Làm thế nào kim loại được thực hiện

2023 Tác giả: Darleen Leonard | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-05-26 18:28

Bạn có một chiếc nhẫn trên ngón tay của bạn? Nó được làm từ vàng, bạc, bạch kim, hay một kim loại tự nhiên khác? Sau đó suy nghĩ về điều này: Kim loại trong chiếc nhẫn trên ngón tay của bạn lớn hơn hành tinh bạn đang đứng.

" KIM LOẠI" LÀ GÌ?

Nói một cách khoa học, kim loại là các nguyên tố hóa học tự nhiên thường cứng, bóng và dây dẫn tốt cả nhiệt và điện. Ví dụ như sắt, vàng, bạc, đồng, kẽm, niken, v.v., nhưng cũng là các yếu tố mà chúng ta thường không nghĩ là kim loại. Một là natri - một kim loại chúng ta thường xuyên ăn: Natri là một kim loại màu trắng bạc mềm, thường liên kết với nguyên tố clo để tạo thành natri clorua, hoặc muối thông thường.

Một loại khác là astatine, được phát hiện vào năm 1940 trong một phòng thí nghiệm, nơi nó được tạo ra nhân tạo. Nó không được phát hiện trong tự nhiên cho đến năm 1943. Astatine có tính phóng xạ cao, và chỉ một ounce duy nhất của nó được cho là tồn tại - trên tổng số - trên Trái Đất. Trong số 118 nguyên tố hóa học đã biết, 88 trong số đó là kim loại.

REAL ALCHEMY

Vậy, tất cả những kim loại này đến từ đâu? Dưới đây là giải thích rất đơn giản:

Tất cả các nguyên tố, kể cả kim loại, đều được tạo ra từ cùng một thứ: nguyên tử nguyên tử - electron, neutron và proton. Các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau có thể được phân biệt với nhau bằng số proton chúng chứa. (Số lượng neutron và electron có thể thay đổi ngay cả trong các nguyên tử của cùng một nguyên tố.) Ví dụ, một nguyên tử hydro chỉ chứa một proton. Một nguyên tử vàng có 79. Điều này đúng với mỗi một trong vô số nguyên tử hydro và vàng trong vũ trụ.

Nếu bạn có thể tìm cách kết hợp 79 nguyên tử hydro với nhau thành một nguyên tử, bạn sẽ có một nguyên tử với 79 proton, và do đó bạn sẽ có một nguyên tử vàng. Và đó gần như chính xác những gì xảy ra … ngoại trừ nó xảy ra bên trong các ngôi sao.

CÓ MÀU VÀNG TRONG NHỮNG NGÔI SAO

Khoảng 13,7 tỷ năm trước, vật chất đầu tiên xuất hiện dưới dạng nguyên tử của hai nguyên tố nhẹ nhất: hydro, với một proton và helium, với hai. Họ vẫn còn, cho đến nay, các yếu tố phong phú nhất trong vũ trụ.

Sau nhiều triệu năm, những nguyên tử hydrogen và helium đầu tiên thu thập được trong các đám mây bụi và khí quá lớn họ sẽ phải được đo bằng năm ánh sáng (1 năm ánh sáng = 6 nghìn tỷ dặm hoặc 9,5 nghìn tỷ km). Những đám mây cuối cùng đã đưa vào trọng lực khổng lồ của riêng mình và sụp đổ, tạo thành các ngôi sao đầu tiên. Và các ngôi sao là các tàu khu trục nguyên tử - đủ nóng để phá vỡ các nguyên tử hydro và heli đó, và kết hợp các bit lại với nhau, tạo lại chúng thành các nguyên tử lớn hơn với các nguyên tố nặng hơn khác nhau.

Ví dụ, nếu bạn kết hợp hai nguyên tử hydro với nhau, bạn có một nguyên tử với hai proton - hoặc helium. Hợp nhất ba hydro với nhau và bạn nhận được một nguyên tử với ba proton - lithium, kim loại đầu tiên và nhẹ nhất. Kết hợp ba heli với nhau và bạn nhận được một nguyên tử với sáu proton - carbon. Đây là những gì đang xảy ra trong tất cả các ngôi sao bạn nhìn thấy trên bầu trời vào ban đêm. Trong quy trình lớn, quy trình có thể dẫn đến việc sản xuất các nguyên tố nặng hơn và nặng hơn, bao gồm các kim loại như titan (22 proton) và sắt (26 proton). Nếu chúng đặc biệt lớn, chúng có thể tạo ra các kim loại nặng nhất, chẳng hạn như vàng (79 proton) và uranium (92 proton). Đây là một trong những điều ngôi sao làm, và đó là cách tất cả các yếu tố - bao gồm tất cả những kim loại sáng bóng đó - được hình thành trong tự nhiên.

Bây giờ, làm thế nào họ có được ở đây?

XUỐNG ĐẾN EARTH

Trong vài tỷ năm đầu tiên sau vụ nổ Big Bang, hàng tỷ và hàng tỷ ngôi sao được sinh ra, theo cách chúng ta vừa mô tả. Nhiều sao khổng lồ (lớn gấp hàng trăm lần mặt trời của chúng ta) và các ngôi sao lớn sống tương đối ngắn - chỉ vài triệu năm trong một số trường hợp (các sao nhỏ hơn có thể sống hàng tỉ năm) - và sau đó chết do nổ như siêu tân tinh.

Và khi những ngôi sao khổng lồ này bùng nổ hàng tỉ năm trước, họ đã trục xuất những yếu tố nặng nề mà họ đã tạo ra, đưa chúng vào vũ trụ. Họ đã có, để đặt nó một cách, "gieo hạt" vũ trụ với các yếu tố, bao gồm cả kim loại. Và siêu lớn, không thể hiểu được số tiền của nó - hàng tỷ tỷ và hàng tỷ tỷ megatons của nó. Điều đó có nghĩa là khi các ngôi sao mới được hình thành sau đó - chúng đã được "gieo hạt" với các kim loại bị bỏ lại bởi những siêu tân tinh đó.

Một trong những người sau này, những ngôi sao kim loại giàu có là mặt trời của chúng ta. Xem nhanh câu chuyện đó:

Khoảng 4,5 tỷ năm trước, một đám mây bụi và khí khổng lồ vũ trụ, được gieo hạt với nhiều nguyên tố nặng hơn, bị sụp đổ, bắt đầu quá trình hình thành một ngôi sao mới.
Hầu hết hydro và helium trong đám mây trở thành một phần của ngôi sao mới hình thành. Phần còn lại của bụi và khí, bao gồm các kim loại, tích lũy trong một khối lượng nóng chảy, quay xung quanh ngôi sao mới. Chuyển động quay đã làm phẳng khối lượng (bột bánh pizza quay hình) thành một đĩa quay nóng chảy.
Qua hàng triệu năm, khi đĩa được làm lạnh, các bit của nó tụ lại với nhau ở đây và ở đó, và những khối đó trở thành các hành tinh trong hệ mặt trời của chúng ta. Và các kim loại trong bụi? Chúng trở thành tất cả các kim loại được tìm thấy trong tất cả các hành tinh, kể cả của chúng ta.

Chia sẻ của chúng tôi: Trái đất có rất nhiều kim loại. Gần một phần ba khối lượng của hành tinh là sắt nguyên tố, phần lớn trong số đó nằm trong lõi của hành tinh.14% khác là magiê, 1,5% là niken và 1,4% là nhôm. Đó là 49 phần trăm của hành tinh. Các kim loại còn lại của trái đất, bao gồm các kim loại “quý” như vàng, bạc, bạch kim và palladium, chỉ tồn tại với số lượng nhỏ. Phần còn lại - phần phi kim loại - khoảng 30% oxy và 15% silicon, cùng với một lượng nhỏ các nguyên tố phi kim loại khác.

NHÌN! SÁNG BÓNG!

Trong ít nhất vài triệu năm, con người và tổ tiên của họ sử dụng các công cụ được làm từ những vật liệu như gỗ, xương và đá, để giúp cuộc sống của họ dễ dàng hơn một chút. Nó đã không làm cho cuộc sống của họ dễ dàng hơn nhiều: Homo sapiens là những người săn lùng và thu thập du mục du mục tương đối nguyên thủy cho hầu hết sự tồn tại của họ. Sau đó, khoảng 10.000 năm trước, họ bắt đầu khám phá cách để làm việc với một vật liệu “mới”: kim loại.

Các kim loại đầu tiên được con người sử dụng là những kim loại mà các thợ kim hoàn đầu tiên không phải làm rất nhiều để làm cho chúng có thể sử dụng được. Đây là những kim loại tự nhiên - kim loại xuất hiện trong tự nhiên ở trạng thái tinh khiết, hoặc được pha trộn tự nhiên với các nguyên tố khác theo cách duy trì tính chất có thể sử dụng của chúng. Chúng bao gồm đồng, thiếc, chì, bạc và vàng.

Ai đó có thể đã tìm thấy những cốm của những kim loại này trong một dòng suối, hoặc trong rễ của một cây đã khai quật, và nghĩ rằng chúng hấp dẫn. Họ có thể đã đập chúng bằng búa đá và thấy rằng chúng có thể định hình chúng. Điều đó có thể dẫn đến kim loại được sử dụng trong đồ trang sức hoặc đồ trang sức, hoặc để chế tạo các dụng cụ bằng kim loại và vũ khí như rìu, dao và kiếm - một sự cải tiến lớn so với các dụng cụ bằng đá cũ. Tất cả điều này cuối cùng đã dẫn đến những người tích cực tìm kiếm kim loại nhiều hơn, thành lập các mỏ, kinh doanh kim loại giữa các dân tộc khác nhau và sự ra đời của ngành công nghiệp kim loại. Tuy nhiên nó đã xảy ra - nó đã xảy ra ở nhiều địa điểm trên khắp thế giới.

METALLURGY

Bắt đầu từ khoảng 8.000 năm trước, mọi người bắt đầu phát hiện ra rằng họ có thể thay đổi kim loại. Họ có thể đã phát hiện ra nó một cách tình cờ, hoặc có lẽ mọi người chỉ sáng tạo, hoặc có thể đó là sự kết hợp của cả hai. Trong mọi trường hợp, các quy trình mới được phát triển để thay đổi kim loại, sau đó tạo ra các kim loại hoàn toàn mới không tồn tại trong tự nhiên - với những cải tiến lớn về chất lượng. Trong vài nghìn năm tới, việc khai thác và chế biến kim loại trở nên không thể thiếu đối với hầu hết các nền văn hóa trên Trái Đất, và kim loại trở thành một trong những chất thay đổi văn minh nhất trong lịch sử loài người. Mỗi quy trình mới này đều có liên quan đến hỏa hoạn và có khả năng thử nghiệm với một quy trình được dẫn trực tiếp đến lần tiếp theo. Những tiến bộ quan trọng nhất:

Ủi. Đây chỉ đơn giản là quá trình nung nóng kim loại cho đến khi nó có màu đỏ anh đào. Điều này phục hồi kim loại cũ, giòn đến trạng thái dễ uốn ban đầu của nó, cho phép nó được làm lại và kéo dài khả năng sử dụng của nó. Ủ có thể được thực hiện ở nhiệt độ tương đối thấp (đồng có thể được ủ trong lửa trại). Nó được thực hiện lần đầu vào khoảng năm 6000 trước Chúa, ở đâu đó ở Trung Đông, và có thể ở châu Âu và Ấn Độ cùng một lúc.
Luyện kim. Trong quá trình này, kim loại được tan chảy thành trạng thái lỏng, cung cấp nhiều tự do hơn để định hình chúng thành các dạng khác nhau. Kim loại đầu tiên được nung chảy vào khoảng năm 5000 trước Công nguyên, sau khi phát triển các lò gốm tiên tiến hơn, có thể tạo ra nhiệt lượng cao hơn nhiều so với các lò nung mở đơn giản.
Sản xuất hợp kim. Đây là quá trình trộn các kim loại khác nhau trong khi chúng ở trạng thái nóng chảy. Nó bắt đầu vào khoảng năm 3300 trước Chúa (sự khởi đầu của thời đại đồ đồng), với việc sản xuất đồng đầu tiên - một hỗn hợp của đồng và thiếc đó là khó khăn hơn và bền hơn nhiều so với một trong các thành phần của nó.
Khai thác. Với những cải tiến hơn nữa trong công nghệ lò nung và khả năng tiếp theo để đạt được nhiệt độ cao hơn, các kỹ thuật đã được phát triển cho phép khai thác kim loại từ quặng. Lần đầu tiên nó được làm bằng sắt ở Trung Đông vào khoảng năm 1500 trước Công nguyên - đánh dấu sự khởi đầu của Thời kỳ đồ sắt.
Việc luyện kim, sản xuất hợp kim và khai thác được thực hiện bởi những người cổ đại ở châu Âu, châu Á, Nam Mỹ, và xa về phía bắc như Mexico, nhưng không phải ở phần còn lại của Bắc Mỹ, hoặc ở Úc, cho đến khi người châu Âu đến. Những quy trình đơn giản này vẫn là nền tảng cho những gì có thể là ngành công nghiệp lớn nhất và thành công nhất trong lịch sử nhân loại: ngành công nghiệp kim loại.

BÀN LÀ

Sắt là kim loại phong phú nhất trên Trái Đất. Nhưng giống như hầu hết các kim loại, việc làm cho nó trở nên phức tạp, bởi vì nó hiếm khi được tìm thấy trong một trạng thái thuần khiết trong tự nhiên. Nó phổ biến nhất tồn tại trong sắt oxit - phân tử gồm sắt và oxy, được tìm thấy trộn lẫn với đá trong quặng sắt. Để lấy sắt, bạn phải loại bỏ oxy và đá. Đây là quy trình phổ biến nhất được sử dụng hôm nay:

Chuẩn bị: Sau khi khai thác, quặng sắt được nghiền thành bột. Trống từ khổng lồ sau đó được sử dụng để tách sắt nghèo từ quặng giàu sắt. (Quặng giàu sắt dính vào trống, phần còn lại rơi đi.) Bột giàu sắt được trộn lẫn với đất sét và được làm thành viên đá có kích thước bằng đá cẩm thạch, sau đó được gia nhiệt bằng nhiệt. Điều đó cho phép đốt cháy hiệu quả hơn trong bước tiếp theo, luyện kim.
Luyện kim: Bột viên được nấu chảy trong lò nung cùng với than cốc - than đã được chế biến thành carbon và đá vôi gần như nguyên chất. Nhiệt độ cao phá vỡ các liên kết sắt-oxy trong quặng, giải phóng oxy như khí, liên kết với khí cacbon được giải phóng từ than cốc cháy để tạo thành CO2 (carbon dioxide). Khí CO2 thoát ra từ đỉnh lò, và sắt, bây giờ không có oxy, tan chảy (ở khoảng 2.800 ° F) và thu thập ở đáy lò. Đá vôi cũng tan chảy và liên kết với tạp chất để tạo thành chất thải nóng chảy được gọi là xỉ.Xỉ nhẹ hơn sắt, và nó liên tục bị loại bỏ khỏi đỉnh lò.
Kết quả: Sản phẩm của quá trình này là gang sắt hợp kim sắt. Nó có hàm lượng carbon tương đối cao khoảng 5%, làm cho nó trở nên rất giòn, và do đó gang là chủ yếu vô dụng ngoại trừ việc sản xuất các hợp kim sắt khác, đặc biệt là thép.

THÉP

Ngày nay, khoảng 98% sản lượng gang được sản xuất trên toàn thế giới đi vào sản xuất thép, hợp kim kim loại hoặc kim loại được sử dụng rộng rãi nhất trong lịch sử. Quá trình này bắt đầu bằng cách rót gang nóng chảy vào lò luyện thép, nơi nó được xử lý để loại bỏ bất kỳ tạp chất còn lại nào, và để giảm hàm lượng cacbon từ 0,1 đến 2%. Đó là một trong những đặc điểm chính của thép: Tất cả, nhưng rất ít trong số hàng trăm loại thép khác nhau có chứa cacbon ở các cấp độ này. Điều đó làm giảm độ giòn, trong khi tăng sức mạnh và độ cứng. Tùy thuộc vào loại thép được tạo ra, các yếu tố khác nhau sau đó được thêm vào hỗn hợp. Hai ví dụ:

Thép mangan, hoặc mangalloy, có khoảng 13% mangan, kết quả là nó có khả năng chịu va đập rất cao. Điều đó làm cho mangalloy phổ biến để sử dụng trong các công cụ khai thác mỏ, thiết bị nghiền đá, và áo giáp mạ cho xe quân sự.
Thép không gỉ thực sự là một tên cho một loạt các loại thép, nhưng tất cả đều có một điểm chung: crôm, từ khoảng 10 đến 30 phần trăm, tùy thuộc vào loại. Crom trên bề mặt của các liên kết bằng thép không gỉ với oxy trong không khí tạo thành một lớp ôxít crom, là thứ mang lại cho thép không gỉ hình dạng rất cứng, sáng bóng của nó và làm cho nó chống ăn mòn. Và nếu nó bị hư hỏng hoặc bị sẹo, crom liên kết lại với oxy, và một dạng lớp mới - vì vậy nó tự sửa chữa. Thép không gỉ được sử dụng trong nhiều loại sản phẩm, từ đồ dùng nhà bếp đến thiết bị phẫu thuật để điêu khắc ngoài trời. (Nó cũng có thể tái chế 100%.)

NHÔM

Quặng phổ biến nhất được sử dụng để sản xuất nhôm là bô xít, một chất đất sét khoảng 50% alumina - nhôm liên kết với oxy. Như với sắt, nhận được nhôm có nghĩa là loại bỏ oxy và các khoáng chất trong quặng. Quá trình này phức tạp hơn nhiều so với việc khai thác sắt và chỉ được phát triển vào cuối những năm 1800. (Nhôm chỉ được xác định là một nguyên tố duy nhất vào năm 1808.) Phần đầu tiên của hệ thống được sử dụng phổ biến nhất hiện nay được gọi là quá trình Bayer, được đặt tên theo nhà hóa học người Áo Karl Bayer, người đã phát minh ra nó vào năm 1877.

Quá trình Bayer: Bauxite được khai thác và nghiền nát, sau đó trộn với nước và dung dịch kiềm, và đun nóng trong bể. Nhiệt và dung dịch kiềm này gây ra alumina trong quặng hòa tan trong nước, trong khi các tạp chất chìm xuống đáy. Sau đó, nước giàu alumina được tách ra và lọc để loại bỏ các tạp chất khác, sau đó bơm vào các bể chứa lớn, nơi nước được phép kết tủa. Phần còn lại là bột tinh thể màu trắng có khoảng 99% alumina. Các tinh thể được rửa sạch và để khô.

Bước tiếp theo được gọi là quá trình Hall-Héroult, được đặt tên cho hai nhà hóa học đã phát triển nó - độc lập với nhau - vào năm 1886. Trong quá trình này, tinh thể alumina (cùng với các khoáng chất hỗ trợ sự phân hủy alumina) được nấu chảy vào khoảng 1.760 ° F trong thùng thép. Nhưng đó là không đủ để phá vỡ các liên kết nhôm-oxy trong alumina; chúng mạnh hơn nhiều so với liên kết sắt-oxy. Vì vậy, một dòng điện mạnh mẽ được gửi qua vật liệu nóng chảy - và điều đó làm cho các liên kết bị vỡ. Oxy được giải phóng dưới dạng khí, và bị thu hút bởi các thanh carbon bị treo trên hỗn hợp nóng chảy, nơi nó liên kết với cacbon để hình thành khí CO2 (giống như trong quá trình nung chảy sắt). Nhôm giải phóng tan chảy và thu thập ở đáy nồi. Tại thời điểm này nó là 99,8% nhôm nguyên chất.

Nhôm được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, ở dạng nguyên chất (nhôm được làm từ nhôm gần như nguyên chất) và phổ biến hơn trong các hợp kim, được trộn với các nguyên tố như silicon, đồng và kẽm. Một số là mạnh hơn thép, và có thêm lợi ích là nhẹ hơn nhiều. Sử dụng phổ biến bao gồm trong đồ nấu nướng, lon nước giải khát, và khối động cơ ô tô.

PLATINUM

Bạch kim là một kim loại màu trắng bạc sáng bóng, rất hiếm và có một số phẩm chất độc đáo: Đó là một trong những kim loại dày nhất, nhưng nó rất dễ uốn; nó là cực kỳ khả năng chống ăn mòn bởi nhiệt độ, rỉ sét, hoặc tiếp xúc với các vật liệu như axit; và nó có điểm nóng chảy rất cao là 3.215 ° F (điểm nóng chảy của vàng chỉ là 1,064 °, và sắt là 1,535 °.) Bạch kim tồn tại ở dạng tinh khiết trong tự nhiên, nhưng nó thường được tìm thấy với các nguyên tố khác, bao gồm oxy, đồng và niken. Hơn 90% bạch kim được khai thác trên thế giới ngày nay đến từ bốn địa điểm: ba ở Nga và một ở Nam Phi. Sản xuất khá phức tạp.

Hơn mười tấn quặng phải được khai thác để tạo ra một ounce bạch kim. Mô tả ngắn gọn về quy trình này như sau:

Quặng được khai thác, nghiền thành bột và trộn với nước và hóa chất. Không khí được thổi qua hỗn hợp, tạo ra bong bóng - mà các hạt bạch kim nhỏ dính vào. Các bong bóng tăng lên bề mặt của bể, tạo ra một bọt xà phòng. Bọt được thu thập, sấy khô và nung chảy ở nhiệt độ trên 2.700 ° F. Các hạt nặng hơn - các kim loại - chìm xuống đáy lò. Các tạp chất nhẹ hơn thu thập trên đầu kim loại nóng chảy và được loại bỏ. Các quá trình hóa học phức tạp sau đó được sử dụng để tách bạch kim khỏi bất kỳ đồng, niken và các kim loại khác vẫn còn hiện diện, cho đến khi, cuối cùng, thu được bạch kim tinh khiết.

SHINY BITS

Quặng sắt được nấu chảy trong lò cao: Không khí nóng lên tới 2.200 ° F - được "thổi" vào lò, khiến cho nó cháy nóng hơn nhiều so với khi có thể. Một lò cao điển hình tại một nhà máy thép chạy trong 24 giờ một ngày, 365 ngày một tuần, lên đến 20 năm, trước khi nó phải được thay thế.
Thép nguyên chất rất dễ bị rỉ sét. Thép mạ kẽm là thép phủ kẽm - rất có khả năng chống gỉ.
Một thành phần hóa học chính trong hồng ngọc, ngọc lục bảo và ngọc bích: nhôm.
Kim loại bạch kim cực kỳ hiếm được sử dụng để làm gì? Thiết bị chuyển đổi xúc tác - thiết bị trên ô tô được sử dụng để làm sạch khí thải. Bạch kim là một chất xúc tác đặc biệt tốt: nó hỗ trợ trong việc chuyển đổi khí độc trong khí thải, chẳng hạn như carbon monoxide, thành các loại khí không độc hại.
Đó là một huyền thoại rằng không có kim loại trong số người Mỹ bản địa. Nhiều bộ tộc thực sự có truyền thống lâu đời của đồng làm việc, đặc biệt là xung quanh Great Lakes, nơi mà kim loại được tự nhiên phong phú.
Tất cả các bạch kim khai thác trong lịch sử có thể phù hợp với một tầng hầm trung bình nhà.