19. Metallien valmistaminen, käyttö ja ominaisuudet
Metallien valmistaminen
Olet varmasti kuullut ihmiskunnan historiallisista aikakausista, pronssi- (n. 2400 eaa. - 950 eaa.) ja rautakaudesta (n. 500 eaa. - 133 jaa.). Metallit ovat siis olleet ihmisen hyötykäytössä jo tuhansia vuosia ja ovat edelleen. Perinteisten metallien rauta, kupari, sinkki, lyijy, alumiini, tina, nikkeli, koboltti, kromi, hopea ja kulta lisäksi erityisesti elektroniikkateollisuus käyttää harvinaisempia metalleja kuten indiumia, galliumia ja niobiumia.Suurin osa metalleista esiintyy maankuoressa ioniyhdisteinä, joissa ne muodostavat suolan positiivisen puolen. Vain tietyt jalometalleiksi kutsutut metallit, kuten kulta, hopea ja platina, esiintyvät alkuainemuodossa.
Koska suurin osa positiivisina ioneina muihin alkuaineisiin sitoutuneista metalleista käytetään kuitenkin alkuainemuodossaan, niiden suoloista täytyy “repiä” muut alkuaineet pois kemiallisin menetelmin.
Rautaa saadaan sen oksideista eli raudan ja hapen yhdisteistä. Louhittu malmi täytyy ensin rikastaa eli siitä poistetaan hyödytön sivukivi. Sen jälkeen happi pitää irrottaa malmista masuunissa eli valtavassa uunissa hiilen avulla. Sula raakarauta valutetaan masuunin alaosasta jatkojalostusta varten.
Raakarautaan jäänyt ylimääräinen hiili täytyy polttaa pois ilman tai puhtaan hapen avulla, koska se haurastuttaa rautaa. Kun hiilipitoisuus on alennettu alle 2 prosenttiin, saadaan sitkeämpää terästä. Siihen voidaan edelleen lisätä viidesosa kromia ja kymmenesosa nikkeliä. Saatu metalliseos on ruostumatonta terästä. Ruostumaton teräs ei ruostu veden vaikutuksesta.
Kuparia valmistetaan malmista, joka sisältää kuparin ja rikin suolaa. Rikki vaihdetaan ensin happeen, jolloin muodostuu kuparioksidia. Toisessa vaiheessa happi irrotetaan kuparista. Suomessa kehitetyssä liekkisulatusmenetelmässä molemmat vaiheet saadaan tehtyä samalla kertaa ja vieläpä niin, että tarvittava lämpö saadaan prosessista itsestään. Näin säästyy energiaa.
Liekkisulatusmenetelmän kunniaksi on julkaistu myös postimerkki. Kuvan postimerkki on vuodelta 1983.
Raakakuparia täytyy vielä puhdistaa ilman tai puhtaan hapen avulla ja kun halutaan oikein puhdasta kuparia, käytetään sähköä apuna. Tätä kutsutaan kuparin elektrolyyttiseksi puhdistukseksi.
Kuparista valmistetaan muun muassa johteita.
Metallien ominaisuudet
Metallit ovat olleet tärkeä ihmiskunnan raaka-aine jo useiden tuhansien vuosien ajan. Tämä suosio perustuu niiden kemiallisiin ja fysikaalisiin ominaisuuksiin.
Metallit ovat tuttuja myös taruista. Esim. seppä Ilmarinen on Kalevalasta tuttu muinainen raudan takoja. Maalaus: Akseli Gallen-Kallela.
Nämä edellä mainitut metallien ominaisuudet (sitkeys ja lujuus, korkeat sulamispisteet, hyvä sähkön- ja lämmönjohtokyky) johtuvat alkuainemuodossa olevien metallien erikoisesta rakenteesta, metallisidoksesta.
Metallit ovat tuttuja myös taruista. Esim. seppä Ilmarinen on Kalevalasta tuttu muinainen raudan takoja. Maalaus: Akseli Gallen-Kallela.
Sitkeys
Metallit ovat sitkeitä ja niitä voidaan muokata haluttuun muotoon.Lujuus ja sulamispiste
Metallien lujuus ja korkeat sulamispisteet mahdollistavat niiden käytön niin työkaluina kuin keittiövälineinäkin.Sähkön- ja lämmönjohtokyky
Modernin yhteiskunnan kannalta tärkeitä ominaisuuksia ovat metallien hyvä sähkön- ja lämmönjohtokyky.Nämä edellä mainitut metallien ominaisuudet (sitkeys ja lujuus, korkeat sulamispisteet, hyvä sähkön- ja lämmönjohtokyky) johtuvat alkuainemuodossa olevien metallien erikoisesta rakenteesta, metallisidoksesta.
Metallisidos
Useimmilla metalleilla on atomin uloimmalla elektronikuorella vain 1 - 3 elektronia, jotka irtoavat herkästi ja muodostavat metallikappaleeseen ns. elektronimeren. Tämä vapaasti liikkuvien elektronien meri muodostaa liiman, joka on kaikkien atomeista muodostuneiden positiivisten metalli-ionien yhteisessä käytössä ja pitää nämä metalli-ionit tiukasti kiinni toisissaan. Näin näistä metalli-ioneista muodostuu säännöllinen kiderakenne ja syntynyttä kemiallista sidosta kutsutaan metallisidokseksi.
Huomaa, että metallikappaleessa kokonaisuudessaan elektronien ja protonien määrä pysyy samana, joten metallit ovat alkuainemuodossaan sähköisesti neutraaleja.
Huomaa myös ero ennestään tuttuihin molekyyli- ja ionisidoksiin, joissa yhteisesti muodostettu elektronipari on joko kahden atomin yhteiskäytössä (molekyylisidos) tai tämä elektronipari on siirtynyt toiselta atomilta käytännössä kokonaan toiselle atomille (ionisidos). Metallisidoksen yhteydessä ei voida puhua elektroniparista, vaan valtavasta määrästä yhteisiä ja liikkuvia elektroneja.
Huomaa, että metallikappaleessa kokonaisuudessaan elektronien ja protonien määrä pysyy samana, joten metallit ovat alkuainemuodossaan sähköisesti neutraaleja.
Huomaa myös ero ennestään tuttuihin molekyyli- ja ionisidoksiin, joissa yhteisesti muodostettu elektronipari on joko kahden atomin yhteiskäytössä (molekyylisidos) tai tämä elektronipari on siirtynyt toiselta atomilta käytännössä kokonaan toiselle atomille (ionisidos). Metallisidoksen yhteydessä ei voida puhua elektroniparista, vaan valtavasta määrästä yhteisiä ja liikkuvia elektroneja.
Metallit ja ympäristö
Monet metallit ovat haitallisia ympäristölle, varsinkin vesieliöstölle. Niiden haitallisuus riippuu siitä onko metalli alkuaineena vai ionimuodossa. On myös huomattava, että vain osa metallien aiheuttamista vahingoista tapahtuu ihmisen toiminnan seurauksena. Suuri osa johtuu maaperän ja vesistöjen luonnollisesta aineiden kiertokulusta.
Metallien haitallisuus perustuu niiden ionimuotoon. Sellaiset olosuhteet, joissa näitä ioneja liukenee veteen mahdollisimman vähän, pienentävät niiden aiheuttamia ongelmia luonnolle aina pieneliöstöstä ihmiseen asti. Vedessä näitä ominaisuuksia ovat esim. sopiva veden pH sekä happi- ja suolapitoisuus.
Erityisen haitallisia, jopa myrkyllisiä ovat raskasmetallien, kuten kuparin, lyijyn, kadmiumin ja elohopean ionit. Niillä on tapana kertyä elimistön rasvakudoksiin. Suomessakin on järviä, joiden ravintoketjun yläpäässä olevien haukikalojen syöntiä on täytynyt rajoittaa niiden korkeiden elohopeapitoisuuksien takia. Elohopea on päässyt vesistöön lähinnä metsäojitusten kautta.
Metallien jalostusteollisuus on ottanut Suomessa ympäristöasiat vakavasti ja se on sitoutunut kestävän kehityksen periaatteisiin sekä kehittänyt alaan liittyvää ympäristöteknologiaa jopa edelläkävijänä maailmassa.
Kaivosteollisuudessa ympäristön metallikuormitusta on vaikeampi hallita, sillä sen toiminta tapahtuu keskellä luontoa ja varsinkin uusien menetelmien kehittelyssä edetään usein yrityksen ja erehdyksen kautta. Tällöin voi syntyä vakavia ja laajalle alalle ulottuvia ympäristövahinkoja.
Luonnon ja taloudellisuudenkin kannalta tehokkain tapa on metallien kierrätys. Vaikka kaikkea metallien tarvetta ei voida kierrätyksellä yksin saavuttaa, sillä on suuri merkitys metalliteollisuudelle ja sitä paitsi käytetyn metallin keräämistä talteen voidaan vielä tehostaa.
Metallien haitallisuus perustuu niiden ionimuotoon. Sellaiset olosuhteet, joissa näitä ioneja liukenee veteen mahdollisimman vähän, pienentävät niiden aiheuttamia ongelmia luonnolle aina pieneliöstöstä ihmiseen asti. Vedessä näitä ominaisuuksia ovat esim. sopiva veden pH sekä happi- ja suolapitoisuus.
Erityisen haitallisia, jopa myrkyllisiä ovat raskasmetallien, kuten kuparin, lyijyn, kadmiumin ja elohopean ionit. Niillä on tapana kertyä elimistön rasvakudoksiin. Suomessakin on järviä, joiden ravintoketjun yläpäässä olevien haukikalojen syöntiä on täytynyt rajoittaa niiden korkeiden elohopeapitoisuuksien takia. Elohopea on päässyt vesistöön lähinnä metsäojitusten kautta.
Metallien jalostusteollisuus on ottanut Suomessa ympäristöasiat vakavasti ja se on sitoutunut kestävän kehityksen periaatteisiin sekä kehittänyt alaan liittyvää ympäristöteknologiaa jopa edelläkävijänä maailmassa.
Kaivosteollisuudessa ympäristön metallikuormitusta on vaikeampi hallita, sillä sen toiminta tapahtuu keskellä luontoa ja varsinkin uusien menetelmien kehittelyssä edetään usein yrityksen ja erehdyksen kautta. Tällöin voi syntyä vakavia ja laajalle alalle ulottuvia ympäristövahinkoja.
Luonnon ja taloudellisuudenkin kannalta tehokkain tapa on metallien kierrätys. Vaikka kaikkea metallien tarvetta ei voida kierrätyksellä yksin saavuttaa, sillä on suuri merkitys metalliteollisuudelle ja sitä paitsi käytetyn metallin keräämistä talteen voidaan vielä tehostaa.
Metalliseokset
Metalliseos eli lejeerinki on vähintään kahdesta eri metallista koostuva tasakoosteinen seos. Metalliseokset ovat tärkeitä teollisuuden raaka-aineita, sillä useat metallit ovat yksinään liian pehmeitä ja eivätkä siten sovellu teollisuuden tarpeisiin.
Ruostumatonta terästä, messinkisanko ja pronssikauden aseita.
Tuttuja lejeerinkejä
-
Esimerkiksi jo aikaisemmin mainittu ruostumaton teräs on raudan, hiilen ja kromin seos, joka on kestävämpää kuin puhdas rauta eikä ruostu yhtä helposti.
-
Messinki taas on kuparin ja sinkin seos, jota kestää myös hyvin ruostetta.
-
Myös pronssi on kuparipohjainen lejeerinki, mutta erotuksena messingistä, pronssissa ei ole kuparin lisäksi sinkkiä vaan tinaa. Pronssin valmistus on tunnettu jo tuhansia vuosia, aina pronssikaudelta lähtien. Pronssikauden nimitys tuleekin siitä, että silloin pronssi oli eniten käytetty metalli.
Ruostumatonta terästä, messinkisanko ja pronssikauden aseita.