamas "Hall-Héroult" procesu, pavadintas dviem chemikams, kurie jį sukūrė, nepriklausomai vienas nuo kito, 1886 m. Šiame procese aliuminio oksido kristalai (kartu su mineralais, kurie padeda išardyti aliuminio oksidą) yra užtvirtinti maždaug 1,760 ° F plieno kubiluose. Tačiau to nepakanka aliuminio deguonies jungtims išardyti aliuminio okside; jie yra daug stipresni už geležies deguonies jungtis. Taigi galinga elektros srovė išsiųsta per išlydytą medžiagą, o tai sukelia susiliejimą. Deguonis išleidžiamas kaip dujos ir pritraukia prie anglies strypų, kurie yra suspenduoti virš išlydyto mišinio, kur jis susilieja su anglimi, kad susidarytų CO2 dujos (kaip ir geležies lydymo procese). Išlaisvinto aliuminio lydosi ir kaupiasi puodo apačioje. Šiuo metu jis yra 99,8% gryno aliuminio.

Aliuminis naudojamas daugybėje panaudojimo gryna forma (aliuminio folija pagaminta iš beveik gryno aliuminio), dažniausiai lydiniams, sumaišytiems su tokiais elementais kaip silicis, varis ir cinkas. Kai kurie yra stipresni už plieną, o tai yra dar lengvesnė. Dažniausiai naudojami virtuvės reikmenys, nealkoholiniai gėrimai ir automobilių variklių blokai.

PLATINUM

Platinas yra blizgus, sidabro balto metalo, kuris yra labai retas ir turi keletą unikalių savybių: jis yra vienas iš tankiausių metalų, tačiau jis yra labai besiliečiantis; ji yra itin atspari korozijai dėl temperatūros, rūdžių ar medžiagų, tokių kaip rūgštys, poveikio; ir jis turi labai aukštą lydymosi temperatūrą 3,215 ° F (aukso lydymosi taškas yra tik 1,064 °, o geležies yra 1,535 °). Platina egzistuoja gryna forma, tačiau ji dažniausiai pasitaiko mišinyje su kitais elementais, įskaitant deguonį, varis ir nikelis. Šiandien pasaulyje pagaminama daugiau nei 90 proc platinos, pagaminta iš keturių vietų: trys Rusijoje ir viena Pietų Afrikoje. Gamyba yra gana sudėtinga.

Norint pagaminti vieną unciją iš platinos, reikia išgauti daugiau nei dešimt tonų rūdos. Trumpas proceso aprašymas yra toks:

Rūda iškasama, smulkinama į miltelius, sumaišoma su vandeniu ir chemikalais. Per mišinį prapūstamas oras, sukuriamas burbuliukai, į kuriuos patenka mažos platinos dalelės. Burbulai pakyla ant bako paviršiaus, sukuriant muilo putas. Putos surenkamos, išdžiovinamos ir išdžiovinamos esant aukštesnei kaip 2700 ° F temperatūrai. Sunkesnės dalelės - metalų kriauklė iki krosnies dugno. Šviesesnės priemaišos surenkamos ant išlydyto metalo viršaus ir pašalinamos. Sudėtingi cheminiai procesai yra naudojami platinui atskirti nuo bet kurio vario, nikelio ir kitų metalų, kurie dar yra, kol galutinai bus gauta gryna platina.

SHINY BITS

• Geležies rūdos yra išpūstos aukštakrosnėse: perkaitintas oras iki 2200 ° F yra "išpūstas" į krosnį, todėl jis gali degti daug karštesni nei kitaip. Tipinė aukštakrosnė plieno gamykloje veikia 24 valandas per parą, 365 dienas per savaitę, iki 20 metų, kol ji turi būti pakeista.
• Grynas plienas yra labai jautrus rūdijimui. Cinkuotas plienas yra plienas, padengtas cinku, kuris yra labai atsparus rūdijimui.
• Pagrindinis rubino, smaragdo ir safyro cheminis ingredientas: aliuminis.
• Kas yra labiausiai reti metalo platinos? Kataliziniai konverteriai - automobiliuose naudojami išmetimo valymo įrenginiai. Platinas yra itin geras katalizatorius: jis padeda išmetamųjų dujų toksiškoms dujoms, tokioms kaip anglies monoksidas, konvertuoti į netoksiškas dujas.
• Tai mitas, kad tarp vietinių amerikiečių nebuvo metalo. Daugelis gentys iš tiesų turėjo ilgas vario darbo tradicijas, ypač aplink Didieji ežerai, kur metalas buvo natūraliai gausus.
• Visa istorija pagaminta platina gali tilpti į vidinį namų rūsį.