Kuidas metalleid valmistatakse

Kuidas metalleid valmistatakse

Kas sul on sõrmega sõrm? Kas see on valmistatud kullast, hõbedast, plaatinast või muust looduslikust metallist? Seejärel mõelge sellele: selle sõrme sõrm metall on vanem kui planeet, kuhu seisate.

MIS ON METAL?

Teaduslikult öeldes on metallid looduslikult esinevad keemilised elemendid, mis on tavaliselt kõvad, läikivad ja head soojus- ja elektrijuhtmed. Näideteks on raua, kuld, hõbe, vask, tsink, nikkel jne, aga ka elemente, mida me tavaliselt metalleid ei mõtle. Üks on naatrium - metall, mida me regulaarselt sööme: naatrium on pehme, hõbedane valge metall, mis tavaliselt seob kloori, moodustades naatriumkloriidi või tavalise soola.

Teine on staatiin, mis avastati 1940. aastal laboris, kus see loodi kunstlikult. Seda ei leitud looduseni enne 1943. aastat. Astatiin on väga radioaktiivne ja arvatakse, et see eksisteerib ainult ühekordse untsi kohta - kokku Maal. Of 118 teadaolevatest olemasolevatest keemilistest elementidest, 88 neist on metallid.

REAL ALCHEMY

Niisiis, kust kõik need metallid on pärit? Siin on väga lihtsustatud seletus:

Kõik elemendid, kaasa arvatud metallid, on valmistatud samadest asjadest: aatomi materjalid - elektronid, neutronid ja prootonid. Erinevate elementide aatomeid saab üksteisest eristada nende poolt sisalduvate prootonite arvuga. (Neutronide ja elektronide arv võib varieeruda isegi sama elemendi aatomite seas.) Näiteks sisaldab vesiniku aatom ainult üht prootoni. Kuldaatomil on 79. See kehtib iga loendamatute vesiniku ja kulla aatomite kohta universumis.

Kui te võiksite leida viis vesiniku aatomite üheks aatomiks kokku segamiseks 79 aatomit, oleks teil 79 prootoniga aatomit ja seetõttu on sul kuldaatom. Ja see on peaaegu täpselt, mis juhtub ... välja arvatud siis, kui tähed lähevad.

Nendega on kuldkunane

Umbes 13,7 miljardit aastat tagasi asus esmakordselt esile kahe kergeima elemendi aatomite kujul: vesinik, üks prooton ja heelium koos kahega. Nad jäävad kaugele universumi kõige rikkalikumaks elemendiks.

Pärast miljoneid aastaid on need esimesed vesiniku- ja heeliumi aatomid kogutud tolmu ja gaaside pilvedes nii suured, et neid tuleks mõõta valgusaastatel (1 kerge aasta = 6 triljoni miili või 9,5 triljonit kilomeetrit). Pilved lõpuks andsid endasse oma tohutu gravitatsiooni ja varisesid, moodustades esimesed tähed. Ja tähed olid aatomite hävitajad piisavalt kuumad, et need vesiniku- ja heeliumi aatomid lõhkuda ja sulataksid bittid kokku, muutes need suuremate erinevate, raskemate elementide aatomitesse.

Näiteks kui sul on kaks vesinikuaatomit koos, siis on teil kaks prootonit või heeliumi aatom. Kaitske kolme vesinikku ja saate kolme protoni-liitiumi, esimese ja kõige kergema metalli aatom. Kolm heeliumi kokku sulgege ja saate kuue prootoniga süsinikku sisaldava aatomi. See toimub kõikidel tähedel, mida näete taevas öösel. Suuremates protsessides võib tekkida raskemad ja raskemad elemendid, sealhulgas metallid nagu titaan (22 prootonit) ja raud (26 prootonit). Kui nad on eriti suured, võivad nad toota kõige raskemaid metalle, nagu kuld (79 protoni) ja uraan (92 prootonit). See on üks asi, mida tähed teevad, ja see, kuidas kõik elemendid - sh kõik need säravad metallid - on looduses moodustatud.

Nüüd, kuidas nad said siia?

Maa alla

Esimeste miljardite aastate pärast Big Bangi sündisid miljardid ja miljardid tähed, nagu me just kirjeldasime. Paljud olid äärmiselt massiivsed (sadu kordi suuremad kui meie päike) ja massiivsed tähed elavad suhteliselt lühikest elu - mõnedel juhtudel on see mõni mitu aastat (väiksemad tähed võivad elada miljardeid aastaid) ja seejärel surevad plahvatuslikult kui supernoovad.

Kui need massiivsed tähed plahvatasid miljardeid aastaid tagasi, tõrjuti välja rasked elemendid, mida nad olid loonud, saates need ruumi. Nad pidid ühel viisil "külvistama" universumit elementidega, sealhulgas metallidega. Ja super-massiivsed, võimatult arusaadavad summad - triljoneid ja triljoneid ja triljoneid megatoneid sellest. See tähendab, et kui uusi tähte hiljem moodustati, siis olid nad juba seemnenud metallidega, mida nende supernoovad jäid maha.

Üks neist hiljem, metallist rikkalikest tähtest oli meie oma päike. Kiire pilk sellele lillile:

  • Umbes 4,5 miljardit aastat tagasi lagunes massiivne kosmiline tolmu ja gaasi pilve, mis külvatakse palju raskemate elementidega, alustades uue tähe moodustamist.
  • Enamik vesinikust ja helisest pilves osutus äsja moodustatud täht. Ülejäänud tolm ja gaas, kaasa arvatud metallid, kogunenud sulanud massi, uuris uue tähe ümber. Pöörlev käik tasandas massi (pilt ketramine pitsa tainas) sula, ketrus kettale.
  • Juba miljoneid aastaid, kui ketas oli jahtunud, tükeldasid need siin ja seal kokku ning need pinnad olid meie päikesesüsteemi planeedid. Ja metallid tolmus? Nendeks sai kõik metallid kõikides planeedites, kaasa arvatud meie enda.

Meie osa: Maal on palju metalli. Peaaegu kolmandik planeedi massist on elemendi rauas, millest enamus paikneb planeedi tuumikus.Veel 14 protsenti on magneesium, 1,5 protsent on nikkel ja 1,4 protsent on alumiinium. See on 49 protsenti planeedist. Ülejäänud Maa metallid, sealhulgas "vääris" metallid nagu kuld, hõbe, plaatina ja pallaadium, eksisteerivad vaid vähesel määral. Ülejäänud - mittemetalliosa - on umbes 30 protsenti hapnikust ja 15 protsenti räni koos väiksemate koguste arvukate muude mittemetallidega.

LOOK! LÄIKIV!

Inimesed ja nende esivanemad kasutasid vähemalt mõne miljoni aasta jooksul sellistest materjalidest nagu puit, luu ja kivi valmistatud tööriistad, et muuta nende elu veidi lihtsamaks. See ei muutnud nende elu palju lihtsamaks: Homo sapiens on peaaegu kogu oma olemasolu jaoks olnud suhteliselt primitiivne teisaldatavate jahimeeste ja kogumistega. Siis hakkasid umbes 10 000 aastat tagasi avastama viise, kuidas töötada "uue" materjaliga - metalliga.

Esimesed metallid, mida inimesed kasutasid, olid need, mida varased metallimasinad ei pidanud tegema väga palju selleks, et need oleksid kasutatavad. Need on naturaalsed metallmetallid, mis esinevad looduses puhtas olekus või on muidugi segatud teiste elementidega viisil, mis säilitab nende kasutatavad omadused. Nende hulka kuuluvad vask, tina, plii, hõbe ja kuld.

Keegi võis lihtsalt leida nende metallide tükid tänavale või leitmata puu juurtele ja arvas, et nad on atraktiivsed. Võimalik, et need on tükeldanud kivimasinatega ja leidsid, et nad võivad neid kujundada. See oleks võinud viia metallide kasutamiseni ehteid või kaunistusi või metallitööriistade ja -relvade nagu teljed, noad ja mõõgad, mis on vanade kivi tööriistade peamine paranemine. See kõik viis lõpuks inimesi, kes otsisid aktiivselt metallide leidmist, kaevanduste rajamist, erinevate rahvaste metallide kaubandust ja metallitööstuse sündimist. Kuid see juhtus - see juhtus paljudes kohtades üle kogu maailma.

METALLURGIA

Umbes 8000 aastat tagasi hakkasid inimesed avastama, et nad võivad metalit muuta. Võimalik, et nad on seda avastanud juhuslikult või võib-olla inimesed lihtsalt loovad või võib-olla see oli mõlema kombinatsioon. Igal juhul töötati välja uued protsessid metallide muutmiseks, et luua täiesti uusi, mida üldse looduses ei eksisteerinud - kvaliteetselt paranenud. Järgmise paari tuhande aasta jooksul sai kaevandus- ja metallitööstus enamiku Maa-kultuuride lahutamatuks osaks ja metall muutus inimkonna ajaloos üheks tsivilisatsiooni muutvaks aineks. Kõik need uued protsessid hõlmasid tulekahju ja on tõenäoline, et katsetamine ühega tõi otse järgmisele. Kõige olulisemad edusammud:

  • Anniilimine See on lihtsalt metalli kuumutamise protsess, kuni see on kirsipunane. See taastab vana, rabava metalli oma esialgsele sepistatud olekule, mis võimaldab seda uuesti töödelda ja pikendada selle kasutatavust. Lõõmutamist saab teha suhteliselt madalatel temperatuuridel (vaske saab lõõgastuda lõkke all). See tehti esmakordselt umbes 6000 BC, kusagil Lähis-Idas ja tõenäoliselt ka Euroopas ja Indias samal ajal.
  • Sulatamine Selles protsessis sulatatakse metallid vedelas olekus, pakkudes palju rohkem vabadust kujundada need erinevatesse vormidesse. Pärast sulatatud keraamikatuste väljatöötamist plaadid plaate tõmbasid umbes 5000 Bc., Mis võib tekitada palju kõrgemaid kuumust kui lihtsate tulekahjude korral.
  • Alloy Production. See on erinevate metallide segamise protsess, kui need on sulanud olekus. See algas umbes 3300 B.C. (pronksiaja alguses), kusjuures esimene pronksist toodetakse vaske ja tina segu, mis on palju raskem ja vastupidavam kui ükskõik kummast komponendist.
  • Ekstraheerimine. Täiustades põletusahjude tehnoloogiat ja järgnevat suutlikkust saavutada kõrgemat temperatuuri, töötati välja tehnikad, mis võimaldasid metallide kaevandamist maagist. See tehti kõigepealt rauda Lähis-Idas ligikaudu 1500 B.C., mis tähistas rauaaja algust.
  • Sulatus-, sulami tootmise ja kaevandamise praktiseerisid iidsed rahvad Euroopas, Aasias, Lõuna-Ameerikas ja nii kaugel Mehhikos kui Põhja-Ameerikas, kuid mitte ülejäänud Põhja-Ameerikas või Austraalias, kuni eurooplased saabusid. Need lihtsad protsessid jäävad aluseks sellele, mis on tõenäoliselt suurim ja edukaim inimkonna ajalugu: metallitööstus.

RAIND

Raud on Maal kõige rikkalikum metall. Kuid nagu enamus metalli, on selle saavutamine keerukas, sest seda leitakse harva looduses puhas olekus. Kõige sagedamini esinevad rauasisulamid - molekulid, mis koosnevad rauast ja hapnikust, mis on rauamaakidega segatud kivimitega. Raua saamiseks peate vabanema hapnikust ja kivist. Siin on kõige tavalisem protsess, mida täna kasutatakse:

  • Valmistamine: Pärast kaevandamist purustatakse rauamaak pulbrina. Seejärel kasutatakse rauasisaldusega räni tootmiseks rauasisaldusega mahukaid tugiaineid. (Raudirikka maagi pääseb trummidele, ülejäänud kukub ära.) Raudirikas pulber segatakse saviga ja tehakse marmorjas suurusega pelletid, mis seejärel kuumenevad. See võimaldab tõhusamalt põletada järgmisel etapil, sulatades.
  • Sulatus: graanuleid sulatatakse ahjus koos kivisüsi, mis on töödeldud peaaegu puhta süsiniku ja lubjakivi. Pingev soojus lagundab raua-hapniku sidemeid maagis, vabastades gaasi hapnikku, mis seob süsinikugaasi, mis vabaneb põlemiskoksist süsinikdioksiidi moodustamiseks. CO2 kaob ahju ülemisest osast ja raua, mis on nüüd vaba hapnikust, sulab (umbes 2800 ° F) ja kogub ahju põhjas. Ka paavst sulab ja sidemete lisanditega, moodustades sula jäätmeid.Räbu on kergem kui raua, ja see eemaldatakse pidevalt ahju ülaosast.
  • Tulemus: Selle protsessi toode on rauast sulamiga seismine. Sellel on suhteliselt kõrge süsinikusisaldus umbes 5 protsenti, mistõttu see on väga haprad, ja malm on seetõttu enamasti kasutud, välja arvatud muude rauasulamite, eriti terase tootmisel.

Terasest

Praegu umbes 98 protsenti kogu maailmas toodetud malmi läheb terase tootmiseks, mis on ajaloo kõige levinum metalli- või metallisulam. Protsess algab sulatatud malmi valamisega terasahjudesse, kus seda töödeldakse, et kõrvaldada kõik allesjäänud lisandid, ja vähendada süsiniku sisaldust 0,1 kuni 2 protsendi ulatuses. See on üks terase peamistest omadustest: kõik, välja arvatud mõned sajad erinevad terasetüübid, sisaldavad nendel tasemel süsinikku. See vähendab õrnust, suurendades samal ajal tugevust ja kõvadust. Sõltuvalt valmistatava terase tüübist lisatakse segule erinevad elemendid. Kaks näidet:

  • Mangaan terasest või mangaalliast moodustab umbes 13 protsenti mangaani, mille tulemuseks on äärmiselt löögikindel. See muudab mangalloy populaarseks kasutamiseks kaevandamise tööriistad, kivide muljumisseadmete ja sõjaväeveokite randmetega.
  • Roostevaba teras on tegelikult paljude teraste nimi, kuid neil kõigil on üks ühine asi: kroom, umbes 10-30%, olenevalt tüübist. Kroom roostevabast terasest sidemete pinnal hapnikuga õhu käes, moodustades kroomoksiidikihi, mis annab roostevabast terasest selle väga kõva, särava välimuse ja muudab selle korrosioonikindluse. Ja kui see on kahjustatud või vigastatud, kroomi sidemeid hapnikuga ja moodustab uus kiht, nii et see ise parandab. Roostevabast terasest kasutatakse laias valikus tooteid, alates köögitarvete ja kirurgiliste seadmete kuni väliskulptuuri juurde. (Samuti on see 100% taaskasutatav.)

ALUMIINIUM

Alumiiniumi tootmiseks kasutatakse enim levinumaid kaseiini boksiiti, mis moodustavad umbes 50% alumiiniumoksiidist alumiiniumiga seotud hapnikuga seotud savi. Nagu raua puhul, läheb alumiiniumisse ka räni hapniku ja maavarade vabanemine. Protsess on palju raskem kui raua ekstraheerimine ja see töötati välja alles 18. sajandi lõpus. (Alumiiniumi määrati ainulaadseks elemendiks 1808. aastal.) Tavaliselt tänapäeval kõige sagedamini kasutatava süsteemi esimest osa nimetatakse Bayeri protsessiks, mille nimetas Austria keemik Karl Bayer, kes 1877. aastal selle leiutas.

Bayer protsess: boksiit kaevandatakse ja purustatakse, seejärel segatakse veega ja leelisega ning kuumutatakse paakides. See kuum ja leelis põhjustavad maagis oleva alumiiniumoksiidi lahustamisel vees, samal ajal kui lisandid ulatuvad põhja poole. Seejärel eraldatakse alumiiniumisisaldusega rikastatud vesi ja filtreeritakse, et eemaldada täiendavad lisandid, ja seejärel pumbatakse suuri sademete mahuteid, kus vesi lastakse sadestuda. Mis jääb, on valge kristalne pulber, mis on umbes 99% alumiiniumoksiidist. Kristallid pestakse ja lastakse kuivada.

Järgmine samm on tuntud kui hall-Héroult protsess, mida nimetatakse kahe keemiku jaoks, kes selle välja töötasid - üksteisest sõltumatult - 1886. aastal. Selle protsessi käigus sulatatakse alumiiniumoksiidi kristallid (koos mineraalidega, mis abistavad alumiiniumoksiidi lagunemist) temperatuuril umbes 1760 ° F terasest vaatides. Kuid see ei ole piisav alumiinium-hapniku sidemete purustamiseks alumiiniumoksiidis; nad on palju tugevamad kui raua-hapniku sidemed. Nii saadetakse võimsat elektrivoolu läbi sulanud materjali ja see põhjustab sidemete purunemise. Hapnik vabaneb gaasina ja on tõmbunud sulanud segule kõrgemal olevatele süsinikuvarudele, kus see seob süsinikuga süsinikdioksiidi (nagu ka rauasulatuses). Vabanev alumiinium sulab ja kogub potti põhja. Sel hetkel on see puhtast alumiiniumist 99,8%.

Alumiiniumi kasutatakse mitmesugustes rakendustes puhtal kujul (alumiiniumfoolium on valmistatud peaaegu puhast alumiiniumist) ja sagedamini sulamitest, mis on segatud selliste elementidega nagu räni, vask ja tsink. Mõned on tugevamad kui terasest ja on lisakasu sellest, et need on palju kergemad. Üldkasutatavad kasutusalad hõlmavad köögitarbeid, karastusjookide konservikarbid ja auto mootoriribasid.

PLATIINI

Platinum on läikiv, hõbe-valge metall, mis on väga haruldane ja millel on mõned ainulaadsed omadused: see on üks tihedamaid metalle, kuid see on väga malleeruv; see on äärmiselt vastupidav temperatuuride, rooste või kokkupuudetega selliste materjalidega nagu happed; ja selle väga kõrge sulamistemperatuur on 3,215 ° F (kullaga sulamistemperatuur on vaid 1064 ° ja rauda on 1535 °). Platinum eksisteerib looduses puhtal kujul, kuid seda leitakse sagedamini muude elementidega, sealhulgas hapnikuga, vask ja nikkel. Täna maailmas on rohkem kui 90 protsenti plaatina kaevandatud neljast saidist: kolm Venemaalt ja üks Lõuna-Aafrikas. Tootmine on üsna keeruline.

Plaatina ühe untsi valmistamiseks tuleb kaevandada üle kümne tonni maagi. Protsessi lühikirjeldus on järgmine:

  • Maagid kaevandatakse, purustatakse ja segatakse vee ja kemikaalidega. Segu läbi puhutakse läbi õhk, moodustades mullid, millele kleepuvad väikesed plaatinaosakesed. Mullid tõusevad paagi pinnale, luues niisuta vahu. Vaht kogutakse, kuivatatakse ja sulatatakse temperatuuril üle 2700 ° F. Raskemad osakesed - metallide valamu ahju põhjale. Kergemad lisandid kogutakse sulametalli peale ja eemaldatakse. Seejärel kasutatakse keerulisi keemilisi protsesse plaatina eraldamiseks mis tahes vasest, niklist ja teistest veel olemasolevatest metallidest, kuni lõpuks saadakse puhas plaatina.

SHINY BITS

  • Rauamaak plahvatakse kõrgahjus: ülekuumenenud õhk-kuni 2200 ° F-ni, paakub ahju, põhjustades selle põletamist palju kuumemal kui muidu võiks. Tavaline kõrgahtu terasetööstuses töötab 24 tundi päevas, 365 päeva nädalas, kuni 20 aastat, enne kui see tuleb asendada.
  • Puht teras on rooste suhtes väga vastuvõtlik. Tsingitud teras on tsingiga kaetud teras, mis on väga vastupidav roostele.
  • Suur rubriikide, smaragdide ja safiiride keemiline koostisosa: alumiinium.
  • Mis on enamus äärmiselt haruldasest metallist plaatinast, mida kasutatakse? Katalüütilised muundurid - heitgaaside puhastamiseks kasutatud seadmed. Platinum on erakordselt hea katalüsaator: see aitab heitgaasis sisalduvate mürgiste gaaside, näiteks süsinikmonooksiidi muundamisel mittetoksilisteks gaasideks.
  • See on müüt, et indiaanlaste seas polnud metallitöö. Paljudel hõimudel oli tõepoolest pikk traditsioon vasega töötamise kohta, eriti suurte järvede ümbruses, kus metall oli loomulikult rikkalik.
  • Kogu ajalooline plaatin sobib keskmise kodu keldrisse.

Jäta Oma Kommentaar