Logo sk.emedicalblog.com

Ako sa vyrábajú kovy

Ako sa vyrábajú kovy
Ako sa vyrábajú kovy

Sherilyn Boyd | Editor | E-mail

Video: Ako sa vyrábajú kovy

Video: Ako sa vyrábajú kovy
Video: Ako sa vyrábajú televízory? Boli sme priamo pri ich výrobe 2024, Marec
Anonim
Image
Image

Máte prsteň na prst? Je vyrobený zo zlata, striebra, platiny alebo iného prírodného kovu? Potom sa zamyslite nad tým: Kov v tomto prstenci na prstoch je starší ako planéta, na ktorej stojíte.

ČO JE "KOV"?

Z vedeckého hľadiska sú kovmi prirodzene sa vyskytujúce chemické prvky, ktoré sú zvyčajne tvrdé, lesklé a dobré vodiče tepla aj elektriny. Príklady zahŕňajú železo, zlato, striebro, meď, zinok, nikel atď., Ale aj prvky, o ktorých normálne nepovažujeme kovy. Jedným z nich je sodík - kov, ktorý pravidelne požívame: sodík je mäkký, striebristý biely kov, ktorý bežne viaže s prvkom chlóru za vzniku chloridu sodného alebo obyčajnej soli.

Ďalším je astatín, ktorý bol objavený v roku 1940 v laboratóriu, kde bol umelo vytvorený. To nebolo objavené v prírode až do roku 1943. Astatín je vysoko rádioaktívny a predpokladá sa, že iba jedna uncia je celkom na Zemi. Zo 118 známych chemických prvkov je 88 z nich kovov.

REAL ALCHEMY

Tak, odkiaľ pochádzajú všetky tieto kovy? Tu je veľmi zjednodušené vysvetlenie:

Všetky prvky, vrátane kovov, sú vyrobené z rovnakých látok: atómový materiál - elektróny, neutróny a protóny. Atómy rôznych prvkov sa môžu odlíšiť od počtu protónov, ktoré obsahujú. (Počet neutrónov a elektrónov sa môže meniť aj medzi atómami toho istého prvku.) Napríklad atóm vodíka obsahuje len jeden protón. Atóm zlata má 79. To platí pre každý z nespočetných atómov vodíka a zlata vo vesmíre.

Ak by ste našli spôsob, ako naraziť 79 atómov vodíka do jedného atómu, mali by ste mať atóm s 79 protónmi, a preto by ste mali zlatý atóm. A to je takmer presne to, čo sa stane … okrem toho, že sa to deje vo vnútri hviezd.

V nich je zlato a hviezdy

Zhruba pred 13,7 miliardami rokov sa hmotnosť najskôr objavila vo forme atómu dvoch najľahších prvkov: vodík s jedným protónom a hélium s dvoma. Zostávajú zďaleka najväčšie prvky vo vesmíre.

Po mnohých miliónoch rokov sa tie prvé atómy vodíka a hélia zhromažďovali v oblakoch prachu a plynov tak veľkých, že by sa museli merať v svetelných rokoch (1 svetelný rok = 6 biliónov kilometrov alebo 9,5 biliónov kilometrov). Oblaky sa nakoniec vydali do svojej mimoriadnej gravitácie a zrútili sa a vytvorili prvé hviezdy. A hviezdy boli atomové torpédoborce - dostatočne horúce na rozbitie atómov vodíka a hélia a spájajú ich späť do obrobkov, premenili ich na väčšie atómy rôznych, ťažších prvkov.

Napríklad, ak spojíte dva atómy vodíka dohromady, máte atóm s dvoma protónmi - alebo héliom. Spojte tri vodíky dohromady a dostanete atóm s tromi protónmi - lítiom, prvým a najľahším kovom. Potiahnite tri hélium dohromady a dostanete atóm so šiestimi protónmi uhlíka. To je to, čo sa deje vo všetkých hviezd, ktoré vidíte na oblohe v noci. V masívnych procesoch môže dôjsť k výrobe ťažších a ťažších prvkov, vrátane kovov ako je titán (22 protónov) a železo (26 protónov). Ak sú obzvlášť masívne, môžu produkovať tie najťažšie kovy, ako je zlato (79 protónov) a urán (92 protónov). Toto je jedna z vecí, ktoré hviezdy robia, a tak sa všetky prírodné prvky - vrátane všetkých tých lesklých kovov - vytvárajú.

Ako sa sem dostali?

DOWN TO ZEMI

Počas niekoľkých prvých miliárd rokov po Veľkom tresku sa narodili miliardy a miliardy hviezd, ako sme práve opísali. Mnohé z nich boli mimoriadne masívne (stokrát väčšie ako naše slnko) a masívne hviezdy žijú pomerne krátky život - v niektorých prípadoch len niekoľko miliónov rokov (menšie hviezdy môžu žiť miliardy rokov) - a potom zomrie explodujúcimi ako supernovy.

A keď tieto masívne hviezdy explodovali pred miliardami rokmi, vyhnali ťažké prvky, ktoré vytvorili, a posielali ich do vesmíru. Mali to povedať jedným smerom, "nasadili" vesmír s prvkami, vrátane kovov. A supermassive, nemožné pochopiť množstvo - biliónov a biliónov a trilióny megatónov z toho. To znamená, že keď sa neskôr vytvorili nové hviezdy - už boli "naočkované" kovmi, ktoré zostali týmito supernovami.

Jednou z tých neskôr, hviezdy bohaté na kovy, bolo naše vlastné slnko. Rýchly pohľad na tento príbeh:

  • Asi pred 4,5 miliardami rokov sa zrútil obrovský kozmický oblak prachu a plynu, naočkovaný množstvom ťažších prvkov, a začal proces tvorby novej hviezdy.
  • Väčšina vodíka a hélia v oblaku sa stala súčasťou novovytvorenej hviezdy. Zvyšok prachu a plynu, vrátane kovov, nahromadené v roztavenej hmote, sa točí okolo novej hviezdy. Spriadací pohyb sploštil hmotu (obrázok sa otáčal pizzové cesto) do roztaveného, otáčavého disku.
  • V priebehu miliónov rokov, keď sa disky ochladzovali, sa tu a tam hromadili kúsky, a tie zhluky sa stali planétami v našej slnečnej sústave. A kovy v prachu? Stali sa všetkými kovmi, ktoré sa nachádzali na všetkých planétách, vrátane našich vlastných.

Naša časť: Zem má veľa kovu. Takmer tretina hmoty planéty je prvkom železa, väčšina z nich sa nachádza v jadre planéty.Ďalších 14 percent je horčík, 1,5 percenta niklu a 1,4 percent hliníka. To je 49 percent planéty. Zvyšok kovov Zeme, vrátane "drahých" kovov, ako je zlato, striebro, platina a paládium, existujú len v stopových množstvách. Zvyšok - nekovová časť - je asi 30 percent kyslíka a 15 percent kremíka spolu s menším množstvom iných nekovových prvkov.

POZOR! SHINY!

Najmenej niekoľko miliónov rokov ľudia a ich predkovia používali nástroje vyrobené z takých materiálov, ako sú drevo, kosť a skala, aby pomohli uľahčiť svoj život. Nebolo to oveľa jednoduchšie pre ich životy: Homo sapiens boli pomerne primitívne nomádské lovci a zberače takmer po celú svoju existenciu. Potom pred 10 000 rokmi začali objavovať spôsoby, ako pracovať s "novým" materiálom: kovom.

Prvé kovy používané ľuďmi boli tie, ktoré v ranom štádiu nemuseli robiť toľko, aby boli použiteľné. Ide o prírodné kovy - kovy, ktoré sa vyskytujú v prírode v čistom stave alebo sú prirodzene zmiešané s inými prvkami spôsobom, ktorý udržiava ich využiteľné vlastnosti. Zahŕňajú meď, cín, olovo, striebro a zlato.

Niekto mohol nájsť nugety z týchto kovov v potoku, alebo v koreňoch odkrytého stromu a myslel si, že sú atraktívne. Možno ich búchali kamennými kladivami a zistili, že ich môžu tvarovať. To mohlo viesť k použitiu kovov v šperkoch alebo ozdobách alebo k výrobe kovových nástrojov a zbraní ako sú osi, nože a meče - obrovské zlepšenie oproti starým kamenným nástrojom. To všetko nakoniec viedlo k tomu, že ľudia aktívne hľadali viac kovov, založenie baní, obchodovanie s kovmi medzi rôznymi národmi a vznik kovového priemyslu. Stalo sa to však - stalo sa to na mnohých miestach po celom svete.

METALURGIA

Počnúc pred 8 000 rokmi ľudia začali objavovať, že by mohli zmeniť kov. Mohli to objaviť náhodou, alebo možno ľudia boli len kreatívni, alebo možno to bola kombinácia oboch. V každom prípade boli vyvinuté nové procesy na zmenu kovov, potom na vytvorenie úplne nových, ktoré vôbec neexistovali v prírode - s obrovským zlepšením kvality. Počas niekoľkých nasledujúcich tisíc rokov sa baníctvo a kovoobrábanie stali integrálnou súčasťou väčšiny kultúr na Zemi a kov sa stal jednou z najpodstatnejších látok v ľudskej histórii. Každý z týchto nových procesov zahŕňal požiar a je pravdepodobné, že experimentovanie s jedným vedie priamo k ďalšiemu. Najdôležitejšie pokroky:

  • Žíhanie. To je jednoducho proces vykurovania kovu, kým nie je čerešňa červená. To obnovuje starý krehký kov do pôvodného tvarovateľného stavu, čo mu umožňuje prepracovať a predlžovať jeho využiteľnosť. Žíhanie sa môže vykonávať pri relatívne nízkych teplotách (meď môže byť žíhaná v táboráku). Prvýkrát to bolo vykonané niekedy okolo roku 6000 B.C., niekde na Blízkom východe a možno v Európe a Indii v rovnakom čase.
  • Tavenia. V tomto procese sa kovy roztavia do kvapalného stavu a ponúkajú oveľa väčšiu slobodu ich tvarovania do rôznych foriem. Kovy boli najprv tavené okolo 5000 rokov po rozvinutí pokročilejších keramických pecí, ktoré môžu produkovať oveľa vyššie teplo ako by sa dalo dosiahnuť jednoduchými otvorenými ohňami.
  • Výroba zliatin. Ide o proces miešania rôznych kovov, kým sú v roztavenom stave. Začalo sa to okolo roku 3300 B.C. (začiatok doby bronzovej) s prvou výrobou bronzu - zmesou medi a cínu, ktorá je oveľa ťažšia a odolnejšia ako ktorákoľvek z jej zložiek.
  • Extrakcie. S ďalšími vylepšeniami v technológii pece a následnou schopnosťou dosiahnuť vyššie teploty boli vyvinuté techniky, ktoré umožňovali extrakciu kovov z rudy. To bolo najprv vykonané so železom na Blízkom východe okolo 1500 B.C. - označenie začiatku doby železnej.
  • Tavenie, výroba a extrakcia zliatin boli vykonávané starými ľuďmi v Európe, Ázii, Južnej Amerike a ďaleko na severe ako Mexiko, ale nie v zvyšku Severnej Ameriky alebo v Austrálii, kým Európe neprišli. Tieto jednoduché procesy zostávajú základom toho, čo je pravdepodobne najväčším a najúspešnejším odvetvím ľudskej histórie: kovospracujúcim priemyslom.

IRON

Železo je najhojnejším kovom na Zemi. Ale ako väčšina kovov, dostať sa do toho je zložité, pretože je veľmi zriedkavo nájdené v čistom stave v prírode. Najčastejšie sa vyskytuje v oxidoch železa - molekulách zložených zo železa a kyslíka, ktoré sa nachádzajú v zmesi s horninou v železnej rude. Ak chcete získať žehličku, musíte sa zbaviť kyslíka a skaly. Tu je najbežnejší používaný proces:

  • Príprava: Po ťažení sa železná ruda rozdrví na prášok. Obrovské magnetické bubny sa potom používajú na oddelenie chudobných železo od železnej rudy. (Železa bohatá ruda sa prilepí na sudy, zvyšok odpadne.) Prášok bohatý na železo sa zmieša s hlinkou a spracuje sa na pelety s veľkosťou mramoru, ktoré sa potom tepelne vytvrdia. To umožňuje efektívnejšie spaľovanie v ďalšom kroku pri tavení.
  • Tavenie: Pelety sa tavia v peci spolu s koksárenským uhlím, ktoré sa spracúvali na takmer čistý uhlík a vápenec. Intenzívne teplo prerušuje v rude väzby železo a kyslík a uvoľňuje kyslík ako plyn, ktorý sa spája s uvoľňovaním uhlíkového plynu z horiaceho koksu za vzniku oxidu uhličitého. CO2 uniká z hornej časti pece a železo, ktoré je teraz bez kyslíka, sa roztopí (okolo 2800 ° F) a zhromažďuje sa v spodnej časti pece. Vápenec sa tiež roztaví a spojí s nečistotami, čím vznikne roztavený odpad známy ako troska.Troska je ľahšia ako železo a je nepretržite odstraňovaná z hornej časti pece.
  • Výsledok: Výrobkom tohto procesu je surové železo zo zliatiny železa. Obsahuje relatívne vysoký obsah uhlíka okolo 5%, čo spôsobuje, že je veľmi krehké, a preto surové železo je väčšinou zbytočné, s výnimkou výroby iných zliatin železa, najmä ocele.

STEEL

Dnes sa približne 98 percent surového železa vyrobeného na celom svete dostáva do výroby ocele, najrozšírenejšej kovovej alebo kovovej zliatiny v histórii. Proces začína nalievaním roztaveného surového železa do oceľových pecí, kde sa spracováva na odstránenie zvyšných nečistôt a na zníženie obsahu uhlíka na 0,1 až 2 percentá. To je jedna z hlavných charakteristík ocele: všetky z týchto stoviek rôznych druhov ocele obsahujú na týchto úrovniach uhlík. To znižuje krehkosť, pričom zvyšuje pevnosť a tvrdosť. V závislosti od typu vyrobenej ocele sa do zmesi pridávajú rôzne prvky. Dva príklady:

  • Množstvo mangánovej ocele alebo mangalitu je asi 13% mangánu, čo vedie k extrémnemu nárazu. Vďaka tomu sa ľudová hmota obľúbená pre použitie v banských nástrojoch, v zariadeniach na drvenie skál a v obliekaní vojenských vozidiel.
  • Nerezová oceľ je v skutočnosti názov pre širokú škálu ocelí, ale všetky majú jednu spoločnú vec: chróm, od približne 10 do 30 percent, v závislosti od typu. Chróm na povrchu nehrdzavejúcej ocele sa spája s kyslíkom vo vzduchu, čím vytvára vrstvu oxidu chrómového, čo dáva nerezovej oceli veľmi tvrdý, lesklý vzhľad a robí ho odolným voči korózii. A ak je to poškodené alebo zjazvené, chróm sa spojí s kyslíkom a vytvorí sa nová vrstva - takže sa to samoopravuje. Nerezové ocele sa používajú v širokej škále výrobkov, od kuchynského náradia po chirurgické vybavenie po vonkajšiu sochu. (Je tiež 100% recyklovateľný.)

ALUMINIUM

Najbežnejšou rudou, ktorá sa používa na výrobu hliníka, je bauxit, ktorý je asi 50% hliníka a hliníka viazaný kyslíkom. Rovnako ako so železom, dostať sa do hliníka znamená zbaviť sa kyslíka a nerastov v rude. Proces je oveľa komplikovanejší ako extrakcia železa a bol vyvinutý až v neskorých 1800s. (Hliník bol v roku 1808 označený ako jedinečný prvok.) Prvá časť najčastejšie používaného systému sa nazýva Bayerov proces, pomenovaný podľa rakúskeho chemikov Karla Bayera, ktorý ho vynašiel v roku 1877.

Proces Bayer: bauxit sa ťaží a drví, potom sa zmieša s vodou a lúhom a zahrieva sa v nádržiach. Toto teplo a lúh spôsobuje, že sa oxid hlinitý v rude rozpustí vo vode, zatiaľ čo nečistoty klesnú na dno. Voda bohatá na oxid hlinitý sa potom odfiltruje a odstráni ďalšie nečistoty a potom sa prečerpá do obrovských zrážacích nádrží, kde sa voda nechá zrážať. Zostáva biely kryštalický prášok, ktorý je asi 99% oxidu hlinitého. Kryštály sa premyjú a nechajú sa uschnúť.

Ďalším krokom je známy ako proces Hall-Héroult, pomenovaný pre dvoch chemikov, ktorí ho vyvinuli - nezávisle od seba - v roku 1886. V tomto procese sú kryštály oxidu hlinitého (spolu s minerálmi, ktoré pomáhajú pri rozpadu oxidu hlinitého) tavené pri asi 1 760 ° F v oceľových nádržiach. Ale to nestačí na zlomenie väzieb hliník-kyslík v hliníku; sú oveľa silnejšie než väzby železo-kyslík. Taký silný elektrický prúd je posielaný cez roztavený materiál - a to spôsobuje pretrhnutie väzieb. Kyslík sa uvoľňuje ako plyn a priťahuje sa k uhlíkovým tyčom, ktoré sú zavesené nad roztavenou zmesou, kde sa viaže s uhlíkom za vzniku plynu CO2 (rovnako ako v procese tavenia železa). Uvoľnený hliník sa taví a zhromažďuje na dne nádoby. V tomto okamihu je to 99,8% čistý hliník.

Hliník sa používa v širokej škále aplikácií v čistej forme (hliníková fólia je vyrobená z takmer čistého hliníka) a bežnejšie v zliatinách, zmiešaných s prvkami, ako je kremík, meď a zinok. Niektoré sú silnejšie ako oceľ a majú ďalší prínos byť oveľa ľahší. Bežné použitia zahŕňajú kuchynský riad, plechovky na nealkoholické nápoje a automobilové bloky motorov.

PLATINUM

Platinum je lesklý, strieborno-biely kov, ktorý je veľmi vzácny a má niektoré jedinečné vlastnosti: Je to jeden z najhustších kovov, ale je veľmi tvárný; je extrémne odolná voči korózii teplotou, hrdzou alebo vystavením materiálom, ako sú kyseliny; a má veľmi vysokú teplotu topenia 3,215 ° F (zlatá teplota topenia je len 1 064 ° a železo je 1 535 °.) Platina existuje v prírode v čistej forme, ale je viac bežne v zmesi s inými prvkami, vrátane kyslíka, meď a nikel. Viac ako 90 percent platiny vyťaženej na svete dnes pochádza len zo štyroch miest: tri v Rusku a jeden v Južnej Afrike. Výroba je dosť komplikovaná.

Viac ako desať ton rudy sa musí ťažiť, aby sa vyrobila jedna uncia platiny. Stručný opis postupu je nasledovný:

Ruda je ťažená, rozdrvená na prášok a miešaná s vodou a chemikáliami. Vzduch sa prefúkne cez zmes, čím sa vytvárajú bubliny - na ktoré sa držia drobné platinové častice. Bubliny stúpajú na povrch nádrže a vytvárajú mydlovú pena. Pena sa odoberie, suší a taví pri teplotách vyšších ako 2 700 ° F. Častejšie častice - kovové drezy na dno pece. Ľahšie nečistoty sa zhromažďujú na vrchole roztaveného kovu a sú odstránené. Komplikované chemické procesy sa potom používajú na oddelenie platiny od všetkých prítomných medi, niklu a ďalších kovov, kým sa nakoniec nedosiahne čistá platina.

SHINY BITS

  • Železná ruda je tavená vo vysokej peci. Prehriata vzduch až do 2 200 ° F sa "rozstrekla" do pece, čo spôsobilo, že sa horí oveľa teplejšie ako inak. Typická vysoká pec v oceliarne beží 24 hodín denne, 365 dní v týždni, až 20 rokov, skôr ako sa musí vymeniť.
  • Čistá oceľ je veľmi náchylná na hrdzu. Pozinkovaná oceľ je z ocele potiahnutá zinkom, ktorá je veľmi odolná voči hrdzi.
  • Hlavná chemická zložka rubínov, smaragdov a zafírov: hliník.
  • Čo je väčšinou z extrémne zriedkavej kovovej platiny? Katalyzátory - zariadenia na automobiloch používané na čistenie výfukových plynov. Platina je mimoriadne dobrý katalyzátor: pomáha pri konverzii toxických plynov vo výfukových plynoch, ako je oxid uhoľnatý, na netoxické plyny.
  • Je to mýtus, že medzi domorodými Američanmi neexistuje žiadne kovové spracovanie. Mnohé kmene vlastne mali dlhé tradície meďárstva, najmä okolo Veľkých jazier, kde bol kov prirodzene bohatý.
  • Všetka platina vyťažená v histórii by mohla zapadnúť do priemerného domáceho suterénu.

Odporúča: