W poprzednim tygodniu chciałem opisać różne właściwości metali, lecz po opisaniu pochodzenia rud i sposobów ich pozyskiwania zabrakło już miejsca. A więc temat kontynuuję w ten "weekend".
Metalurgia rozwijała się wraz z rozwojem przemysłu w XIX i XX wieku. W metalach i ich stopach, czyli mieszaninie stopionych metali, spotykano właściwości potrzebne do wyrobu prawie wszystkich użytecznych przedmiotów. Po metalach oczekiwano głównie twardości, wytrzymałości, odporności na zniszczenie. Wadą poznawanych metali była ich znaczna waga.
Może zaskoczeniem dla wielu osób będzie informacja, że niektóre metale są lżejsze od wody. Rekordzistą jest lit, srebrzysty miękki metal, który można kroić nożem. Lit jest o połowę lżejszy od wody i mógłby pływać po wodzie zanurzony tylko do połowy – gdyby mógł.
Z wodą lit reaguje bardzo gwałtownie wydzielając z niej wodór i może się nawet zapalić. Podobnie szybko reaguje z tlenem z powietrza. Nic dziwnego, że w naturze jest niespotykany w swojej metalicznej postaci.
Sole, a raczej jony litu, są w dużej ilości w wodzie morskiej. Po odparowaniu i oddzieleniu soli litu od innych soli morskich, metaliczny lit uzyskuje się poprzez elektrolizę stopionych soli bez dostępu powietrza i wody. Metaliczny lit przechowuje się w nafcie lub innych oleistych węglowodorach, ale trzeba go trzymać mechanicznie w zanurzeniu, bo wypływa prawie ze wszystkich cieczy. Przez długi czas nie znajdowano większego zastosowania dla litu – jego sole były używane jako lekarstwo w psychiatrii a także dodawano go do smarów. Okazało się, że lit dodany do stopów aluminium zwiększa ich wytrzymałość zmniejszając wagę. Stopy litowo-aluminiowe znalazły zastosowanie w konstrukcjach lotniczych, ale jedną z ich wad jest łatwość spalania.
W płomieniach zamieniają się na biały proszek. Podobne do litu właściwości mają inne lekkie, aktywne metale: sód, potas, wapń, cez, rubid. Jako metale mają dla mechaników niewielkie znaczenie – czasem dodaje się je do stopów łożyskowych, gdyż zmniejszają tarcie. Natomiast, jako sole, są niezbędne dla żywych organizmów – roślin i zwierząt. Dużą karierę robi wspomniane wcześniej aluminium. Jeszcze na początku XIX wieku budziło zaciekawienie swoją lekkością i uważane było za metal jubilerski, gdyż nie występuje w naturze w postaci metalicznej a uzyskanie jego z rud było dość kłopotliwe. Po opanowaniu technologii jego uzyskiwania, okazało się, że jest to jeden z najpowszechniej występujących metali na Ziemi, którego nigdy nie zabraknie.
Aluminium, zarówno w czystej postaci jak i w stopach z innymi metalami, ma wiele przydatnych cech. Dobrze przewodzi prąd elektryczny i ciepło, stopy dają się łatwo kształtować i odlewać a po odpowiedniej obróbce termicznej stają się wytrzymałe (duraluminium).
Od dawnych czasów, wszechstronne zastosowanie znalazło żelazo. Dzięki bogatym i praktycznie niewyczerpalnym złożom rud, jest stosunkowo tanie, a setki i tysiące kombinacji stopów z innymi metalami i pierwiastkami tworzy stale o przeróżnych właściwościach.
Właściwości magnetyczne żelaza ulepszone w stopach są podstawą przemysłu elektrotechnicznego. Stal magnetyczna jest powszechnie wykorzystywana w elementach prądnic, silników, elektromagnesów i transformatorów.
Ostatnio opanowano technologię wytwarzania stopów mających dużo lepsze właściwości magnetyczne, nie pozwalając na krystalizację w procesie schładzania. Ciekłe metale natryskuje się na chłodzony helem obracający się walec, gdzie zastygają w milionowych częściach sekundy w chaotycznym układzie atomów, tak jak szkło. Nazwano te stopy glass metal, gdyż struktura ich przypomina szkło, mimo że nie są przeźroczyste i mają dużo większą wytrzymałość.
Niewielka zmiana składu chemicznego stopu może pozbawić stal właściwości magnetycznych, ale za to uczynić ją odporną na korozję. Stale nierdzewne i kwasoodporne dorównują trwałością wielu metalom szlachetnym. Odpowiednio dobrana stal nierdzewna może lepiej i dłużej prezentować się niż srebro – spotykamy takie wyroby w naszych kuchniach, w przemyśle spożywczym a także w wielu przedmiotach ogólnego zastosowania. Swego czasu stale nierdzewne były używane nawet w jubilerstwie, ale nie cieszą się powodzeniem zarówno wśród klientów (zbyt tani materiał) ani wśród jubilerów (bardzo trudne w precyzyjnej obróbce).
Srebro, pomimo że nie jest metalem tak trwałym jak wiele innych stopów, uważane jest od wieków za metal szlachetny, gdyż występuje często razem ze złotem i platynowcami. Zauważono od dawna, że eliminuje źródła niektórych chorób, dzisiaj wiemy, że ma własności bakteriobójcze. Od dawna wyrabiano ze srebra sztućce stołowe, ozdoby noszone na ciele, a jednym z tradycyjnych sposobów leczenia drobnych zakażeń było przykładanie ciepłej srebrnej łyżeczki do zakażonego miejsca. Jednym ze środków leczniczych był lapis – azotan srebra, który pozostawiał na skórze krótkotrwałe czarne plamki, ale bakterie znikały. Dzisiaj znamy lepsze i skuteczniejsze metody farmakologiczne.
Srebro przez długi czas było niezastąpione w fotografii. Jego sole rozpadały się pod wpływem światła pozostawiając na emulsji filmu czarne ziarenka. Fotografia cyfrowa wyeliminowała srebro zarówno z dużych klisz rentgenowskich jak i z albumów rodzinnych. Kilka lat temu był okres, gdy kilogram srebra kosztował niewiele ponad $100.-
Złoto i platyna są nazywane są metalami szlachetnymi ze względu na ich trwałość i ładny wygląd a cena śrubowana jest popytem i kosztami wydobycia. Metale te są obecnie wykorzystywane w technologii przemysłowej. Zużycie ich z trudem jest uzupełniane odzyskiwaniem ze złomowanych wyrobów, z odpadów po produkcji miedzi i pozyskiwaniem z nowych złóż.
Złotem pokrywane są styki obwodów elektrycznych, aby nie korodowały. Końcówki kabli telefonicznych, wtyczki kabli głośnikowych, złącza komputerowe, mają nakładane cienkie warstwy złota, które jednak odzyskiwać metodami domowymi zupełnie się nie opłaca. Nawet przemysłowy recycling metali szlachetnych z trudem wychodzi na swoje.
Platyna i pokrewne metale (pallad) używane są jako dopalacze spalin (katalizatory) w układach wydechowych samochodów. W każdym samochodzie mamy już poniżej jednego grama platynowców, ale odzyskiwanie tych metali wymaga bardzo zaawansowanej technologii.
Platynowce to zarazem najcięższe i najtwardsze z metali. Osm i iryd tak rzadko występują w skorupie ziemskiej, że używa się ich tylko w specjalnych zastosowaniach. Cieniutkimi warstwami rodu pokrywane są wyroby srebrne, aby nie czerniały na powietrzu.
Ołów uważany powszechnie za ciężki metal nie jest tak ciężki jak się wydaje. Ponieważ jego ciężar właściwy jest podobny do srebra, służył do prymitywnego podrabiania srebrnych monet dolarowych, posrebrzonych tylko cienką warstwą. Na starych filmach komediowych często widzimy, jak kelnerzy przyjmując zapłatę próbują zgiąć monetę w zębach, sprawdzając jej rzetelność.
Złoto jest dużo cięższe, waży o 75% więcej od ołowiu. Podrabiacze monet znaleźli jednak sposób. Uran ma prawie taką samą wagę. Na świecie jest wiele uranu, tak zwanego zubożonego, pozostałość po odciągnięciu izotopów potrzebnych w technologii jądrowej. Uran ten można używać tam, gdzie jest wymagana duża waga przy małej objętości – na przykład w balastach jachtów, pociskach karabinowych. Używanie uranu zubożonego budzi jednak protesty, gdyż wysyła on promieniowanie jądrowe, wprawdzie niewielkie, ale zawsze. Jest wiele metali silnie trujących dla żywych organizmów.
O ich trującym działaniu ludzie dowiadywali się stosunkowo późno. Ołów, rtęć, kadm, antymon, arsen, beryl były przyczyną wielu masowych zatruć, zanim ludzie przekonali się o ich stopniowym kumulowaniu się w organizmie i tragicznych skutkach. Ołów powszechnie był używany do wyrobu ozdobnych przedmiotów, zabawek (ołowiane żołnierzyki), farb okiennych, rur wodociągowych. Dalej jest trudnym do zastąpienia metalem w tanich i wydajnych akumulatorach (mógłby być zastępowany srebrem). Kadm był tanim i skutecznym pokryciem antykorozyjnym stali, beryl dodawano do stopów brązu, aby narzędzia nie iskrzyły (ważne w przemyśle naftowym i chemicznym), ze stopów antymonowo-ołowianych odlewano czcionki drukarskie, rtęć powszechnie stosowano w termometrach i instrumentach lekarskich.
Większość tych zastosowań już nie jest potrzebna lub zastąpiona innymi nietrującymi substancjami. Lecz usunięcie większości trujących metali z naszego środowiska wymaga czasu i wysiłku. Najwięcej kłopotu sprawia rtęć. Jest dalej niezbędna i ogólnie zużywa się jej coraz więcej do wzrastającej produkcji lamp fluorescencyjnych. Te oszczędzające prąd długie rury świetlówek i małe spiralne rurki wkręcane zamiast żarówek, rozbijane w śmietnikach, są nawet większym źródłem par rtęci niż dawne dymiące kominy hut i elektrowni.
Rtęć zawsze dziwiła ludzi. Metal, który na dłoni jest cieczą, niestety silnie trującą. Niewiele osób wie, że jest inny metal, całkowicie nieszkodliwy, który też roztapia się na dłoni. To gal, dość trudno osiągalny, droższy od srebra (lecz tańszy od złota), topiący się w temperaturze 30 stopni Celsjusza. Stopiony w odpowiednich proporcjach z cyną i indem jest płynny aż do około minus 20 stopni. Stop ten zastępuje rtęć we współczesnych termometrach lekarskich. Dzięki dokładnym metodom analizy chemicznej tego, co się dzieje w naszych organizmach, medycyna poznała jakie metale są niezbędne dla życia, jakie są pomocne a jakich należy się wystrzegać. Jesteśmy dużo bogatsi w wiedzę i doświadczenie niż nasi poprzednicy 50 i 100 lat temu. W dawnych czasach, zafascynowanie możliwościami metali i ich przedziwnymi właściwościami, doprowadziło do niekontrolowanego zagrożenia zdrowia ludzi.
Obecnie metale tracą swoją dawną pozycję. Coraz więcej nowych materiałów opartych o związki węglowe (tworzywa sztuczne) ma właściwości zbliżone do metali a nawet korzystniejsze. Lecz węgiel, pierwiastek, na którym zbudowane jest całe życie na naszej planecie, wymaga zupełnie innego, szerszego omówienia. (ami)
Redakcja
