Как делаются металлы

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

У вас есть кольцо на пальце? Это сделано из золота, серебра, платины или другого природного металла? Тогда обдумайте это: металл в этом кольце на пальце старше планеты, на которой вы стоите.

ЧТО ТАКОЕ «МЕТАЛЛ»?

С научной точки зрения, металлы представляют собой естественные химические элементы, которые обычно являются жесткими, блестящими и хорошими проводниками тепла и электричества. Примеры включают железо, золото, серебро, медь, цинк, никель и т. Д., Но также элементы, которые мы обычно не рассматриваем как металлы. Один из них - это металл, который мы регулярно употребляем: натрий - это мягкий серебристо-белый металл, который обычно связывается с хлором элемента с образованием хлорида натрия или обычной соли.

Другой - астатин, который был обнаружен в 1940 году в лаборатории, где он был создан искусственно. Он не был обнаружен в природе до 1943 года. Астатин очень радиоактивен, и, как полагают, существует только одна унция его - в целом - на Земле. Из 118 известных химических элементов, из которых 88 являются металлами.

РЕАЛЬНАЯ АЛХИМИЯ

Итак, откуда взялись все эти металлы? Вот очень упрощенное объяснение:

Все элементы, включая металлы, состоят из одного и того же материала: атомного материала - электрона, нейтронов и протонов. Атомы разных элементов можно отличить друг от друга количеством протонов, которые они содержат. (Число нейтронов и электронов может варьироваться даже между атомами одного и того же элемента.) Например, атом водорода содержит только один протон. У атома золота 79. Это справедливо для каждого из бесчисленных атомов водорода и золота во Вселенной.

Если бы вы могли найти способ смять 79 атомов водорода вместе в один атом, у вас будет атом с 79 протонами, и поэтому у вас будет золотой атом. И это почти то, что происходит … кроме того, что происходит внутри звезд.

ЗОЛОТО В ИХ ЗВЕЗДАХ

Примерно 13,7 млрд. Лет назад вещество впервые появилось в виде атомов двух самых легких элементов: водорода, одного протона и гелия, с двумя. Они остаются, безусловно, самыми обильными элементами во Вселенной.

Спустя много миллионов лет эти первые атомы водорода и гелия, собранные в облаках пыли и газов настолько огромными, что их нужно будет измерять в световые годы (1 световой год = 6 триллионов миль или 9,5 трлн. Километров). Облака в конце концов уступили своей собственной огромной гравитации и рухнули, образуя первые звезды. И звезды были эсминцами-атомами, достаточно горячими, чтобы разрушить атомы водорода и гелия, и слить их обратно вместе, переделав их в более крупные атомы разных более тяжелых элементов.

Например, если вы сплавляете два атома водорода вместе, у вас есть атом с двумя протонами или гелием. Предохранитель трех водородов вместе, и вы получите атом с тремя протонами-литием, первым и самым легким металлом. Предохраните три гелия вместе, и вы получите атом с шестью протонами-углеродом. Это то, что происходит во всех звездах, которые вы видите на небе ночью. В массивных процессах процесс может привести к получению более тяжелых и тяжелых элементов, включая такие металлы, как титан (22 протона) и железо (26 протонов). Если они особенно массивны, они могут производить самые тяжелые металлы, такие как золото (79 протонов) и уран (92 протона). Это одна из вещей, которые делают звезды, и именно так образуются все элементы, включая все эти блестящие металлы.

Теперь, как они сюда попали?

ПРИЗЕМЛЕННЫЙ

В первые несколько миллиардов лет после Большого Взрыва родились миллиарды и миллиарды звезд, как мы только что описали. Многие из них были чрезвычайно массивными (в сотни раз больше, чем наше солнце), а массивные звезды живут относительно короткими жизнями - всего несколько миллионов лет в некоторых случаях (маленькие звезды могут жить в течение миллиардов лет), а затем умирают, взрываясь как сверхновые.

И когда эти огромные звезды взорвались миллиарды лет назад, они исключили тяжелые элементы, которые они создавали, отправив их в космос. Они, в свою очередь, «посеяли» вселенную элементами, включая металлы. И супермассивное, невозможное для понимания количество его триллионов и триллионов и триллионов мегатонн. Это означает, что, когда новые звезды были позже сформированы, они уже были «засеяны» металлами, оставленными этими сверхновыми.

Одной из этих поздних звезд, богатых металлом, было наше собственное солнце. Быстрый взгляд на эту историю:

• Около 4,5 миллиардов лет назад массивное космическое облако пыли и газа, засеянное множеством более тяжелых элементов, рухнуло, начав процесс формирования новой звезды.
• Большая часть водорода и гелия в облаке стала частью новообразованной звезды. Остальная часть пыли и газа, включая металлы, накапливается в расплавленной массе, вращаясь вокруг новой звезды. Вращающееся движение сглаживало массу (изображение, вращающееся пиццевым тестом) в расплавленный, вращающийся диск.
• За миллионы лет, когда диск охлаждался, кусочки его сгущались вместе, и эти скопления стали планетами в нашей солнечной системе. А металлы в пыли? Они стали всеми металлами, найденными на всех планетах, в том числе и нашими.

Наша доля: у Земли много металла. Почти треть массы планеты - это элемент железа, большая часть которого находится в ядре планеты.Еще 14 процентов составляют магний, 1,5 процента - никель, 1,4 процента - алюминий. Это 49 процентов планеты. Остальные металлы Земли, включая «драгоценные» металлы, такие как золото, серебро, платина и палладий, существуют только в следовых количествах. Остальная часть - неметаллическая часть - это около 30 процентов кислорода и 15 процентов кремния, а также меньшее количество других неметаллических элементов.

СМОТРЕТЬ! SHINY!

В течение по крайней мере нескольких миллионов лет люди и их предки использовали инструменты, созданные из таких материалов, как дерево, кости и камень, чтобы облегчить их жизнь. Это не облегчало их жизнь: Homo sapiens были относительно примитивными кочевыми охотниками и собирателями почти для всего своего существования. Затем, около 10 000 лет назад, они начали открывать способы работы с «новым» материалом: металлом.

Первыми металлами, используемыми людьми, были те, которые ранние металлы не должны были делать, чтобы сделать их пригодными для использования. Это природные металлы-металлы, которые встречаются в природе в чистом состоянии или, естественно, смешиваются с другими элементами таким образом, чтобы поддерживать их полезные свойства. К ним относятся медь, олово, свинец, серебро и золото.

Кто-то, возможно, только что нашел самородки этих металлов в русло, или в корнях раскопанного дерева, и думал, что они привлекательны. Возможно, они ударили их каменными молотками и обнаружили, что они могут сформировать их. Это могло привести к тому, что металлы использовались в ювелирных изделиях или украшениях или для изготовления металлических инструментов и оружия, таких как топоры, ножи и мечи, - значительное улучшение по сравнению с старыми каменными орудиями. Все это в конечном итоге привело к тому, что люди активно искали больше металлов, создание шахт, торговлю металлами между разными народами и рождение металлургической промышленности. Однако это случилось - это произошло во многих местах по всему миру.

МЕТАЛЛУРГИЯ

Начиная примерно 8 000 лет назад, люди начали обнаруживать, что они могут изменить металл. Возможно, они обнаружили это случайно, или, возможно, люди просто стали креативными, или, может быть, это было сочетание обоих. В любом случае были разработаны новые технологии для изменения металлов, а затем для создания совершенно новых, которые вообще не существовали в природе - с огромным улучшением качества. В течение следующих нескольких тысяч лет добыча и металлообработка стали неотъемлемой частью большинства культур на Земле, и металл стал одним из самых цивилизационно меняющихся веществ в истории человечества. Каждый из этих новых процессов включал огонь, и вполне вероятно, что эксперименты с одним привели непосредственно к следующему. Наиболее важные достижения:

• Отжиг. Это просто процесс нагрева металла, пока он не станет вишнево-красным. Это восстанавливает старый, хрупкий металл до его оригинального податливого состояния, позволяя ему перерабатывать и продлевать его удобство использования. Отжиг можно проводить при относительно низких температурах (медь может быть отожжена в костре). Сначала это было сделано примерно в 6000 г. до н.э., где-то на Ближнем Востоке и, возможно, в Европе и Индии примерно в то же время.
• Выплавка. В этом процессе металлы расплавляются в жидкое состояние, предлагая гораздо больше свободы для их формования в разных формах. Металлы были впервые выплавлены около 5000 B.C., после разработки более продвинутых горшечных печей, которые могут производить гораздо более высокие теплоты, чем это можно было бы достичь при простых открытых пожарах.
• Производство сплавов. Это процесс смешивания различных металлов, когда они находятся в расплавленном состоянии. Это началось около 3300 г. до н.э. (начало бронзового века), с первым производством бронзы - смесь меди и олова, которая намного сложнее и прочнее любого из ее компонентов.
• Добыча. С дальнейшими улучшениями в технологии печи и последующей способностью к достижению более высоких температур были разработаны методы, позволяющие извлекать металлы из руды. Сначала это было сделано с железом на Ближнем Востоке около 1500 г. до н.э., обозначающим начало железного века.
• Плавление, производство и извлечение сплавов осуществлялись древними народами в Европе, Азии, Южной Америке и на севере, как в Мексике, но не в Северной Америке или Австралии, до прибытия европейцев. Эти простые процессы остаются основой того, что, вероятно, является самой крупной и успешной отраслью в истории человечества: металлургией.

ЖЕЛЕЗО

Железо является самым распространенным металлом на Земле. Но, как и большинство металлов, добраться до него сложно, потому что он очень редко встречается в чистом состоянии в природе. Он чаще всего встречается в оксидах железа - молекулах, состоящих из железа и кислорода, которые встречаются смешанными с породой в железной руде. Чтобы получить железо, вы должны избавиться от кислорода и камня. Вот наиболее распространенный процесс, используемый сегодня:

• Приготовление: после добычи руда руда измельчается в порошок. Затем используются огромные магнитные барабаны для отделения бедных от железа железосодержащих руд. (Железосодержащая руда прилипает к барабанам, а остальные отпадают.) Порошок, богатый железом, смешивается с глиной и превращается в гранулы размером с мрамор, которые затем подвергаются термической закалке. Это позволяет более эффективно гореть на следующем этапе плавки.
• Плавление: гранулы плавятся в печи вместе с кокс-углем, который перерабатывается в почти чистый углерод и известняк. Интенсивная теплота разрушает железо-кислородные связи в руде, выделяя кислород в виде газа, который связывается с выбросом углеродного газа из горящего кокса с образованием СО2 (двуокись углерода). CO2 выходит из верхней части печи, и железо, теперь свободное от кислорода, плавится (около 2800 ° F) и собирается на дне печи. Известняк также расплавляется и связывается с примесями с образованием расплавленных отходов, известных как шлак.Шлак легче железа, и он непрерывно удаляется с верхней части печи.
• Результат: Продукт этого процесса - железный сплав чугуна. Он имеет относительно высокое содержание углерода около 5 процентов, что делает его очень хрупким, и поэтому чугун в основном бесполезен, за исключением производства других железных сплавов, особенно стали.

СТАЛЬ

Сегодня около 98 процентов чугуна, произведенного во всем мире, входит в производство стали, самого широко используемого сплава металла или металла в истории. Процесс начинается с заливки расплавленного чугуна в стальные печи, где его обрабатывают для удаления любых оставшихся примесей и для снижения содержания углерода в пределах от 0,1 до 2 процентов. Это одна из главных характеристик стали: все, но очень немногие из сотен различных типов стали содержат углерод на этих уровнях. Это уменьшает хрупкость, увеличивая прочность и твердость. В зависимости от типа стали, в смесь добавляются различные элементы. Два примера:

• Марганцевая сталь, или мангалоид, составляет около 13 процентов марганца, что приводит к тому, что он обладает чрезвычайно ударостойкостью. Это делает mangalloy популярным для использования в горных инструментах, оборудовании для дробления горных пород и бронировании для военных автомобилей.
• Нержавеющая сталь на самом деле является названием для широкого спектра сталей, но все они имеют одну общую черту: хром, от 10 до 30 процентов, в зависимости от типа. Хром на поверхности нержавеющей стали связывает кислород в воздухе с образованием слоя оксида хрома, благодаря чему нержавеющая сталь обладает очень жестким, блестящим внешним видом и делает его стойким к коррозии. И если он поврежден или поврежден, хром повторно соединяется с кислородом и образуется новый слой, поэтому он самовосстанавливается. Нержавеющие стали используются в самых разных продуктах: от кухонной утвари до хирургического оборудования до наружной скульптуры. (Он также на 100% подлежит вторичной переработке).

АЛЮМИНИЙ

Наиболее распространенной рудой, используемой для производства алюминия, является боксит, глинистое вещество, которое составляет около 50 процентов алюминия-алюминия, связанного с кислородом. Как и железо, попадание на алюминий означает избавление от кислорода и минералов в руде. Процесс намного сложнее, чем извлечение железа, и был разработан только в конце 1800-х годов. (Алюминий был идентифицирован только как уникальный элемент в 1808 году.) Первая часть системы, которая наиболее часто используется сегодня, называется процессом Байера, названным в честь австрийского химика Карла Байера, который изобрел его в 1877 году.

Процесс Байера: боксит добывается и измельчается, затем смешивается с водой и щелочью и нагревается в резервуарах. Это тепло и щелочь заставляют глинозем в руде растворяться в воде, а примеси опускаются на дно. Богатую оксидом алюминия воду затем отбирают и фильтруют для удаления других примесей, а затем закачивают в огромные резервуары для осаждения, где вода может осаждаться. Остается белый кристаллический порошок, который составляет около 99% оксида алюминия. Кристаллы промывают и дают высохнуть.

Следующий шаг известен как процесс Холла-Эру, названный по имени двух химиков, которые его разработали - независимо друг от друга - в 1886 году. В этом процессе кристаллы глинозема (наряду с минералами, которые способствуют разрушению глинозема) плавятся около 1760 ° F в стальных чанах. Но этого недостаточно, чтобы сломать алюминий-кислородные связи в оксиде алюминия; они намного сильнее, чем железо-кислородные связи. Таким образом, через расплавленный материал посылается мощный электрический ток, который вызывает разрыв связей. Кислород выделяется в виде газа и притягивается к углеродистым стержням, подвешенным над расплавленной смесью, где он связывается с углеродом с образованием СО2-газа (как и в процессе плавки железа). Освобожденный алюминий расплавляется и собирается на дне горшка. На данный момент это чистый алюминий 99,8%.

Алюминий используется в широком спектре применений в чистом виде (алюминиевая фольга изготовлена из почти чистого алюминия) и чаще всего в сплавах, смешанных с такими элементами, как кремний, медь и цинк. Некоторые из них прочнее стали и имеют дополнительное преимущество, чтобы быть намного легче. Обычное использование включает в себя кухонную посуду, банки для безалкогольных напитков и блоки автомобилей.

PLATINUM

Платина - блестящий, серебристо-белый металл, который очень редок и обладает уникальными качествами: это один из самых плотных металлов, но он очень податливый; он чрезвычайно устойчив к коррозии по температуре, ржавчине или воздействию таких материалов, как кислоты; и имеет очень высокую температуру плавления 3215 ° F (температура плавления золота составляет всего 1,064 °, а железа - 1535 °). Платина действительно существует в чистой форме по своей природе, но ее чаще встречают в смеси с другими элементами, включая кислород, медь и никель. Более 90 процентов платины, добываемой в мире сегодня, приходится на четыре объекта: три в России и одну в Южной Африке. Производство довольно сложно.

Чтобы добыть одну унцию платины, нужно добывать более десяти тонн руды. Краткое описание процесса заключается в следующем:

Руду добывают, измельчают до порошка и смешивают с водой и химикатами. Воздух продувается через смесь, создавая пузырьки, к которым прилипают крошечные частицы платины. Пузыри поднимаются к поверхности резервуара, создавая мыльную пенистость. Пена собирается, высушивается и плавится при температурах выше 2700 ° F. Более тяжелые частицы - металлы - опускаются на дно печи. Более легкие примеси собираются поверх расплавленного металла и удаляются. Сложные химические процессы затем используются для отделения платины от любых присутствующих меди, никеля и других металлов до тех пор, пока, наконец, не будет получена чистая платина.

БЕРЕГОВЫЕ БИТЫ

• Железная руда выплавляется в доменной печи: перегретый воздух до 2200 ° F - «взорван» в печь, в результате чего он сгорает намного горячее, чем в противном случае. Типичная доменная печь на сталелитейной мельнице работает 24 часа в сутки, 365 дней в неделю, до 20 лет, прежде чем ее необходимо заменить.
• Чистая сталь очень восприимчива к ржавчине. Оцинкованная сталь покрыта цинком, который очень устойчив к ржавчине.
• Крупный химический ингредиент в рубинах, изумрудах и сапфирах: алюминий.
• Для чего используется большая часть чрезвычайно редкой металлической платины? Каталитические преобразователи - устройства на автомобилях, используемые для очистки выхлопных газов. Платина является исключительно хорошим катализатором: она способствует превращению токсичных газов в выхлопных газах, таких как монооксид углерода, в нетоксичные газы.
• Это миф о том, что среди коренных американцев не было металлообработки. Многие племена на самом деле имели давние традиции медной промышленности, особенно вокруг Великих озер, где металл был, естественно, обильным.
• Вся платина, заминированная в истории, может вписаться в средний домашний подвал.