Wie werden Metalle hergestellt?

Wie werden Metalle hergestellt?

Hast du einen Ring an deinem Finger? Wird es aus Gold, Silber, Platin oder einem anderen natürlichen Metall hergestellt? Dann überlege dir Folgendes: Das Metall in diesem Ring an deinem Finger ist älter als der Planet, auf dem du stehst.

WAS IST "METAL"?

Wissenschaftlich gesehen sind Metalle natürlich vorkommende chemische Elemente, die typischerweise hart, glänzend und gute Wärme- und Elektrizitätsleiter sind. Beispiele sind Eisen, Gold, Silber, Kupfer, Zink, Nickel usw., aber auch Elemente, die wir normalerweise nicht als Metalle bezeichnen. Eines ist Natrium - ein Metall, das wir regelmäßig essen: Natrium ist ein weiches, silbriges Weißmetall, das sich gewöhnlich mit dem Element Chlor verbindet, um Natriumchlorid oder ein gewöhnliches Salz zu bilden.

Ein anderes ist Astatin, das 1940 in einem Labor entdeckt wurde, wo es künstlich geschaffen wurde. Bis 1943 wurde es in der Natur nicht entdeckt. Astatine ist hoch radioaktiv, und es wird angenommen, dass nur eine einzige Unze auf der Erde vorhanden ist. Von den 118 bekannten chemischen Elementen sind 88 Metalle.

ECHTE ALCHEMIE

Woher kommen all diese Metalle? Hier ist eine sehr vereinfachte Erklärung:

Alle Elemente, einschließlich Metalle, bestehen aus demselben Material: Atommaterial - Elektronen, Neutronen und Protonen. Atome verschiedener Elemente können durch die Anzahl der darin enthaltenen Protonen unterschieden werden. (Die Anzahl der Neutronen und Elektronen kann sogar zwischen Atomen desselben Elements variieren.) Beispielsweise enthält ein Wasserstoffatom nur ein Proton. Ein Goldatom hat 79. Dies gilt für jedes der unzähligen Wasserstoff- und Goldatome im Universum.

Wenn Sie einen Weg finden könnten, 79 Wasserstoffatome zu einem Atom zusammenzuschlagen, hätten Sie ein Atom mit 79 Protonen, und daher hätten Sie ein Goldatom. Und das ist fast genau das, was passiert ... außer es geschieht in Sternen.

IN DIESEN STERNEN IST GOLD

Vor ungefähr 13,7 Milliarden Jahren erschien die Materie zuerst in Form von Atomen der beiden leichtesten Elemente: Wasserstoff mit einem Proton und Helium mit zwei. Sie sind mit Abstand die am häufigsten vorkommenden Elemente im Universum.

Nach vielen Millionen Jahren waren diese ersten Wasserstoff- und Heliumatome in so großen Staub- und Gase-Wolken angesammelt, dass sie in Lichtjahren gemessen werden müssten (1 Lichtjahr = 6 Billionen Meilen oder 9,5 Billionen Kilometer). Die Wolken gaben sich schließlich ihrer enormen Schwerkraft nach und brachen zusammen und bildeten die ersten Sterne. Und Sterne waren Atomzerstörer - heiß genug, um diese Wasserstoff- und Heliumatome abzubauen und die Teile wieder zusammenzuschmelzen, um sie in größere Atome unterschiedlicher, schwererer Elemente zu verwandeln.

Wenn Sie beispielsweise zwei Wasserstoffatome miteinander verschmelzen, haben Sie ein Atom mit zwei Protonen - oder Helium. Verschmelzen Sie drei Wasserstoffatome und Sie erhalten ein Atom mit drei Protonen - Lithium, das erste und leichteste Metall. Verschmelzen Sie drei Helien und Sie erhalten ein Atom mit sechs Protonen - Kohlenstoff. Dies ist, was in allen Sternen geschieht, die Sie nachts am Himmel sehen. Bei den massiven kann das Verfahren zur Herstellung schwererer und schwererer Elemente führen, einschließlich Metallen wie Titan (22 Protonen) und Eisen (26 Protonen). Wenn sie besonders massiv sind, können sie die schwersten Metalle wie Gold (79 Protonen) und Uran (92 Protonen) produzieren. Dies ist eines der Dinge, die Sterne tun, und so bilden sich alle Elemente - einschließlich all dieser glänzenden Metalle - in der Natur.

Nun, wie sind sie hierher gekommen?

AUF DEM BODEN GEBLIEBEN

In den ersten Milliarden Jahren nach dem Urknall wurden Milliarden und Milliarden von Sternen geboren, so wie wir es gerade beschrieben haben. Viele waren extrem massiv (hunderte Male größer als unsere Sonne), und massive Sterne leben relativ kurz - in einigen Fällen nur wenige Millionen Jahre (kleinere Sterne können Milliarden von Jahren leben) - und sterben dann, wenn sie als Supernovas explodieren.

Und als diese massiven Sterne vor Milliarden Jahren explodierten, vertrieben sie die schweren Elemente, die sie geschaffen hatten, und schickten sie ins Weltall. Sie hatten das Universum mit Elementen einschließlich Metallen „geimpft“. Und riesige, unmöglich zu verstehende Mengen - Billionen und Billionen und Billionen Megatonnen. Das heißt, als später neue Sterne gebildet wurden, waren diese bereits mit Metallen "ausgesät", die von diesen Supernovas zurückgelassen wurden.

Einer dieser späteren, metallreichen Sterne war unsere eigene Sonne. Ein kurzer Blick auf diese Geschichte:

  • Vor etwa 4,5 Milliarden Jahren brach eine massive kosmische Wolke aus Staub und Gas, die mit vielen schwereren Elementen besiedelt war, zusammen und bildete einen neuen Stern.
  • Der größte Teil des Wasserstoffs und Heliums in der Wolke wurde Teil des neu gebildeten Sterns. Der Rest des Staubes und Gases, einschließlich der Metalle, sammelte sich in einer Schmelze und drehte sich um den neuen Stern. Die Drehbewegung drückte die Masse (Bildspinnerei-Pizzateig) zu einer geschmolzenen, sich drehenden Scheibe aus.
  • Im Laufe von Jahrmillionen, als sich die Scheibe abkühlte, verkrusteten sich hier und da Stücke, und diese Klumpen wurden die Planeten in unserem Sonnensystem. Und die Metalle im Staub? Sie wurden zu allen Metallen, die auf allen Planeten gefunden wurden, einschließlich unserer eigenen.

Unser Anteil: Die Erde hat viel Metall. Fast ein Drittel der Masse des Planeten besteht aus dem Element Eisen, das meiste davon im Kern des Planeten.Weitere 14 Prozent sind Magnesium, 1,5 Prozent Nickel und 1,4 Prozent Aluminium. Das sind 49 Prozent des Planeten. Die übrigen Metalle der Erde, einschließlich „Edelmetalle“ wie Gold, Silber, Platin und Palladium, sind nur in Spuren vorhanden. Der Rest - der Nichtmetallanteil - besteht zu etwa 30 Prozent aus Sauerstoff und zu 15 Prozent aus Silizium, zusammen mit kleineren Mengen zahlreicher anderer Nichtmetallelemente.

AUSSEHEN! GLÄNZEND!

Der Mensch und seine Vorfahren benutzten mindestens einige Millionen Jahre lang Werkzeuge aus Materialien wie Holz, Knochen und Gestein, um ihr Leben ein wenig leichter zu machen. Das machte ihr Leben nicht viel einfacher: Der Homo sapiens war fast während ihrer gesamten Existenz relativ primitive Nomadenjäger und Sammler. Vor etwa 10.000 Jahren begannen sie, nach Wegen zu suchen, mit einem „neuen“ Material zu arbeiten: Metall.

Die ersten Metalle, die der Mensch verwendet, waren die Metalle, mit denen die frühen Metallschmiede nicht viel zu tun hatten, um sie brauchbar zu machen. Hierbei handelt es sich um die natürlichen Metalle - Metalle, die in der Natur in reinem Zustand vorkommen oder auf natürliche Weise mit anderen Elementen gemischt werden, um ihre nutzbaren Eigenschaften zu erhalten. Dazu gehören Kupfer, Zinn, Blei, Silber und Gold.

Jemand könnte gerade Nuggets aus diesen Metallen in einem Bachbett oder in den Wurzeln eines ungeerdeten Baumes gefunden haben und dachte, sie seien attraktiv. Sie haben sie vielleicht mit Steinhämmern geschlagen und festgestellt, dass sie sie formen können. Dies hätte dazu führen können, dass Metalle in Schmuck oder Ornamenten verwendet wurden oder Metallwerkzeuge und Waffen wie Äxte, Messer und Schwerter hergestellt wurden - eine enorme Verbesserung gegenüber den alten Steinwerkzeugen. All dies führte letztendlich dazu, dass die Menschen aktiv nach mehr Metallen suchten, Minen gegründet wurden, Metalle zwischen verschiedenen Völkern handelten und eine Metallindustrie entstand. Es geschah jedoch an zahlreichen Orten auf der ganzen Welt.

METALLURGIE

Vor etwa 8.000 Jahren begannen die Menschen zu entdecken, dass sie das Metall verändern könnten. Sie haben es vielleicht aus Versehen entdeckt, oder vielleicht wurden die Leute kreativ oder es war eine Kombination aus beiden. In jedem Fall wurden neue Verfahren entwickelt, um Metalle zu verändern und dann völlig neue zu schaffen, die in der Natur überhaupt nicht vorhanden waren - mit enormen Qualitätsverbesserungen. In den nächsten tausend Jahren wurden Bergbau und Metallverarbeitung zu einem Großteil der Kulturen der Erde, und Metall wurde zu einer der am stärksten zivilisationsverändernden Substanzen in der Geschichte der Menschheit. Jeder dieser neuen Prozesse beinhaltete einen Brand, und es war wahrscheinlich, dass das Experimentieren mit einem direkt zum nächsten führte. Die wichtigsten Neuerungen:

  • Glühen Dies ist einfach der Prozess des Erhitzens von Metall, bis es kirschrot ist. Dadurch wird das alte, spröde Metall in seinen ursprünglichen, verformbaren Zustand zurückversetzt, wodurch es nachgearbeitet werden kann und seine Verwendbarkeit verlängert wird. Das Glühen kann bei relativ niedrigen Temperaturen durchgeführt werden (Kupfer kann in einem Lagerfeuer geglüht werden). Es wurde zuerst irgendwann um 6000 v. Chr. Gemacht, irgendwo im Nahen Osten und möglicherweise in Europa und Indien zur gleichen Zeit.
  • Verhüttung. In diesem Prozess werden Metalle in einen flüssigen Zustand geschmolzen und bieten so viel mehr Freiheit, sie in verschiedene Formen zu bringen. Die Metalle wurden zuerst um 5000 v. Chr. Geschmolzen, nachdem fortgeschrittene Töpferöfen entwickelt wurden, die viel höhere Temperaturen erzeugen können, als dies bei einfachen offenen Bränden möglich wäre.
  • Legierungsproduktion. Hierbei werden verschiedene Metalle gemischt, während sie sich im geschmolzenen Zustand befinden. Es begann um 3300 v.Chr. (Anfang der Bronzezeit), mit der ersten Produktion von Bronze - einer Mischung aus Kupfer und Zinn, die viel härter und dauerhafter ist als ihre Bestandteile.
  • Extraktion. Mit weiteren Verbesserungen in der Ofentechnologie und der anschließenden Fähigkeit, höhere Temperaturen zu erreichen, wurden Techniken entwickelt, die die Gewinnung von Metallen aus Erz ermöglichten. Um 1500 v. Chr. Wurde es im Nahen Osten erstmals mit Eisen hergestellt - zu Beginn der Eisenzeit.
  • Schmelzen, Legierungsproduktion und Gewinnung wurden von den Völkern in Europa, Asien, Südamerika und bis nach Mexiko, aber nicht im restlichen Nordamerika oder in Australien bis zur Ankunft der Europäer praktiziert. Diese einfachen Prozesse bleiben die Grundlage der wahrscheinlich größten und erfolgreichsten Industrie der Menschheitsgeschichte: der Metallindustrie.

EISEN

Eisen ist das am häufigsten vorkommende Metall der Erde. Aber wie bei den meisten Metallen ist es schwierig, dorthin zu gelangen, da es in der Natur nur selten in reinem Zustand vorkommt. Am häufigsten kommt es in Eisenoxiden vor - Molekülen aus Eisen und Sauerstoff, die mit Gestein in Eisenerz vermischt gefunden werden. Um das Eisen zu bekommen, müssen Sie den Sauerstoff und den Stein loswerden. Hier ist der heute am häufigsten verwendete Prozess:

  • Vorbereitung: Nach dem Abbau wird Eisenerz zu Pulver zerkleinert. Dann werden riesige Magnettrommeln verwendet, um eisenarmes von eisenreichem Erz zu trennen. (Das eisenreiche Erz bleibt an den Trommeln haften, der Rest fällt weg.) Das eisenreiche Pulver wird mit Ton vermischt und zu marmorgroßen Pellets verarbeitet, die dann hitzegehärtet werden. Dies ermöglicht eine effizientere Verbrennung im nächsten Schritt, dem Schmelzen.
  • Schmelzen: Die Pellets werden in einem Ofen zusammen mit Koks - Kohle, die zu fast reinem Kohlenstoff verarbeitet wurde - und Kalkstein geschmolzen. Die intensive Hitze bricht die Eisen-Sauerstoff-Bindungen im Erz und setzt den Sauerstoff als Gas frei, das sich mit dem aus dem brennenden Koks freigesetzten Kohlenstoffgas verbindet, um CO2 (Kohlendioxid) zu bilden. Das CO2 entweicht von der Oberseite des Ofens, und das Eisen, das jetzt frei von Sauerstoff ist, schmilzt (bei etwa 2800 ° F) und sammelt sich am Boden des Ofens. Der Kalkstein schmilzt und verbindet sich mit Verunreinigungen, um geschmolzenen Abfall zu bilden, der als Schlacke bekannt ist.Schlacke ist leichter als Eisen und wird kontinuierlich von der Oberseite des Ofens entfernt.
  • Ergebnis: Das Produkt dieses Prozesses ist das Eisenlegierungs-Roheisen. Es hat einen relativ hohen Kohlenstoffgehalt von etwa 5 Prozent, was es sehr spröde macht, und Roheisen ist daher meist unbrauchbar, außer bei der Herstellung anderer Eisenlegierungen, insbesondere von Stahl.

STEHLEN

Heute werden rund 98 Prozent des weltweit produzierten Roheisens in die Herstellung von Stahl, dem am häufigsten verwendeten Metall oder der meist verwendeten Metalllegierung, investiert. Der Prozess beginnt mit dem Eingießen von geschmolzenem Roheisen in Stahlöfen, wo verbleibende Verunreinigungen entfernt werden und der Kohlenstoffgehalt auf 0,1 bis 2 Prozent gesenkt wird. Das ist eines der Hauptmerkmale von Stahl: Bis auf wenige Hunderte verschiedener Stahlsorten ist Kohlenstoff in dieser Höhe enthalten. Das verringert die Sprödigkeit und erhöht gleichzeitig Festigkeit und Härte. Abhängig von der Stahlsorte werden dann verschiedene Elemente zur Mischung hinzugefügt. Zwei Beispiele:

  • Manganstahl oder Mangalloy besteht zu etwa 13 Prozent aus Mangan, was dazu führt, dass es extrem schlagfest ist. Dies macht Mangalloy für den Einsatz in Bergbauwerkzeugen, Gesteinszerkleinerungsgeräten und Panzerungen für Militärfahrzeuge beliebt.
  • Edelstahl ist eigentlich ein Name für ein breites Spektrum an Stählen, aber alle haben eines gemeinsam: Chrom - je nach Typ zwischen 10 und 30 Prozent. Das Chrom auf der Oberfläche von Edelstahl verbindet sich mit Sauerstoff in der Luft und bildet eine Chromoxidschicht, die Edelstahl sehr hart und glänzend macht und korrosionsbeständig macht. Und wenn es beschädigt oder narbig ist, bindet sich das Chrom wieder mit Sauerstoff und es bildet sich eine neue Schicht - so repariert es sich selbst. Edelstähle werden in einer Vielzahl von Produkten eingesetzt, von Küchengeräten über chirurgische Geräte bis hin zu Skulpturen im Freien. (Es ist auch zu 100% recycelbar.)

ALUMINIUM

Das für die Aluminiumproduktion am häufigsten verwendete Erz ist Bauxit, eine tonartige Substanz, die zu etwa 50 Prozent aus Aluminiumoxid besteht - Aluminium, das mit Sauerstoff gebunden ist. Wie beim Eisen bedeutet das Erreichen des Aluminiums, den Sauerstoff und die Mineralien im Erz zu beseitigen. Das Verfahren ist viel komplizierter als die Eisengewinnung und wurde erst Ende des 19. Jahrhunderts entwickelt. (Aluminium wurde erst 1808 als einzigartiges Element identifiziert.) Der erste Teil des heute am häufigsten verwendeten Systems wird als Bayer-Verfahren bezeichnet, benannt nach dem österreichischen Chemiker Karl Bayer, der ihn 1877 erfand.

Der Bayer-Prozess: Bauxit wird abgebaut und zerkleinert, anschließend mit Wasser und Lauge gemischt und in Tanks erhitzt. Diese Hitze und Laugen bewirken, dass sich das Aluminiumoxid im Erz im Wasser löst, während die Verunreinigungen zum Boden sinken. Das Aluminiumoxid-reiche Wasser wird dann abgesaugt und zur Entfernung weiterer Verunreinigungen filtriert und dann in riesige Fällungstanks gepumpt, in denen das Wasser ausfallen kann. Was bleibt, ist ein weißes kristallines Pulver, das etwa 99% Aluminiumoxid enthält. Die Kristalle werden gewaschen und trocknen gelassen.

Der nächste Schritt ist als Hall-Héroult-Verfahren bekannt, benannt nach den beiden Chemikern, die ihn 1886 unabhängig voneinander entwickelt haben. In diesem Prozess werden die Aluminiumoxidkristalle (zusammen mit Mineralien, die den Abbau von Aluminiumoxid unterstützen) geschmolzen bei etwa 1.760 ° F in Stahltanks. Aber das reicht nicht aus, um die Aluminium-Sauerstoff-Bindungen im Aluminiumoxid zu lösen. Sie sind viel stärker als Eisen-Sauerstoff-Bindungen. So wird ein starker elektrischer Strom durch das geschmolzene Material geschickt - und das führt dazu, dass die Bindungen brechen. Der Sauerstoff wird als Gas freigesetzt und von Kohlenstoffstäben angezogen, die über der geschmolzenen Mischung schweben, wo er sich mit Kohlenstoff zu CO2-Gas verbindet (genau wie beim Eisenschmelzprozess). Das freigesetzte Aluminium schmilzt und sammelt sich am Boden des Topfes. Zu diesem Zeitpunkt ist es 99,8% reines Aluminium.

Aluminium wird in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, in seiner reinen Form (Aluminiumfolie wird aus nahezu reinem Aluminium hergestellt) und häufiger in Legierungen, die mit Elementen wie Silizium, Kupfer und Zink gemischt werden. Einige sind stärker als Stahl und haben den zusätzlichen Vorteil, dass sie viel leichter sind. Übliche Anwendungen sind in Kochgeschirr, Softdrinkdosen und Automotorblöcken.

PLATIN

Platin ist ein glänzendes, silberweißes Metall, das sehr selten ist und einige einzigartige Eigenschaften aufweist: Es ist eines der dichtesten Metalle, aber es ist sehr verformbar. es ist extrem beständig gegen Korrosion durch Temperatur, Rost oder Kontakt mit Stoffen wie Säuren; und es hat einen sehr hohen Schmelzpunkt von 3.215 ° F (Golds Schmelzpunkt beträgt nur 1.064 ° und Eisen liegt bei 1.535 °.) Platin existiert in reiner Form in der Natur, aber es wird häufiger mit anderen Elementen vermischt gefunden, einschließlich Sauerstoff. Kupfer und Nickel. Heute stammen mehr als 90 Prozent des weltweit gewonnenen Platins aus nur vier Standorten: drei in Russland und einer in Südafrika. Die Produktion ist ziemlich kompliziert.

Mehr als zehn Tonnen Erz müssen abgebaut werden, um eine Unze Platin herzustellen. Eine kurze Beschreibung des Prozesses lautet wie folgt:

  • Erz wird abgebaut, zu Pulver zerkleinert und mit Wasser und Chemikalien vermischt. Luft wird durch die Mischung geblasen, wodurch Blasen entstehen, an denen die winzigen Platinpartikel haften. Die Blasen steigen an der Oberfläche des Tanks auf und bilden einen seifigen Schaum. Der Schaum wird gesammelt, getrocknet und bei Temperaturen über 2700 ° F geschmolzen. Die schwereren Partikel - die Metalle - sinken auf den Boden des Ofens. Leichtere Verunreinigungen sammeln sich auf dem geschmolzenen Metall und werden entfernt. Dann werden komplizierte chemische Prozesse verwendet, um das Platin von noch vorhandenem Kupfer, Nickel und anderen Metallen abzutrennen, bis schließlich reines Platin erhalten wird.

GLÄNZENDE BITS

  • Eisenerz wird in einem Hochofen geschmolzen: Überhitzte Luft - bis zu 200 ° C - wird in den Ofen „gestrahlt“, wodurch sie viel heißer brennt, als es sonst möglich wäre. Ein typischer Hochofen in einem Stahlwerk läuft 24 Stunden am Tag, 365 Tage in der Woche und bis zu 20 Jahre, bevor er ersetzt werden muss.
  • Reiner Stahl ist sehr anfällig für Rost. Verzinkter Stahl ist mit Zink überzogener Stahl, der sehr rostbeständig ist.
  • Ein wichtiger chemischer Inhaltsstoff in Rubinen, Smaragden und Saphiren: Aluminium.
  • Wofür wird das extrem seltene Metallplatin am meisten verwendet? Katalysatoren - die Geräte in Automobilen, die zur Abgasreinigung verwendet werden. Platin ist ein außergewöhnlich guter Katalysator: Es hilft bei der Umwandlung toxischer Gase wie Kohlenmonoxid in nicht toxische Gase.
  • Es ist ein Mythos, dass es unter den amerikanischen Ureinwohnern keine Metallbearbeitung gab. Tatsächlich hatten viele Stämme lange Tradition in der Kupferbearbeitung, besonders in den Großen Seen, wo das Metall von Natur aus reichlich vorhanden war.
  • Das in der Geschichte abgebaute Platin konnte in ein durchschnittliches Kellergeschoss passen.

Lassen Sie Ihren Kommentar