Máš na prstě prsten? Z čeho je vyroben: ze zlata, stříbra, platiny nebo jiného kovu? Pak se zamyslete nad tímto: kov, ze kterého je prsten na vašem prstu vyroben, je starší než planeta, kde žijete.
Co je to “kov”?
Vědecky řečeno, kovy jsou přirozeně se vyskytující chemické prvky, které jsou typicky tvrdé a lesklé; navíc jsou považovány za dobré vodiče tepla a elektřiny. Patří mezi ně železo, zlato, stříbro, měď, zinek, nikl atd. a také prvky, které nejsme zvyklí zařazovat mezi kovy. Příkladem je sodík, kov, který pravidelně jíme. Sodík je měkký, stříbřitě bílý kov, který se obvykle kombinuje s prvkem chlorem za vzniku chloridu sodného nebo jednodušeji stolní soli.
Dalším příkladem je astat, který byl uměle vytvořen v laboratoři v roce 1940. V přírodě byl objeven až o tři roky později. Astat je vysoce radioaktivní. Předpokládá se, že na Zemi existuje pouze asi 30 gramů tohoto kovu. Ze 118 nám známých chemických prvků je 88 kovů.
Skutečná alchymie
Jak tedy všechny tyto kovy vznikly? Zde je velmi zjednodušené vysvětlení:
Všechny prvky, včetně kovů, jsou vyrobeny ze stejného: atomového materiálu – elektronů, neutronů a protonů. Atomy různých prvků lze od sebe odlišit počtem protonů, které obsahují. (Počet neutronů a elektronů se může lišit i mezi atomy stejného prvku.) Například atom vodíku obsahuje pouze jeden proton, atom železa obsahuje 79. To platí také pro každý z bezpočtu atomů vodíku a zlata v Vesmír.
Pokud byste našli způsob, jak přeměnit 79 atomů vodíku v jeden, skončili byste u atomu se 79 protony, což je atom zlata. Přesně to se děje. i když ne na Zemi, ale uvnitř hvězd.
Zlato ve hvězdách
Asi před 13,7 miliardami let se hmota poprvé objevila ve formě atomů dvou nejlehčích prvků: vodíku s jedním protonem a helia se dvěma. Zůstávají zdaleka nejhojnějšími prvky ve vesmíru.
O mnoho milionů let později tyto první atomy vodíku a helia vytvořily oblaka prachu a plynů tak velká, že je bylo možné měřit ve světelných letech (1 světelný rok = 9,5 bilionu kilometrů). Mraky nakonec podlehly své vlastní obrovské gravitaci a rozptýlily se a vytvořily první hvězdy. Hvězdy se staly lapači atomů – dostatečně horkými, aby rozbily atomy vodíku a helia na malé částice a poté je zformovaly do větších atomů těžších prvků.
Pokud například spojíte dva atomy vodíku, získáte atom se dvěma protony – neboli helium. Dejte dohromady tři atomy vodíku a dostanete atom se třemi protony – lithium, první a nejlehčí kov. Spojte tři atomy helia a získáte atom se šesti protony – uhlík. K tomuto procesu dochází u všech hvězd, které v noci na obloze vidíte. U hmotných hvězd může tento proces vést ke vzniku těžších prvků, včetně kovů, jako je titan (22 protonů) a železo (26 protonů). Pokud jsou hvězdy supermasivní, jsou schopny produkovat nejtěžší kovy, jako je zlato (79 protonů) a uran (92 protonů). To je jedna z funkcí, kterou plní hvězdy a vysvětluje, jak se v přírodě tvoří všechny prvky, včetně lesklých kovů.
Nyní se podívejme, jak dopadli na Zemi.
Během prvních několika miliard let po Velkém třesku se procesem, který jsme právě popsali, zrodily miliony hvězd. Některé z nich byly supermasivní – stokrát větší než Slunce. Masivní hvězdy žijí relativně krátce – v nejlepším případě jen několik milionů let (malé hvězdy mohou žít miliardy let), než zemřou při explozi a stanou se supernovou.
Když tyto hmotné hvězdy před miliardami let explodovaly, vyvrhly těžké prvky, které se jim podařilo zformovat, do vesmíru. Ti tak říkajíc „obsypali“ vesmír prvky, včetně kovů, v nepředstavitelném množství – biliony, biliony a biliony megatun. To znamená, že když později vznikaly nové hvězdy, byly již „obsypány“ kovy, které po sobě zanechaly supernovy.
Jednou z těchto pozdějších hvězd bohatých na kovy bylo naše Slunce. Pojďme se v rychlosti podívat do historie jeho vzniku:
Asi před 4,5 miliardami let se rozptýlil masivní kosmický oblak prachu a plynu, posetý mnoha těžkými prvky, a zahájil tak proces formování nové hvězdy.
Většina vodíku a helia v oblaku se stala hvězdou. Zbývající množství prachu a plynu, včetně kovů, se nahromadilo v horké hmotě obíhající kolem nové hvězdy. Rotující pohyb zplošťuje hmotu (jako těsto na pizzu) a mění ji na horký rotující disk.
Během milionů let se disk postupně ochlazoval a jeho části se tu a tam slepovaly a tvořily hrudky. Tyto hrudky se později staly planetami naší sluneční soustavy. Co se stalo s kovy v prachu? Staly se z nich všechny ty kovy, které se nacházejí na všech planetách, včetně té naší.
Na Zemi je spousta kovu. Téměř třetinu hmoty naší planety tvoří prvek železo, jehož největší část je soustředěna v jádře. Dalších 14 procent tvoří hořčík, 1,5 procenta nikl a 1,4 procenta hliník. To je 49 procent planety. Zbytek zemských kovů, včetně „vzácných“ kovů, jako je zlato, stříbro, platina a palladium, existuje v nepatrných množstvích. Zbytek (nekovy) tvoří asi 30 procent kyslíku a 15 procent křemíku spolu s dalšími nekovovými prvky.
Podívejte se, jak se třpytí!
Přinejmenším několik milionů let lidé a jejich předkové používali nástroje vyrobené z materiálů, jako je dřevo, kosti a kámen, aby si usnadnili život. Nebyli však nijak zvlášť úspěšní: Homo sapiens zůstal téměř po celou dobu své existence poměrně primitivními nomádskými lovci a sběrači. Poté, asi před 10 tisíci lety, začali pracovat s „novým“ materiálem: kovem.
První kovy, které lidé začali používat, byly ty, se kterými se nejsnáze pracovalo. Jedná se o nativní kovy – kovy, které se v přírodě vyskytují v čisté formě nebo byly přirozeně smíchány s jinými prvky, přičemž si zachovaly všechny své vlastnosti. Patří mezi ně měď, cín, olovo, stříbro a zlato.
Lidé možná našli nugety těchto kovů v potoce nebo mezi kořeny vykopaného stromu. Poté je tvarovali pomocí kamenných kladiv. To vedlo k vývoji šperků a ozdob, stejně jako kovových nástrojů a zbraní, jako jsou sekery, nože a meče (vylepšená náhrada starších kamenných nástrojů). To vše nakonec vedlo k tomu, že lidé začali aktivně vyhledávat kovy, vytvářet doly, obchodovat mezi různými národy a rozvíjet kovodělný průmysl.
Asi před 8000 XNUMX lety si lidé začali uvědomovat, že mohou měnit kovy. Možná to objevili náhodou, nebo to byl výbuch kreativity – nebo obojí. V každém případě byly vyvinuty nové postupy k vytvoření nových kovů, které v přírodě vůbec neexistovaly. Během následujících několika tisíc let se těžba a zpracování kovů stala nedílnou součástí většiny kultur na Zemi a kov se stal jednou z látek, které změnily lidskou historii. Každý z těchto nových procesů zahrnoval oheň a je docela možné, že experimenty s ním přímo vedly k následujícím významným pokrokům:
1) Žíhání. Toto je proces zahřívání kovu, dokud nezíská třešňově červenou barvu. Umožňuje vrátit starý křehký kov do původního poddajného stavu a také jej recyklovat a prodloužit jeho životnost. Žíhání lze provádět při relativně nízkých teplotách (měď lze vypalovat nad ohněm). Tento proces byl poprvé použit kolem roku 6000 před naším letopočtem někde na Středním východě a možná ve stejnou dobu v Evropě a Indii.
2) Tání. Během tohoto procesu se kovy mění do kapalného stavu, což jim umožňuje dávat různé tvary. Kovy byly poprvé taveny kolem roku 5000 před naším letopočtem, po vývoji pokročilých keramických pecí, které dokázaly produkovat vyšší teploty než otevřený oheň.
3) Výroba slitin. Je to proces míchání různých kovů, když jsou v roztaveném stavu. Objevil se kolem roku 3300 př. n. l. (začátek doby bronzové). První slitinou byl bronz – směs mědi a cínu, která je mnohem pevnější než její součásti brané samostatně.
4) Těžba kovů z rud. S dalším vylepšením pražicích pecí a způsoby, jak dosáhnout vyšších teplot, byly vyvinuty metody, které umožňovaly extrakci kovů z rud. To bylo poprvé provedeno se železem na Středním východě kolem roku 1500 před naším letopočtem, což znamená začátek doby železné.
5) Tavení, výrobu slitin a získávání kovu z rud praktikovali starověcí lidé v Evropě, Asii, Jižní Americe a Mexiku, ale v Austrálii a ve zbytku Severní Ameriky se staly dostupnými až po příchodu Evropanů. Tyto jednoduché procesy jsou stále základem toho, co se stalo pravděpodobně největším a nejúspěšnějším průmyslem v historii lidstva: kovodělného průmyslu.
Železo je nejrozšířenějším kovem na Zemi. Ale stejně jako u většiny kovů je jeho extrakce složitý proces, protože se v přírodě vyskytuje velmi zřídka ve své čisté formě. Zpravidla se získává ze železné rudy, která se čistí od kyslíku a nečistot. Zde je dnes nejběžnější proces:
Příprava: Po těžbě se železná ruda mele na prášek. K oddělení rudy bohaté na železo se používají obrovské magnetické bubny. (Ruda bohatá na železo se přilepí na bubny, zbytek odpadne.) Prášek bohatý na železo se smíchá s hlínou a vytvarují se do malých kuliček, které se pak tepelně vytvrdí. To umožňuje, aby další proces – tavení – probíhal mnohem efektivněji.
Tavení: Kuličky se taví v peci spolu s koksem – uhlím, které bylo zpracováno na téměř čistý uhlík – a vápencem. Intenzivní teplo ruší vazby železo-kyslík v rudě a uvolňuje kyslík, který se spojuje s uhlíkem produkovaným spalováním koksu a vzniká CO2 (oxid uhličitý). CO2 opouští horní část pece a železo, nyní bez kyslíku, se taví (při teplotě přibližně 1540 stupňů Celsia) a shromažďuje se ve spodní části pece. Vápenec se také taví a spojuje s nečistotami za vzniku odpadního materiálu známého jako struska. Struska je lehčí než železo a je neustále odebírána z horní části pece.
Výsledek: Produktem tohoto procesu je litina. Má poměrně vysoký obsah uhlíku kolem 5 procent, díky čemuž je velmi křehký, a tudíž téměř nepoužitelný, kromě toho, že se z něj dají vyrábět další slitiny železa, zejména ocel.
Dnes asi 98 procent celosvětově vyrobeného železa jde na výrobu oceli, nejrozšířenějšího kovu nebo kovové slitiny v historii. Proces začíná nalitím roztaveného surového železa do ocelových pecí, kde se zpracuje, aby se odstranily zbývající nečistoty a snížila se hladina uhlíku na 0,1 až 0,2 procenta. To je jedna z hlavních charakteristik oceli, která pomáhá snižovat křehkost a zároveň zvyšuje pevnost a tvrdost. V závislosti na typu vyráběné oceli mohou být do směsi přidány různé prvky. Podívejme se na dva příklady:
1) Manganová ocel neboli Hadfieldova ocel obsahuje asi 13 procent manganu, díky čemuž je extrémně pevná. Používá se při výrobě důlních nástrojů, zařízení na drcení hornin a ochraně vojenské techniky.
2) Nerezová ocel. To je vlastně název pro širokou škálu ocelí, ale všechny mají jeden společný prvek: chrom (10 až 30 procent, podle typu). Chrom na povrchu nerezové oceli se slučuje se vzdušným kyslíkem a vytváří vrstvu oxidu chromitého, která dodává nerezové oceli její lesklý vzhled a činí ji odolnou vůči korozi. A pokud je nějak poškozena nebo poškrábána, chrom se rekombinuje s kyslíkem a vytvoří novou vrstvu, což znamená, že nerezová ocel je samoléčící.
Nerezová ocel se používá v širokém spektru produktů, od kuchyňského náčiní až po chirurgické vybavení a venkovní plastiky. (Je také 100% recyklovatelný.)
Nejběžnější rudou používanou k výrobě hliníku je bauxit, látka, která obsahuje asi 50 procent oxidu hlinitého. Stejně jako u železa, k získání hliníku musí být ruda oddělena od kyslíku a minerálů. Tento proces je mnohem složitější než těžba železa a byl vyvinut teprve koncem 1800. století. (Hliník byl jako unikátní prvek uznán až v roce 1808.) První část dnes nejčastěji používaného systému se nazývá Bayerův proces, pojmenován po rakouském chemikovi Carlu Bayerovi, který jej v roce 1877 vynalezl.
Bayerův proces: Bauxit se těží a drtí, poté se smíchá s vodou a louhem a zahřívá se v tancích. Účelem tepla a louhu je rozpustit hliníkovou rudu ve vodě. Mezitím samotné nečistoty klesají ke dnu. Voda obohacená hliníkem se následně odčerpá a přefiltruje, aby se odstranily zbývající nečistoty. Poté se přečerpává do obrovských usazovacích nádrží. Bílý krystalický prášek získaný po usazení sestává z 99 procent z oxidu hlinitého. Krystaly se promyjí a nechají se uschnout.
Další krok je známý jako Hall-Herouxův proces, pojmenovaný po dvou chemicích, kteří jej vyvinuli – nezávisle – v roce 1886. Během tohoto procesu se krystaly oxidu hlinitého (spolu s minerály, které pomáhají rozkládat oxid hlinitý) taví při teplotě 960 stupňů v ocelových kádích. To však nestačí ke zničení vazeb hliník-kyslík v oxidu hlinitém; jsou mnohem pevnější než vazby železo-kyslík. Roztaveným materiálem tak prochází silný elektrický proud – a to vede k rozbití vazeb. Kyslík se uvolňuje a přitahuje k uhlíkovým tyčím zavěšeným nad roztavenou směsí. Slučuje se s uhlíkem za vzniku CO2. Uvolněný hliník se taví a shromažďuje na dně kádě. Jedná se o 99,8 procenta čistého hliníku.
Hliník se používá jak v čisté formě (hliníková fólie je vyrobena z téměř čistého hliníku), tak v různých slitinách s křemíkem, mědí a zinkem. Některé jsou pevnější a lehčí než ocel. Hliník se používá k výrobě kuchyňského nádobí, plechových dóz a bloků válců (motorů).
Platina je lesklý stříbrno-bílý kov, který je velmi vzácný a má jedinečné vlastnosti: je to jeden z nejhustších kovů, přesto je velmi tvárný a odolný vůči korozi (teplota, rez, kyseliny). Má teplotu tání 1779 stupňů Celsia (zlato taje při 1064 stupních Celsia a železo při 1535 stupních Celsia). Platina existuje ve své čisté formě v přírodě, ale nejčastěji se vyskytuje ve směsi s jinými prvky, včetně kyslíku, mědi a niklu. Více než 90 procent platiny se dnes těží pouze na čtyřech místech: tři z nich jsou v Rusku a jedno v Jižní Africe.
Výroba je poměrně složitá.
K získání jedné unce (28,3 gramu) platiny je třeba vytěžit a zpracovat deset tun rudy. Proces výroby platiny je následující:
Ruda se těží, mele na prášek a mísí se s vodou a chemikáliemi. Směs je následně profukována vzduchem, který vytváří bubliny – na ně následně ulpívají drobné částečky platiny. Bubliny stoupají k hladině nádrže a vytvářejí pěnu. Tato pěna se sbírá, suší a taví při teplotě 1482 stupňů Celsia. Těžší částice – kovy – klesají na dno pece. Lehčí nečistoty se shromažďují na povrchu roztaveného kovu a jsou odstraněny. Následně se používají složité chemické procesy k oddělení platiny od mědi, niklu a dalších kovů, dokud není zcela čistá.
Zajímavosti týkající se kovů a kovodělného průmyslu
• Železná ruda se taví ve vysoké peci: do pece je „vháněn“ vzduch ohřátý na teplotu 1204 stupňů Celsia, což způsobuje, že hoří ještě více než obvykle. Typická vysoká pec v ocelárně běží 24 hodin denně, 365 dní v roce. Jeho životnost za takových podmínek je 20 let.
• Čistá ocel je náchylná ke korozi. Pozinkovaná ocel je ocel potažená zinkem, který je odolný vůči korozi.
• Hlavním chemickým prvkem v rubínech, smaragdech a safírech je hliník.
• K čemu se primárně používá extrémně vzácný kov platina? Pro výrobu katalyzátorů – zařízení na automobilech, která se používají k čištění výfukových plynů. Platina je výjimečně dobrý katalyzátor: pomáhá přeměňovat toxické plyny, jako je oxid uhelnatý, na netoxické.
• Je mýtus, že původní Indiáni nebyli kovodělníky. Ve skutečnosti mělo mnoho kmenů dlouhou tradici zpracování mědi, zvláště ty, které žili poblíž Velkých jezer, kde byl kov hojný.
• Platina těžená v historii lidstva se vešla do sklepa běžného domu.
Speciálně pro čtenáře mého blogu Muz4in.Net – materiál připravila Rosemarina na základě článku ze stránky todayifoundout.com
Copyright Muz4in.Net © – Tyto novinky patří Muz4in.Net a jsou duševním vlastnictvím blogu, chráněným autorským zákonem a nelze je nikde používat bez aktivního odkazu na zdroj. Přečtěte si více – „O autorství“
Líbil se vám článek? Stačí kliknout na inzerát za článkem. Tam najdete, co jste hledali, a my máme bonus.
