11.2.2018

1

Metallit MATERIAALIT JA TEKNOLOGIA, KE4

Suurin osa alkuaineista on metalleja. Maankuoresta 74,3 % on piitä ja hap-pea, mutta maapallon ydin on pääasiassa rautaa ja nikkeliä. Maankuoren kol-manneksi yleisin alkuaine on alumiini.

Metalleille tyypilliset ominaisuudet: - sähkönjohtavuus, - taottavuus ja - metallikiilto ja valon läpipääsemät-

tömyys selittyvät metallien hilarakenteella.

Metallihilassa, kuva, ulkoelektronit voivat liikkua vapaasti, jo-ten metallit johtavat hyvin sähköä.

Puolijohteiden atomihilassa on epä-puhtauksia. Kun esim. piin kidehilassa on fosforiatomi, niin 𝑃:n viides ulko-elektroni jää ylimääräiseksi hilaan. Se voi kuljettaa sähkönvarausta.

Kiinteiden eristeiden hilarakenteessa ei ole vapaasti liikkuvia elektroneja eivät johda sähköä. Puhdas pii on sii eriste.

Vain jalot metallit (esim. kulta, hopea, kupari) esiintyvät luonnossa puhtaina alkuaineina. Muut eli epäjalot metallit ovat luonnossa (hapettuneina) happi- tai rikkipitoisina yhdisteinä, mineraaleina.

Määritelmä, mineraali: Mineraali on luonnossa kiinteässä muodossa esiintyvä alkuaine tai yhdiste.

Tarkemmin: Mineraalit ovat kiteisiä, epäorgaanisia yhdisteitä, jotka ovat syntyneet erilaisten geologisten prosessien tuotteina.

11.2.2018

2

Määritelmä, mineraali: Mineraali on luonnossa kiinteässä muodossa esiintyvä alkuaine tai yhdiste. (Tarkemmin: Mineraalit ovat kiteisiä, epäorgaanisia yhdisteitä, jotka ovat syntyneet erilaisten geologisten prosessien tuotteina.) Määritelmä, hiekka: Hiekka on rapautunutta kiveä, vaalea hiekka on lähes puhdasta kvartsia eli kvartsihiekkaa SiO2. Kalkkikivi ja marmori ovat pääasiassa kalsiumkarbonaatteja CaCO3. Savi on sekoitus eri aineita, pääkomponentti on kaoliini eli alumiinisilikaatti Al OH 2 2Si2O5.

Harvinaiset maametallit: Harvinaisiksi maametalleiksi kutsutaan alkuaineryhmää, joka sisältää lanta-noidit sekä skandiumin ja yttriumin. Lutetium, Lu, on tällä hetkellä (tai ainakin ollut joskus) maailman kalleinta metallia. Se on seitsemän kertaa yleisempää kuin hopea, mutta sitä ei ole paljon juuri missään malmissa.

Numero Atomi-massa

Nimi Kemiallinen symboli

Sulamis-piste (0C)

Kiehumis-piste (0C)

Tiheys (g/cm3)

Maan kuo-resta (%)

Löytövuosi Ryhmä Elektroni konfiguraatio

Ionisaatio-energia (eV)

8 15.9994 Oxygen O -218 -183 1.43 46.71 1774 16 [He] 2s2 2p4 13.6181

14 28.0855 Silicon Si 1410 2355 2.33 27.69 1824 14 [Ne] 3s2 3p2 8.1517

13 26.9815 Aluminum Al 660 2467 2.7 8.07 1825 13 [Ne] 3s2 3p1 5.9858

26 55.845 Iron Fe 1535 2750 7.87 5.05 muinainen 8 [Ar] 3d6 4s2 7.9024

20 40.078 Calcium Ca 839 1484 1.55 3.65 1808 2 [Ar] 4s2 6.1132

11 22.9897 Sodium Na 98 883 0.97 2.75 1807 1 [Ne] 3s1 5.1391

19 39.0983 Potassium K 64 774 0.86 2.58 1807 1 [Ar] 4s1 4.3407

12 24.305 Magnesium

Mg 639 1090 1.74 2.08 1755 2 [Ne] 3s2 7.6462

22 47.867 Titanium Ti 1660 3287 4.54 0.62 1791 4 [Ar] 3d2 4s2 6.8281

1 1.0079 Hydrogen H -259 -253 0.09 0.14 1776 1 1s1 13.5984

15 30.9738 Phosphorus

P 44 280 1.82 0.13 1669 15 [Ne] 3s2 3p3 10.4867

6 12.0107 Carbon C 3500 4827 2.26 0.094 muinainen 14 [He] 2s2 2p2 11.2603

25 54.938 Manganese

Mn 1245 1962 7.43 0.09 1774 7 [Ar] 3d5 4s2 7.434

16 32.065 Sulfur S 113 445 2.07 0.052 muinainen 16 [Ne] 3s2 3p4 10.36

56 137.327 Barium Ba 725 1140 3.59 0.05 1808 2 [Xe] 6s2 5.2117

17 35.453 Chlorine Cl -101 -35 3.21 0.045 1774 17 [Ne] 3s2 3p5 12.9676

24 51.9961 Chromium Cr 1857 2672 7.19 0.035 1797 6 [Ar] 3d5 4s1 6.7665

9 18.9984 Fluorine F -220 -188 1.7 0.029 1886 17 [He] 2s2 2p5 17.4228

40 91.224 Zirconium Zr 1852 4377 6.51 0.025 1789 4 [Kr] 4d2 5s2 6.6339

28 58.6934 Nickel Ni 1453 2732 8.9 0.019 1751 10 [Ar] 3d8 4s2 7.6398

2 4.0026 Helium He -272 -269 0.18 1895 18 1s2 24.5874

Lista alkuaineista järjestettynä maankuoren runsauden mukaan

Lähde, internet: http://www.science.co.il/PTelements.asp?s=Earth luettu 11.3.2015

11.2.2018

3

Kertauksena: Metalleilla elektronegatiivisuusarvot pieniä ja usein metallit hapettuvat toi-mien näin pelkistiminä. Kuvissa keltainen = epämetalli, sininen = metalli.

Metalli ovat harvoin sellaisenaan käyttökelpoisia (jalot metallit ovat, esim. kulta). Siksi paljon erilaisia lejeerinkejä: pronssi (tina ja kupari), messinki (ku-pari ja sinkki) jne.

Nestemäinen elo-hopea muodostaa erilaisia lejeerinke-jä helposti.

11.2.2018

4

Malmeista metalleiksi – valmistus Malmit ovat mineraaleja tai kivilajeja eli raaka-ainetta, jossa halutun metallin (-ien) pitoisuus on niin suuri, että sen louhiminen on taloudellisesti kannat-tavaa (määritelmä). Esimerkiksi raudan pitoisuus täytyy olla melko korkea (20-70%), kun taas kul-taa kannattaa louhia vaikka sen pitoisuus on vain 20 g tonnissa.

Malmeista saadaan metalleja usean vaiheen kautta: 1) Malmi on ensin rikastettava eli erotettava sivukivestään. 2) Koska suurin osa metalleista on luonnossa hapettuneena, niin seuraava vaihe on niiden pelkistys, jotta saadaan raakametallia. 3) Lopuksi raakametalli on puhdistettava ja/tai jalostettava.

1. Rikastus: Rikastus voi perustua malmin magneettisuuteen, erilaiseen tiheyteen tai eri-laiseen poolisuuteen. Erityisesti sulfidimineraalit (kupari ja muut jalot) ovat yleensä vettä hylkiviä. Niinpä hienojakoiset sulfidit saattavat kertyä veden pinnalle vaahtona. Tätä ilmiötä käytetään hyväksi vaahdotuksessa, jolla rikastetaan esimerkiksi kupa-rikiisua CuFeS2 ja kuparihohdetta Cu2S.

a) Aluksi puhalletaan ilmaa hienoksi jauhetun malmin ja veden lietteeseen, jolloin vettä hylkivät metallisulfidit tarttuvat pintavaahtoon ja sivukivi painuu pohjaan. b) Metallisulfidivaahtoa. c) Metallisulfidihiukkasten vaahdottumista edistetään rikkipitoisilla lisäaineilla eli vaahdotuskemikaaleilla.

11.2.2018

5

Sedimentoinnissa raskaita mineraaleja rikastetaan antamalla hiukkasten ker-rostua astian pohjalle.

Magneettiset menetelmät hyödyntävät magneettisia ominaisuuksia.

2. Pelkistys: Rikastuksen jälkeen metallisulfidien rikki on hapetettava oksideiksi ennen niiden pelkistystä. Menetelmiä ovat ilmavirrassa tai hapessa kuumentaminen tai bioliuotus. Bioliuotus perustuu sellaisten bakteerien käyttöön, jotka käyt-tävät sulfideja energianlähteenään. Pasutuksessa sulfidimineraali hapetetaan suoraan hapella tai ilmalla metalli-oksidiksi ja rikkidioksidiksi, jota edelleen voidaan käyttää rikkihapon valmis-tuksessa. Tämän jälkeen suoritetaan pelkistys käyttäen helposti hapettuvia aineita, ku-ten hiili, hiilimonoksidi, natriummetalli tai vetykaasu. Toisaalta epäjaloille metalleille paras tapa on elektrolyysi. Soveltuu, kun hapettumisreaktion 𝐸° on suuri eli joilla elektronegatiivisuus on pieni, kuten Na, Mg ja Al.

3) Puhdistus ja/tai jalostus. Kuumaa ilmaa/happea puhalletaan seoksen läpi epäpuhtaudet palavat pois. Elohopeaa (poikkeustapaus) voidaan puhdistaa myös tislaamalla ja ki-teyttämällä.

Tarkastellaan raudan valmistusta hieman tarkemmin sekä lyhyesti lyijy.

11.2.2018

6

Raakarautaa valmistetaan rauta-malmista, kuten magnetiitista

Fe3O4 eli FeO ∙ Fe2O3

ja hematiitista

Fe2O3 , pelkistämällä niitä hiilellä masuu-nissa. Mikä on masuuni? Se on kor-kea polttouuni. Aluksi suoritetaan ns. sintraus. Siinä malmi-rikasteesta muodostetaan yhtenäinen mas-sa koksimurskan (kivihiili) ja kalkkihiilen kanssa massa lisätään ylhäältä uuniin.

Raudan ja teräksen valmistus : Ruostumaton teräs sisältää Fe 74 %, Cr 18 %, Ni 8 %. Puhdas rauta on monella tapaa käyt-tökelvoton, mutta erilaiset seokset, joissa rauta on pääkomponentti ku-ten teräs, ovat erittäin suuressa käy-tössä.

Raakarauta sisältää paljon hiiltä (jopa 4 massaprosenttia) ja muita epäpuhtauk-sia. Raudan metallihilassa hiiliatomit (muut epäpuhtaudet) asettuvat metalliatomi-en väliin ja lisäävät raudan kiteisyyttä. Siksi raakarauta on haurasta. Siitä saadaan sitkeämpää vähentämällä hiilipitoisuutta emäshappimellotuksella katso kuva oik.

Sulaan raakarautaan puhalletaan happi-suihku, joka hapettaa ylimääräisen hii-len ja muut epäpuhtaudet pois.

11.2.2018

7

Lyijy ja sen valmistus :

lyijyä sisältävä puku

Lyijyhohdetta eli galeniitia PbS.

11.2.2018

8