Inleiding tot de scheikunde

Termen

• mijnbouwDe activiteit van het onttrekken van vaste kostbaarheden aan de aarde.
• legeringEen metaal dat een combinatie is van twee of meer elementen, waarvan ten minste één een metaal is.
• native metalEen metaal dat in zijn metallische vorm, hetzij zuiver, hetzij als legering, in de natuur wordt aangetroffen.

Native Metals

Een native metal is een metaal dat in zijn metallische vorm in de natuur wordt aangetroffen, hetzij zuiver, hetzij als legering. Metalen die als inheemse afzettingen afzonderlijk en/of in legeringen kunnen worden gevonden, zijn onder meer antimoon, arseen, bismut, cadmium, chroom, kobalt, indium, ijzer, nikkel, seleen, tantaal, telluur, tin, titaan en zink.

Twee groepen metalen kunnen ook in de natuur worden aangetroffen: de goudgroep en de platinagroep.

• De goudgroep bestaat uit goud, koper, lood, aluminium, kwik, en zilver.
• De platinagroep bestaat uit platina, iridium, osmium, palladium, rhodium, en ruthenium.

Alleen goud, zilver, koper en de platina metalen komen in grotere hoeveelheden in de natuur voor. Op geologische tijdschalen zijn maar weinig metalen bestand tegen natuurlijke verweringsprocessen zoals oxidatie. Dit is de reden waarom alleen de minder reactieve metalen zoals goud en platina als inheemse metalen worden gevonden. De andere metalen komen meestal voor als geïsoleerde deeltjes waar een natuurlijk chemisch proces een gewone verbinding of erts van het metaal reduceert. Hierbij blijft het zuivere metaal achter als kleine schilfers of insluitsels.

Natieve metalen waren de enige toegang van de prehistorische mens tot metaal. Het proces om metalen uit hun ertsen te winnen (smelten genoemd) zou rond 6500 v. Chr. zijn ontdekt. Deze metalen konden echter slechts in betrekkelijk kleine hoeveelheden worden gevonden, zodat zij niet op grote schaal konden worden gebruikt. Hoewel koper en ijzer dus reeds lang vóór de kopertijd en de ijzertijd bekend waren, zouden zij pas een grote invloed op de mensheid hebben toen de technologie om ze uit hun ertsen te smelten, en dus in massa te produceren, verscheen.

Allegeringen

Een legering is een mengsel van twee of meer elementen in vaste oplossing waarin het hoofdbestanddeel een metaal is. De meeste zuivere metalen zijn of te zacht, te bros, of chemisch reactief voor praktisch gebruik. Het combineren van verschillende verhoudingen van metalen als legeringen wijzigt de eigenschappen van zuivere metalen om gewenste eigenschappen te verkrijgen. Het doel van het maken van legeringen is over het algemeen om de metalen minder bros, harder, of beter bestand tegen corrosie te maken, of om hun kleur of glans te verbeteren.

Van alle metaallegeringen die tegenwoordig in gebruik zijn, vormen de legeringen van ijzer (staal, roestvrij staal, gietijzer, gereedschapsstaal, en gelegeerd staal) het grootste deel zowel in hoeveelheid als in commerciële waarde. IJzer dat met verschillende percentages koolstof is gelegeerd, levert laag-, midden- en hoogkoolstofstaal op; de verhoogde koolstofniveaus verminderen de vervormbaarheid en de taaiheid. De toevoeging van silicium geeft gietijzer, terwijl de toevoeging van chroom, nikkel en molybdeen aan koolstofstaal (meer dan 10%) roestvrij staal oplevert.

Andere belangrijke metaallegeringen zijn die van aluminium, titanium, koper en magnesium. Koperlegeringen zijn al bekend sinds de prehistorie – brons gaf de Bronstijd zijn naam – en hebben tegenwoordig vele toepassingen, vooral in elektrische bedrading. De legeringen van de andere drie metalen zijn meer recent ontwikkeld; wegens hun chemische reactiviteit vereisen zij elektrolytische extractieprocédés. De legeringen van aluminium, titanium en magnesium worden gewaardeerd om hun hoge sterkte-gewichtsverhouding, en magnesium kan ook elektromagnetische afscherming bieden. Deze materialen zijn ideaal voor situaties waarin een hoge sterkte-gewichtsverhouding belangrijker is dan de materiaalkosten, zoals in de lucht- en ruimtevaart en sommige toepassingen in de automobielindustrie. Legeringen die speciaal zijn ontworpen voor zeer veeleisende toepassingen, zoals straalmotoren, kunnen meer dan tien elementen bevatten.

Ores

Metalen worden vaak uit de aarde gewonnen door middel van mijnbouw, wat resulteert in ertsen die relatief rijke bronnen van de vereiste elementen zijn. Erts wordt gelokaliseerd door prospectietechnieken, gevolgd door exploratie en onderzoek van afzettingen. Minerale bronnen worden over het algemeen onderverdeeld in oppervlaktemijnen, die worden gedolven door uitgraving met behulp van zwaar materieel, en ondergrondse mijnen.

Nadat het erts is gedolven, moeten de metalen worden geëxtraheerd, gewoonlijk door chemische of elektrolytische reductie. In de pyrometallurgie wordt het erts bij hoge temperatuur omgezet in ruwe metalen, terwijl in de hydrometallurgie waterige chemie wordt gebruikt voor hetzelfde doel. De gebruikte methoden zijn afhankelijk van het metaal en de verontreinigingen.

Wanneer een metaalerts een ionische verbinding is van dat metaal en een niet-metaal, moet het erts gewoonlijk worden gesmolten (of verhit met een reductiemiddel) om het zuivere metaal te extraheren. Veel veel voorkomende metalen, zoals ijzer, worden gesmolten met behulp van koolstof als reductiemiddel. Sommige metalen, zoals aluminium en natrium, hebben geen commercieel bruikbaar reductiemiddel en worden in plaats daarvan geëxtraheerd met elektrolyse. Sulfide-ertsen worden niet direct gereduceerd tot het metaal, maar worden geroosterd in lucht om ze om te zetten in oxiden.