Bagaimana Logam Dibuat

2024 Pengarang: Sherilyn Boyd | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-16 10:19

Adakah anda mempunyai cincin pada jari anda? Adakah ia diperbuat daripada emas, perak, platinum, atau logam semula jadi? Kemudian perhatikan ini: Logam dalam cincin itu di jari anda lebih tua daripada planet yang anda sedang berdiri di atas.

APAKAH "METAL"?

Secara saintifiknya, logam adalah unsur kimia yang secara semula jadi keras, berkilat, dan konduktor baik haba dan elektrik. Contohnya termasuk besi, emas, perak, tembaga, zink, nikel, dan sebagainya, tetapi juga unsur-unsur yang kita tidak biasa memikirkan sebagai logam. Satu adalah natrium-logam yang kita makan secara teratur: Natrium adalah logam putih yang lembut dan keperakan yang biasanya ikatan dengan unsur klorin untuk membentuk natrium klorida, atau garam biasa.

Satu lagi adalah astatine, yang ditemui pada tahun 1940 di makmal, di mana ia dicipta secara buatan. Ia tidak ditemui semenjak tahun 1943. Astatine sangat radioaktif, dan hanya satu auns ia dipercayai wujud-total di Bumi. Daripada 118 unsur kimia yang diketahui, 88 daripadanya adalah logam.

ALCHEMY REAL

Jadi, di manakah semua logam ini datang? Inilah penjelasan yang sangat mudah:

Semua elemen, termasuk logam, diperbuat daripada bahan yang sama: elektron bahan atom, neutron, dan proton. Atom unsur-unsur yang berbeza boleh dibezakan dari satu sama lain dengan bilangan proton yang terkandung di dalamnya. (Bilangan neutron dan elektron boleh berubah walaupun di antara atom unsur yang sama.) Sebagai contoh, atom hidrogen mengandungi hanya satu proton. Atom emas mempunyai 79. Ini adalah benar bagi setiap atom hidrogen dan emas yang tak terhitung jumlahnya di alam semesta.

Jika anda dapat mencari cara untuk menyerang atom hidrogen 79 bersama-sama dengan satu atom, anda akan mempunyai atom dengan 79 proton, dan oleh itu anda akan mempunyai atom emas. Dan itu hampir tepat apa yang berlaku … kecuali ia berlaku di dalam bintang.

Ada emas di dalamnya

Sekurang-kurangnya 13.7 bilion tahun yang lalu, perkara pertama muncul dalam bentuk atom-atom dari dua unsur paling ringan: hidrogen, dengan satu proton, dan helium, dengan dua. Mereka tetap, setakat ini, unsur-unsur yang paling melimpah di alam semesta.

Selepas berjuta-juta tahun, atom-atom hidrogen dan helium pertama yang dikumpulkan dalam awan habuk dan gas yang sangat besar itu perlu diukur dalam tahun cahaya (1 tahun cahaya = 6 trilion batu atau 9.5 trilion kilometer). Awan-awan akhirnya memberi graviti yang sangat besar dan runtuh, membentuk bintang pertama. Dan bintang-bintang adalah penghancur atom-cukup panas untuk memecahkan atom-atom hidrogen dan helium itu, dan tempuhkan bit-bit itu bersama-sama, mengembalikannya ke atom-atom yang lebih besar dari unsur-unsur yang berbeza dan lebih berat.

Contohnya, jika anda menggabungkan dua atom hidrogen bersama-sama, anda mempunyai atom dengan dua proton atau helium. Fuse tiga hidrogen bersama dan anda mendapatkan satu atom dengan tiga proton-lithium, logam pertama dan paling ringan. Fuse tiga helium bersama dan anda mendapatkan atom dengan enam proton-karbon. Ini adalah apa yang berlaku di semua bintang yang anda lihat di langit pada waktu malam. Dalam proses yang besar, proses ini dapat menghasilkan penghasilan unsur-unsur berat dan berat, termasuk logam seperti titanium (22 proton), dan besi (26 proton). Sekiranya mereka sangat besar, mereka boleh menghasilkan logam paling berat, seperti emas (79 proton), dan uranium (92 proton). Ini adalah salah satu daripada bintang-bintang yang dilakukan, dan itulah bagaimana semua unsur-unsur termasuk semua logam berkilat-terbentuk dalam alam semula jadi.

Sekarang, bagaimana mereka sampai di sini?

RENDAH DIRI

Dalam beberapa bilion tahun pertama selepas Big Bang, berbilion-bilion dan berbilion-bintang telah dilahirkan, dalam cara yang telah kita jelaskan. Ramai yang sangat besar (ratusan kali lebih besar daripada matahari kita) dan bintang-bintang besar-besaran hidup agak singkat-hanya beberapa juta tahun dalam beberapa kes (bintang yang lebih kecil boleh hidup selama berbilion tahun) -dan kemudian mati dengan meletup sebagai supernova.

Dan ketika bintang-bintang besar-besaran itu meletupkan berbilion tahun yang lalu, mereka mengusir unsur-unsur berat yang mereka buat, menghantarnya ke angkasa lepas. Mereka mempunyai satu cara, "membiakkan" alam semesta dengan elemen, termasuk logam. Dan yang sangat besar, mustahil untuk memahami jumlah itu-trilion dan trilion dan trilion megaton daripadanya. Ini bermakna apabila bintang-bintang baru terbentuk kemudian-mereka sudah "dibina" dengan logam yang ditinggalkan oleh supernovas tersebut.

Salah satu daripada mereka yang kemudian, bintang-bintang kaya logam adalah matahari kita sendiri. Melihat dengan cepat cerita itu:

• Kira-kira 4.5 bilion tahun yang lalu, awan debu dan gas kosmik besar, dengan banyak elemen yang lebih berat, runtuh, memulakan proses membentuk bintang baru.
• Kebanyakan hidrogen dan helium di awan menjadi sebahagian daripada bintang yang baru terbentuk. Selebihnya debu dan gas, termasuk logam, terkumpul dalam jisim lebur, berputar di sekitar bintang baru. Gerakan berputar melayang keluar jisim (gambar berputar pizza doh) ke cakera berputar lebur.
• Selama berjuta-juta tahun, ketika disk disejukkan, bit-bit itu berkumpul di sana-sini, dan rumpun-rumpun itu menjadi planet-planet dalam sistem suria kita. Dan logam di dalam habuk? Mereka menjadi semua logam yang terdapat di semua planet, termasuk kita sendiri.

Saham kami: Bumi mempunyai banyak logam. Hampir satu pertiga daripada jisim planet adalah unsur besi, kebanyakannya terletak di inti planet.Satu lagi 14 peratus adalah magnesium, 1.5 peratus adalah nikel, dan 1.4 peratus adalah aluminium. Itulah 49 peratus planet. Selebihnya logam Bumi, termasuk logam "berharga" seperti emas, perak, platinum, dan paladium, hanya wujud dalam jumlah surih. Selebihnya - bahagian bukan logam - kira-kira 30 peratus oksigen dan 15 peratus silikon, bersama-sama dengan sejumlah kecil unsur-unsur bukan logam yang lain.

LOOK! SHINY!

Selama sekurang-kurangnya beberapa juta tahun, manusia dan nenek moyang mereka menggunakan alat-alat yang terbuat dari bahan seperti kayu, tulang, dan batu, untuk membantu menjadikan hidup mereka sedikit lebih mudah. Ia tidak menjadikan kehidupan mereka lebih mudah: Homo sapiens telah menjadi pemburu nomadik dan penghimpun yang paling primitif untuk hampir semua kewujudan mereka. Kemudian, kira-kira 10,000 tahun yang lalu mereka mula mencari cara untuk bekerja dengan bahan "baru": logam.

Logam pertama yang digunakan oleh manusia adalah yang logammiths awal tidak perlu dilakukan dengan sangat baik untuk menjadikannya dapat digunakan. Ini adalah logam-logam asli yang berlaku secara semula jadi dalam keadaan tulen, atau secara semulajadi bercampur dengan unsur-unsur lain dengan cara yang mengekalkan sifat-sifat yang boleh digunakan. Mereka termasuk tembaga, timah, plumbum, perak, dan emas.

Seseorang mungkin baru saja menjumpai nugget logam ini di dalam sungai, atau di dalam akar pokok yang ditemui, dan menganggapnya menarik. Mereka mungkin menumbuk mereka dengan tukul batu dan mendapati mereka dapat membentuknya. Itu boleh menyebabkan logam digunakan dalam perhiasan atau perhiasan, atau pembuatan alat logam dan senjata seperti paksi, pisau, dan pedang-penambahbaikan yang luas ke atas alat batu lama. Semua ini akhirnya membawa kepada orang ramai mencari lebih banyak logam, penubuhan lombong, perdagangan logam antara orang yang berlainan, dan kelahiran industri logam. Bagaimanapun, ia berlaku di banyak lokasi di seluruh dunia.

METALLURGY

Bermula sekitar 8,000 tahun yang lalu, orang mula mengetahui bahawa mereka boleh mengubah logam itu. Mereka mungkin telah menemui secara tidak sengaja, atau mungkin orang hanya kreatif, atau mungkin ia adalah gabungan kedua-duanya. Walau bagaimanapun, proses baru telah dibangunkan untuk mengubah logam, kemudian untuk menghasilkan yang baru yang sama sekali tidak wujud sama sekali-dengan penambahbaikan yang besar dalam kualiti. Selama beberapa ribu tahun yang akan datang, perlombongan dan kerja logam menjadi tidak terpisahkan kepada kebanyakan budaya di Bumi, dan logam menjadi salah satu bahan yang paling mengubah tamadun dalam sejarah manusia. Setiap proses baru ini melibatkan kebakaran, dan kemungkinan eksperimen dengan satu membawa langsung ke seterusnya. Kemajuan yang paling penting:

• Annealing. Ini hanyalah proses pemanasan logam sehingga ia ceri merah. Ini mengembalikan logam yang rapuh lama ke keadaan lembut yang asalnya, membolehkannya dikerjakan semula dan memanjangkan kebolehgunaannya. Pemanasan boleh dilakukan pada suhu yang agak rendah (tembaga boleh disepuh dalam api unggun). Ia pertama kali dilakukan sekitar 6000 SM, di suatu tempat di Timur Tengah, dan mungkin di Eropah dan India pada masa yang sama.
• Peleburan. Dalam proses ini, logam dicairkan ke dalam keadaan cair, menawarkan lebih banyak kebebasan untuk membentuknya dalam bentuk yang berbeza. Logam mula-mula dicelup sekitar 5000 SM, selepas pembangunan tembikar tembikar yang lebih maju, yang boleh menghasilkan lebih banyak haba daripada yang boleh dicapai dalam kebakaran terbuka yang mudah.
• Pengeluaran Aloi. Inilah proses pencampuran logam yang berbeza semasa mereka berada dalam keadaan lebur. Ia bermula sekitar 3300 B.C. (awal Zaman Gangsa), dengan pengeluaran gangsa pertama-tembaga dan timah yang jauh lebih sukar dan lebih tahan lama daripada komponennya.
• Pengekstrakan. Dengan peningkatan dalam teknologi kiln dan keupayaan seterusnya untuk mencapai suhu yang lebih tinggi, teknik telah dibangunkan yang membolehkan pengekstrakan logam dari bijih. Ia pertama kali dilakukan dengan besi di Timur Tengah sekitar 1500 B.C.-menandakan permulaan Zaman Besi.
• Peleburan, pengeluaran aloi, dan pengekstrakan diamalkan oleh orang-orang purba di Eropah, Asia, Amerika Selatan, dan sejauh utara Mexico, tetapi tidak di seluruh Amerika Utara, atau di Australia, sehingga orang Eropah tiba. Proses-proses mudah ini menjadi asas bagi industri yang paling besar dan paling berjaya dalam sejarah manusia: industri logam.

IRON

Besi adalah logam paling banyak di Bumi. Tetapi seperti kebanyakan logam, ia menjadi rumit, kerana ia jarang ditemui dalam keadaan tulen. Ia biasanya wujud dalam molekul besi-molekul yang terdiri daripada besi dan oksigen, yang didapati dicampurkan dengan batu dalam bijih besi. Untuk mendapatkan besi, anda perlu menyingkirkan oksigen dan batu. Inilah proses paling biasa yang digunakan hari ini:

• Penyediaan: Selepas ditambang, bijih besi dihancurkan menjadi serbuk. Reben magnetik yang besar kemudiannya digunakan untuk memisahkan besi-miskin dari bijih besi yang kaya. (Bijih kaya besi melekat pada gendang; selebihnya jatuh.) Serbuk yang kaya dengan besi bercampur dengan tanah liat dan dijadikan pelet berukuran marmer, yang kemudian menjadi panas. Itu membolehkan pembakaran yang lebih cekap semasa langkah seterusnya, peleburan.
• Peleburan: Pelet dicelupkan dalam relau bersama-sama dengan arang batu arang yang telah diproses menjadi karbon dan batu kapur yang hampir murni. Haba yang kuat memecahkan ikatan besi-oksigen di bijih, melepaskan oksigen sebagai gas, yang ikatan dengan gas karbon dibebaskan dari kokas terbakar untuk membentuk CO2 (karbon dioksida). CO2 melarikan diri dari bahagian atas relau, dan besi, sekarang bebas daripada oksigen, cair (pada kira-kira 2,800 ° F) dan mengumpul di bahagian bawah relau. Batu kapur juga cair dan ikatan dengan kotoran untuk membentuk sisa cair yang dikenali sebagai sanga.Slag lebih ringan daripada besi, dan ia terus dikeluarkan dari bahagian atas relau.
• Keputusan: Produk proses ini adalah besi besi aloi besi. Ia mempunyai kandungan karbon yang agak tinggi sekitar 5 peratus, yang menjadikannya sangat rapuh, dan besi babi itu kebanyakannya tidak berguna kecuali dalam pembuatan aloi besi lain, terutamanya keluli.

STEEL

Hari ini kira-kira 98 peratus daripada besi babi yang dihasilkan di seluruh dunia masuk ke dalam pengeluaran keluli, logam yang paling banyak digunakan atau aloi logam dalam sejarah. Proses ini bermula dengan menuangkan besi babi lebur ke dalam relau keluli, di mana ia dirawat untuk menghilangkan kekotoran yang tersisa, dan menurunkan kandungan karbon menjadi antara 0.1 dan 2 peratus. Itulah salah satu ciri utama keluli: Semua tetapi sangat sedikit dari ratusan jenis keluli yang mengandung karbon pada tahap ini. Itu mengurangkan kelembutan, sambil meningkatkan kekuatan dan kekerasan. Bergantung kepada jenis keluli yang dibuat, unsur-unsur berbeza kemudian ditambah pada campuran. Dua contoh:

• Keluli mangan, atau mangalloy, adalah kira-kira 13 peratus mangan, yang mengakibatkan ia sangat tahan terhadap kesan. Itu menjadikan mangalloy popular untuk digunakan dalam alat perlombongan, peralatan menghancurkan batu, dan penyadapan perisai untuk kenderaan tentera.
• Keluli tahan karat sebenarnya adalah nama untuk pelbagai keluli, tetapi semuanya mempunyai satu perkara yang sama: kromium, dari 10 hingga 30 peratus, bergantung kepada jenisnya. Kromium pada permukaan ikatan keluli tahan karat dengan oksigen di udara membentuk lapisan kromium-oksida, yang mana memberikan keluli tahan karat yang sangat keras, kelihatan berkilat, dan menjadikannya tahan terhadap kakisan. Dan jika ia rosak atau parah, kromium semula ikatan dengan oksigen, dan bentuk lapisan baru-jadi ia membaiki diri. Keluli tahan karat digunakan dalam pelbagai produk, dari perkakas dapur hingga peralatan pembedahan kepada arca luar. (Ia juga 100% boleh dikitar semula.)

ALUMINIUM

Biji yang paling biasa digunakan untuk pengeluaran aluminium adalah bauksit, bahan seperti tanah liat yang sekitar 50 peratus aluminium aluminium yang terikat dengan oksigen. Seperti besi, untuk mendapatkan aluminium bermakna menghilangkan oksigen dan mineral di dalam bijih. Proses ini lebih rumit daripada pengekstrakan besi, dan hanya dibangunkan pada akhir 1800-an. (Aluminium hanya dikenali sebagai elemen yang unik pada tahun 1808.) Bahagian pertama sistem yang paling biasa digunakan hari ini dipanggil proses Bayer, dinamakan selepas ahli kimia Austria Karl Bayer, yang menciptanya pada tahun 1877.

Proses Bayer: Bauksit ditambang dan dihancurkan, kemudian dicampurkan dengan air dan serbuk, dan dipanaskan dalam tangki. Haba dan alkali ini menyebabkan alumina di bijih membubarkan di dalam air, sementara kekotoran tenggelam ke bahagian bawah. Air yang kaya dengan alumina kemudian disedut dan ditapis untuk menghilangkan kekotoran selanjutnya, dan kemudian dipam ke dalam tangki hujan yang besar, di mana air itu dibenarkan untuk menenggelamkannya. Apa yang tinggal adalah serbuk kristal putih yang kira-kira 99% alumina. Kristal dibasuh dan dibiarkan kering.

Langkah seterusnya dikenali sebagai proses Hall-Héroult, yang dinamakan untuk dua ahli kimia yang mengembangkannya-secara berasingan satu sama lain-pada tahun 1886. Dalam proses ini, kristal alumina (bersama-sama dengan mineral yang membantu dalam pecahan alumina) dicelup pada kira-kira 1,760 ° F dalam tong keluli. Tetapi itu tidak mencukupi untuk memecahkan ikatan aluminium-oksigen dalam alumina; mereka lebih kuat daripada bon besi-oksigen. Jadi arus elektrik yang kuat dihantar melalui bahan lebur-dan yang menyebabkan ikatan pecah. Oksigen dilepaskan sebagai gas, dan tertarik kepada rod karbon yang digantung di atas campuran lebur, di mana ia mengikat karbon untuk membentuk gas CO2 (sama seperti dalam proses peleburan besi). Aluminium yang dibebaskan mencair dan mengumpul di bahagian bawah periuk. Pada ketika ini ia adalah 99.8% aluminium tulen.

Aluminium digunakan dalam pelbagai jenis aplikasi, dalam bentuk tulen (kerajang aluminium diperbuat daripada aluminium hampir tulen), dan lebih biasa dalam aloi, bercampur dengan unsur seperti silikon, tembaga, dan zink. Ada yang lebih kuat daripada keluli, dan mempunyai manfaat tambahan yang lebih ringan. Penggunaan biasa termasuk dalam alat memasak, tin minuman ringan, dan blok enjin kereta.

PLATINUM

Platinum adalah logam berkilat, putih perak yang sangat jarang dan mempunyai beberapa sifat yang unik: Ia adalah salah satu logam paling padat, tetapi ia sangat mudah dibentuk; ia sangat tahan terhadap kakisan oleh suhu, karat, atau pendedahan kepada bahan-bahan seperti asid; dan ia mempunyai titik lebur yang sangat tinggi iaitu 3,215 ° F (Titik lebur emas hanya 1,064 °, dan besi ialah 1,535 °.) Platinum wujud dalam bentuk tulen, tetapi ia lebih biasa dijumpai bercampur dengan unsur-unsur lain, termasuk oksigen, tembaga, dan nikel. Lebih daripada 90 peratus daripada platinum yang dilombong di dunia hari ini berasal dari hanya empat tapak: tiga di Rusia dan satu di Afrika Selatan. Pengeluaran agak rumit.

Lebih daripada sepuluh tan bijih mesti dilombong untuk membuat satu plat platinum. Penerangan ringkas tentang proses ini adalah seperti berikut:

Ore ditambang, dihancurkan menjadi serbuk, dan dicampur dengan air dan bahan kimia. Air ditiup melalui campuran, mewujudkan gelembung-yang mana zarah platinum kecil melekat. Gelembung naik ke permukaan tangki, menghasilkan busa sabun. Buah-buahan dikumpulkan, dikeringkan, dan dicelup pada suhu melebihi 2,700 ° F. Zarah yang lebih berat - logam-tenggelam ke bahagian bawah relau. Kekotoran yang lebih ringan dikumpulkan di atas logam lebur dan dikeluarkan. Proses kimia yang rumit kemudian digunakan untuk memisahkan platinum dari mana-mana tembaga, nikel, dan logam lain yang masih ada, sehingga, akhirnya, platinum tulen diperoleh.

SHINY BITS

• Bijih besi dicelupkan dalam relau letupan: Pemanas udara panas hingga 2,200 ° F - "diletupkan" ke dalam relau, menyebabkan ia membakar lebih panas daripada yang sebaliknya boleh. Relau letupan biasa di kilang keluli berjalan selama 24 jam sehari, 365 hari seminggu, sehingga 20 tahun, sebelum ia mesti diganti.
• Keluli tulen sangat mudah terdedah kepada karat. Keluli bergalvani adalah keluli bersalut dengan zink-yang sangat tahan terhadap karat.
• Bahan kimia utama dalam batu permata, zamrud dan zamrud: aluminium.
• Apakah yang paling banyak digunakan oleh platinum logam yang sangat jarang digunakan? Pengubah Catalytic-alat pada kereta digunakan untuk membersihkan ekzos. Platinum adalah pemangkin yang sangat baik: ia membantu dalam penukaran gas toksik dalam ekzos, seperti karbon monoksida, ke dalam gas bukan toksik.
• Ia adalah satu mitos bahawa tidak ada kerja logam di kalangan penduduk asli Amerika. Ramai suku sebenarnya mempunyai tradisi lama yang bekerja tembaga, terutama di sekitar Great Lakes, di mana logam itu secara semula jadi melimpah.
• Semua platinum yang dilombong dalam sejarah boleh masuk ke dalam ruang bawah tanah purata.