Indledning til kemi

Termer

• minedriftAktiviteten med at fjerne faste værdigenstande fra jorden.
• legeringEt metal, der er en kombination af to eller flere grundstoffer, hvoraf mindst ét er et metal.
• naturligt metalEt metal, der findes i sin metalform, enten rent eller som legering, i naturen.

Naturlige metaller

Et naturligt metal er ethvert metal, der findes i sin metalform i naturen, enten rent eller som legering. Metaller, der kan findes som indfødte forekomster enkeltvis og/eller i legeringer, omfatter antimon, arsen, bismuth, cadmium, chrom, kobolt, indium, jern, nikkel, selen, tantal, tellur, tin, titan og zink.

To grupper af metaller kan også findes i naturen: guldgruppen og platinagruppen.

• Guldgruppen består af guld, kobber, bly, aluminium, kviksølv og sølv.
• Platinagruppen består af platin, iridium, osmium, palladium, rhodium og ruthenium.

Kun guld, sølv, kobber og platinmetallerne forekommer i naturen i større mængder. Over geologiske tidsskalaer er der meget få metaller, der kan modstå naturlige forvitringsprocesser som f.eks. oxidation. Det er derfor kun de mindre reaktive metaller som guld og platin findes som naturlige metaller. De andre forekommer normalt som isolerede lommer, hvor en naturlig kemisk proces reducerer en almindelig forbindelse eller malm af metallet. Dette efterlader det rene metal tilbage som små flager eller indeslutninger.

Native metaller var forhistoriske menneskers eneste adgang til metal. Man mener, at processen med at udvinde metaller fra deres malme (kaldet smeltning) blev opdaget omkring 6500 f.Kr. Disse metaller kunne dog kun findes i relativt små mængder, så de kunne ikke anvendes i stor udstrækning. Så selv om kobber og jern var kendt længe før kobberalderen og jernalderen, ville de ikke få stor betydning for menneskeheden, før teknologien til at smelte dem fra deres malme og dermed massefremstille dem dukkede op.

Legeringer

En legering er en blanding af to eller flere grundstoffer i fast opløsning, hvor den vigtigste bestanddel er et metal. De fleste rene metaller er enten for bløde, skøre eller kemisk reaktive til praktisk brug. Ved at kombinere forskellige forhold mellem metaller som legeringer ændres de rene metallers egenskaber for at opnå ønskelige egenskaber. Formålet med at fremstille legeringer er generelt at gøre metallerne mindre skøre, hårdere eller mere modstandsdygtige over for korrosion eller at forbedre deres farve eller glans.

Af alle de metalliske legeringer, der anvendes i dag, udgør legeringer af jern (stål, rustfrit stål, støbejern, værktøjsstål og legeret stål) den største andel både efter mængde og kommerciel værdi. Jern legeret med forskellige andele af kulstof giver stål med lavt, mellem og højt kulstofindhold; det øgede kulstofindhold reducerer duktilitet og sejhed. Tilsætning af silicium giver støbejern, mens tilsætning af krom, nikkel og molybdæn til kulstofstål (mere end 10 %) giver rustfrit stål.

Andre vigtige metallegeringer er legeringer af aluminium, titan, kobber og magnesium. Kobberlegeringer har været kendt siden forhistorien – bronze gav bronzealderen sit navn – og har mange anvendelsesmuligheder i dag, først og fremmest i elektriske ledninger. Legeringer af de tre andre metaller er udviklet for nyere tid siden; på grund af deres kemiske reaktivitet kræver de elektrolytiske udvindingsprocesser. Legeringer af aluminium, titan og magnesium er værdsat på grund af deres høje styrke/vægt-forhold, og magnesium kan også give elektromagnetisk afskærmning. Disse materialer er ideelle til situationer, hvor et højt styrke/vægt-forhold er vigtigere end materialeomkostningerne, f.eks. inden for luft- og rumfart og visse bilapplikationer. Legeringer, der er specielt udviklet til meget krævende anvendelser, som f.eks. jetmotorer, kan indeholde mere end ti grundstoffer.

Metaller udvindes ofte fra jorden ved hjælp af minedrift, hvilket resulterer i malme, der er relativt rige kilder til de nødvendige grundstoffer. Malme findes ved hjælp af prospekteringsteknikker, efterfulgt af efterforskning og undersøgelse af forekomster. Mineralkilder opdeles generelt i overflademiner, som udvindes ved udgravning med tungt udstyr, og underjordiske miner.

Når malmen er udvundet, skal metallerne udvindes, normalt ved kemisk eller elektrolytisk reduktion. Ved pyrometallurgi anvendes høje temperaturer til at omdanne malm til råmetaller, mens hydrometallurgi anvender vandig kemi til samme formål. De anvendte metoder afhænger af metallet og dets forurenende stoffer.

Når en metalmalm er en ionisk forbindelse af dette metal og et ikke-metal, skal malmen normalt smeltes (eller opvarmes med et reduktionsmiddel) for at udvinde det rene metal. Mange almindelige metaller, som f.eks. jern, smeltes ved hjælp af kulstof som et reduktionsmiddel. Nogle metaller, som f.eks. aluminium og natrium, har ikke noget kommercielt anvendeligt reduktionsmiddel og udvindes i stedet ved hjælp af elektrolyse. Sulfidmalme reduceres ikke direkte til metallet, men brændes i luft for at omdanne dem til oxider.