У вас есть кольцо на пальце? Оно сделан из золота, серебра, платины или другого природного металла? Задумайтесь: кольцо на вашем пальце старше планеты, на которой вы стоите.
Что такое металл?
С научной точки зрения металлы - это природные химические элементы, обычно твердые, блестящие и хорошо проводят как тепло, так и электричество.
Примеры включают железо, золото, серебро, медь, цинк, никель и т. д.,но также и элементы, которые мы обычно не считаем металлами. Один из них - натрий - металл, который мы регулярно употребляем в пищу. Натрий - это мягкий серебристо-белый металл, который обычно связывается с хлором, образуя хлорид натрия или поваренную соль.
Другой - астатин, был обнаружен в 1940 году в лаборатории, где он был создан искусственно. В природе он не был обнаружен до 1943 года. Астатин очень радиоактивен, и считается, что на Земле его существует всего лишь одна унция (28 грамм) . Из 118 известных существующих химических элементов 88 - металлы.
Настоящая алхимия
Итак, откуда взялись все эти металлы? Вот очень упрощенное объяснение:
Все элементы, включая металлы, состоят из одного и того же материала: атомного материала - электронов, нейтронов и протонов. Атомы разных элементов можно отличить друг от друга по количеству содержащихся в них протонов. (Число нейтронов и электронов может варьироваться даже среди атомов одного и того же элемента.) Например, атом водорода содержит только один протон. У атома золота 79. Это верно для каждого из бесчисленных атомов водорода и золота во Вселенной.
Если бы вы могли найти способ смешать 79 атомов водорода в один атом, у вас был бы атом с 79 протонами, а значит, и атом золота. И это почти именно то, что происходит ... за исключением того, что происходит внутри звезд.
Золото в звёздах
Примерно 13,7 миллиарда лет назад материя впервые появилась в виде атомов двух самых легких элементов: водорода с одним протоном и гелия с двумя. Они остаются, безусловно, самыми распространенными элементами во Вселенной.
Спустя многие миллионы лет эти первые атомы водорода и гелия собрались в облака пыли и газа, настолько огромные, что их пришлось бы измерять в световых годах (1 световой год = 9,5 триллионов километров). Облака в конце концов поддались собственной огромной гравитации и рухнули, образуя первые звезды.
Звезды же были разрушителями атомов - достаточно горячими, чтобы расщепить эти атомы водорода и гелия и снова соединить их вместе, преобразовывая их в более крупные атомы различных, более тяжелых элементов.
Например, если вы соедините два атома водорода вместе, у вас будет атом с двумя протонами - или гелий. Соедините три атома водорода вместе, и вы получите атом с тремя протонами - литием, первым и самым легким металлом.
Соедините три гелия вместе, и вы получите атом с шестью протонами - углерод. Это то, что происходит со всеми звездами, которые вы видите на ночном небе. Такой процесс может привести к производству более тяжелых элементов, включая металлы, такие как титан (22 протона) и железо (26 протонов).
Если звёзды 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 в природе образуются все элементы. Но как же эти металлы попали на землю?
Приземление
В первые несколько миллиардов лет после Большого взрыва родились миллиарды и миллиарды звезд. Многие из них были чрезвычайно массивными (в сотни раз больше, чем наше Солнце), а массивные звезды живут относительно недолго - всего несколько миллионов лет в некоторых случаях (меньшие звезды могут жить миллиарды лет) - а затем умирают, взрываясь как сверхновые.
И когда эти массивные звезды взорвались миллиарды лет назад, они выбросили созданные ими тяжелые элементы, отправив их в космос. Они должны были, так сказать, "засеять" Вселенную элементами, в том числе металлами, в непостижимых количествах - триллионы, триллионы и триллионы мегатонн. Это означает, что когда позже образовались новые звезды, они уже были "засеяны" металлами, оставленными этими сверхновыми.
Одной из тех более поздних, богатых металлами звезд было наше собственное Солнце.
Около 4,5 миллиардов лет назад массивное космическое облако пыли и газа, засеянное множеством более тяжелых элементов, коллапсировало, начав процесс образования новой звезды.
Большая часть водорода и гелия в облаке стала частью новообразованной звезды. Остальные пыль и газ, включая металлы, скопились в расплавленной массе, вращаясь вокруг новой звезды. Вращающееся движение расплющило массу (представьте, как крутится тесто для пиццы) в расплавленный вращающийся диск.
Спустя миллионы лет, когда диск охладился, части его скопились в сгустки, которые стали планетами нашей солнечной системы. А металлы в пыли?
Они стали всеми металлами на всех планетах, включая нашу. Почти треть массы планеты составляет железо, большая часть которого находится в ядре планеты. Еще 14 процентов - это магний, 1,5 процента - никель и 1,4 процента - алюминий. Всего это 49 процентов планеты.
Остальные металлы Земли, включая "драгоценные" металлы, такие как золото, серебро, платина и палладий, существуют только в следовых количествах. Остальное - неметаллическая часть - составляет около 30 процентов кислорода и 15 процентов кремния, наряду с меньшими количествами множества других неметаллических элементов.
Смотри! Блестит!
В течение как минимум нескольких миллионов лет люди и их предки использовали инструменты, сделанные из таких материалов, как дерево, кость и камень, чтобы облегчить себе жизнь.
Homo sapiens были относительно примитивными кочевыми охотниками и собирателями на протяжении почти всего своего существования. Затем, около 10 000 лет назад, они начали открывать способы работы с "новым" материалом: металлом.
Первые металлы, использованные людьми, были металлами, с которыми древним мастерам не приходилось особо работать, чтобы сделать их пригодными для использования.
Это самородные металлы, которые встречаются в природе в чистом виде или естественно смешиваются с другими элементами таким образом, чтобы сохранить их полезные свойства. К ним относятся медь, олово, свинец, серебро и золото.
Кто-то мог найти самородки этих металлов в русле реки или в корнях дерева. Возможно, они забили их каменными молотками и обнаружили, что они могут придавать им форму. Это могло привести к использованию металлов в ювелирных изделиях или украшениях или к изготовлению металлических инструментов и оружия, таких как топоры, ножи и мечи - огромное улучшение по сравнению со старыми каменными инструментами.
Все это в конечном итоге привело к активным поискам металлов, открытию шахт, торговле металлами между разными народами и рождению металлургической промышленности.
ЖЕЛЕЗО
Железо - самый распространенный металл на Земле. Но, как и в случае с большинством металлов, добраться до него сложно, потому что он очень редко встречается в природе в чистом виде. Чаще всего он присутствует в оксидах железа - молекулах, состоящих из железа и кислорода, которые находятся в смеси с горной породой в железной руде.
Чтобы получить железо, нужно избавиться от кислорода и камней. Вот наиболее распространенный сегодня процесс:
- Приготовление: После добычи железную руду измельчают в порошок. Затем используются огромные магнитные барабаны для отделения бедной железом руды от богатой железом. (Богатая железом руда прилипает к барабанам; остальная часть отпадает.) Богатый железом порошок смешивают с глиной и превращают в гранулы размером с мрамор, которые затем подвергаются термической закалке.
- Плавка: окатыши плавятся в печи вместе с коксом - углем, который был переработан в почти чистый углерод - и известняком. Сильное тепло разрывает железо-кислородные связи в руде, высвобождая кислород в виде газа, который связывается с углеродным газом, выделяющимся из горящего кокса, образовывая CO2 (диоксида углерода).
- CO2 выходит из верхней части печи, а чугун, лишенный кислорода, плавится (примерно при 1500 ° C) и собирается на дне печи. Известняк также плавится и связывается с примесями, образуя расплавленные отходы, известные как шлак. Шлак легче железа, и он непрерывно удаляется из верхней части печи.
- Результат: продуктом этого процесса является чугун из сплава железа. Он имеет относительно высокое содержание углерода, около 5 процентов, что делает его очень хрупким, поэтому чугун в основном бесполезен, за исключением производства других сплавов железа, особенно стали.
СТАЛЬ
Сегодня около 98 процентов чугуна, производимого во всем мире, идет на производство стали, самого широко используемого металла или металлического сплава в истории.
Процесс начинается с заливки расплавленного чугуна в сталеплавильные печи, где он обрабатывается для удаления оставшихся примесей и снижения содержания углерода до 0,1–2%. Это одна из основных характеристик стали: все, за исключением очень немногих из сотен различных типов стали, содержат углерод на таком уровне.
Это снижает хрупкость, увеличивая прочность и твердость. В зависимости от типа производимой стали в смесь затем добавляются различные элементы.
Два примера:
- Марганцовистая сталь, или мангаллой, на 13 процентов состоит из марганца, что делает ее чрезвычайно ударопрочной. Это делает мангаллой популярным для использования в горнодобывающих инструментах, оборудовании для дробления горных пород и бронировании военной техники.
- Нержавеющая сталь - это на самом деле название широкого диапазона сталей, но все они имеют одну общую черту: содержание хрома от 10 до 30 процентов, в зависимости от типа. Хром на поверхности нержавеющей стали связывается с кис
- лородом воздуха, образуя слой оксида хрома, который придает нержавеющей стали очень твердый, блестящий вид и делает ее устойчивой к коррозии. А если он поврежден или покрыт рубцами, хром снова связывается с кислородом, и образуется новый слой, поэтому он самовосстанавливается.
АЛЮМИНИЙ
Наиболее распространенной рудой, используемой для производства алюминия, является боксит, глиноподобное вещество, которое примерно на 50 процентов состоит из глинозема - алюминия, связанного с кислородом.
Как и в случае с железом, получение алюминия означает избавление от кислорода и минералов в руде. Этот процесс намного сложнее, чем добыча железа, и был разработан только в конце 1800-х годов. (Алюминий был идентифицирован как уникальный элемент только в 1808 году.)
Первая часть системы, наиболее часто используемой сегодня, называется процессом Байера в честь австрийского химика Карла Байера, который изобрел его в 1877 году. Процесс Байера: бокситы добывают и измельчают, затем смешивают с водой и щелоком и нагревают в резервуарах.
Это тепло и щелочь заставляют глинозем в руде растворяться в воде, а примеси опускаются на дно. Затем вода, богатая глиноземом, сливается сифоном и фильтруется для удаления дополнительных примесей, а затем перекачивается в огромные отстойники, где вода осаждается.
Остается белый кристаллический порошок, который на 99% состоит из оксида алюминия. Кристаллы промывают и дают высохнуть. Следующий этап известен как процесс Холла-Эру, названный в честь двух химиков, которые разработали его - независимо друг от друга - в 1886 году.
В этом процессе кристаллы оксида алюминия (вместе с минералами, которые способствуют разложению оксида алюминия) плавятся при температуре около 960 ° C в стальных чанах. Но этого недостаточно, чтобы разорвать связи алюминий-кислород в оксиде алюминия; они намного прочнее, чем связи железо-кислород.
Таким образом, через расплавленный материал проходит мощный электрический ток, который приводит к разрыву связей. Кислород выделяется в виде газа и притягивается к углеродным стержням, подвешенным над расплавленной смесью, где он связывается с углеродом с образованием газа CO2 (как в процессе плавки железа).
Освободившийся алюминий плавится и собирается на дне емкости. На данный момент это алюминий чистотой 99,8%. Алюминий используется в самых разных областях в чистом виде (алюминиевая фольга изготавливается из почти чистого алюминия) и, чаще, в сплавах, смешанных с такими элементами, как кремний, медь и цинк.
Некоторые из них прочнее стали и имеют дополнительное преимущество - они намного легче. Обычно используется в посуде, банках для безалкогольных напитков и автомобильных блоках двигателя.
ПЛАТИНА
Платина - это блестящий серебристо-белый металл, который встречается очень редко и обладает некоторыми уникальными качествами: это один из самых плотных металлов, но он очень ковкий; он чрезвычайно устойчив к коррозии под воздействием температуры, ржавчины или воздействия таких материалов, как кислоты; и он имеет очень высокую температуру плавления 1768 ° С (температура плавления золота составляет всего 573 °, а железа - 835 °).
Платина действительно существует в природе в чистом виде, но чаще встречается в смеси с другими элементами, включая кислород, медь и никель. Более 90 процентов платины, добываемой сегодня в мире, поступает всего с четырех месторождений: трех в России и одного в Южной Африке.
Производство довольно сложное. Чтобы получить одну унцию платины, необходимо добыть более десяти тонн руды. Краткое описание процесса выглядит следующим образом:
Руду добывают, измельчают в порошок и смешивают с водой и химикатами. Через смесь продувается воздух, образуя пузырьки, к которым прилипают крошечные частицы платины. Пузырьки поднимаются на поверхность емкости, образуя мыльную пену.
Пена собирается, сушится и плавится при температуре выше 1400 ° С. Более тяжелые частицы - металлы - опускаются на дно печи. Более легкие примеси собираются на поверхности расплавленного металла и удаляются.
Затем используются сложные химические процессы для отделения платины от меди, никеля и других металлов, которые все еще присутствуют, пока, наконец, не будет получена чистая платина.
Для чего используется большая часть такого чрезвычайно редкого металла ? Каталитические нейтрализаторы - устройства на автомобилях, используемые для очистки выхлопных газов.
Платина - исключительно хороший катализатор: она помогает превращать токсичные газы в выхлопных газах, такие как окись углерода, в нетоксичные газы.
Вся платина, добытая в истории, могла поместиться в подвал обыкновенного дома.
#платина #алюминий #астрономия #драгоценные металлы #железо #сталь #интересные факты
