Introduktion till kemi

Termer

• GruvdriftAktiviteten att ta bort fasta värdesaker från jorden.
• legeringEn metall som är en kombination av två eller flera grundämnen, varav minst ett är en metall.
• naturlig metallEn metall som finns i sin metalliska form, antingen ren eller som en legering, i naturen.

Naturliga metaller

En naturlig metall är en metall som finns i sin metalliska form i naturen, antingen ren eller som en legering. Metaller som kan hittas som inhemska fyndigheter enskilt och/eller i legeringar är bland annat antimon, arsenik, bismut, kadmium, krom, kobolt, indium, järn, nickel, selen, tantal, tellur, tenn, titan och zink.

Två grupper av metaller kan också hittas i naturen: guldgruppen och platinagruppen.

• Guldgruppen består av guld, koppar, bly, aluminium, kvicksilver och silver.
• Platinagruppen består av platina, iridium, osmium, palladium, rhodium och ruthenium.

Endast guld, silver, koppar och platinametaller förekommer i naturen i större mängder. Över geologiska tidsskalor är det mycket få metaller som kan motstå naturliga vittringsprocesser som oxidation. Detta är anledningen till att endast de mindre reaktiva metallerna, såsom guld och platina, förekommer som inhemska metaller. De andra förekommer vanligtvis som isolerade fickor där en naturlig kemisk process reducerar en vanlig förening eller malm av metallen. Detta lämnar den rena metallen kvar som små flingor eller inneslutningar.

Naturliga metaller var den förhistoriska människans enda tillgång till metall. Processen att utvinna metaller ur deras malm (kallad smältning) tros ha upptäckts omkring 6500 f.Kr. Dessa metaller kunde dock endast hittas i relativt små mängder, så de kunde inte användas i stor utsträckning. Så även om koppar och järn var kända långt före kopparåldern och järnåldern skulle de inte få någon större inverkan på mänskligheten förrän tekniken för att smälta dem från sina malmer, och därmed massproducera dem, dök upp.

Legeringar

En legering är en blandning av två eller flera grundämnen i fast lösning där den viktigaste komponenten är en metall. De flesta rena metaller är antingen för mjuka, spröda eller kemiskt reaktiva för praktisk användning. Genom att kombinera olika proportioner av metaller som legeringar ändras egenskaperna hos rena metaller för att åstadkomma önskvärda egenskaper. Syftet med att göra legeringar är i allmänhet att göra metallerna mindre spröda, hårdare eller mer motståndskraftiga mot korrosion, eller att förbättra deras färg eller lyster.

Av alla metalllegeringar som används idag utgör järnlegeringarna (stål, rostfritt stål, gjutjärn, verktygsstål och legerat stål) den största andelen, både i fråga om kvantitet och kommersiellt värde. Järn legerat med olika andelar kol ger stål med låg, medelhög och hög kolhalt; de ökade kolhalterna minskar duktilitet och seghet. Tillsats av kisel ger gjutjärn, medan tillsats av krom, nickel och molybden till kolstål (mer än 10 %) ger rostfria stål.

Andra viktiga metalllegeringar är de av aluminium, titan, koppar och magnesium. Kopparlegeringar har varit kända sedan förhistorien – brons gav bronsåldern sitt namn – och har många tillämpningar i dag, framför allt i elektriska ledningar. Legeringar av de andra tre metallerna har utvecklats på senare tid. På grund av deras kemiska reaktivitet kräver de elektrolytiska utvinningsprocesser. Legeringar av aluminium, titan och magnesium uppskattas för sin höga hållfasthet i förhållande till vikten, och magnesium kan också ge elektromagnetisk avskärmning. Dessa material är idealiska för situationer där hög hållfasthet i förhållande till vikt är viktigare än materialkostnaden, t.ex. inom flygindustrin och vissa fordonstillämpningar. Legeringar som är särskilt utformade för mycket krävande tillämpningar, t.ex. jetmotorer, kan innehålla mer än tio grundämnen.

Metaller utvinns ofta ur jorden genom gruvdrift, vilket resulterar i malmer som är relativt rika källor till de nödvändiga grundämnena. Malmer lokaliseras med hjälp av prospekteringsmetoder, följt av prospektering och undersökning av fyndigheter. Mineralkällor delas i allmänhet in i ytliga gruvor, som bryts genom utgrävning med hjälp av tung utrustning, och underjordiska gruvor.

När malmen har brutits måste metallerna utvinnas, vanligen genom kemisk eller elektrolytisk reduktion. Pyrometallurgi använder höga temperaturer för att omvandla malm till råmetaller, medan hydrometallurgi använder vattenkemi för samma ändamål. Vilka metoder som används beror på metallen och dess föroreningar.

När en metallmalm är en jonisk förening av den metallen och en icke-metall måste malmen vanligtvis smältas (eller upphettas med ett reduktionsmedel) för att utvinna den rena metallen. Många vanliga metaller, till exempel järn, smälts med hjälp av kol som reduktionsmedel. Vissa metaller, t.ex. aluminium och natrium, har inget kommersiellt praktiskt reduktionsmedel och utvinns i stället med hjälp av elektrolys. Sulfidmalmer reduceras inte direkt till metallen, utan rostas i luft för att omvandlas till oxider.