Kā tiek izgatavoti metāli

2024 Autors: Sherilyn Boyd | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-16 10:16

Vai jums ir gredzens ar pirkstu? Vai tas ir izgatavots no zelta, sudraba, platīna vai cita dabiska metāla? Tad pārdomājiet to: metāls šajā gredzenā pirkstu ir vecāks par planētu, kurā jūs stāvat.

KAS IR "METĀLS"?

Zinātniski runājot, metāli ir dabiski sastopamie ķīmiskie elementi, kas parasti ir grūti, spoži un labi siltuma un elektrības vadītāji. Piemēri ir dzelzs, zelts, sudrabs, varš, cinks, niķelis utt., Bet arī elementi, kurus parasti neuzskata par metāliem. Viens ir nātrijs - metāls, ko mēs regulāri ēdam: nātrijs ir mīksts, sudrabains, balts metāls, kas parasti saista elementu ar hloru, veidojot nātrija hlorīdu vai parasto sāli.

Vēl viens ir astatīns, kas tika atklāts 1940. gadā laboratorijā, kur tas tika izveidots mākslīgi. Tas nav atklāts dabā līdz 1943. gadam. Astatīns ir ļoti radioaktīvs, un tiek uzskatīts, ka tā pastāv tikai vienā uncijā - kopā - uz Zemes. No 118 jau pastāvošajiem ķīmiskajiem elementiem, 88 no tiem ir metāli.

REAL ALCHEMY

Tātad, no kurienes visi šie metāli ir iegūti? Šeit ir ļoti vienkāršots skaidrojums:

Visi elementi, ieskaitot metālus, ir izgatavoti no vienas un tās pašas lietas: atomu materiāli - elektroni, neitroni un protoni. Atomu dažādos elementus var atšķirt viens no otra ar to protonu skaitu, kurus tie satur. (Neitronu un elektronu skaits var mainīties pat starp viena un tā paša elementa atomiem.) Piemēram, ūdeņraža atoms satur tikai vienu protonu. Zelta atoms ir 79. Tas attiecas uz katru no neskaitāmiem ūdeņraža un zelta atomiem Visumā.

Ja jūs varētu atrast veidu, kā samaisīt 79 ūdeņraža atomus kopā vienā atome, jums būtu atoms ar 79 protoniem, un tādēļ jums būtu zelta atoms. Un tas ir gandrīz tieši tas, kas notiek … izņemot to, ka notiek staru iekšienē.

Tajā ir zelts, ka zvaigznes

Pirms aptuveni 13,7 miljardiem gadu vispirms parādījās abu vieglāko elementu - ūdeņraža, viena protona un hēlija - veidā ar diviem atomiem. Viņi joprojām ir visvairāk bagātīgie elementi Visumā.

Pēc daudziem miljoniem gadu šie pirmie ūdeņraža un hēlija atomi, kas savākti putekļu un gāzu mākoņos, tik lieli tie būtu jāmēra gaismas gados (1 gaismas gads = 6 triljoniem jūdžu vai 9,5 triljoni kilometru). Mākoņi galu galā atdeva savu milzīgo smagumu un sabruka, veidojot pirmās zvaigznes. Un zvaigznes bija atoma iznīcinātāji, pietiekami karsts, lai izjauktu šos ūdeņraža un hēlija atomus, un tos atkal salieciet, pārveidojot tos lielākos dažādu, smagāku elementu atomos.

Piemēram, ja jūs savienojat divus ūdeņraža atomus, jums ir atoms ar diviem protoniem vai hēlijs. Iededziet trīs ūdensgraudus un iegūstat atomu ar trim protoniem - litiju, pirmo un vieglāko metālu. Izslēdziet trīs helius kopā un iegūstat atomu ar sešiem protoniem - oglekli. Tas notiek visās zvaigznēs, ko redzat debesīs naktī. Lielajos procesos var rasties smagāki un smagāki elementi, tostarp metāli, piemēram, titāna (22 protoni) un dzelzs (26 protoni). Ja tās ir īpaši masīvas, tās var ražot smagākos metālus, piemēram, zeltu (79 protonus) un urānu (92 protonus). Šī ir viena no zvaigznēm lietām, un tādēļ visi elementi, ieskaitot visus šos spīdīgos metālus, veidojas dabā.

Tagad, kā viņi nokļuva šeit?

PIEZEMĒTS

Pirmajos miljardos gadu laikā pēc Lielā sprādziena, kā mēs tikko aprakstījām, piedzima miljardiem un miljardiem zvaigznes. Daudzi bija ārkārtīgi masīvi (simtiem reižu lielāka nekā mūsu saule), un masveida zvaigznes dzīvo relatīvi īsu laiku - dažos gadījumos tikai dažus miljonus gadu (mazākās zvaigznes var dzīvot miljardiem gadu), un pēc tam mirst ar sprādzieniem kā supernovas.

Un kad šīs masveida zvaigznes eksplodēja miljardus gadus atpakaļ, viņi izraidīja smagos elementus, ko viņi radīja, nosūtot tos kosmosā. Viņiem vienā veidā bija "sēj" Visumu ar elementiem, ieskaitot metālus. Un super masveida, neiespējami saprast summas, tas-triljoniem un triljoniem un triljoniem megatons no tā. Tas nozīmē, ka tad, kad jaunas zvaigznes tika izveidotas vēlāk, tās jau bija "sējētas" ar metāliem, ko atpalika šīs supernovas.

Viena no šīm vēlākām, bagātīgām ar metālu zvaigznēm bija mūsu pašu saule. Īss skatījums uz šo stāstu:

• Aptuveni 4,5 miljardi gadu atpakaļ masveida kosmiskais putekļu un gāzes mākonis, kas sējās ar daudzām smagākiem elementiem, sabruka, sākot jaunu zvaigžņu veidošanos.
• Lielākā daļa ūdeņraža un hēlija mākonī kļuva par jaunizveidotās zvaigznes daļu. Pārējā putekļi un gāze, ieskaitot metālus, kas uzkrājas izkausētā masā, griežoties ap jauno zvaigzni. Apgrieztā kustība saplacināja masu (attēla vērpšanas picas mīklu) izkausētā, vērpšanas diskā.
• Miljoniem gadu, kad disks atdzisis, tā un tā gabali saplūda kopā, un šīs saunas kļuva par mūsu Saules sistēmas planētām. Un metāli putekļos? Viņi kļuva par visiem metāliem, kas atrodami visās planēs, ieskaitot mūsu pašu.

Mūsu daļa: Zeme ir daudz metāla. Gandrīz trešdaļa planētas masas ir elements dzelzs, lielākā daļa no tā atrodas planētas kodolā.Vēl 14 procenti ir magnijs, 1,5 procenti ir niķelis un 1,4 procenti ir alumīnijs. Tas ir 49 procenti planētas. Pārējie Zemes metāli, ieskaitot "dārgakmeņus", piemēram, zeltu, sudrabu, platīnu un pallādiju, eksistē tikai nelielā daudzumā. Pārējā nemetāla daļa ir aptuveni 30 procenti skābekļa un 15 procenti silīcija, kā arī mazāki daudzi citi nemetāla elementi.

LOOK! SHINY!

Vismaz dažus miljonus gadu cilvēki un viņu senči izmantoja instrumentus, kas izgatavoti no tādiem materiāliem kā koks, kauls un akmens, lai palīdzētu padarīt viņu dzīvi nedaudz vieglāku. Tas nav padarījis viņu dzīvi daudz vieglāku: Homo sapiens ir bijis salīdzinoši primitīvas nomadu mednieki un vācēji gandrīz visu savu eksistenci. Tad pirms apmēram 100 000 gadiem viņi sāka atrast veidus, kā strādāt ar "jaunu" materiālu - metālu.

Pirmie metāli, ko izmanto cilvēki, bija tie, kurus agrīnajiem metālu ražotājiem nebija jādara ļoti daudz, lai tie būtu izmantojami. Tie ir dabiskie metāli - metāli, kas dabā rodas tīrā stāvoklī vai, protams, sajauc ar citiem elementiem tādā veidā, kas saglabā to lietojamās īpašības. Tajos ietilpst varš, alva, svins, sudrabs un zelts.

Kāds, iespējams, tikko atradis šos metālus tīrradņus plūstošajos vai izliktā koka saknēs un domāja, ka tie ir pievilcīgi. Iespējams, ka tie ir iznīcinājuši tos ar akmens āmuriem un atklājuši, ka tie varētu tos veidot. Tas varētu būt novedis pie metālu izmantošanas rotaslietās vai rotājumos vai metāla instrumentu un ieroču, piemēram, asu, nažu un zobenu izgatavošanā, kas ir ievērojams uzlabojums salīdzinājumā ar vecajiem akmens instrumentiem. Tas viss galu galā noveda pie cilvēkiem, kas aktīvi meklēja vairāk metālu, ieguva raktuves, tirgoja metālus starp dažādām tautām un izveidoja metālrūpniecību. Tomēr tas notika - tā notika vairākās vietās visā pasaulē.

METALLURGIJA

Sākot aptuveni 8000 gadus atpakaļ, cilvēki sāka atklāt, ka viņi var mainīt metālu. Iespējams, ka viņi to ir atklājuši nejauši, vai varbūt cilvēki vienkārši ir radījuši iespaidu, vai varbūt tā bija abu kombinācija. Jebkurā gadījumā tika izstrādāti jauni procesi, lai mainītu metālus, pēc tam radītu pilnīgi jaunus, kas dabā vispār nebija - ar milzīgiem kvalitātes uzlabojumiem. Turpmākajos dažos tūkstoš gados ieguves rūpniecība un metālapstrāde kļuva par neatņemamu daļu no lielākajām kultūrām uz Zemes, un metāls kļuva par vienu no civilizācijas mainīgākajām vielām cilvēces vēsturē. Katrs no šiem jaunajiem procesiem bija saistīts ar ugunsgrēku, un ir iespējams, ka eksperiments ar vienu noveda tieši uz nākamo. Nozīmīgākie sasniegumi:

• Atkausēšana. Tas ir vienkārši metāla apkures process, kamēr tas ir ķiršu sarkanais. Tas atjauno veco, trauslo metālu tā sākotnējai kaļamā stāvoklī, ļaujot to pārveidot un pagarināt tā lietojamību. Atkausēšana var notikt relatīvi zemās temperatūrās (vara var atgriezt ugunskurā). Tas vispirms tika paveikts dažkārt aptuveni 6000 B.C., kaut kur Tuvajos Austrumos un, iespējams, Eiropā un Indijā aptuveni tajā pašā laikā.
• Kausēšana Šajā procesā metāli tiek izkusuši šķidrā stāvoklī, piedāvājot daudz vairāk brīvības, veidojot tos dažādās formās. Metāli vispirms tika apstrādāti apmēram 5000 B.C., pēc attīstītākām keramikas krāsnīm, kas var radīt daudz augstāku siltumu, nekā to var panākt vienkāršos ugunsgrēkos.
• Alumīnija ražošana. Tas ir dažādu metālu sajaukšanas process, kamēr tie ir izkusušā stāvoklī. Tas sākās aptuveni 3300 B.C. (bronzas laikmeta sākums) ar pirmo bronzas ražošanu - vara un alvas maisījumu, kas ir daudz grūtāk un izturīgāks nekā jebkura tā sastāvdaļa.
• Ekstrakcija. Veicot uzlabojumus krāsns tehnoloģiju jomā un sekojošo spēju panākt augstāku temperatūru, tika izstrādātas metodes, kas ļāva iegūt metālu no rūdas. Tas vispirms tika darīts ar dzelzi Tuvajos Austrumos aptuveni 1500 B.C. - dzelzs laikmeta sākumā.
• Smēšanos, sakausējumu ražošanu un ekstrakciju praktizēja senie cilvēki Eiropā, Āzijā, Dienvidamerikā un tālāk uz ziemeļiem, kā Meksiku, bet ne pārējā Ziemeļamerikā, vai Austrālijā, līdz eiropieši ieradās. Šie vienkāršie procesi paliek par pamatu tam, kas visticamāk ir vislielākā un veiksmīgākā nozare cilvēces vēsturē: metālrūpniecība.

Dzelzs

Dzelzs ir visplašākais metāls uz Zemes. Bet, tāpat kā lielākajai daļai metālu, nokļūšana uz to ir sarežģīta, jo tā ir ļoti reti sastopama tīrā dabā. Tas visbiežāk eksistē dzelzs oksīdos - molekulās, kuras sastāv no dzelzs un skābekļa, kurus dzelzs rūdos sajauc ar akmeņiem. Lai iegūtu dzelzi, jums ir jāizvairās no skābekļa un akmens. Šeit ir visbiežāk sastopamais process, kas tiek izmantots šodien:

• Sagatavošana: Pēc rakšanas, dzelzs rūdas tiek sasmalcinātas pulverī. Tad tiek izmantotas milzīgas magnētiskās mucas, lai atdalītu dzelzs sabiezējumus no dzelzs bagātinātās rūdas. (Dzelzs bagāta rūda pietur pie bungām, bet pārējais nokrīt.) Dzelzs bagātīgais pulveris tiek sajaukts ar māliem un tiek izgatavots marmora formā, kas pēc tam tiek karstumizturīgi. Tas ļauj efektīvāk sadedzināt nākamās pakāpes kausēšanu.
• Kausēšana: granulas tiek kausētas krāsnī kopā ar koksa akmeņoglēm, kas ir pārstrādātas gandrīz tīrā oglekļa un kaļķakmens. Intensīvais siltums pārtrauc dzelzs-skābekļa savienojumus rūdā, atbrīvojot skābekli kā gāzi, kas saista oglekļa gāzi no degšanas koksa, veidojot CO2 (oglekļa dioksīdu). CO2 izplūst no krāsns augšdaļas, un dzelzs, kas tagad ir bez skābekļa, kūst (apmēram 2800 ° F) un savāc krāsns apakšā. Kaļķakmens arī kūst un sajaucas ar piemaisījumiem, lai veidotu izkausētus atkritumus, kas pazīstami kā izdedži.Sārņi ir vieglāki par dzelzi, un to nepārtraukti noņem no krāsns augšdaļas.
• Rezultāts: šī procesa produkts ir dzelzs sakausējums. Tā ir salīdzinoši augsts oglekļa saturs ir apmēram 5 procenti, kas padara to ļoti trauslu, un tādēļ čuguns galvenokārt nav lietderīgs, izņemot citu dzelzs sakausējumu, it īpaši tērauda, ražošanu.

STEEL

Šobrīd apmēram 98 procenti no visa pasaulē ražotā čuguna iegūst tērauda, kas ir visplašāk izmantotais metāla vai metāla sakausējums, vēsturē. Process sākas, izlejot kausētu čugunu tērauda krāsnīs, kur to apstrādā, lai likvidētu visus atlikušos piemaisījumus, un oglekļa saturu samazinātu līdz 0,1 līdz 2 procentiem. Tas ir viens no galvenajiem tērauda īpašībām: visi, izņemot dažus no simtiem dažādu veidu tērauda, satur oglekli šādos līmeņos. Tas samazina trauslumu, vienlaikus palielinot stiprību un cietību. Atkarībā no izgatavotā tērauda veida maisījumam tiek pievienoti dažādi elementi. Divi piemēri:

• Mangāna tērauds vai mangallijs ir apmēram 13 procenti mangāna, un tas ir ārkārtīgi triecienizturīgs. Tas padara mangallo populāru izmantošanai kalnrūpniecības instrumentiem, akmens smalcināšanas iekārtās un bruņu pārklāšanai militārajiem transportlīdzekļiem.
• Nerūsējošais tērauds patiešām ir vārds plašam tēraudu klāstam, taču visiem tiem ir viena kopīga iezīme: hroms, no aptuveni 10 līdz 30 procentiem, atkarībā no veida. Hroms uz nerūsējošā tērauda saites virsmas ar skābekli gaisā, veidojot hroma oksīda slāni, kas nerūsējošā tērauda dēļ padara to ļoti cietu, spīdīgu un izturīgu pret koroziju. Un, ja tas ir bojāts vai bojāts, hroma atkārtoti saista ar skābekli un veido jaunu slāni, tādēļ tas ir pašrefizēts. Nerūsējošie tēraudi tiek izmantoti visdažādākajos produktos, sākot no virtuves piederumiem līdz ķirurģiskām iekārtām, līdz āra tēlniecībai. (Tas ir arī 100% pārstrādājams.)

ALUMINIUM

Visbiežāk rūdas, ko izmanto alumīnija ražošanai, ir boksīts, mālaina viela, kas ir aptuveni 50% alumīnija-alumīnija, kas saistīta ar skābekli. Līdzīgi kā ar dzelzi, nokļūšana uz alumīniju nozīmē atbrīvoties no skābekļa un minerālvielām rūdā. Process ir daudz sarežģītāks nekā dzelzs ekstrakcija, un to izstrādāja tikai 1800. gadu beigās. (Alumīnijs tika identificēts tikai kā unikāls elements 1808. gadā.) Mūsdienās visbiežāk izmantoto sistēmu pirmā daļa sauc par Bayer procesu, kas nosaukts pēc Austrijas ķīmiķa Karla Bayera, kurš to izgudroja 1877. gadā.

Bayer Process: Bauxite tiek iegūts un sasmalcināts, pēc tam sajauc ar ūdeni un sārmu, un tiek uzkarsēts tvertnēs. Šis siltums un sārmaina izraisa alumīnija oksīda rūdu, lai izšķīdinātu ūdenī, bet piemaisījumi nokritās uz grunti. Ar alumīnija saturu bagāts ūdens pēc tam tiek izfiltrēts un filtrēts, lai noņemtu papildu piemaisījumus, un pēc tam sūknējas milzīgos nokrišņu tvertnēs, kur ūdenim ir atļauts nogulsnēties. Kas paliek, ir balts kristālisks pulveris, kas ir aptuveni 99% alumīnija oksīda. Kristālus mazgā un ļauj izžūt.

Nākamais solis ir pazīstams kā Hall-Héroult process, kurš nosaukts par diviem ķīmiķiem, kuri to izveidoja neatkarīgi viens no otra - 1886. gadā. Šajā procesā alumīnija kristāli (kopā ar minerālvielām, kas veicina alumīnija oksīda sadalīšanos) tiek kausēti apmēram 1760 ° F tērauda tvertnēs. Bet tas nav pietiekami, lai pārtrauktu alumīnija-skābekļa savienojumus alumīnija oksīdā; tie ir daudz stiprāki nekā dzelzs-skābekļa savienojumi. Tātad spēcīga elektriskā strāva tiek sūtīta caur izkausēto materiālu, un tas izraisa obligāciju pārrāvumu. Skābeklis tiek atbrīvots kā gāze, un to piesaista oglekļa stieņiem, kas ir suspendēti virs izkausētā maisījuma, kur tā saista oglekli, veidojot CO2 gāzi (tāpat kā dzelzs kausēšanas procesā). Atbrīvotais alumīnijs izkausē un savāc pot potītē. Šajā brīdī tas ir 99,8% tīra alumīnija.

Alumīnijs tiek izmantots dažādos pielietojumos tīrā formā (alumīnija folija ir izgatavota no gandrīz tīra alumīnija) un biežāk sakausējumos, sajaukumā ar tādiem elementiem kā silīcijs, varš un cinks. Daži no tiem ir spēcīgāki par tēraudu, un tiem ir papildu priekšrocība, ka tie ir daudz vieglāki. Parasti izmantoti virtuves piederumi, bezalkoholisko dzērienu tvertnes un automobiļu dzinēju bloki.

PLATINUM

Platīns ir spīdošs, sudraba balts metāls, kas ir ļoti reti un kam ir unikālas īpašības: tas ir viens no blīvākajiem metāliem, tomēr tas ir ļoti kaļams; tas ir ārkārtīgi izturīgs pret koroziju temperatūras, rūsas vai materiālu, piemēram, skābju, iedarbības rezultātā; un tai ir ļoti augsta kušanas temperatūra 3,215 ° F (zelta kušanas temperatūra ir tikai 1064 ° un dzelzs ir 1,535 °). Platīns dabā pastāv tīrā formā, bet tā ir daudz biežāk sastopama kopā ar citiem elementiem, ieskaitot skābekli, varš un niķelis. Mūsdienās vairāk nekā 90 procenti platīna, kas iegūta pasaulē, nāk no četrām vietām: trīs Krievijā un viena Dienvidāfrikā. Ražošana ir diezgan sarežģīta.

Lai izgatavotu vienu unci no platīna, ir jāiegādājas vairāk nekā desmit tonnas rūdas. Īss procesa apraksts ir šāds:

Ore tiek iegūta, sasmalcināta ar pulveri, un tiek sajaukta ar ūdeni un ķimikālijām. Caur maisījumu izplūst gaiss, radot burbuļus, uz kuriem sasniedz niecīgas platīna daļiņas. Burbuļi paceļas pie tvertnes virsmas, izveidojot ziepju putas. Putu savāc, žāvē un kausē temperatūrā virs 2700 ° F. Smagākās daļiņas - metālu izlietne līdz krāsns apakšai. Vieglākus piemaisījumus savāc uz izkausēta metāla virsmas un noņem. Tad tiek izmantoti sarežģīti ķīmiskie procesi, lai atdalītu platīnu no jebkura vara, niķeļa un citu metālu, kas joprojām atrodas, līdz beidzot iegūst tīru platīnu.

SHINY BITS

• Dzelzsrūda tiek smalcēta domnas krāsnī: pārkarsēts gaiss līdz 2200 ° F - ir "izpūstas" krāsnī, izraisot to sadedzināšanu daudz karstāks nekā tas citādi varētu. Tipiska domnas krāsniņa tērauda rūpnīcā 24 stundas diennaktī, 365 dienas nedēļā, uz laiku līdz 20 gadiem, pirms tā jānomaina.
• Tīrais tērauds ir ļoti uzņēmīgs pret rūsu. Cinkots tērauds ir cinks ar tēraudu, kas ir ļoti izturīgs pret rūsēšanu.
• Liela ķīmiskā sastāvdaļa rubīnos, smaraglās un safīros: alumīnijs.
• Kas ir lielākā daļa ārkārtīgi reti sastopamā metāla platīna? Katalītiskie pārveidotāji - automobiļu ierīces, ko izmanto izplūdes gāzu tīrīšanai. Platīns ir ārkārtīgi labs katalizators: tas atbalsta toksisko gāzu, piemēram, oglekļa monoksīda, konversiju netoksiskajās gāzēs.
• Tas ir mīts, ka indiešu amerikāņu vidū nav metālapstrādes. Daudzām cilts reāli bija senas vara darba tradīcijas, it īpaši ap Lielo ezeru, kur metāls dabiski bija bagātīgs.
• Visa platīna, kas iegūta vēsturē, varētu ietilpt vidējā mājas pagrabstāvā.