¿QUÉ ES “METAL”?
Científicamente hablando, los metales son elementos químicos naturales que suelen ser duros, lustrosos y buenos conductores tanto del calor como de la electricidad. Los ejemplos incluyen hierro, oro, plata, cobre, zinc, níquel, etc., pero también elementos que normalmente no consideramos metales. Uno es el sodio, un metal que comemos regularmente: el sodio es un metal blanco plateado y suave que comúnmente se une con el elemento cloro para formar cloruro de sodio o sal común.
Otra es Astatine, que fue descubierta en 1940 en un laboratorio, donde fue creada artificialmente. No se descubrió en la naturaleza hasta 1943. Astatine es altamente radioactivo, y se cree que solo una onza de ella existe, en total, en la Tierra. De los 118 elementos químicos conocidos en existencia, 88 de ellos son metales.
ALCHEMIA REAL
Entonces, ¿de dónde vienen todos estos metales? Aquí hay una explicación muy simplificada:
Todos los elementos, incluidos los metales, están hechos del mismo material: material atómico: electrones, neutrones y protones. Los átomos de diferentes elementos se pueden distinguir entre sí por el número de protones que contienen. (El número de neutrones y electrones puede variar incluso entre los átomos del mismo elemento). Por ejemplo, un átomo de hidrógeno contiene un solo protón. Un átomo de oro tiene 79. Esto es cierto para cada uno de los innumerables átomos de hidrógeno y oro en el universo.
Si pudieras encontrar la forma de unir 79 átomos de hidrógeno en un solo átomo, tendrías un átomo con 79 protones y, por lo tanto, tendrías un átomo de oro. Y eso es casi exactamente lo que sucede … excepto que ocurre dentro de las estrellas.
HAY ORO EN ELLAS ESTRELLAS
Hace aproximadamente 13.7 mil millones de años, la materia apareció por primera vez en forma de átomos de los dos elementos más ligeros: el hidrógeno, con un protón, y el helio, con dos. Siguen siendo, con mucho, los elementos más abundantes en el universo.
Después de muchos millones de años, esos primeros átomos de hidrógeno y helio se acumularon en nubes de polvo y gases tan grandes que tendrían que medirse en años luz (1 año luz = 6 billones de millas o 9,5 billones de kilómetros). Las nubes finalmente cedieron a su propia enorme gravedad y se derrumbaron, formando las primeras estrellas. Y las estrellas eran destructores de átomos, lo suficientemente calientes como para descomponer esos átomos de hidrógeno y helio, y fusionar los bits nuevamente, convirtiéndolos en átomos más grandes de diferentes elementos más pesados.
Por ejemplo, si fusiona dos átomos de hidrógeno juntos, tiene un átomo con dos protones, o helio. Fusiona tres hidrógenos juntos y obtienes un átomo con tres protones: el litio, el primero y el metal más liviano. Fusiona tres helios y obtienes un átomo con seis protones: carbono. Esto es lo que está pasando en todas las estrellas que ves en el cielo por la noche. En los procesos masivos, el proceso puede resultar en la producción de elementos más pesados, incluyendo metales como el titanio (22 protones) y el hierro (26 protones). Si son especialmente masivos, pueden producir los metales más pesados, como el oro (79 protones) y el uranio (92 protones). Esta es una de las cosas que hacen las estrellas, y así es como todos los elementos, incluidos todos esos metales brillantes, se forman en la naturaleza.
Ahora, ¿cómo llegaron aquí?
Hacia abajo a la tierra
En los primeros miles de millones de años después del Big Bang, miles de millones y miles de millones de estrellas nacieron, de la manera que acabamos de describir. Muchas eran extremadamente masivas (cientos de veces más grandes que nuestro sol) y las estrellas masivas tienen vidas relativamente cortas, solo unos pocos millones de años en algunos casos (las estrellas más pequeñas pueden vivir por miles de millones de años) y luego mueren explotando como supernovas.
Y cuando esas estrellas masivas explotaron hace miles de millones de años, expulsaron los elementos pesados que habían estado creando, enviándolos al espacio. Tenían, para decirlo de una manera, "sembraron" el universo con elementos, incluyendo metales. Y cantidades súper masivas e imposibles de comprender: billones y billones y billones de megatones. Eso significa que cuando más tarde se formaron nuevas estrellas, ya habían sido "sembradas" con metales dejados por esas supernovas.
Una de esas estrellas posteriores, ricas en metales, fue nuestro propio sol. Un vistazo rápido a esa historia:
- Hace unos 4.500 millones de años, una enorme nube cósmica de polvo y gas, sembrada con muchos elementos más pesados, colapsó, comenzando el proceso de formación de una nueva estrella.
- La mayor parte del hidrógeno y el helio en la nube se convirtieron en parte de la estrella recién formada. El resto del polvo y el gas, incluidos los metales, se acumularon en una masa fundida, girando alrededor de la nueva estrella. El movimiento giratorio aplanó la masa (imagen de masa de pizza girando) en un disco fundido y giratorio.
- Durante millones de años, a medida que el disco se enfrió, fragmentos de él se agruparon aquí y allá, y esos grupos se convirtieron en los planetas de nuestro sistema solar. ¿Y los metales en el polvo? Se convirtieron en todos los metales encontrados en todos los planetas, incluido el nuestro.
Nuestro Compartir: La Tierra tiene mucho metal. Casi un tercio de la masa del planeta es el elemento hierro, la mayor parte de la que se encuentra en el núcleo del planeta.Otro 14 por ciento es magnesio, 1.5 por ciento es níquel y 1.4 por ciento es aluminio. Eso es el 49 por ciento del planeta. El resto de los metales de la Tierra, incluidos los metales "preciosos" como el oro, la plata, el platino y el paladio, solo existen en cantidades mínimas. El resto, la parte no metálica, es aproximadamente 30 por ciento de oxígeno y 15 por ciento de silicio, junto con cantidades más pequeñas de muchos otros elementos no metálicos.
¡MIRA! ¡BRILLANTE!
Durante al menos unos pocos millones de años, los seres humanos y sus antepasados utilizaron herramientas hechas de materiales como madera, hueso y roca, para ayudarles a hacer su vida un poco más fácil. No les facilitó mucho la vida: los Homo sapiens han sido cazadores y recolectores nómadas relativamente primitivos durante casi toda su existencia. Luego, hace unos 10.000 años, comenzaron a descubrir formas de trabajar con un "nuevo" material: el metal.
Los primeros metales utilizados por los humanos fueron aquellos con los que los primeros forjadores de metales no tuvieron que hacer mucho para poder usarlos. Estos son los metales nativos: metales que se producen en la naturaleza en estado puro o se mezclan naturalmente con otros elementos de una manera que mantiene sus propiedades utilizables. Incluyen cobre, estaño, plomo, plata y oro.
Alguien podría haber encontrado pepitas de estos metales en un lecho de un arroyo, o en las raíces de un árbol descubierto, y pensó que eran atractivos. Es posible que los hayan golpeado con martillos de piedra y hayan encontrado que podrían moldearlos. Eso podría haber llevado a que los metales se usen en joyas o adornos, o a la fabricación de herramientas y armas de metal como hachas, cuchillos y espadas, una gran mejora con respecto a las antiguas herramientas de piedra. Todo esto eventualmente llevó a que las personas buscaran activamente más metales, el establecimiento de minas, el comercio de metales entre diferentes pueblos y el nacimiento de una industria metalúrgica. Sin embargo, sucedió, sucedió en numerosos lugares en todo el mundo.
METALURGIA
Comenzando hace unos 8,000 años, la gente comenzó a descubrir que podían alterar el metal. Puede que lo hayan descubierto por accidente, o tal vez las personas se volvieron creativas, o tal vez fue una combinación de ambos. En cualquier caso, se desarrollaron nuevos procesos para alterar los metales y luego para crear otros completamente nuevos que no existían en la naturaleza, con enormes mejoras en la calidad. Durante los siguientes miles de años, la minería y el trabajo del metal se convirtieron en parte integral de la mayoría de las culturas de la Tierra, y el metal se convirtió en una de las sustancias más revolucionarias de la historia de la humanidad. Cada uno de estos nuevos procesos involucró un disparo, y es probable que la experimentación con uno conduzca directamente al siguiente. Los avances más importantes:
- Recocido. Este es simplemente el proceso de calentamiento del metal hasta que es rojo cereza. Esto restaura el metal viejo y quebradizo a su estado original maleable, lo que le permite volver a trabajar y prolongar su uso. El recocido se puede realizar a temperaturas relativamente bajas (el cobre se puede recocer en una fogata). Se hizo por primera vez en algún momento alrededor del 6000 a. C., en algún lugar del Medio Oriente, y posiblemente en Europa y la India aproximadamente al mismo tiempo.
- Fundición. En este proceso, los metales se funden en un estado líquido, ofreciendo mucha más libertad para darles forma en diferentes formas. Los metales se fundieron por primera vez alrededor del año 5000 a. C., después del desarrollo de hornos de alfarería más avanzados, que pueden producir calores mucho más altos que los que se podrían lograr en incendios abiertos simples.
- Producción de aleaciones. Este es el proceso de mezclar diferentes metales mientras se encuentran en estado fundido. Comenzó alrededor del año 3300 a. C. (el comienzo de la Edad de Bronce), con la primera producción de bronce, una mezcla de cobre y estaño que es mucho más dura y duradera que cualquiera de sus componentes.
- Extracción. Con mejoras adicionales en la tecnología del horno y la posterior capacidad de lograr temperaturas más altas, se desarrollaron técnicas que permitieron la extracción de metales del mineral. Primero se hizo con hierro en el Medio Oriente alrededor de 1500 a. C., que marca el comienzo de la Edad del Hierro.
- Los pueblos antiguos practicaban la fundición, la producción de aleaciones y la extracción en Europa, Asia, América del Sur y hasta el norte de México, pero no en el resto de América del Norte ni en Australia, hasta que llegaron los europeos. Estos procesos simples siguen siendo la base de lo que probablemente sea la industria más grande y exitosa en la historia de la humanidad: la industria del metal.
PLANCHAR
El hierro es el metal más abundante en la Tierra. Pero al igual que la mayoría de los metales, llegar a él es complicado, porque se encuentra muy raramente en estado puro en la naturaleza. Más comúnmente existe en los óxidos de hierro, moléculas compuestas de hierro y oxígeno, que se encuentran mezcladas con roca en el mineral de hierro. Para obtener el hierro, tienes que deshacerte del oxígeno y la roca. Aquí está el proceso más común usado hoy:
- Preparación: Después de ser extraído, el mineral de hierro se tritura en polvo. Luego se utilizan enormes tambores magnéticos para separar el mineral pobre en hierro del mineral rico en hierro. (El mineral rico en hierro se adhiere a los tambores; el resto se cae). El polvo rico en hierro se mezcla con arcilla y se convierte en gránulos del tamaño de mármol, que luego se endurecen por calor. Eso permite una combustión más eficiente durante el siguiente paso, la fundición.
- Fundición: los gránulos se funden en un horno junto con coque (carbón que se ha procesado hasta obtener carbón casi puro) y piedra caliza. El calor intenso rompe los enlaces hierro-oxígeno en el mineral, liberando el oxígeno en forma de gas, que se une con el gas de carbono que se libera del coque ardiente para formar CO2 (dióxido de carbono). El CO2 se escapa de la parte superior del horno, y el hierro, ahora libre de oxígeno, se funde (a unos 2.800 ° F) y se acumula en la parte inferior del horno. La piedra caliza también se derrite y se une con impurezas para formar residuos fundidos conocidos como escoria.La escoria es más ligera que el hierro y se extrae continuamente de la parte superior del horno.
- Resultado: El producto de este proceso es la aleación de hierro arrabio. Tiene un contenido de carbono relativamente alto de alrededor del 5 por ciento, lo que lo hace muy quebradizo, y el arrabio es por lo tanto inútil, excepto en la fabricación de otras aleaciones de hierro, especialmente el acero.
ACERO
Hoy en día, alrededor del 98 por ciento del arrabio producido en el mundo se destina a la producción de acero, el metal o aleación de metal más utilizado en la historia. El proceso comienza vertiendo arrabio fundido en hornos de acero, donde se trata para eliminar las impurezas restantes y para reducir el contenido de carbono entre 0,1 y 2 por ciento. Esa es una de las principales características del acero: todos menos unos pocos de los cientos de diferentes tipos de acero contienen carbono en estos niveles. Eso reduce la fragilidad, al tiempo que aumenta la fuerza y la dureza. Dependiendo del tipo de acero que se fabrica, luego se agregan diferentes elementos a la mezcla. Dos ejemplos:
- El acero al manganeso, o mangalloy, es aproximadamente un 13 por ciento de manganeso, lo que lo hace extremadamente resistente al impacto. Eso hace que mangalloy sea popular para su uso en herramientas de minería, equipos de trituración de rocas y blindaje para vehículos militares.
- El acero inoxidable es en realidad un nombre para una amplia gama de aceros, pero todos tienen una cosa en común: el cromo, de aproximadamente 10 a 30 por ciento, dependiendo del tipo. El cromo en la superficie del acero inoxidable se une con el oxígeno en el aire para formar una capa de óxido de cromo, que es lo que le da al acero inoxidable su apariencia muy dura y brillante, y lo hace resistente a la corrosión. Y si está dañado o cicatrizado, el cromo se vuelve a unir con el oxígeno y se forma una nueva capa, por lo que se repara automáticamente. Los aceros inoxidables se utilizan en una amplia variedad de productos, desde utensilios de cocina hasta equipos quirúrgicos y esculturas al aire libre. (También es 100% reciclable.)
ALUMINIO
El mineral más común que se usa para la producción de aluminio es la bauxita, una sustancia similar a un clailo que contiene alrededor del 50 por ciento de alúmina: aluminio unido a oxígeno. Al igual que con el hierro, llegar al aluminio significa deshacerse del oxígeno y los minerales en el mineral. El proceso es mucho más complicado que la extracción de hierro, y solo se desarrolló a fines del siglo XIX. (El aluminio solo se identificó como un elemento único en 1808.) La primera parte del sistema que se usa más comúnmente en la actualidad se denomina proceso de Bayer, que lleva el nombre del químico austriaco Karl Bayer, quien lo inventó en 1877.
El proceso de Bayer: la bauxita se extrae y se tritura, luego se mezcla con agua y lejía y se calienta en tanques. Este calor y lejía hacen que la alúmina en el mineral se disuelva en el agua, mientras que las impurezas se hunden en el fondo. Luego, el agua rica en alúmina se extrae con sifón y se filtra para eliminar las impurezas adicionales, y luego se bombea a los tanques de precipitación enormes, donde se deja que el agua precipite. Lo que queda es un polvo cristalino blanco que contiene aproximadamente un 99% de alúmina. Los cristales se lavan y se dejan secar.
El siguiente paso se conoce como el proceso Hall-Héroult, llamado así por los dos químicos que lo desarrollaron, independientemente el uno del otro, en 1886. En este proceso, se funden los cristales de alúmina (junto con los minerales que ayudan en la descomposición de la alúmina) a unos 1.760 ° F en depósitos de acero. Pero eso no es suficiente para romper los enlaces de aluminio-oxígeno en la alúmina; Son mucho más fuertes que los enlaces de hierro-oxígeno. Por lo tanto, se envía una poderosa corriente eléctrica a través del material fundido, y eso hace que los enlaces se rompan. El oxígeno se libera como gas y es atraído por las barras de carbono suspendidas sobre la mezcla fundida, donde se une con el carbono para formar gas CO2 (al igual que en el proceso de fundición de hierro). El aluminio liberado se derrite y se acumula en el fondo de la olla. En este punto es 99.8% de aluminio puro.
El aluminio se usa en una amplia variedad de aplicaciones, en su forma pura (la lámina de aluminio está hecha de aluminio casi puro), y más comúnmente en aleaciones, mezcladas con elementos como el silicio, el cobre y el zinc. Algunos son más fuertes que el acero, y tienen el beneficio adicional de ser mucho más livianos. Los usos comunes incluyen utensilios de cocina, latas de refrescos y bloques de motores de automóviles.
PLATINO
El platino es un metal blanco plateado brillante que es muy raro y tiene algunas cualidades únicas: es uno de los metales más densos, pero es muy maleable; es extremadamente resistente a la corrosión por la temperatura, el óxido o la exposición a materiales como los ácidos; y tiene un punto de fusión muy alto de 3,215 ° F (el punto de fusión del oro es solo 1,064 ° y el de hierro es 1,535 °.) El platino existe en forma pura en la naturaleza, pero se encuentra más comúnmente mezclado con otros elementos, incluido el oxígeno. cobre y níquel. Más del 90 por ciento del platino extraído en el mundo hoy en día proviene de solo cuatro sitios: tres en Rusia y uno en Sudáfrica. La producción es bastante complicada.
Se deben extraer más de diez toneladas de mineral para hacer una onza de platino. Una breve descripción del proceso es la siguiente:
- El mineral se extrae, se tritura en polvo y se mezcla con agua y productos químicos. El aire sopla a través de la mezcla, creando burbujas, a las que se adhieren las pequeñas partículas de platino. Las burbujas suben a la superficie del tanque, creando una espuma jabonosa. La espuma se recolecta, se seca y se funde a temperaturas superiores a 2,700 ° F. Las partículas más pesadas, los metales, se hunden en el fondo del horno. Las impurezas más ligeras se acumulan sobre el metal fundido y se eliminan. Luego, se utilizan procesos químicos complicados para separar el platino de cualquier cobre, níquel y otros metales aún presentes, hasta que, finalmente, se obtiene platino puro.
Brillos brillantes
- El mineral de hierro se funde en un alto horno: el aire sobrecalentado (hasta 2,200 ° F) se "inyecta" en el horno, lo que hace que se queme mucho más que de otro modo. Un alto horno típico en una fábrica de acero funciona las 24 horas del día, los 365 días de la semana, hasta los 20 años, antes de que deba ser reemplazado.
- El acero puro es muy susceptible al óxido. El acero galvanizado es acero recubierto con zinc, que es muy resistente al óxido.
- Un ingrediente químico importante en rubíes, esmeraldas y zafiros: el aluminio.
- ¿Para qué se utiliza la mayoría del platino metálico extremadamente raro? Convertidores catalíticos: los dispositivos de los automóviles utilizados para limpiar los gases de escape. El platino es un catalizador excepcionalmente bueno: ayuda en la conversión de gases tóxicos en gases de escape, como el monóxido de carbono, en gases no tóxicos.
- Es un mito que no hubo trabajo metalúrgico entre los nativos americanos. Muchas tribus en realidad tenían una larga tradición de trabajo con cobre, especialmente alrededor de los Grandes Lagos, donde el metal era naturalmente abundante.
- Todo el platino extraído en la historia podría caber en un sótano promedio.
