Bevezetés a kémiába

Fogalmak

• bányászatA szilárd értékek földből való kiemelésének tevékenysége.
• ötvözetKét vagy több elem kombinációja, amelyek közül legalább az egyik fém.
• nemesfémMinden olyan fém, amely fémes formában, tisztán vagy ötvözetként a természetben megtalálható.

nemesfémek

A nemesfém minden olyan fém, amely fémes formában, tisztán vagy ötvözetként a természetben megtalálható. A natív lelőhelyként egyenként és/vagy ötvözetekben megtalálható fémek közé tartozik az antimon, arzén, bizmut, kadmium, króm, kobalt, indium, vas, nikkel, szelén, szelén, tantál, tellúr, ón, titán és cink.

A természetben két fémcsoport is megtalálható: az aranycsoport és a platinacsoport.

• Az aranycsoportba az arany, a réz, az ólom, az alumínium, a higany és az ezüst tartozik.
• A platinacsoportba a platina, az irídium, az ozmium, a palládium, a ródium és a ruténium.

A természetben nagyobb mennyiségben csak az arany, az ezüst, a réz és a platinafémek fordulnak elő. Geológiai időskálán nagyon kevés fém képes ellenállni a természetes időjárási folyamatoknak, például az oxidációnak. Ezért csak a kevésbé reaktív fémek, mint az arany és a platina fordulnak elő natív fémekként. A többiek általában elszigetelten fordulnak elő, ahol egy természetes kémiai folyamat a fém egy közös vegyületét vagy ércét redukálja. Ez a tiszta fémet apró pelyhek vagy zárványok formájában hagyja hátra.

A natív fémek voltak az őskori ember egyetlen hozzáférése a fémekhez. A fémek ércükből való kinyerésének (az úgynevezett olvasztás) folyamatát vélhetően i. e. 6500 körül fedezték fel. Ezek a fémek azonban csak viszonylag kis mennyiségben voltak fellelhetők, így nem lehetett őket széles körben felhasználni. Így bár a rezet és a vasat már jóval a rézkorszak és a vaskorszak előtt ismerték, nem volt nagy hatásuk az emberiségre, amíg meg nem jelent az ércekből való kiolvasztásuk, és így tömeges előállításuk technológiája.

Elművek

Az ötvözet két vagy több elem szilárd oldatban lévő keveréke, amelyben a fő komponens egy fém. A legtöbb tiszta fém vagy túl lágy, törékeny vagy kémiailag reaktív a gyakorlati felhasználáshoz. A fémek különböző arányainak ötvözetként való kombinálása módosítja a tiszta fémek tulajdonságait a kívánatos tulajdonságok elérése érdekében. Az ötvözetek készítésének célja általában az, hogy a fémeket kevésbé törékennyé, keményebbé vagy korrózióállóbbá tegyék, vagy javítsák színüket vagy csillogásukat.

A ma használatos fémötvözetek közül a vasötvözetek (acél, rozsdamentes acél, öntöttvas, szerszámacél és ötvözött acél) teszik ki a legnagyobb arányt mind mennyiségben, mind kereskedelmi értékben. A különböző arányú szénnel ötvözött vasból alacsony, közepes és magas széntartalmú acélok készülnek; a megnövekedett széntartalom csökkenti a képlékenységet és a szívósságot. Szilícium hozzáadásával öntött vasakat, míg króm, nikkel és molibdén hozzáadásával a szénacélokhoz (több mint 10%) rozsdamentes acélokat kapunk.

A többi jelentős fémötvözet az alumínium, titán, réz és magnézium ötvözetei. A rézötvözetek már az őskor óta ismertek – a bronzkornak a bronz adta a nevét -, és ma is számos alkalmazásuk van, leginkább az elektromos vezetékekben. A másik három fém ötvözeteit a közelmúltban fejlesztették ki; kémiai reakcióképességük miatt elektrolitikus kivonási eljárásokat igényelnek. Az alumínium, a titán és a magnézium ötvözeteit nagy szilárdság/tömeg arányuk miatt értékelik, és a magnézium elektromágneses árnyékolásra is alkalmas. Ezek az anyagok ideálisak olyan helyzetekben, ahol a nagy szilárdság/tömeg arány fontosabb, mint az anyagköltség, például a repülőgépiparban és egyes autóipari alkalmazásokban. A kifejezetten nagy igénybevételt jelentő alkalmazásokhoz, például sugárhajtóművekhez tervezett ötvözetek több mint tíz elemet tartalmazhatnak.

Érmek

A fémeket gyakran bányászat útján nyerik ki a Földből, így olyan ércek keletkeznek, amelyek viszonylag gazdag forrásai a szükséges elemeknek. Az ércek felkutatási technikákkal, majd a lelőhelyek feltárásával és vizsgálatával találhatók meg. Az ásványi forrásokat általában felszíni bányákra osztják, amelyeket nehézgépekkel végzett ásással bányásznak, és felszín alatti bányákra.

Az érc kitermelése után a fémeket ki kell vonni, általában kémiai vagy elektrolitikus redukcióval. A pirometallurgia magas hőmérsékleten alakítja át az ércet nyersfémekké, míg a hidrometallurgia ugyanerre a célra vizes kémiai eljárásokat alkalmaz. Az alkalmazott módszerek a fémtől és azok szennyeződéseitől függnek.

Ha egy fémérc az adott fém és egy nem fém ionos vegyülete, az ércet általában olvasztani (vagy redukálószerrel melegíteni) kell a tiszta fém kivonásához. Sok közönséges fémet, például a vasat, szénnel mint redukálószerrel olvasztják. Egyes fémek, mint például az alumínium és a nátrium, nem rendelkeznek kereskedelmi forgalomban használható redukálószerrel, ezért elektrolízissel nyerik ki őket. A szulfidos érceket nem redukálják közvetlenül fémmé, hanem levegőn pörkölik őket, hogy oxidokká alakuljanak át.