Kako so izdelane kovine

2024 Avtor: Sherilyn Boyd | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-16 10:18

Ali imaš prstan na prstu? Ali je narejen iz zlata, srebra, platine ali druge naravne kovine? Nato premislite o tem: Kovina v tem prstanu na prstu je starejša od planeta, na katerem stojite.

KAJ JE "METAL"?

Znanstveno gledano so kovine naravno prisotni kemični elementi, ki so običajno trdi, sijoči in dobri prevodniki toplote in električne energije. Primeri vključujejo železo, zlato, srebro, baker, cink, nikelj itd., Temveč tudi elemente, ki jih običajno ne mislimo kot kovine. Ena natrijev-kovina smo redno jesti: Natrijev je mehka, srebrno bela kovina, ki se običajno veže s klorom elementa, da se tvori natrijev klorid ali navadne soli.

Drugi je astatin, ki je bil odkrit leta 1940 v laboratoriju, kjer je bil umetno ustvarjen. V naravi ni bilo odkrito vse do leta 1943. Astatin je zelo radioaktiven in domnevno obstaja samo ena unča - na splošno - na Zemlji. Od obstoječih 118 znanih kemičnih elementov je 88 kovin.

REAL ALCHEMY

Torej, od kod prihajajo vse te kovine? Tukaj je zelo poenostavljena razlaga:

Vsi elementi, vključno s kovinami, so iz istih stvari: atomski material - elektroni, nevtroni in protoni. Atome različnih elementov je mogoče razlikovati med seboj s številom protonov, ki jih vsebujejo. (Število nevtronov in elektronov se lahko razlikuje tudi med atomi istega elementa.) Na primer, atom vodika vsebuje samo en proton. Zlati atom ima 79. To velja za vsakega od številnih atomov vodika in zlata v vesolju.

Če bi našli način, kako bi združili 79 atomov vodika skupaj v en atom, bi imeli atom s 79 protoni, zato bi imeli zlati atom. In to je skoraj točno to, kar se zgodi … razen, če se zgodi znotraj zvezd.

ZGOD V NJIH PRVI ZVEZDI

Pred približno 13,7 milijardami let se je materija prvič pojavila v obliki atoma dveh najlažjih elementov: vodika, enega protona in helija z dvema. Daleč ostajajo najdragocenejši elementi v vesolju.

Po več milijonov let, zbrali tisti prvi vodik in helij atomov v oblake prahu in plinov, tako velike, da bi jih bilo treba izmeriti v svetlobnih letih (1 luč leto = 6 bilijonov kilometrov ali 9,5 bilijona kilometrov). Oblaki so sčasoma dali svojo lastno ogromno težo in se zrušili, tako da so bili prvi zvezdniki. In zvezde so atom uničevanje vroče dovolj razgraditi tiste atome vodika in helija in varovalko bitov spet skupaj, jih predelave v večje atomi različnih, težjih elementov.

Če na primer združite dva atoma vodika skupaj, imate atom z dvema protonomoma ali helijem. Z združitvijo treh hidrogenov skupaj dobite atom s tremi protoni-litijem, prvi in najlažji kovina. Zlomite tri helije skupaj in dobite atom s šestimi protoni-ogljikom. To se dogaja v vseh zvezdah, ki jih ponoči vidite na nebu. V masivnih tistih lahko postopek povzroči proizvodnjo težjih in težjih elementov, vključno s kovinami, kot so titan (22 protoni), in železa (26 protoni). Če so še posebej masivni, lahko proizvedejo najtežje kovine, kot so zlato (79 protonov) in uran (92 protonov). To je ena od stvari, ki zvezde delajo, in tako se v naravi oblikujejo vsi elementi - vključno z vsemi sijočimi kovinami.

Kako so prišli sem?

PRIZEMLJEN

V prvih nekaj milijardah letih po Big Bangu so se rodili milijarde in milijarde zvezd, na način, ki smo ga pravkar opisali. Mnogi so bili zelo ogromen (stokrat večje od našega sonca) in masivne zvezde živijo razmeroma kratka doba-le nekaj milijonov let, v nekaterih primerih (manjše zvezde lahko živijo milijarde let) -in potem umre, ki ga eksplozija kot supernove.

In ko so te ogromne zvezde eksplodirale pred milijardami let, so izgnale težke elemente, ki so jih ustvarjali in jih pošiljali v vesolje. Imeli so, če bi rekli, "posejali" vesolje z elementi, vključno s kovinami. In super-masivne, nemogoče razumeti količine tega - trilijonov in trilijonov in trilijonov megatonov. To pomeni, da so bile nove zvezde kasneje oblikovane - že so bile "zasejane" s kovinami, ki so jih pustile tiste supernove.

Ena od kasnejših, kovinskih bogatih zvezd je bila naša lastna sonca. Hitri pogled na to zgodbo:

• Pred 4.5 milijardi leti se je zrušil ogromen kozmični oblak prahu in plina, zasejen z veliko težjimi elementi, ki so začeli postopek oblikovanja nove zvezde.
• Večina vodika in helija v oblaku je postala del novoformirane zvezde. Preostali del prahu in plina, vključno s kovinami, se kopičijo v staljeni masi, ki se vrtijo okoli nove zvezde. Vrtenje je izravnalo maso (tisto, ki se predela v pico) v staljeni, vrtljivi disk.
• Skozi več milijonov let, ko se je disk ohladil, so se tu in tam skupaj strnili in ti kepčki so postali planeti v našem sončnem sistemu. Kovine v prahu? Postali so vse kovine, najdene na vseh planetih, vključno z našimi.

Naša Share: Zemlja ima veliko kovin. Skoraj tretjina mase planeta je element železa, večina tistega v jedru planeta.Drugih 14 odstotkov je magnezij, 1,5 odstotka je nikelj, 1,4 odstotka pa aluminij. To je 49 odstotkov planeta. Preostale zemeljske kovine, vključno z "dragocenimi" kovinami, kot so zlato, srebro, platina in paladij, obstajajo le v sledovih. Preostanek - nekovinski delež - je približno 30 odstotkov kisika in 15 odstotkov silicija, skupaj z manjšimi količinami številnih drugih nekovinskih elementov.

POGLED! SHINY!

Človeški bitji in njihovi predniki so vsaj nekaj milijonov let uporabljali orodje iz materialov, kot so les, kost in rock, da bi jim olajšali življenje. Ni veliko olajšalo njihovega življenja: Homo sapiens so bili relativno primitivni nomadski lovci in nabiralci za skoraj ves njihov obstoj. Nato so pred približno 10.000 leti začeli odkrivati načine dela z "novim" gradivom: kovino.

Prve kovine, ki jih uporabljajo ljudje, so bile tiste, ki zgodnjim kovinamam ni bilo treba storiti veliko, da bi jih lahko uporabili. To so izvorne kovine-kovine, ki se pojavljajo v naravi v čistem stanju ali pa se naravno mešajo z drugimi elementi na način, ki ohranja njihove uporabne lastnosti. Vključujejo baker, kositer, svinec, srebro in zlato.

Nekdo je morda pravkar našel nuggets iz teh kovin v streambedu ali v koreninah izkopanega drevesa in mislil, da so privlačni. Morda so jih udarili s kamnitimi kladivi in ugotovili, da jih lahko oblikujeta. To bi lahko privedlo do uporabe kovin v nakitu ali okraski ali pri izdelavi kovinskih orodij in orožja, kot so osi, noži in meči, kar je veliko izboljšanje starega kamnitega orodja. Vse to je sčasoma pripeljalo k aktivnemu iskanju več kovin, vzpostavljanju rudnikov, trgovanju s kovinami med različnimi ljudstvi in rojstvu kovinske industrije. Vendar se je zgodilo - to se je zgodilo na številnih lokacijah po vsem svetu.

METALLURGY

Od okoli 8.000 let nazaj so ljudje začeli odkrivati, da lahko spremenijo kovino. Morda so to odkrili po naključju, ali pa so morda ljudje pravkar postali ustvarjalni, ali pa je bila kombinacija obeh. V vsakem primeru so bili razviti novi procesi za spreminjanje kovin, nato pa ustvarili povsem nove, ki sploh niso obstajale v naravi - z velikimi izboljšavami v kakovosti. V naslednjih nekaj tisoč letih so rudarstvo in obdelava kovin postali sestavni del večine kulture na Zemlji, kovina pa je postala ena od najbolj civilizacijskih snovi v človeški zgodovini. Vsak od teh novih procesov je vplival na ogenj in verjetno je, da je eksperimentiranje z eno vodilo neposredno na drugo. Najpomembnejši dosežki:

• Žganje. To je preprosto proces ogrevanja kovin, dokler ni češnja rdeča. To obnavlja staro, krhko kovino do prvotnega voljnega stanja, kar omogoča, da se ga ponovno predeluje in podaljša uporabnost. Žarjenje se lahko opravi pri relativno nizkih temperaturah (bakr se lahko vžge v ognju). Prvič je bilo narejeno okoli 6000 B.C., nekje na Bližnjem vzhodu, in morda v Evropi in Indiji ob istem času.
• Taljenje. V tem procesu se kovine talijo v tekoče stanje, kar ponuja veliko več svobode pri oblikovanju različnih oblik. Kovine so najprej izplaknili okoli 5000 B.C. po razvoju naprednejših lončenih peči, ki lahko proizvedejo veliko višje toplote, kot bi jih bilo mogoče doseči s preprostimi odprtimi požari.
• Proizvodnja zlitin. To je postopek mešanja različnih kovin, medtem ko so v staljenem stanju. Začelo se je okoli 3300 B.C. (začetek bronaste dobe), s prvo proizvodnjo bronaste mešanice bakra in kositra, ki je veliko težja in trajnejša kot katera koli od njegovih komponent.
• Ekstrakcija. Z nadaljnjimi izboljšavami v tehnologiji peči in nadaljnjo zmožnostjo doseganja višjih temperatur so bile razvite tehnike, ki omogočajo ekstrakcijo kovin iz rude. Prvotno je bil narejen z železom na Bližnjem vzhodu okoli 1500 B.C. - označevanje začetka železne dobe.
• V Evropi, Aziji, Južni Ameriki in na severu kot v Mehiki so taljenje, proizvodnja zlitin in ekstrakcija uporabljali starodavni ljudje, ne pa v preostali Severni Ameriki ali v Avstraliji, dokler niso prišli Evropejci. Ti enostavni procesi ostajajo temelj tega, kar je verjetno največja in najuspešnejša industrija v človeški zgodovini: kovinska industrija.

IRON

Iron je najbolj bogata kovina na Zemlji. Toda, kot večina kovin, je do nje težko doseči, saj je v naravi zelo redko v čistem stanju. Najpogosteje obstaja v železovih oksidih - molekulih, sestavljenih iz železa in kisika, ki jih najdemo v kamni v železovi rudi. Da bi dobili železo, se moraš znebiti kisika in skale. Tukaj je najpogostejši proces, ki se danes uporablja:

• Priprava: Po rudarjenju se železova ruda zdrobi v prašek. Ogromne magnetne bobne se nato uporabijo za ločevanje železo revnih iz železa bogate rude. (Ruda, bogata z železom, se prilepi na bobne, preostanek pa se odmakne.) Prašek, bogat z železom, se zmeša z gline in se naredi v pelete velikosti marmorja, ki so nato toplotno utrjene. To omogoča bolj učinkovito gorenje v naslednjem koraku, taljenje.
• Taljenje: peleti so v peči skupaj z koksnim premogom, ki so bili obdelani v skoraj čistem ogljiku in apnencu. Intenzivna toplota prekine vezavo železovega kisika v rudi, sprošča kisik kot plin, pri čemer se vezi iz ogljikovega plina sproščajo iz kurilnega koksa in tvori CO2 (ogljikov dioksid). CO2 izteče od vrha peči in se železo, ki je brez kisika, topi (pri približno 2800 ° F) in zbira na dnu peči. Apnenec se topi in z nečistočami tvorijo staljeni odpadek, znan kot žlindra.Žlindra je lažja od železa, in se nenehno odstrani z vrha peči.
• Rezultat: Izdelek tega postopka je surovega železa iz železove zlitine. Ima relativno visoko vsebnost ogljika okoli 5 odstotkov, zaradi česar je zelo krhka, zato je surovega železa večinoma nekoristno, razen pri proizvodnji drugih železovih zlitin, zlasti jekla.

JEKLO

Danes okoli 98 odstotkov surovega železa, proizvedenega po vsem svetu, gre v proizvodnjo jekla, najbolj razširjene kovine ali kovinske zlitine v zgodovini. Postopek se začne s polivanjem staljenega surovega železa v jeklene peči, kjer ga obdelamo, da odstranimo morebitne preostale nečistoče in znižamo vsebnost ogljika na 0,1 do 2 odstotka. To je ena od glavnih značilnosti jekla: Vse, razen zelo malo stotin različnih vrst jekla, vsebujejo ogljik na teh ravneh. To zmanjšuje krhkost, hkrati pa povečuje moč in trdoto. Odvisno od vrste jekla, ki se naredi, se v mešanico dodajo različni elementi. Dva primera:

• Mangansko jeklo ali mangaloj je približno 13 odstotkov mangana, kar ima za posledico izjemno odpornost na udarce. To naredi mangaloj priljubljen za uporabo v rudarskih orodjih, napravah za drobljenje kamnin in oklopih za vojaška vozila.
• Nerjavno jeklo je pravzaprav ime za široko paleto jekel, vendar imajo skupno eno stvar: krom, od približno 10 do 30 odstotkov, odvisno od vrste. Krom na površini nerjavečih jeklenih vezi s kisikom v zraku tvori plast kromovega oksida, kar daje nerjavnemu jeklu zelo trden, sijoči videz in je odporno proti koroziji. In če je poškodovana ali ožgana, se kromove re-vezi s kisikom in nova plast oblikujejo - tako se samodejno popravlja. Nerjavna jekla se uporabljajo v številnih izdelkih, od kuhinjskih pripomočkov do kirurške opreme za zunanjo kiparstvo. (Prav tako je 100% mogoče reciklirati.)

ALUMINIJ

Najpogostejša ruda, ki se uporablja za proizvodnjo aluminija, je boksit, podobna glina, ki je okoli 50 odstotkov aluminijevega aluminija, vezanega s kisikom. Tako kot pri železu, pridobivanje aluminija pomeni odstranjevanje kisika in mineralov v rudi. Postopek je veliko bolj zapleten kot pridobivanje železa in se je razvil šele v poznih devetnajstih letih. (Aluminij je bil identificiran le kot edinstveni element leta 1808.) Prvi del sistema, ki se danes najpogosteje uporablja, se imenuje Bayerski proces, imenovan po avstrijskem kemiku Karlu Bayerju, ki ga je izumil leta 1877.

Proces Bayer: Boksit se pridobiva in zdrobi, nato pomeša z vodo in lugom in segreva v rezervoarjih. Ta toplota in luga povzročata, da se glinica v rudi raztopi v vodi, medtem ko nečistoče potonejo na dno. Z vodo, ki je bogata s glinico, se nato odcepi in filtrira, da se odstranijo nadaljnje nečistoče in nato črpajo v ogromne količine padavinskih bazenov, kjer se voda lahko izprazni. Ostanek je bel kristaliničen prah, ki je okoli 99% aluminijevega oksida. Kristale speremo in pustimo, da se posušijo.

Naslednji korak je znan kot Hall-Héroult proces, imenovan za dva kemika, ki so ga razvili - neodvisno drug od drugega - leta 1886. Pri tem se kristali iz aluminijevega oksida (skupaj z minerali, ki pomagajo pri razgradnji aluminijevega oksida) pri približno 1.760 ° F v jeklenih kadi. Ampak to ni dovolj za prekinitev vezi z aluminijem in kisikom v aluminijevem oksidu; So močnejši od vezi z železom in kisikom. Tako se skozi staljeni material posreduje močan električni tok, ki povzroči prekinitev vezi. Kisik se sprošča kot plin in privlači ogljikove palice, ki so suspendirane nad staljeno mešanico, kjer se povezuje z ogljikom, da tvori plin CO2 (tako kot v postopku taljenja železa). Sproščeni aluminij se topi in zbira na dnu lonca. Na tej točki je 99,8% čistega aluminija.

Aluminij se uporablja v številnih aplikacijah, v svoji čisti obliki (aluminijasta folija je izdelana iz skoraj čistega aluminija) in bolj pogosto v zlitinah, pomešana z elementi, kot so silicij, baker in cink. Nekateri so močnejši od jekla in imajo dodano korist, da so veliko lažji. Pogoste uporabe vključujejo kuhinjske pripomočke, pločevinke za brezalkoholne pijače in bloke avtomobilskih motorjev.

PLATINA

Platinum je sijoča, srebro-bela kovina, ki je zelo redka in ima nekaj edinstvenih lastnosti: Je ena od najbolj gostih kovin, vendar je zelo voljna; je izjemno odporna proti koroziji s temperaturo, rjo ali izpostavljenostjo materialom, kot so kisline; in ima zelo visoko tališče 3,215 ° F (tališče zlata je samo 1,064 ° in železo 1,535 °). Platina je v naravi v čisti obliki, vendar jo pogosteje najdemo v mešanici z drugimi elementi, vključno s kisikom, baker in nikelj. Več kot 90 odstotkov platine, minirane v svetu danes, prihaja iz samo štirih mest: trije v Rusiji in eden v Južni Afriki. Proizvodnja je precej zapletena.

Več kot deset ton rude je treba minirati, da bi eno unčo platine. Kratek opis postopka je naslednji:

Ruda je minirana, zdrobljena v prah in zmešana z vodo in kemikalijami. Zrak prehaja skozi mešanico in ustvarja mehurčke, na katere se držijo majhni delci platine. Mehurčki se dvignejo na površino rezervoarja, kar ustvarja piling. Pene se zbere, posuši in topi pri temperaturah nad 2.700 ° F. Težji delci - kovine - potonejo na dno peči. Lažje nečistoče se zbirajo na vrhu staljene kovine in se odstranijo. Zapletene kemične procese nato uporabimo za ločevanje platine iz katerega koli bakra, niklja in drugih kovin, ki so še vedno prisotne, dokler na koncu ne dobimo čiste platine.

SHINY BITS

• Železova ruda se plavuti v plavžni peči: pregreti zrak do 2.200 ° F-je "pišu" v peč, zaradi česar se lahko zgori veliko bolj vroče, kot bi sicer lahko. Tipična plavžna peč na jeklarni vodi 24 ur na dan, 365 dni na teden, do 20 let, preden jo je treba zamenjati.
• Čisto jeklo je zelo občutljivo za rjo. Pocinkana jekla je jeklo prevlečeno s cinkom, ki je zelo odporna proti rji.
• Glavna kemična sestavina v rubinih, smaragdah in safirjih: aluminij.
• Za kaj se uporablja večina izredno redke kovinske platine? Katalitični pretvorniki - naprave za avtomobile, ki se uporabljajo za čiščenje izpušnih plinov. Platina je izjemno dober katalizator: pomaga pri pretvorbi strupenih plinov v izpušne pline, kot je ogljikov monoksid, v nestrupene pline.
• Mit je, da med indijskimi Američani ni bilo kovin. Veliko plemen je dejansko imelo dolgoletne tradicije bakra, zlasti okoli Velikih jezer, kjer je bila kovina naravno bogata.
• Vsa platina, minirana v zgodovini, bi se lahko prilegala v povprečno domačo klet.