A fémek gyártása

2024 Szerző: Sherilyn Boyd | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-16 10:19

Van egy gyűrű az ujjadon? Ez aranyból, ezüstből, platinából vagy más természetes fémből készült? Akkor gondold át: az ujjadban lévő fém az idősebb, mint a bolygó, amelyen állsz.

MI "METAL"?

Tudományosan elmondható, hogy a fém olyan természetben előforduló kémiai elem, amely tipikusan kemény, csillogó és jó vezetője mind a hőnek, mind a villamos energianak. Ilyenek például a vas, arany, ezüst, réz, cink, nikkel stb., De olyan elemek is, amelyeket általában nem fémként gondolunk. Az egyik a nátrium-fém, amit rendszeresen eszünk: A nátrium egy puha, ezüstös, fehér fém, amely gyakran kötődik az elem klórhoz, hogy nátrium-kloridot vagy közönséges sót képezzen.

A másik asztatin, amelyet 1940-ben fedeztek fel egy laborban, ahol mesterségesen jött létre. 1943-ig nem fedezték fel a természetben. Az asztain rendkívül radioaktív, és csak egy unciája létezik - összesen - a Földön. A létező 118 ismert kémiai elem közül 88 fém.

REAL ALCHEMY

Szóval, honnan származtak ezek a fémek? Itt egy nagyon egyszerűsített magyarázat:

Az összes elem, beleértve a fémeket, ugyanazon anyagból készül: atom-anyag-elektronok, neutronok és protonok. A különböző elemek atomjai megkülönböztethetők egymástól az általuk tartalmazott protonok számától. (A neutronok és az elektronok száma ugyanazon elem atomjai között is változhat.) Például egy hidrogénatom csak egy protont tartalmaz. Egy arany atom 79-es. Ez mindegyik számtalan hidrogén és arany atomra vonatkozik az univerzumban.

Ha találna egy módot arra, hogy 79 atomot hidrogénezzünk egy atomhoz, akkor egy atommal rendelkezünk 79 protonnal, és ezért aranyatom lenne. És ez szinte pontosan ez történik … kivéve, ha csillagok között történik.

NINCS GOLD A THAR STARS SZÁMÁRA

Körülbelül 13,7 milliárd évvel ezelőtt az anyag először a két legkisebb elem atomjainak formájában jelent meg: a hidrogén, egy protonnal és a héliummal, kettővel. Még messze a legmodernebb elemek a világegyetemben.

Több millió év után az első hidrogén- és hélium atomok olyan nagy mennyiségű por- és gázfelhőben gyűlnek össze, amelyet könnyű években (1 fényév = 6 billió mérföld vagy 9,5 billió kilométer) kell mérni. A felhők végül belevágtak a saját hatalmas gravitációjukhoz, és összeomlottak, az első csillagokat alkotva. És a csillagok atomok megsemmisítők voltak - elég meleg ahhoz, hogy lebontsák azokat a hidrogén- és hélium atomokat, és összeolvassák a biteket, és különböző, nehezebb elemek nagyobb atomjaivá tegyék őket.

Például ha két hidrogénatomot összeolvasztasz, akkor van egy atomja két protonnal - vagy héliummal. Összeszerezzük három hidrogént és egy atomot kapunk három proton-lítiummal, az első és legkönnyebb fémmel. Illessze össze három héliumot, és kapjon egy atomot hat proton-szénnel. Ez történik az összes csillagban, amelyet éjszaka az égen lát. A masszívaknál az eljárás nehezebb és nehezebb elemek előállításához vezethet, ilyenek például a titán (22 proton) és a vas (26 proton). Ha különösen masszívak, a legnehezebb fémeket, például az aranyat (79 protonok) és az uránt (92 protonok) képesek előállítani. Ez az egyik olyan dolog, amit a csillagok csinálnak, és így minden elem - beleértve az összes fényes fémeket - a természetben alakul ki.

Most, hogy jöttek ide?

LE A FÖLDRE

Az első két milliárd évvel az ősrobbanás után milliárdok és csillagok milliói születtek, amint azt most leírtuk. Sokan rendkívül masszívak voltak (több százszor nagyobbak, mint a mi napunk), és a masszív csillagok viszonylag rövid életet élnek - egyes esetekben néhány millió évig (kisebb csillagok évezredekig élhetnek), majd szupernákként szétrobbannak.

És amikor ezek a hatalmas csillagok milliárd évvel ezelőtt felrobbanták, kiűzték azokat a nehéz elemeket, amelyeket létrehoztak, és elküldték űrbe. Az egyik módjuk volt, hogy "elemezzék" a világegyetemet elemekkel, beleértve a fémeket is. És rendkívül masszív, lehetetlen megérteni az ezer milliárd és milliárd billió megatont. Ez azt jelenti, hogy amikor új csillagok alakultak később - már "beoltottak" azokkal a fémekkel, amelyeket ezek a szupernovák hagytak hátra.

Az egyik későbbi, fémes csillag volt a saját napunk. Gyors pillantás a történetre:

• Körülbelül 4,5 milliárd évvel ezelőtt egy nagy tömegű por és gáz felhője, amelyet sok nehezebb elem vetett át, összeomlott, és megkezdődött az új csillag létrehozásának folyamata.
• A felhőben lévő hidrogén és hélium nagy része az újonnan alakult csillag részévé vált. A por és a gáz többi része, beleértve a fémeket, olvadt tömegben felhalmozódva, az új csillag körül forog. A forgó mozgás kiegyenlítette a tömegt (kép forgó pizza tésztát) olvadt, forgó lemezre.
• Több millió év alatt, miközben a lemez lehűlt, itt és ott összegyűltek a bitek, és ezek a klaszterek a naprendszerünk bolygóivá váltak. És a fémek a porban? Az összes bolygó fémje lett, beleértve a sajátikat is.

Megosztásunk: A Földnek sok a fémje. A bolygó tömegének csaknem egyharmada az elem vas, a legtöbb a bolygó magjában található.További 14 százalék magnézium, 1,5 százalék nikkel, 1,4 százalék alumínium. Ez a bolygó 49 százaléka. A Föld többi fémjei, beleértve a "drága" fémeket, például aranyat, ezüstöt, platinalemezt és palládiumot, csak nyomnyi mennyiségben léteznek. A többi - a nem fémes rész - körülbelül 30 százalék oxigént és 15 százalék szilíciumot tartalmaz, valamint kisebb mennyiségű számos más nem fémes elemet is.

NÉZ! FÉNYES!

Az emberi lények és őseik legalább néhány millió éve olyan anyagokat készítettek, mint például a fa, a csont és a szikla, hogy könnyebben érezhessék életüket. Nem könnyebbé tették az életüket: a Homo sapiens szinte teljes létezésükre viszonylag primitív nomád vadászok és gyűjtögetők voltak. Ezután körülbelül 10.000 évvel ezelőtt kezdtek felfedezni az új "anyagokkal": fémmel való munkát.

Az emberek által használt első fémek olyanok voltak, amelyeket a korai fémmegmunkálóknak nem kellett nagyon sokat tennie ahhoz, hogy használhatók legyenek. Ezek a natív fémek, amelyek a természetben tiszta állapotban fordulnak elő, vagy természetesen keverednek más elemekkel olyan módon, hogy fenntartsák használhatóságukat. Ezek közé tartozik a réz, ón, ólom, ezüst és arany.

Valaki épp most találta meg ezeket a fémeket egy folyóvízben, vagy egy feltárt fa gyökereiben, és azt hitte, vonzó. Lehet, hogy kő-kalapácsokkal megütötte őket, és megállapította, hogy alakíthatók. Ez vezethetett ahhoz, hogy ékszereket vagy díszeket használjanak fémek, vagy olyan fémeszközök és fegyverek készítéséhez, mint a tengelyek, kések és kardok - óriási javulás a régi kőeszközökön. Mindez végül olyan embereket eredményezett, akik aktívan keresnek több fémet, a bányák létrehozását, a fémek kereskedelmét a különböző népek között, és egy fémipar születését. Azonban történt - történt számos helyen a világ minden tájáról.

KOHÁSZAT

Körülbelül 8000 évvel ezelőtt kezdtek felfedezni, hogy megváltoztathatják a fémeket. Lehet, hogy véletlenül felfedezték, vagy talán az emberek csak kreatívak voltak, vagy talán mindkettőjük kombinációja. Mindenesetre új eljárásokat fejlesztettek ki a fémek megváltoztatására, majd teljesen újakat hoztak létre, amelyek egyáltalán nem léteztek a természetben - hatalmas minőségjavulások mellett. A következő néhány ezer év során a bányászat és a fémmegmunkálás a legtöbb Föld kultúrájához illeszkedett, és a fém az emberi történelem egyik leginkább civilizáló anyagává vált. Mindegyik új eljárás tűzzel jár, és valószínű, hogy az egyik kísérlet közvetlenül a másikhoz vezetett. A legfontosabb fejlesztések:

• Hőkezeléssel. Ez egyszerűen a fűtési folyamat, amíg cseresznye piros. Ez visszaállítja a régi, törékeny fémt az eredeti alakítható állapotába, lehetővé téve annak átdolgozását és a használhatóságának meghosszabbítását. A hegesztést viszonylag alacsony hőmérsékleten lehet elvégezni (a rézt lángba lehet önteni). Először valamikor körülbelül 6000 körül, a Közel-Keleten, esetleg Európában és Indiában egy időben.
• Olvasztása. Ebben a folyamatban a fémeket folyékony állapotúra olvasztják, és sokkal több szabadságot kínálnak arra, hogy különböző formákká alakítsák őket. A fémeket először 5000 BC körül olvasztották, fejlettebb fazekas kemencék kifejlesztése után, amelyek sokkal nagyobb teljesítményt eredményezhetnek, mint egyszerű nyílt tűz esetén.
• Ötvözetgyártás. Ez a folyamat a különböző fémek keverékében, miközben olvadt állapotban van. Körülbelül 3300 körül kezdődött. (a bronzkor kezdete), az első bronzgyártással - réz és ón keverékével, amely sokkal nehezebb és tartósabb, mint egyik összetevője.
• Extraction. A kemence technológiájának továbbfejlesztése és a magasabb hőmérséklet elérése érdekében olyan technikákat fejlesztettek ki, amelyek lehetővé tették a fémek ércből történő kivonását. Először vasárral készült a Közel-Keleten, kb. 1500 körül, ami a vaskor kezdetét jelölte.
• Az ötvözetek, az ötvözetek gyártását és az extrakciót az ókori emberek Európában, Ázsiában, Dél-Amerikában és messze északon, mint Mexikóban, de nem Észak-Amerikában vagy Ausztráliában végezték, amíg az európaiak megérkeztek. Ezek az egyszerű folyamatok továbbra is az emberi történelem legnagyobb és legsikeresebb iparágának alapját képezik: a fémipar.

VAS

A vas a fémek közül a legelterjedtebb fém. De mint a legtöbb fém, a bonyolultsághoz jutás, mert nagyon ritkán találja meg a tiszta állapotot a természetben. Leggyakrabban vas-oxid-molekulák léteznek, amelyek vasból és oxigénből állnak, és amelyek vas-ércben keverednek. A vasat meg kell szabadulnod az oxigéntől és a sziklától. Itt van a ma leggyakrabban használt folyamat:

• Előkészítés: A bányászat után a vasérc porrá tört. Hatalmas mágneses dobokat használnak a vas-szegény vasból gazdag ércből történő elválasztására. (A vasban gazdag érc rátapad a dobra, a többi pedig elesik.) A vasban gazdag por keveredik agyaggal, és márvány méretű pelletekké alakulnak, majd hőre keményednek. Ez lehetővé teszi a hatékonyabb égetést a következő lépésben, olvasztás.
• Széntelenítés: A pelleteket kemencében olvasztják meg, a kokszszén pedig szinte tiszta szén- és mészkő-feldolgozásra kerül. Az intenzív hő megszakítja a vas-oxigénkötéseket az ércben, felszabadítja az oxigént, mint gáz, amely kötődik az égő kokszból a széndioxid kibocsátásához, hogy CO2-t (széndioxidot) hozzon létre. A CO2 elszökik a kemence tetejétől, és az oxigéntől mentes vas olvad (kb. 2800 ° F), és összegyűlik a kemence alján. A mészkő olvad és szennyeződést köt, hogy a salakként ismert olvadt hulladék keletkezzen.A salak könnyebb a vasnál, és folyamatosan eltávolításra kerül a kemence tetejétől.
• Eredmény: E folyamat terméke a vasötvözet nyersvas. Viszonylag magas, körülbelül 5 százalékos széntartalommal rendelkezik, ami nagyon törékennyé teszi, és ezért a nyersvas általában haszontalan, kivéve a vasötvözetek, különösen az acél gyártását.

ACÉL

Napjainkban a világszerte előállított nyersvas kb. 98 százaléka a történelemben legelterjedtebb fém vagy fémötvözet acélgyártását jelenti. Az eljárás a megolvasztott vas-acél acélkemencékbe történő öntésével kezdődik, ahol kezelik a maradék szennyeződések eltávolítását, és a széntartalmat 0,1-2% -ra csökkentik. Ez az egyik fő tulajdonsága az acél: Mindössze néhány nagyon sok a különböző típusú acél tartalmaz szén ezen a szinten. Ez csökkenti a törékenységet, miközben növeli az erőt és a keménységet. A gyártott acél típusától függően különböző elemeket adnak a keverékhez. Két példa:

• A mangán acél vagy mangalloy körülbelül 13 százalék mangán, ami rendkívül ütésálló. Ez a mangalloy-t népszerűvé teszi a bányászati eszközökben, a kőzetfeltörő berendezésekben és a katonai járműveken használt páncélozáshoz.
• A rozsdamentes acél tulajdonképpen az acélok széles választékának a neve, de mindegyiknek van egy közös dologja: a króm 10-30% -a, a típusától függően. A rozsdamentes acél felületén lévő króm a levegőben lévő oxigént köti össze króm-oxid réteggel, ami a rozsdamentes acél nagyon kemény, fényes megjelenését teszi lehetővé, és ellenáll a korróziónak. És ha sérült vagy sérült, akkor a króm újra oxigénnel kötődik, és új réteg alakul ki - tehát önjavító. A rozsdamentes acélokat széles termékválasztékban használják, a konyhai edényektől a sebészeti berendezésekig a kültéri szobrászig. (100% -ban újrahasznosítható).

ALUMÍNIUM

Az alumíniumgyártáshoz használt leggyakoribb érc a bauxit, ami az agyagszerű anyag, amely kb. 50% alumínium-alumínium oxigénnel van összekötve. A vashoz hasonlóan az alumíniumhoz való jutás azt jelenti, hogy megszabaduljon az oxigéntől és az ásványi anyagoktól az ércben. A folyamat sokkal bonyolultabb, mint a vas extrakció, és csak az 1800-as évek végén fejlesztették ki. (Az alumíniumot egyedülálló elemként azonosította 1808-ban.) A rendszer legelterjedtebb rendszerének első részét Bayer-folyamatnak hívják, amelyet Karl Bayer osztrák vegyésznek neveztek el, aki 1877-ben feltalálta.

A Bayer folyamat: A bauxitot bányászták és zúzták, majd vízzel és lúgjal keverték, és tartályokban hevítették. Ez a hő és a lúg az ércben levő alumínium-oxidot oldja fel a vízben, míg a szennyeződések az aljára süllyednek. Az alumínium-oxiddal gazdag vizet ezután szétszedjük és szûrjük a további szennyezõdések eltávolítása céljából, majd óriási csapadéktartályba szivattyúzzuk, ahol a víz lecsapódik. Ami továbbra is fehér kristályos por, körülbelül 99% alumínium-oxid. A kristályokat mossuk és hagyjuk megszáradni.

A következő lépés Hall-Héroult eljárásnak nevezett, amelyet a két kémikus nevezett el, akik 1886-ban egymástól függetlenül fejlesztették ki. Ebben a folyamatban az alumínium-oxid kristályok (az ásványi anyagok mellett, amelyek segítenek az alumínium-oxid lebomlásában) körülbelül 1,760 ° F-os acéltartályokban. De ez nem elegendő ahhoz, hogy az alumínium-oxid alumínium-oxigénkötéseket megszakítsa; sokkal erősebbek, mint a vas-oxigén kötések. Tehát egy erős elektromos áramot küld az olvadt anyagon keresztül, és ez megszakítja a kötéseket. Az oxigént gázként szabadítják fel, és az olvadt keverék felett felfüggesztett szénrudak vonzódnak, ahol szénnel kötődik CO2-gáz előállításához (csakúgy, mint a vasolvasztási eljárásnál). A felszabadított alumínium olvad és összegyűlik a pot alján. Ezen a ponton 99,8% tiszta alumínium.

Az alumíniumot tiszta formában alkalmazzák (az alumíniumfólia közel tiszta alumíniumból készül), és leggyakrabban az ötvözetekben, olyan elemekkel keverve, mint a szilícium, a réz és a cink. Egyesek erősebbek, mint az acél, és a hozzáadott előnye, hogy sokkal könnyebb. A gyakori felhasználások közé tartozik az edényekben, üdítőitalokban és az autómotorblokkokban.

PLATINA

A platina egy fényes, ezüstfehér fém, amely nagyon ritka és különleges tulajdonságokkal rendelkezik: Ez az egyik legsűrűbb fém, mégis nagyon alakítható; rendkívül ellenáll a korróziónak a hőmérséklet, a rozsda vagy az anyagok, például savak általi expozíciója miatt; és nagyon magas olvadáspontja 3,215 ° F (az arany olvadáspontja csak 1,064 °, a vas pedig 1,535 °.) A platina tiszta formában létezik a természetben, de általában megtalálható más elemekkel, például oxigénnel keverve, réz és nikkel. A világon bányászott platina több mint 90 százaléka csak négy helyről származik: Oroszországban három és Dél-Afrikában. A termelés meglehetősen bonyolult.

Több mint tíz tonna ércet kell bányászni, hogy egyetlen uncia platinát. A folyamat rövid leírása a következő:

Az érc bányászata, porba zúzott, vízzel és vegyi anyagokkal keverve. A keverékben levegőt fújnak, buborékok keletkeznek - amelyekhez a kis platina részecskék ragadnak. A buborékok a tartály felületére emelkednek, így szappanos habot hoznak létre. A habot összegyűjtjük, szárítjuk és olvasztjuk fel 2,700 ° F feletti hőmérsékleten. A nehezebb részecskék - a fémek - lemerülnek a kemence aljára. Az olvadt szennyeződések összegyűlnek az olvadt fém tetején, és eltávolítják. Ezután komplikált kémiai folyamatokat alkalmaznak a platina bármely rézből, nikkelből és más fémekből való elválasztására, míg végül tiszta platinát kapunk.

SHINY BITS

• A vasércet nagyolvasztókban olvasztják: A túlhevített levegő 2200 ° F-ig "felrobbant" a kemencébe, és ez sokkal forróbb égést okoz, mint máskülönben. Egy tipikus nagyolvasztó acélmalomban napi 24 órában, hetente 365 napon, legfeljebb 20 évig tart, mielőtt ki kell cserélni.
• A tiszta acél nagyon érzékeny a rozsdásodásra. A galvanizált acél cinkkel bevont acél, amely nagyon ellenáll a rozsda ellen.
• Rubin, smaragd és zafír egyik fő kémiai összetevője: alumínium.
• Mi a legtöbb rendkívül ritka fém platina? Katalitikus átalakítók - a kipufogógázok tisztítására használt gépjárművek. A platina rendkívül jó katalizátor: segítséget nyújt a kipufogógázban levő mérgező gázok - mint például a szén-monoxid - átalakításához nem toxikus gázokká.
• Ez egy mítosz, hogy az indiánok között nem volt fémmegmunkálás. Sok törzsnek régen régóta fennálló hagyományai voltak, különösen a Nagy-tavak körül, ahol a fém természetes volt.
• A történelemben bányászott összes platina egy átlagos otthoni pincébe illeszkedik.