Hoe metalen worden gemaakt

2023 Auteur: Darleen Leonard | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-05-26 18:28

Heb je een ring om je vinger? Is het gemaakt van goud, zilver, platina of een ander natuurlijk metaal? Denk hierover na: het metaal in die ring aan je vinger is ouder dan de planeet waarop je staat.

WAT IS "METAAL"?

Wetenschappelijk gezien zijn metalen van nature voorkomende chemische elementen die typisch hard, glanzend en goed geleidend zijn voor zowel warmte als elektriciteit. Voorbeelden zijn ijzer, goud, zilver, koper, zink, nikkel, enz., Maar ook elementen die we normaliter niet als metalen beschouwen. De ene is natrium - een metaal dat we regelmatig eten: natrium is een zacht, zilverachtig wit metaal dat gewoonlijk met het element chloor bindt om natriumchloride of gewoon zout te vormen.

Een andere is astatine, dat in 1940 in een lab werd ontdekt, waar het kunstmatig is gemaakt. Het werd pas in 1943 in de natuur ontdekt. Astatine is zeer radioactief en er wordt slechts een enkele ounce ervan verondersteld - in totaal - op aarde te bestaan. Van de 118 bekende chemische elementen in het bestaan, zijn er 88 metalen.

ECHTE ALCHEMIE

Waar kwamen al deze metalen vandaan? Hier is een zeer vereenvoudigde uitleg:

Alle elementen, inclusief metalen, zijn gemaakt van hetzelfde materiaal: atomair materiaal - elektronen, neutronen en protonen. Atomen van verschillende elementen kunnen van elkaar worden onderscheiden door het aantal protonen dat ze bevatten. (Het aantal neutronen en elektronen kan zelfs variëren tussen atomen van hetzelfde element.) Een waterstofatoom bevat bijvoorbeeld slechts één proton. Een gouden atoom heeft 79. Dit geldt voor elk van de ontelbare waterstof- en goudatomen in het universum.

Als je een manier zou kunnen vinden om 79 waterstofatomen samen in één atoom te proppen, zou je een atoom hebben met 79 protonen, en daarom zou je een gouden atoom hebben. En dat is bijna precies wat er gebeurt … behalve dat het gebeurt in sterren.

ER IS GOUD IN HUN VEEL STERREN

Grofweg 13,7 miljard jaar geleden verscheen materie voor het eerst in de vorm van atomen van de twee lichtste elementen: waterstof, met één proton en helium, met twee. Ze blijven veruit de meest voorkomende elementen in het universum.

Na vele miljoenen jaren zouden die eerste waterstof- en heliumatomen verzameld in wolken van stof en gassen zo groot zijn dat ze in lichte jaren zouden moeten worden gemeten (1 lichtjaar = 6 biljoen mijl of 9,5 biljoen kilometer). De wolken gaven uiteindelijk hun eigen enorme zwaartekracht op en stortten in en vormden de eerste sterren. En sterren waren atoomvernietigers - warm genoeg om die waterstof- en heliumatomen af te breken, en de stukjes weer samen te smelten, ze opnieuw te maken tot grotere atomen van verschillende, zwaardere elementen.

Als je bijvoorbeeld twee waterstofatomen samen smelt, heb je een atoom met twee protonen of helium. Fuse drie waterstofatomen samen en je krijgt een atoom met drie protonen - lithium, het eerste en lichtste metaal. Fuse drie heliums samen en je krijgt een atoom met zes protonen-koolstof. Dit is wat er gebeurt in alle sterren die je 's nachts in de lucht ziet. In de massieve kan het proces resulteren in de productie van zwaardere en zwaardere elementen, waaronder metalen zoals titanium (22 protonen) en ijzer (26 protonen). Als ze bijzonder massief zijn, kunnen ze de zwaarste metalen produceren, zoals goud (79 protonen) en uranium (92 protonen). Dit is een van de dingen die sterren doen, en dat is hoe alle elementen - inclusief al die glimmende metalen - in de natuur worden gevormd.

Hoe zijn ze hier gekomen?

GEWOON

In de eerste paar miljard jaar na de Big Bang werden miljarden en miljarden sterren geboren, zoals we net beschreven hebben. Velen waren extreem massief (honderden keren groter dan onze zon) en massieve sterren leven een relatief korte levensduur - slechts enkele miljoenen jaren in sommige gevallen (kleinere sterren kunnen miljarden jaren leven) - en sterven vervolgens door te exploderen als supernova's.

En toen die massieve sterren miljarden jaren geleden explodeerden, verdreven ze de zware elementen die ze hadden gecreëerd en zonden ze de ruimte in. Ze hadden, om het op een manier te zeggen, het universum "bezaaid" met elementen, inclusief metalen. En super-massieve, onmogelijk te begrijpen hoeveelheden ervan - biljoenen en triljoenen en triljoenen megaton ervan. Dat betekent dat toen later nieuwe sterren werden gevormd - ze al waren 'bezaaid' met metalen die waren achtergelaten door die supernova's.

Een van die latere, metaalrijke sterren was onze eigen zon. Een snelle blik op dat verhaal:

• Ongeveer 4,5 miljard jaar geleden stortte een enorme kosmische wolk van stof en gas, bezaaid met veel zwaardere elementen, in elkaar en begon het proces van het vormen van een nieuwe ster.
• Het meeste waterstof en helium in de wolk werd onderdeel van de nieuw gevormde ster. De rest van het stof en gas, inclusief de metalen, verzamelden zich in een gesmolten massa en draaiden rond de nieuwe ster. De draaiende beweging maakte de massa (beeldspinning pizzadeeg) plat in een gesmolten, draaiende schijf.
• Gedurende miljoenen jaren, terwijl de schijf afkoelde, klonterden er hier en daar wat klonten samen, en die klonten werden de planeten in ons zonnestelsel. En de metalen in het stof? Ze werden alle metalen die op alle planeten gevonden werden, ook die van onszelf.

Ons delen: de aarde heeft veel metaal. Bijna een derde van de massa van de planeet is het element ijzer, het grootste deel dat zich in de kern van de planeet bevindt.Nog eens 14 procent is magnesium, 1,5 procent is nikkel en 1,4 procent is aluminium. Dat is 49 procent van de planeet. De rest van de metalen van de aarde, inclusief 'kostbare' metalen zoals goud, zilver, platina en palladium, bestaan alleen in sporenhoeveelheden. De rest - het niet-metalen gedeelte - is ongeveer 30 procent zuurstof en 15 procent silicium, samen met kleinere hoeveelheden van tal van andere niet-metalen elementen.

KIJKEN! GLIMMEND!

Minstens een paar miljoen jaar lang gebruikten mensen en hun voorouders gereedschap gemaakt van materialen als hout, botten en steen, om hun leven een beetje gemakkelijker te maken. Het maakte hun leven niet zo veel eenvoudiger: Homo sapiens zijn relatief primitieve nomadische jagers en verzamelaars voor bijna al hun bestaan. Toen, ongeveer 10.000 jaar geleden, begonnen ze manieren te ontdekken om met een "nieuw" materiaal te werken: metaal.

De eerste metalen die door mensen werden gebruikt, waren die metalen waar beginnende metalsmithen niet veel aan hoefden te doen om ze bruikbaar te maken. Dit zijn de natuurlijke metalen die in de natuur voorkomen in een zuivere staat, of die op natuurlijke wijze met andere elementen zijn gemengd op een manier die hun bruikbare eigenschappen behoudt. Ze omvatten koper, tin, lood, zilver en goud.

Iemand heeft misschien net goudklompjes gevonden van deze metalen in een streambed, of in de wortels van een opgegraven boom, en vond dat ze aantrekkelijk waren. Ze hebben ze misschien met stenen hamers geslagen en ontdekt dat ze ze konden vormen. Dat had kunnen leiden tot metalen die werden gebruikt in sieraden of sieraden, of tot het maken van metalen gereedschappen en wapens zoals bijlen, messen en zwaarden - een enorme verbetering ten opzichte van de oude stenen werktuigen. Dit alles leidde uiteindelijk tot mensen die actief op zoek waren naar meer metalen, de vestiging van mijnen, de handel in metalen tussen verschillende volkeren en de geboorte van een metaalindustrie. Het gebeurde echter - het gebeurde op verschillende locaties over de hele wereld.

METALLURGIE

Begonnen rond 8.000 jaar geleden, begonnen mensen te ontdekken dat ze het metaal konden veranderen. Ze hebben het misschien per ongeluk ontdekt, of misschien zijn mensen gewoon creatief geworden, of misschien was het een combinatie van beide. In elk geval zijn nieuwe processen ontwikkeld om metalen te veranderen en vervolgens volledig nieuwe te maken die helemaal niet in de natuur voorkomen - met enorme kwaliteitsverbeteringen. In de komende paar duizend jaar werden mijnbouw en metaalbewerking een integraal onderdeel van de meeste culturen op aarde, en metaal werd een van de meest beschavingsveranderende stoffen in de menselijke geschiedenis. Bij elk van deze nieuwe processen ging het om vuur, en het is waarschijnlijk dat het experimenteren met de ene direct naar de volgende leidde. De belangrijkste verbeteringen:

• Gloeien. Dit is gewoon het proces van het verhitten van metaal totdat het kersenrood is. Dit herstelt oude, broze metalen in de oorspronkelijke smeedbare staat, waardoor het opnieuw kan worden bewerkt en de bruikbaarheid ervan wordt verlengd. Gloeien kan worden gedaan bij relatief lage temperaturen (koper kan worden gegloeid in een kampvuur). Het werd voor het eerst gedaan ergens rond 6000 voor Christus, ergens in het Midden-Oosten, en mogelijk in Europa en India rond dezelfde tijd.
• Smelting. In dit proces worden metalen gesmolten tot een vloeibare toestand, waardoor ze veel meer vrijheid krijgen om ze in verschillende vormen te vormen. Metalen werden voor het eerst gesmolten rond 5000 voor Christus, na de ontwikkeling van meer geavanceerde aardewerkovens, die veel hogere temperaturen kunnen produceren dan bij eenvoudige open vuren kon worden bereikt.
• Legering productie. Dit is het proces waarbij verschillende metalen worden gemengd terwijl ze zich in een gesmolten toestand bevinden. Het begon rond 3300 voor Christus. (het begin van de Bronstijd), met de eerste productie van brons - een mengsel van koper en tin dat veel harder en duurzamer is dan elk van zijn componenten.
• Extraction. Met verdere verbeteringen in oventechnologie en het daaropvolgende vermogen om hogere temperaturen te bereiken, werden technieken ontwikkeld die de extractie van metalen uit erts mogelijk maakten. Het werd voor het eerst gedaan met ijzer in het Midden-Oosten rond 1500 voor Christus - het begin van de IJzertijd.
• Smelten, legering en winning werden door oude volkeren in Europa, Azië, Zuid-Amerika en tot ver in het noorden van Mexico beoefend, maar niet in de rest van Noord-Amerika of in Australië, totdat Europeanen arriveerden. Deze eenvoudige processen blijven de basis van wat waarschijnlijk de grootste en meest succesvolle industrie in de menselijke geschiedenis is: de metaalindustrie.

IJZER

IJzer is het meest voorkomende metaal op aarde. Maar zoals bij de meeste metalen, is het lastig om erbij te komen, omdat het zelden wordt aangetroffen in een pure staat van de natuur. Het komt het meest voor in ijzeroxiden - moleculen bestaande uit ijzer en zuurstof, die in ijzererts worden gevonden vermengd met gesteente. Om het ijzer te krijgen, moet je de zuurstof en de rots verwijderen. Dit is het meest gebruikte proces van vandaag:

• Bereiding: na het ontginnen wordt ijzererts tot poeder vermalen. Enorme magnetische trommels worden vervolgens gebruikt om ijzerarm te scheiden van ijzerhoudend erts. (Het ijzerrijke erts kleeft aan de trommels, de rest valt weg.) Het ijzerrijke poeder wordt met klei vermengd en in pellets van marmerformaat gemaakt, die vervolgens door verhitting worden gehard. Dat zorgt voor een efficiëntere verbranding tijdens de volgende stap, smelten.
• Smelten: De pellets worden in een oven gesmolten samen met cokeskolen die tot bijna pure koolstof- en kalksteen zijn verwerkt. De intense hitte breekt de ijzer-zuurstofbindingen in het erts, waarbij de zuurstof vrijkomt als gas, dat zich bindt met koolstofgas dat vrijkomt uit de brandende cokes om CO2 (koolstofdioxide) te vormen. De CO2 ontsnapt uit de bovenkant van de oven en het ijzer, nu vrij van de zuurstof, smelt (bij ongeveer 2800 ° F) en verzamelt zich op de bodem van de oven. De kalk smelt ook en bindt zich aan onzuiverheden om gesmolten afval te vormen dat slak wordt genoemd.Slak is lichter dan ijzer en wordt continu van de bovenkant van de oven verwijderd.
• Resultaat: Het product van dit proces is het gietijzer van de ijzeren legering. Het heeft een relatief hoog koolstofgehalte van ongeveer 5 procent, waardoor het erg bros is en ruwijzer daarom meestal nutteloos is, behalve bij de vervaardiging van andere ijzerlegeringen, vooral staal.

STAAL

Vandaag gaat ongeveer 98 procent van het wereldwijd geproduceerde ruwijzer naar de productie van staal, het meest gebruikte metaal of legering in de geschiedenis. Het proces begint met het gieten van gesmolten ruwijzer in staalovens, waar het wordt behandeld om resterende verontreinigingen te verwijderen en om het koolstofgehalte te verlagen tot tussen 0,1 en 2 procent. Dat is een van de belangrijkste kenmerken van staal: op een paar van de honderden verschillende staalsoorten bevatten alle koolstof op deze niveaus. Dat vermindert de broosheid, terwijl de kracht en hardheid toenemen. Afhankelijk van het type staal dat wordt gemaakt, worden vervolgens verschillende elementen aan het mengsel toegevoegd. Twee voorbeelden:

• Mangaanstaal of mangalloy, is ongeveer 13 procent mangaan, wat resulteert in dat het extreem slagvast is. Dat maakt mangalloy populair voor gebruik in mijnbouwgereedschap, rots verpletterende uitrusting en pantserbeplating voor militaire voertuigen.
• Roestvast staal is eigenlijk een naam voor een breed scala aan staalsoorten, maar ze hebben allemaal één ding gemeen: chroom, van ongeveer 10 tot 30 procent, afhankelijk van het type. Het chroom op het oppervlak van roestvrij staal bindt zich met zuurstof in de lucht om een laag chroomoxide te vormen, wat roestvrij staal zijn zeer harde, glanzende uiterlijk geeft en het bestand maakt tegen corrosie. En als het beschadigd of getekend is, bindt het chroom opnieuw aan met zuurstof en vormt zich een nieuwe laag - dus het is zelfherstellend. Roestvast staal wordt gebruikt in een breed scala van producten, van keukengerei tot chirurgische apparatuur tot beeldhouwwerken buitenshuis. (Het is ook 100% recyclebaar.)

ALUMINIUM

Het meest voorkomende erts dat wordt gebruikt voor de productie van aluminium is bauxiet, een kleiachtige substantie die voor ongeveer 50% bestaat uit aluminiumoxide-aluminium gebonden aan zuurstof. Net als bij ijzer, betekent reizen naar het aluminium dat je de zuurstof en de mineralen in het erts kwijt raakt. Het proces is veel gecompliceerder dan ijzerwinning en werd pas eind negentiende eeuw ontwikkeld. (Aluminium werd pas in 1808 als uniek element geïdentificeerd.) Het eerste deel van het systeem dat tegenwoordig het meest wordt gebruikt, is het Bayer-proces, genoemd naar de Oostenrijkse chemicus Karl Bayer, die het in 1877 uitvond.

Het Bayer-proces: Bauxiet wordt gewonnen en gemalen, vervolgens gemengd met water en loog en in tanks verwarmd. Deze hitte en loog zorgen ervoor dat het aluminiumoxide in het erts in het water oplost, terwijl onzuiverheden naar de bodem zinken. Het aluminiumrijke water wordt vervolgens afgezogen en gefilterd om verdere onzuiverheden te verwijderen en vervolgens in enorme neerslagtanks gepompt, waar het water weg kan neerslaan. Wat overblijft is een wit kristallijn poeder dat voor ongeveer 99% uit alumina bestaat. De kristallen worden gewassen en toegestaan te drogen.

De volgende stap staat bekend als het Hall-Héroult-proces, genoemd naar de twee chemici die het ontwikkelden - onafhankelijk van elkaar - in 1886. Bij dit proces worden de aluminiumoxidekristallen (samen met mineralen die helpen bij de afbraak van aluminiumoxide) gesmolten op ongeveer 1760 ° F in stalen vaten. Maar dat is niet genoeg om de aluminium-zuurstofbindingen in het aluminiumoxide te verbreken; ze zijn veel sterker dan ijzer-zuurstofverbindingen. Er wordt dus een krachtige elektrische stroom door het gesmolten materiaal gestuurd, waardoor de verbindingen breken. De zuurstof komt vrij als gas en wordt aangetrokken door koolstofstaven die boven het gesmolten mengsel zijn opgehangen, waar het zich met koolstof bindt om CO2-gas te vormen (net als in het ijzersmeltproces). Het vrijgekomen aluminium smelt en verzamelt zich op de bodem van de pot. Op dit moment is het 99,8% zuiver aluminium.

Aluminium wordt in een breed scala van toepassingen gebruikt, in zuivere vorm (aluminiumfolie is gemaakt van bijna zuiver aluminium) en vaker in legeringen, gemengd met elementen zoals silicium, koper en zink. Sommige zijn sterker dan staal en hebben als bijkomend voordeel dat ze veel lichter zijn. Veel voorkomende toepassingen zijn onder meer in kookgerei, frisdrankblikjes en automotorblokken.

PLATINA

Platina is een glanzend, zilver-wit metaal dat zeer zeldzaam is en enkele unieke eigenschappen heeft: het is een van de dichtste metalen, maar het is zeer kneedbaar; het is buitengewoon bestendig tegen corrosie door temperatuur, roest of blootstelling aan materialen zoals zuren; en het heeft een zeer hoog smeltpunt van 3.215 ° F (het smeltpunt van goud is slechts 1.064 ° en ijzer is 1.535 °.) Platina bestaat in zuivere vorm in de natuur, maar het wordt vaker gevonden in combinatie met andere elementen, waaronder zuurstof, koper en nikkel. Meer dan 90 procent van het platina dat in de wereld wordt gedolven, is afkomstig van slechts vier locaties: drie in Rusland en één in Zuid-Afrika. De productie is vrij ingewikkeld.

Meer dan tien ton erts moet worden gedolven om een ounce platina te maken. Een korte beschrijving van het proces is als volgt:

• Erts wordt gedolven, verpletterd tot poeder en gemengd met water en chemicaliën. Lucht wordt door de mix geblazen, waardoor er bellen ontstaan - waaraan de kleine platinadeeltjes plakken. De bubbels stijgen naar het oppervlak van de tank en creëren een zeepachtig schuim. Het schuim wordt verzameld, gedroogd en gesmolten bij temperaturen boven 2700 ° F. De zwaardere deeltjes - de metalen - zinken naar de bodem van de oven. Lichtere onzuiverheden verzamelen zich op het gesmolten metaal en worden verwijderd. Gecompliceerde chemische processen worden dan gebruikt om het platina te scheiden van koper, nikkel en andere metalen die nog steeds aanwezig zijn, tot uiteindelijk zuiver platina wordt verkregen.

SHINY BITS

• IJzererts wordt in een hoogoven gesmolten: oververhitte lucht tot 2200 ° F wordt in de oven "gestraald", waardoor het veel heter brandt dan het anders zou kunnen. Een typische hoogoven in een staalfabriek loopt 24 uur per dag, 365 dagen per week, tot 20 jaar, voordat hij moet worden vervangen.
• Zuiver staal is erg gevoelig voor roest. Gegalvaniseerd staal is staal bedekt met zink-dat is zeer bestendig tegen roest.
• Een belangrijk chemisch ingrediënt in robijnen, smaragden en saffieren: aluminium.
• Waarvoor wordt het grootste deel van het uiterst zeldzame metaalplatina gebruikt? Katalysatoren - de apparaten op auto's die worden gebruikt om uitlaat te reinigen. Platina is een uitzonderlijk goede katalysator: het helpt bij de omzetting van giftige gassen in uitlaatgassen, zoals koolmonoxide, in niet-giftige gassen.
• Het is een mythe dat er onder de indianen geen metaalbewerking plaatsvond. Veel stammen hadden zelfs een lange traditie van koperbewerking, vooral rond de Grote Meren, waar het metaal van nature overvloedig was.
• Alle in de geschiedenis gewonnen platina zou in een gemiddelde thuiskelder kunnen passen.