كيف تصنع المعادن

2024 مؤلف: Sherilyn Boyd | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-16 10:18

هل لديك خاتم على إصبعك؟ هل هو مصنوع من الذهب أو الفضة أو البلاتين أو أي معدن آخر؟ ثم تأمل في ذلك: إن المعدن الموجود في هذا الخاتم على إصبعك أقدم من الكوكب الذي تقف فيه.

ما هو "المعادن"؟

من الناحية العلمية ، فإن المعادن عبارة عن عناصر كيميائية تحدث طبيعياً وتكون عادةً صلبة ومشوهة وموصلات جيدة لكل من الحرارة والكهرباء. وتشمل الأمثلة الحديد والذهب والفضة والنحاس والزنك والنيكل وغيرها ، ولكن أيضًا العناصر التي لا نفكر فيها عادةً كمعادن. أحدهما هو الصوديوم ، وهو معدن نأكله بانتظام: الصوديوم معدن أبيض ناصع وفضي يرتبط عادة بعنصر الكلور لتشكيل كلوريد الصوديوم ، أو الملح الشائع.

آخر هو استينات ، التي تم اكتشافها في عام 1940 في المختبر ، حيث تم إنشاؤه بشكل مصطنع. لم يتم اكتشافه في الطبيعة حتى عام 1943. إن استاتين ذو نشاط إشعاعي للغاية ، ويعتقد أنه يوجد فقط أوقية واحدة منه - في المجموع - على الأرض. ومن بين العناصر الكيميائية المعروفة وعددها 118 ، يوجد 88 منها عبارة عن معادن.

ريال الشيمي

إذن ، من أين أتت كل هذه المعادن؟ إليك شرح مبسط للغاية:

جميع العناصر ، بما في ذلك المعادن ، مصنوعة من المواد نفسها: المواد الذرية - الإلكترونات ، النيوترونات ، والبروتونات. يمكن تمييز ذرات العناصر المختلفة عن بعضها البعض بعدد البروتونات التي تحتويها. (يمكن أن يختلف عدد النيوترونات والإلكترونات حتى بين ذرات نفس العنصر). على سبيل المثال ، تحتوي ذرة الهيدروجين على بروتون واحد فقط. ذرة الذهب لها 79. وهذا ينطبق على كل ذرة من ذرات الهيدروجين والذهب في الكون.

إذا تمكنت من إيجاد طريقة لدمج 79 ذرة هيدروجين معًا في ذرة واحدة ، سيكون لديك ذرة تحتوي على 79 بروتونًا ، وبالتالي سيكون لديك ذرة ذهبية. وهذا هو بالضبط ما يحدث … إلا أنه يحدث داخل النجوم.

هناك ذهب في هذه النجوم

منذ ما يقرب من 13.7 مليار سنة ، ظهرت أول مرة في شكل ذرات من اثنين من العناصر الأخف وزنا: الهيدروجين ، مع بروتون واحد ، والهليوم ، مع اثنين. تبقى ، إلى حد بعيد ، أكثر العناصر وفرة في الكون.

بعد عدة ملايين من السنين ، كانت أول ذرات هيدروجين وهليوم تم جمعها في سحب من الغبار والغازات الضخمة بحيث يجب قياسها في السنوات الضوئية (سنة ضوئية واحدة = 6 تريليون ميل أو 9.5 تريليون كيلومتر). في نهاية المطاف استسلمت الغيوم إلى جاذبيتها الهائلة وانهارت ، لتشكل النجوم الأولى. وكانت النجوم مدمرات ذرة - ساخنة بدرجة تكفي لتحطيم ذرات الهيدروجين والهيليوم هذه ، وتمزج البتات مرة أخرى معا ، لتحولها إلى ذرات أكبر من عناصر أثقل وأثقل.

على سبيل المثال ، إذا قمت بدمج ذرتين هيدروجين معًا ، فلديك ذرة تحتوي على اثنين من البروتونات أو الهليوم. ادمج ثلاثة هيدروجينات معًا واحصل على ذرة تحتوي على ثلاثة بروتونات - ليثيوم ، أول وأخف معدن. ادمج ثلاثة هيليوم معًا واحصل على ذرة تحتوي على ستة بروتونات - كربون. هذا ما يحدث في جميع النجوم التي تراها في السماء ليلاً. في العمليات الضخمة ، يمكن أن تؤدي العملية إلى إنتاج عناصر أثقل وأثقل ، بما في ذلك المعادن مثل التيتانيوم (22 بروتون) والحديد (26 بروتون). إذا كانت ضخمة بشكل خاص ، فإنها يمكن أن تنتج أثقل المعادن ، مثل الذهب (79 بروتون) ، واليورانيوم (92 بروتون). هذا هو أحد الأشياء التي تقوم بها النجوم ، وهكذا تتشكل كل العناصر - بما في ذلك كل تلك المعادن اللامعة - في الطبيعة.

الآن ، كيف وصلوا إلى هنا؟

نهبط للأرض

في المليارات القليلة الأولى بعد الانفجار الكبير ، ولدت مليارات ومليارات النجوم ، بالطريقة التي وصفناها للتو. كان الكثير منها شديد الضخامة (مئات المرات أكبر من شمسنا) والنجوم الضخمة تعيش حياة قصيرة نسبيا - فقط بضعة ملايين من السنين في بعض الحالات (يمكن أن تعيش النجوم الأصغر لمليارات من السنين) - ثم تموت عن طريق انفجارها كستعرات سوبرنوفا.

وعندما انفجرت هذه النجوم الضخمة منذ مليارات السنين ، طردوا العناصر الثقيلة التي كانوا يخلقونها ، وأرسلوها إلى الفضاء. كان لديهم ، بطريقة واحدة ، "زرع" الكون بعناصر ، بما في ذلك المعادن. ومقدار كبير للغاية ، من المستحيل فهمه - تريليونات وتريليونات وتريليونات من الميقاتون منها. وهذا يعني أنه عندما تم تشكيل نجوم جديدة في وقت لاحق ، فقد كانت "مصنفة" بالفعل بالمعادن التي تركتها تلك المستعرات العظمى.

واحدة من هؤلاء في وقت لاحق ، كانت النجوم الغنية بالمعادن هي شمسنا. نظرة سريعة على هذه القصة:

• منذ حوالي 4.5 بليون سنة ، انهارت سحابة كونية هائلة من الغبار والغاز ، مزروعة بالكثير من العناصر الثقيلة ، وبدأت عملية تشكيل نجم جديد.
• أصبح معظم الهيدروجين والهيليوم في السحابة جزءًا من النجم المشكل حديثًا. بقية الغبار والغاز ، بما في ذلك المعادن ، المتراكمة في كتلة منصهرة ، تدور حول النجم الجديد. سوت حركة الغزل خارج الكتلة (صورة عجينة البيتزا العجانة) في قرص ذائب ، غزل.
• على مدى ملايين السنين ، مع تبريد القرص ، تجمعت أجزاء منه هنا وهناك ، وأصبحت تلك الكتل الكواكب في نظامنا الشمسي. والمعادن في الغبار؟ لقد أصبحت جميع المعادن الموجودة في جميع الكواكب ، بما في ذلك الكواكب الخاصة بنا.

لدينا حصة: الأرض لديها الكثير من المعدن. إن ما يقرب من ثلث كتلة الكوكب هو عنصر الحديد ، ومعظمه يقع في قلب الكوكب.14 في المائة أخرى هي المغنيسيوم ، 1.5 في المائة من النيكل ، و 1.4 في المائة من الألمنيوم. هذا هو 49 في المئة من الكوكب. أما بقية معادن الأرض ، بما في ذلك المعادن "الثمينة" مثل الذهب والفضة والبلاتين والبلاديوم ، فلا توجد إلا بكميات ضئيلة. البقية - الجزء غير المعدني - حوالي 30 في المائة من الأكسجين و 15 في المائة من السليكون ، إلى جانب كميات أصغر من العناصر الأخرى غير المعدنية.

نظرة! لامع!

على مدى بضعة ملايين من السنين على الأقل ، استخدم البشر وأسلافهم أدوات مصنوعة من مواد مثل الخشب والعظام والصخور ، للمساعدة في جعل حياتهم أسهل قليلاً. لم يجعل حياتهم أسهل بكثير: Homo sapiens كانوا بدائيين صياديين بدائيين نسبيا وجماعين من أجل كل وجودهم تقريبا. ثم ، قبل حوالي 10000 عام ، بدأوا في اكتشاف طرق للعمل مع مادة "جديدة": المعادن.

كانت المعادن الأولى التي استخدمها البشر هي تلك التي لم يكن على المعادن القديمة أن تفعلها كثيرًا لجعلها قابلة للاستخدام. هذه هي المعادن الأصلية - المعادن التي تحدث في الطبيعة في حالة نقية ، أو يتم خلطها بطبيعة الحال مع عناصر أخرى بطريقة تحافظ على خصائصها القابلة للاستخدام. وهي تشمل النحاس والقصدير والرصاص والفضة والذهب.

قد يكون شخص ما قد وجد للتو شذرات من هذه المعادن في مجرى مائي ، أو في جذور شجرة مستنبطة ، ويعتقد أنها جذابة. ربما قاموا بقصفهم بالمطارق الحجرية ووجدوا أنهم يستطيعون تشكيلها. كان من الممكن أن يؤدي ذلك إلى استخدام المعادن في المجوهرات أو الحلي ، أو في صنع الأدوات المعدنية والأسلحة مثل الفؤوس والسكاكين والسيوف ، وهو تحسن كبير في الأدوات الحجرية القديمة. وقد أدى كل هذا في النهاية إلى قيام الأشخاص بالبحث بنشاط عن المزيد من المعادن ، وإنشاء مناجم ، والاتجار في المعادن بين مختلف الشعوب ، وولادة صناعة المعادن. ومع ذلك ، حدث ذلك - في العديد من المواقع في جميع أنحاء العالم.

METALLURGY

منذ حوالي 8000 سنة ، بدأ الناس يكتشفون أنه يمكنهم تغيير المعدن. ربما اكتشفوا ذلك عن طريق الصدفة ، أو ربما أصبح الناس مبدعين فقط ، أو ربما كان مزيجًا من الاثنين. على أي حال ، تم تطوير عمليات جديدة لتغيير المعادن ، ثم إنشاء معاملات جديدة بالكامل لم تكن موجودة في الطبيعة على الإطلاق - مع تحسينات كبيرة في الجودة. على مدى آلاف السنين القليلة التالية ، أصبح التعدين وتشغيل المعادن جزءًا لا يتجزأ من معظم الثقافات الموجودة على الأرض ، وأصبح المعدن أحد أكثر المواد المتغيرة حضارة في تاريخ البشرية. تضمنت كل عملية من هذه العمليات الجديدة نشوب حريق ، ومن المحتمل أن يؤدي إجراء تجربة واحدة منها إلى الانتقال مباشرةً إلى التالي. أهم التطورات:

• الصلب. هذا هو ببساطة عملية تسخين المعدن حتى يصبح أحمر الكرز. هذا يعيد المعادن القديمة والهشة إلى حالتها الطيبة الأصلية ، مما يسمح بإعادة صقلها وإطالة استخدامها. يمكن القيام بالتليين عند درجات حرارة منخفضة نسبيًا (يمكن صهر النحاس في نار المخيم). تم القيام به في وقت ما في وقت ما حوالي 6000 قبل الميلاد ، في مكان ما في الشرق الأوسط ، وربما في أوروبا والهند في نفس الوقت تقريبا.
• صهر. في هذه العملية ، يتم ذوبان المعادن في حالة سائلة ، مما يوفر المزيد من الحرية لتشكيلها في أشكال مختلفة. تم صهر المعادن أولا حوالي 5000 قبل الميلاد ، بعد تطوير أفران فخارية أكثر تقدما ، والتي يمكن أن تنتج درجات حرارة أعلى بكثير مما يمكن تحقيقه في الحرائق المفتوحة البسيطة.
• إنتاج السبائك. هذه هي عملية خلط المعادن المختلفة أثناء وجودها في حالة منصهرة. بدأت حوالي 3300 قبل الميلاد. (بداية العصر البرونزي) ، مع أول إنتاج من البرونز ، وهو خليط من النحاس والقصدير الذي هو أصعب بكثير وأكثر دواما من أي من مكوناته.
• استخلاص. مع مزيد من التحسينات في تكنولوجيا القمائن والقدرة اللاحقة على تحقيق درجات حرارة أعلى ، تم تطوير تقنيات تسمح لاستخراج المعادن من الركاز. تم إنجازه لأول مرة بالحديد في الشرق الأوسط حوالي عام 1500 قبل الميلاد - بمناسبة بداية العصر الحديدي.
• تمارس الصهر ، وإنتاج السبائك ، واستخراجها من قبل الشعوب القديمة في أوروبا وآسيا وأمريكا الجنوبية ، وإلى أقصى الشمال مثل المكسيك ، ولكن ليس في بقية أمريكا الشمالية ، أو في أستراليا ، حتى وصل الأوروبيون. تبقى هذه العمليات البسيطة هي الأساس لما يُحتمل أن يكون أكبر الصناعات وأكثرها نجاحًا في تاريخ البشرية: صناعة المعادن.

حديد

الحديد هو المعدن الأكثر وفرة على الأرض. ولكن مثل معظم المعادن ، فإن الوصول إليها أمر صعب ، لأنه نادرًا ما يوجد في حالة نقية في الطبيعة. وهو موجود بشكل شائع في أكاسيد الحديد ، وهي عبارة عن جزيئات تتألف من الحديد والأكسجين ، والتي توجد مختلطة مع الصخور في خام الحديد. للحصول على الحديد ، عليك التخلص من الأكسجين والصخرة. إليك العملية الأكثر شيوعًا المستخدمة اليوم:

• إعداد: بعد أن يتم ملغمة ، يتم سحق خام الحديد في مسحوق. ثم يتم استخدام الطبول المغناطيسية الضخمة لفصل الحديد الفقراء من خام الحديد الغنية. (يلتصق خام الحديد الغني بالبراميل ، والباقي يسقط بعيداً). يخلط المسحوق الغني بالحديد مع الصلصال ويصنع في كريات بحجم الرخام ، والتي تكون بعد ذلك حامية الحرارة. يسمح ذلك بحرق أكثر كفاءة خلال الخطوة التالية ، الصهر.
• الصهر: يتم صهر الحبيبات في فرن مع فحم الكوك - الفحم الذي تم معالجته في الكربون النقي تقريبا - والحجر الجيري. الحرارة الشديدة تكسر روابط الحديد والأكسجين في الخام ، وتطلق الأكسجين كغاز ، والتي تترابط مع غاز الكربون الذي يتم إطلاقه من الفحم الحارق لتشكيل ثاني أكسيد الكربون (ثاني أكسيد الكربون). يهرب ثاني أكسيد الكربون من قمة الفرن ، والحديد ، خالٍ من الأكسجين ، يذوب (حوالي 2800 درجة فهرنهايت) ويتجمع في قاع الفرن. كما يذوب الحجر الجيري ويربط مع الشوائب لتشكيل نفايات منصهرة تعرف باسم الخبث.الخبث أخف من الحديد ، ويتم إزالته باستمرار من أعلى الفرن.
• النتيجة: ناتج هذه العملية هو الحديد الخشن سبيكة الحديد. يحتوي على نسبة عالية نسبيا من الكربون تبلغ حوالي 5 في المائة ، مما يجعلها هشة جدا ، وبالتالي فإن الحديد الخشن غير مجد في الغالب إلا في تصنيع السبائك الحديدية الأخرى ، وخاصة الفولاذ.

صلب

اليوم حوالي 98 في المئة من الحديد الخام المنتجة في جميع أنحاء العالم تذهب إلى إنتاج الفولاذ ، وهو سبيكة المعادن أو المعدن الأكثر استخداماً في التاريخ. تبدأ العملية عن طريق صب حديد الصب المنصهر في أفران الصلب ، حيث يتم معالجته لإزالة أي شوائب متبقية ، وتخفيض محتوى الكربون إلى ما بين 0.1 و 2٪. هذه واحدة من الخصائص الرئيسية للصلب: كل ما عدا عدد قليل جداً من مئات الأنواع المختلفة من الفولاذ يحتوي على الكربون عند هذه المستويات. هذا يقلل من هشاشة ، مع زيادة القوة والصلابة. اعتمادًا على نوع الفولاذ الذي يتم تصنيعه ، يتم إضافة عناصر مختلفة إلى المزيج. مثالان:

• إن المنغنيز الصلب ، أو المنغولي ، هو حوالي 13٪ من المنجنيز ، مما ينتج عنه مقاومة شديدة للتأثير. هذا يجعل من mangalloy شعبية للاستخدام في أدوات التعدين ، ومعدات تكسير الصخور ، والطلاء المدرعة للمركبات العسكرية.
• الفولاذ المقاوم للصدأ هو في الواقع اسم لمجموعة واسعة من الفولاذ ، ولكن لديهم جميعا شيء واحد مشترك: الكروم ، من حوالي 10 إلى 30 في المئة ، اعتمادا على نوع. الكروم على سطح السندات الفولاذ المقاوم للصدأ مع الأكسجين في الهواء لتشكيل طبقة من أكسيد الكروم ، وهو ما يعطي الفولاذ المقاوم للصدأ من الصعب جدا ، ومظهر لامع ، ويجعلها مقاومة للتآكل. وفي حالة تلفها أو ندوبها ، يعيد الكروم مجددًا الأكسجين ، وتتشكل طبقة جديدة - لذلك فهي ذاتية الإصلاح. وتستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ في مجموعة واسعة من المنتجات ، من أدوات المطبخ إلى المعدات الجراحية إلى النحت في الهواء الطلق. (وهي أيضًا قابلة لإعادة التدوير بنسبة 100٪.)

الألومنيوم

إن أكثر الخامات شيوعاً في إنتاج الألمنيوم هو البوكسيت ، وهو مادة ذات صلابة (claylike) تبلغ حوالي 50 في المائة من الألومينا ، وهي ألومينيوم مرتبط بالأكسجين. كما هو الحال مع الحديد ، يعني الوصول إلى الألومنيوم التخلص من الأكسجين والمعادن الموجودة في الركاز. هذه العملية أكثر تعقيدًا من عملية استخراج الحديد ، وتم تطويرها فقط في أواخر القرن التاسع عشر. (تم تحديد الألومنيوم فقط كعنصر فريد في عام 1808). يسمى الجزء الأول من النظام الأكثر استخدامًا اليوم بعملية باير ، والتي سميت باسم الكيميائي النمساوي كارل باير الذي ابتكرها في عام 1877.

عملية باير: يتم استخراج البوكسايت و سحقه ، ثم يخلط مع الماء و الغسول ، و يتم تسخينه في الصهاريج. هذه الحرارة والغسول تسبب الألومينا في خام الذوبان في الماء ، بينما الشوائب تغطس إلى القاع. ثم يتم سحب المياه الغنية بالألومينا وتصفيتها لإزالة المزيد من الشوائب ، ثم يتم ضخها في صهاريج ترسيب ضخمة ، حيث يسمح للماء بالتسرب بعيدًا. ما تبقى هو مسحوق بلوري أبيض يبلغ حوالي 99٪ من الألومينا. يتم غسل البلورات والسماح لها بالجفاف.

تُعرف الخطوة التالية باسم عملية هول-هيرولت ، التي سميت باسم الكيميائيين اللذين طوروها - بشكل مستقل عن بعضهما البعض - في عام 1886. وفي هذه العملية ، يتم صهر بلورات الألومينا (مع المعادن التي تساعد في تكسير الألومينا). عند حوالي 1،760 درجة فهرنهايت في الأوعية الفولاذية. لكن هذا لا يكفي لكسر روابط الألمونيوم والأكسجين في الألومينا ؛ إنها أقوى بكثير من روابط الحديد والأكسجين. لذا ، يتم إرسال تيار كهربائي قوي عبر المادة المنصهرة - مما يؤدي إلى تكسير السندات. يتم إطلاق الأكسجين كغاز ، وينجذب إلى قضبان الكربون المعلقة فوق المزيج المنصهر ، حيث تترابط مع الكربون لتكوين غاز CO2 (تماماً كما في عملية صهر الحديد). يذوب الألمنيوم المحرّر ويتجمّع في قاع الإناء. عند هذه النقطة هو 99.8 ٪ من الألومنيوم النقي.

يستخدم الألمنيوم في مجموعة متنوعة من التطبيقات ، في شكلها النقي (تصنع رقائق الألومنيوم من الألمنيوم النقي تقريبًا) ، وأكثر شيوعًا في السبائك ، وتختلط مع عناصر مثل السيليكون والنحاس والزنك. بعضها أقوى من الفولاذ ، ولها فائدة إضافية كونها أخف بكثير. وتشمل الاستخدامات الشائعة في تجهيزات المطابخ ، علب المشروبات الغازية ، وكتل محركات السيارات.

PLATINUM

البلاتين هو معدن أبيض فضي لامع ونادر للغاية ولديه بعض الصفات الفريدة: إنه واحد من أكثر المعادن كثافة ، ومع ذلك فهو مطواع جداً. انها مقاومة للغاية للتآكل من درجة الحرارة ، الصدأ ، أو التعرض لمواد مثل الأحماض. وله نقطة انصهار عالية جدًا تبلغ 3،215 درجة فهرنهايت (نقطة الذوبان في الذهب هي 1،064 درجة فقط ، والحديد هو 1،535 °). البلاتين موجود بشكل طبيعي في الطبيعة ، ولكنه أكثر شيوعًا ممزوجًا بالعناصر الأخرى ، بما في ذلك الأكسجين ، النحاس والنيكل. أكثر من 90 في المائة من البلاتين المستخرج في العالم اليوم يأتي من أربعة مواقع فقط: ثلاثة في روسيا وواحدة في جنوب أفريقيا. الإنتاج معقد للغاية.

يجب استخراج أكثر من عشرة أطنان من الركاز لصنع أوقية واحدة من البلاتين. وفيما يلي وصف موجز للعملية:

يتم استخراج خام ، ومسحوق إلى مسحوق ، ويخلط مع الماء والمواد الكيميائية. يتم نفخ الهواء عبر الخليط ، مما يخلق فقاعات - تلتصق بها جزيئات البلاتين الصغيرة. ترتفع الفقاعات إلى سطح الخزان ، مما يخلق رغوة صابونية. يتم جمع الزبد وتجفيفه وصهره عند درجات حرارة أعلى من 2700 درجة فهرنهايت. تغرق الجسيمات الثقيلة - المعادن - في قاع الفرن. تتجمع الشوائب الأخف على أعلى المعدن المصهور وتزال. ثم يتم استخدام العمليات الكيميائية المعقدة لفصل البلاتين عن أي من النحاس والنيكل والمعادن الأخرى التي لا تزال موجودة ، حتى يتم الحصول على البلاتين النقي في النهاية.

بقع شني

• يتم صهر خام الحديد في فرن صهر: يتم "تهوية" الهواء الشديد الحرارة حتى يصل إلى 2200 درجة فهرنهايت في الفرن ، مما يجعلها تحترق أكثر حرارة مما كانت عليه. يعمل فرن صخري نموذجي في مصنع للصلب لمدة 24 ساعة في اليوم ، 365 يومًا في الأسبوع ، لمدة تصل إلى 20 عامًا ، قبل أن يتم استبداله.
• الصلب النقي هو عرضة للصدأ. الفولاذ المجلفن هو الفولاذ المطلي بالزنك - وهو مقاوم للصدأ.
• عنصر كيميائي رئيسي في الياقوت والزمرد والياقوت الأزرق: الألومنيوم.
• ما هو معظم البلاتين المعدني النادر للغاية المستخدم؟ المحولات التحفيزية - الأجهزة المستخدمة في السيارات لتنظيف العادم. البلاتين هو محفز جيد بشكل استثنائي: فهو يساعد في تحويل الغازات السامة في العادم ، مثل أول أكسيد الكربون ، إلى غازات غير سامة.
• إنها أسطورة أنه لم يكن هناك أعمال معدنية بين الأمريكيين الأصليين. كان للعديد من القبائل في الواقع تقاليد طويلة من العمل النحاسي ، خاصة حول البحيرات العظمى ، حيث كان المعدن وفير بشكل طبيعي.
• كل البلاتين المستخرج في التاريخ يمكن أن يتناسب مع متوسط القاع في المنزل.