Minerały i metale

Obserwując różnorodność substancji w otaczającej nas naturze, starożytni filozofowie od dawna starali się odgadnąć jak te substancje są zbudowane. Samo filozofowanie, niepoparte doświadczeniami, nie mogło jednak doprowadzić do właściwych wniosków i tylko zatrzymało postęp wiedzy na długie lata.

Mimo poprawnych stwierdzeń, że materia składa się z kompozycji prostych elementów, wybór tych elementów okazał się wyjątkowo nietrafny. Arystoteles, którego autorytet był przez kilkanaście wieków niepodważalny, wmówił ludziom, że wszystko, co nas otacza, składa się w odpowiednich proporcjach z ognia, wody, powietrza i ziemi. Do tego dodał piąty element kwintesencję albo eter, który miał być podstawowym składnikiem Nieba i duszy.

Dopiero pod koniec XVIII wieku Lavoisier prawidłowo wyodrębnił ponad 30 elementarnych substancji, które obecnie nazywamy pierwiastkami chemicznymi. Sam jednak nie ustrzegł się błędu, gdyż w skład pierwiastków zaliczył również ciepło i światło.

Mendelejew w połowie XIX wieku sklasyfikował już prawidłowo 66 pierwiastków, które umieścił w prostokątnej tabeli przyporządkowując im rzędy i kolumny świadczące o podobnych właściwościach. Wiele pustych miejsc w tej tabeli zostało później zapełnione odkrywanymi, rzadko występującymi i nieznanymi wcześniej pierwiastkami.

Zdecydowana większość pierwiastków to metale, przez długi czas nieznane ludziom. Metale stosunkowo rzadko występują w przyrodzie w swojej czystej postaci. Na ogół są składnikami rud, minerałów łączących kilka pierwiastków w coś, co nie przypomina metali, takich jakie obecnie znamy na co dzień.
Z czystych metali najwcześniej ludzie poznali miedź, występującą w dość dużych skupiskach w postaci metalicznych brył. Z miedzi, w czystej postaci, można było wykonywać narzędzia i naczynia, lecz były one zbyt miękkie.

Zorientowano się, że po przetopieniu wraz z innymi minerałami, metal ten nabiera większej twardości i wytrzymałości. Dodatkiem uszlachetniającym okazała się uwalniana z minerałów cyna, ale również antymon, cynk, ołów. Przez długie wieki nauczono się wytapiać brązy, składające się głównie z miedzi i cyny, poznając eksperymentalnie właściwości stopów tych metali.
Drugim metalem, znanym od czasów prehistorycznych, było złoto. Znajdowano go w niewielkich ilościach i nie miało ono większych zalet niż brązy, poza tym, że łatwo dało się kształtować w ozdobne elementy i przez lata nie traciło ładnego połysku.

Przełomem technologicznym, a nawet cywilizacyjnym, było uzyskanie czystego żelaza. Mimo że ten metal jest najczęściej występującym pierwiastkiem na kuli ziemskiej, znajdowano go tylko w niewielkich grudkach, głównie z meteorytów spadających z Kosmosu. Żelazo zawarte w skałach i magmie Ziemi jest silnie związane z innymi pierwiastkami. Wytapiało się tylko przypadkowo przy ogniskach z rudy darniowej – nagromadzonych przez wieki warstw przegniłej trawy.

Obecnie wiemy, że większość z ponad stu pierwiastków to metale, substancje w swojej czystej postaci łatwo przewodzące prąd elektryczny i ciepło, lecz inne właściwości fizyczne mogą być zdecydowanie różne. W przyrodzie tylko kilka metali występuje w tak zwanej postaci rodzimej, czyli niepołączonych z innymi pierwiastkami. Oprócz wspomnianej miedzi i złota, można spotkać w naturze drobne ilości platyny, rtęci, srebra, ołowiu. Inne metale pozostawały jednak przez długie wieki w ukryciu, połączone z tlenem, siarką i innymi substancjami pod postaciami w niczym metali nie przypominającymi.

Długo jednak trzeba byłoby szukać metali we Wszechświecie. Pierwotna materia spotykana w Kosmosie to wodór i hel. Wodór, którego jądra tworzą pojedyncze cząsteczki, protony, mimo że jest dość agresywny i chętnie łączy się z innymi substancjami, nie spotyka w Kosmosie zbyt wielu partnerów. Hel, którego jądro zbudowane jest z dwóch protonów i dwóch neutronów, jest natomiast bardzo samolubny i nie łączy się z niczym innym.
Jeszcze tylko kilka innych jąder pierwiastków (lit, beryl) mogło powstać samoistnie w chwili tworzenia się materii Wszechświata. Większość materii spotykanej na Ziemi to produkty przemian jądrowych w gwiazdach. Jesteśmy więc kolejnym pokoleniem Wszechświata.

Gwiazdy, w których na skutek przyciągania grawitacyjnego zbiera się pierwotna materia, rozgrzewają swoje wnętrza do milionowych temperatur i z wodoru oraz helu zlepiają się inne jądra – węgla, tlenu, krzemu, magnezu, żelaza i wiele innych kończąc na niklu. Pozostała ilość pierwiastków powstaje podczas zapadania się wypalonej gwiazdy w tak zwanym wybuchu supernowej.
Pozostałość takiego wybuchu to ogromne ilości rozrzuconego jakby popiołu, to obserwowane w Kosmosie mgławice. Po miliardach lat powstają tam nowe bryły materii i jeżeli zbierze się dostateczna ilość wodoru, aby rozpalić nową gwiazdę, powstają układy planetarne, w których mogą zaistnieć warunki podobne jak na planetach naszego Układu Słonecznego.

Ziemia, podobnie jak inne bliskie Słońcu planety (Merkury, Wenus, Mars), to zlepek takiego gwiezdnego popiołu, w którym wymieszały się najróżniejsze pierwiastki. Zamiast różnorodności form materii na naszej planecie, można byłoby się spodziewać dokładnie wymieszanego "wysypiska kosmicznych śmieci". Dochodzą jednak do głosu inne zjawiska fizyczne.

W gwiezdnym popiele, z którego zlepiła się Ziemia, było i jest wiele ciężkich jąder, złożonych z ponad dwustu nukleonów (protonów i neutronów). Jądra te są niestabilne i od czasu do czasu (po milionach a nawet miliardach lat) rozpadają się wysyłając energetyczne promieniowanie. Ciepło wydzielone podczas rozpadu z trudem wydostaje się na powierzchnię gromadząc się we wnętrzu Ziemi, gdzie przez te miliardy lat temperatura wzrosła i utrzymuje się ponad 6 tys. stopni Celsjusza.

Ziemia w swoim wnętrzu jest jakby kolumną rektyfikacyjną, w której zależnie od warunków ciśnienia i temperatury wydzielają się różne substancje. Najszybciej te zjawiska przebiegają na dnie oceanów, które pęka i gorące roztopione skały bezpośrednio mają kontakt z zimną wodą. W jednym miejscu powstają warunki do osadzania się jednych minerałów, w innym miejscu przy nieco innych warunkach oddzielają się z magmy i osadzają inne minerały.
Przez setki milionów i miliardów lat skorupa Ziemi ukształtowała się niejednorodnie. Pękanie i przesuwanie się tej skorupy, działalność wulkanów, wypiętrzanie się skał, rozkruszanie ich i wymywanie przez wodę, doprowadziło do selekcji i powstania złóż różnorodnych minerałów, z których technolodzy potrafią uzyskiwać potrzebne nam surowce.

Omówienie wszystkich warunków, w jakich powstają złoża minerałów, przekracza ramy tego felietonu. Poszukiwaniem i opisywaniem minerałów zajmują się geolodzy. Złoża różnych rud są prawie wszędzie na świecie i wiele jest jeszcze nieodkrytych, chociażby pod zamarzniętymi terenami Syberii i Kanady.

Duża koncentracja minerałów występuje na kontynencie północno-amerykańskim, który w przeszłości był dnem oceanu. Wypiętrzanie się pasm górskich przemieszało warstwy osadów i wiele złóż znalazło się blisko powierzchni. W XIX wieku, gdy kontynent zasiedlany był przez kolonizatorów z Europy, zorientowano się, że wiele surowców potrzebnych dla rozwijającego się przemysłu jest w zasięgu ręki.

W górach i na pustyniach, często w miejscach bardzo trudnych dla życia, powstawały osiedla górnicze zamieszkiwane przez tysiące ludzi. Po wyczerpaniu złoża lub spadku zapotrzebowania, domy i kopalnie były porzucane, strasząc do dzisiaj jako "miasteczka duchów". Szacuje się, że w USA jest ponad pół miliona opuszczonych miejsc, gdzie kiedyś wydobywano minerały na skalę przemysłową.

Ameryka nadal może się poszczycić górniczymi rekordami, choć górnictwo jest tutaj nieco różne do tradycyjnego. Największa na świecie kopalnia rud miedzi i pokrewnych metali (Bingham Canyon) jest tuż obok Salt Lake City. Złoża są tu tak rozległe i "mięsiste", że zamiast drążyć podziemne korytarze, postanowiono usuwać powierzchniowe warstwy i wkopywać się wgłąb. Jest to tak zwana kopalnia odkrywkowa, gdzie przez ponad sto lat eksploatacji wykopano dół o głębokości 1,2 kilometra i szerokości 4 kilometry, pozyskując rudy miedzi i molibdenu, wśród których są również znaczące ilości złota i srebra.

Pracujące w kopalniach odkrywkowych maszyny imponują swoją wielkością. Koparki mogą jednorazowo podnieść i załadować na ciężarówkę około 90 ton rudy (waga dużej lokomotywy). Ciężarówki transportujące rudę mają koła o średnicy wyższej od człowieka a przewożą ładunek około 250 ton.

Podobnie wielki sprzęt pracuje w górach Nevady przerzucając pokruszone skały, z których wymywa się złoto i inne szlachetne metale. Złoża są tam tak rozkruszone i rozsiane, że jedyną metodą jest rozpuszczanie ziarenek metali w cyjankach. Tereny złotonośne Nevady zawsze były nieprzyjazne dla życia, zarówno roślin jak i zwierząt. Przemywanie gleby cyjankami niewiele może tym terenom zaszkodzić.

Od lat słychać głosy, że nadmierna konsumpcja i eksploatacja minerałów doprowadzi do wyczerpania złóż i głodu surowców. Mimo pesymistycznych prognoz, że za dziesięć, dwadzieścia, pięćdziesiąt lat tego i tamtego zabraknie, jak na razie geolodzy odnajdują coraz to nowe złoża. To, co dotychczas odkrywano i eksploatowano, to zaledwie cząstka nieprzebranych zasobów naszej planety. Dostęp do tych zasobów jest jednak coraz trudniejszy a eksploatacja bardziej kosztowna.

Dużo mówi się o odzyskiwaniu surowców z odpadków poprodukcyjnych i pokonsumpcyjnych. Jest to niewątpliwie korzyść dla środowiska i w pewnym stopniu dla gospodarki. Obecnie, najwięcej odzyskuje się żelaza, aluminium, szkła. Paradoksalnie, te surowce są na Ziemi nie do wyczerpania. Zarówno żelazo, aluminium jak i piasek kwarcowo-wapniowy jest wszędzie i nigdy nie może ich zabraknąć.
(ami)