Как образуются металлы

У вас есть кольцо на пальце? Из чего оно сделано: золота, серебра, платины или какого-либо другого металла? Тогда задумайтесь вот над чем: металл, из которого сделано кольцо на вашем пальце, старше планеты, где вы живёте.

Что такое «металл»?

С научной точки зрения, металлы представляют собой природные химические элементы, которые обычно являются твёрдыми и блестящими; кроме того, их считают хорошими проводниками тепла и электричества. К ним относятся железо, золото, серебро, медь, цинк, никель и прочее, а также элементы, которые мы не привыкли относить к металлам. В качестве примера можно привести натрий – металл, который мы регулярно употребляем в пищу. Натрий – это мягкий, серебристо-белый металл, который обычно соединяется с элементом хлор, образуя хлорид натрия, или, попросту говоря, поваренную соль.

Другой пример – астат, который был искусственно создан в лабораторных условиях в 1940 году. В природе его обнаружили лишь спустя три года. Астат является высокорадиоактивным. Как полагают, на Земле существует всего около 30 грамм этого металла. Из 118 химических элементов, известных нам, 88 являются металлами.

Настоящая алхимия

Итак, как же появились все эти металлы? Вот очень упрощённое объяснение:

Все элементы, включая металлы, сделаны из одного и того же: атомного материала – электронов, нейтронов и протонов. Атомы различных элементов можно отличить друг от друга по количеству протонов, которые они содержат. (Количество нейтронов и электронов может варьироваться даже среди атомов одного и того же элемента.) Например, атом водорода содержит всего один протон, атом железа – 79. Это также является верным для каждого из бесчисленных атомов водорода и золота во Вселенной.

Если бы вы нашли способ превратить 79 атомов водорода в один, вы бы получили атом с 79 протонами, то есть атом золота. Именно это и происходит… правда, не на Земле, а внутри звёзд.

Золото в звёздах

Примерно 13,7 миллиарда лет назад впервые появилась материя в виде атомов двух самых лёгких элементов: водорода с одним протоном и гелия с двумя. Они, безусловно, остаются самыми распространёнными элементами во Вселенной.

Спустя много миллионов лет те первые атомы водорода и гелия образовали облака пыли и газов, причём настолько большие, что их можно было бы измерить в световых годах (1 световой год = 9,5 триллионов километров). Облака в итоге поддались собственной огромной гравитации и рассеялись, образовав первые звёзды. Звёзды стали разрушителями атомов – достаточно горячими, чтобы разбить атомы водорода и гелия на мелкие частички и впоследствии образовать из них крупные атомы более тяжёлых элементов.

Например, если вы соедините два атома водорода, вы получите атом с двумя протонами – или гелий. Соедините три атома водорода вместе – и вы получите атом с тремя протонами – литий, первый и самый лёгкий металл. Соедините три атома гелия – и у вас получится атом с шестью протонами – углерод. Это тот процесс, который происходит во всех звёздах, которые вы видите в небе ночью. В массивных звёздах процесс может привести к образованию более тяжёлых элементов, включая такие металлы, как титан (22 протона) и железо (26 протонов). Если звёзды являются сверхмассивными, они способны образовывать самые тяжёлые металлы, такие как золото (79 протонов) и уран (92 протона). Это одна из функций, которые выполняют звёзды, и объяснение того, как образуются в природе все элементы, включая блестящие металлы.

А теперь давайте рассмотрим, каким образом они оказались на Земле.

В первые несколько миллиардов лет после Большого Взрыва родились миллионы звёзд – в результате процесса, который мы только что описали. Некоторые из них были сверхмассивными – в сотни раз больше Солнца. Массивные звёзды живут относительно мало – всего несколько миллионов лет (маленькие звёзды способны жить миллиарды лет) в лучшем случае – после чего умирают в результате взрыва и становятся сверхновыми.

Когда эти массивные звёзды взрывались миллиарды лет назад, они выбрасывали в космос тяжёлые элементы, которые им удалось образовать. Они, скажем так, «усеяли» Вселенную элементами, включая металлы, в непостижимом количестве – триллионы, триллионы и триллионы мегатонн. Это означает, что когда позднее образовывались новые звёзды, они уже были «усеяны» металлами, оставленными сверхновыми.

Одной из таких более поздних звёзд, богатых металлами, было наше Солнце. Давайте вкратце рассмотрим историю его возникновения:

 Примерно 4,5 миллиардов лет назад массивное космическое облако пыли и газа, усеянное множеством тяжёлых элементов, рассеялось, запустив процесс формирования новой звезды.

 Большая часть водорода и гелия в облаке превратилась в звезду. Оставшееся количество пыли и газа, включая металлы, накопилось в раскалённой массе, вращающейся вокруг новой звезды. Вращающееся движение расплющило массу (как тесто для пиццы), превратив её в раскалённый вращающийся диск.

 В течение миллионов лет диск постепенно охлаждался, и его части слипались между собой то тут, то там, образуя комки. Эти комки впоследствии стали планетами нашей солнечной системы. А что случилось с металлами в пыли? Они стали всеми теми металлами, обнаруженными на всех планетах, включая нашу.

На Земле есть много металла. Почти треть массы нашей планеты составляет элемент железо, наибольшая его часть сосредоточена в ядре. Другие 14 процентов – это магний, 1,5 процента – никель и 1,4 процента – алюминий. Это 49 процентов планеты. Остальные металлы Земли, включая «драгоценные», такие как золото, серебро, платина и палладий, существуют в незначительных количествах. Остальная часть (не металлы) – это около 30 процентов кислорода и 15 процентов кремния, наряду с другими неметаллическими элементами.

Смотри, как блестит!

На протяжении, по меньшей мере, нескольких миллионов лет люди и их предки использовали инструменты, созданные из таких материалов, как дерево, кость и камень, чтобы облегчить себе жизнь. Однако им это не особо удавалось: Homo sapiens оставались относительно примитивными кочевыми охотниками и собирателями практически всё своё существование. Затем, около 10 тысяч лет назад, они начали работать с «новым» материалом: металлом.

Первые металлы, которые начали использовать люди, были те, с которыми было легче всего работать. Это самородные металлы – металлы, которые встречаются в природе в чистом виде или были естественным путём смешаны с другими элементам, сохранив при этом все свои свойства. Они включают медь, олово, свинец, серебро и золото.

Люди, возможно, находили самородки этих металлов в ручье или среди корней выкопанного дерева. Затем они придавали им форму при помощи каменных молотков. Это привело к появлению ювелирных изделий и украшений, а также металлических инструментов и оружия вроде топоров, ножей и мечей (это была усовершенствованная замена старым каменным инструментам). Всё это, в конечном счёте, привело к тому, что люди стали активно искать металлы, создавать шахты, вести торговлю между разными народами и развивать металлообрабатывающую промышленность.

Металлургия

Примерно 8000 лет назад люди начали понимать, что они могут изменять металлы. Возможно, они обнаружили это случайным образом, а, возможно, это был порыв творчества – или и то, и другое. В любом случае, были разработаны новые процессы с целью создания новых металлов, которых не существовало в природе вообще. В течение последующих нескольких тысяч лет добыча и обработка металлов стали неотъемлемой частью большинства культур на Земле, а металл превратился в одно из веществ, изменивших историю человечества. Каждый из этих новых процессов включал огонь, и вполне возможно, что эксперименты с ним непосредственно привели к следующим важнейшим достижениям:

1) Отжиг. Это процесс нагрева металла до тех пор, пока он не станет вишнёво-красного цвета. Он позволяет вернуть старому хрупкому металлу первоначальное податливое состояние, а также переработать его и продлить срок службы. Отжиг может производиться при относительно низких температурах (медь можно обжечь на костре). Этот процесс впервые был использован примерно в 6000 году до нашей эры где-то на Ближнем Востоке и, возможно, приблизительно в то же время в Европе и Индии.

2) Плавка. В ходе этого процесса металлы переходят в жидкое состояние, что предоставляет возможность придавать им различные формы. Впервые металлы подверглись плавке примерно в 5000 году до нашей эры, после появления передовых керамических печей, которые могли давать более высокие температуры, чем открытый огонь.

3) Производство сплавов. Это процесс смешивания различных металлов, пока они пребывают в расплавленном состоянии. Он появился примерно в 3300 году до нашей эры (начало бронзового века). Первым сплавом была бронза – смесь меди и олова, которая гораздо прочнее, чем её компоненты, взятые по отдельности.

4) Извлечение металла из руд. С дальнейшим усовершенствованием обжиговых печей и способов достижения более высоких температур были разработаны методы, позволявшие извлекать металлы из руды. Впервые это было сделано с железом на Ближнем Востоке примерно в 1500 году до нашей эры, что стало началом железного века.

5) Плавка, производство сплавов и извлечение металла из руд практиковались древними людьми в Европе, Азии, Южной Америке и Мексике, однако в Австралии и остальной части Северной Америки они стали доступными лишь после прихода европейцев. Эти простые процессы по-прежнему являются основой того, что, пожалуй, стало крупнейшей и наиболее успешной индустрией в истории человечества: металлообрабатывающей промышленностью.



Железо

Железо – это самый распространённый металл на Земле. Но, как и в случае большинства металлов, его добыча является сложным процессом, поскольку в природе он очень редко встречается в чистом виде. Как правило, его получают из железной руды, которую очищают от кислорода и примесей. Вот наиболее распространённый процесс, используемый сегодня:

Подготовка: после добычи железная руда измельчается в порошок. Для того чтобы отделить руду, богатую железом, используются огромные магнитные барабаны. (Богатая железом руда прилипает к барабанам; остальное отваливается.) Богатый железом порошок смешивается с глиной и превращается в небольшие шарики, которые затем подвергаются термической закалке. Это позволяет намного эффективнее протекать следующему процессу – плавке.

Плавка: шарики плавятся в печи вместе с коксом – углём, который был переработан в почти в чистый углерод – и известняком. Интенсивный нагрев разрушает железо-кислородные связи в руде, высвобождая кислород, который соединяется с углеродом, образующимся в результате сгорания кокса, и превращается в СО2 (углекислый газ). СО2 выходит из верхней части печи, а железо, которое теперь свободно от кислорода, плавится (при температуре, равной примерно 1540 градусам Цельсия) и собирается на дне печи. Известняк также плавится и соединяется с примесями, образуя отходы, известные как шлак. Шлак легче железа, и его постоянно удаляют из верхней части печи.

Результат: продуктом данного процесса является чугун. Он имеет относительно высокое содержание углерода – около 5 процентов, что делает его очень хрупким и, следовательно, почти бесполезным, за исключением того, что его можно использовать для производства других сплавов железа, в особенности стали.



Сталь

Сегодня около 98 процентов чугуна, произведённого во всём мире, идёт на производство стали, наиболее широко используемого металла или сплава металла в истории. Процесс начинается с заливки расплавленного чугуна в сталеплавильные печи, где он обрабатывается для удаления оставшихся примесей и снижения уровня содержания углерода до 0,1-0,2 процента. Это одна из главных характеристик стали, которая помогает снизить хрупкость, увеличивая прочность и твёрдость. В зависимости от типа производимой стали, в смесь могут добавляться различные элементы. Рассмотрим два примера:

1) Марганцевая сталь, или сталь Гадфильда, содержит около 13 процентов марганца, благодаря чему она обладает чрезвычайной прочностью. Её используют при производстве горнодобывающих инструментов, оборудования для дробления пород и защиты военной техники.

2) Нержавеющая сталь. На самом деле это название для широкого спектра сталей, однако все они имеют один общий элемент в составе: хром (от 10 до 30 процентов, в зависимости от типа). Хром на поверхности нержавеющей стали соединяется с кислородом в воздухе и формирует слой оксида хрома, который придаёт нержавеющей стали блестящий вид и делает её устойчивой к коррозии. И если она каким-то образом повредится или поцарапается, хром повторно соединится с кислородом и сформирует новый слой, то есть получается, что нержавеющая сталь является самовосстанавливающейся.

Нержавеющая сталь используется при производстве широкого спектра продуктов, начиная от кухонной утвари и заканчивая хирургическим оборудованием и уличными скульптурами. (Она также является на 100% пригодной для переработки.)



Алюминий

Наиболее распространённой рудой, используемой для производства алюминия, является боксит, вещество, которое содержит около 50 процентов окиси алюминия. Как и в случае с железом, чтобы получить алюминий, нужно отделить руду от кислорода и минералов. Этот процесс гораздо сложнее, чем добыча железа, и он был разработан лишь в конце 1800-х годов. (Алюминий был признан уникальным элементом лишь в 1808 году.) Первая часть системы, наиболее часто используемой сегодня, называется процессом Байера, названным в честь австрийского химика Карла Байера, который изобрёл его в 1877 году.

Процесс Байера: боксит добывают и измельчают, после чего смешивают с водой и щёлоком и нагревают в резервуарах. Нагрев и щёлок предназначены для того, чтобы растворить алюминий из руды в воде. Между тем, сами примеси опускаются на дно. Вода, обогащённая алюминием, впоследствии откачивается и фильтруется с целью удаления оставшихся примесей. После этого её закачивают в огромные отстойники. Белый кристаллический порошок, получаемый после отстаивания, состоит из 99 процентов окиси алюминия. Кристаллы промывают и дают им высохнуть.

Следующий шаг известен как процесс Холла-Эру, названный в честь двух химиков, которые разработали его – независимо друг от друга – в 1886 году. В ходе этого процесса кристаллы окиси алюминия (наряду с минералами, способствующими распаду окиси алюминия) плавятся при температуре, равной 960 градусам, в стальных чанах. Однако этого недостаточно для того, чтобы разрушить алюминиево-кислородные связи в окиси алюминия; они гораздо сильнее железо-кислородных связей. Таким образом, мощный электрический ток пропускается через расплавленный материал – и это приводит к разрыву связей. Кислород высвобождается и притягивается к углеродным стержням, подвешенным над расплавленной смесью. Он соединяется с углеродом и образует CO2. Освободившийся алюминий плавится и собирается на дне чана. Это на 99,8 процента чистый алюминий.

Алюминий используется как в чистой форме (алюминиевая фольга сделана практически из чистого алюминия), так и в различных сплавах с кремнием, медью и цинком. Некоторые из них прочнее и легче стали. Из алюминия производят кухонную посуду, консервные банки и блок цилиндров (двигателя).



Платина

Платина представляет собой блестящий серебристо-белый металл, который является очень редким и обладает уникальными свойствами: это один из самых плотных металлов, однако он является очень ковким и устойчивым к коррозии (температура, ржавчина, кислоты). Он имеет температуру плавления, равную 1779 градусам Цельсия (золото плавится при температуре 1064 градуса Цельсия, а железо – при 1535 градусах Цельсия). Платина существует в чистом виде в природе, однако чаще всего она встречается в смеси с другими элементами, включая кислород, медь и никель. Более 90 процентов платины сегодня добывается всего в четырёх местах: три из них находятся в России, и одно – в Южной Африке.

Производство довольно сложное.

Чтобы получить одну унцию (28,3 грамма) платины, нужно добыть и переработать десять тонн руды. Процесс производства платины выглядит следующим образом:

Руду добывают, измельчают в порошок и смешивают с водой и химикатами. Затем смесь продувают воздухом, образующим пузыри – к ним впоследствии прилипают крошечные платиновые частицы. Пузыри поднимаются на поверхность резервуара, создавая пену. Эту пену собирают, высушивают и плавят при температуре 1482 градуса Цельсия. Более тяжёлые частицы – металлы – опускаются на дно печи. Более лёгкие примеси собираются на поверхности расплавленного металла и удаляются. Впоследствии используются сложные химические процессы, в результате которых платина отделяется от меди, никеля и прочих металлов до тех пор, пока она не станет абсолютно чистой.

Интересные факты, связанные с металлами и металлообрабатывающей промышленностью

• Железную руду переплавляют в доменной печи: нагретый до температуры 1204 градуса Цельсия воздух «вдувается» в печь, заставляя её гореть ещё сильнее, чем обычно. Типичная доменная печь на сталелитейном заводе работает 24 часа в сутки, 365 дней в году. Срок её службы при таких условиях составляет 20 лет.

• Чистая сталь подвержена коррозии. Оцинкованная сталь – это сталь, покрытая цинком, который обладает устойчивостью к коррозии.

• Основной химический элемент в рубинах, изумрудах и сапфирах – алюминий.

• Для чего в основном используется чрезвычайно редкий металл платина? Для производства каталитических преобразователей – устройств на автомобилях, которые используются для очистки выхлопных газов. Платина – исключительно хороший катализатор: она помогает преобразовывать токсичные газы, такие как окись углерода, в нетоксичные.

• Это миф, что коренные индейцы не занимались металлообработкой. На самом деле у многих племён имелись давние традиции по обработке меди, особенно у тех, которые жили вблизи Великих озёр, где металл был в изобилии.

• Платина, добытая за всю историю существования человечества, могла бы уместиться в подвале обычного дома.

Специально для читателей моего блога Muz4in.Net - материал подготовила Rosemarina по статье с сайта todayifoundout.com

Copyright Muz4in.Net © - Данная новость принадлежит Muz4in.Net, и являются интеллектуальной собственностью блога, охраняется законом об авторском праве и не может быть использована где-либо без активной ссылки на источник. Подробнее читать - "об Авторстве"

Почитать ещё:

• Факты, факты и, еще раз, факты
• Я вижу, я знаю что...
• 10 фактов о металлах
• 15 любопытных фактов обо всем