Metale już dawno stały się częścią cywilizacji człowieka. Dziś w zasadzie nie zauważamy ich obecności, a przecież trudno sobie wyobrazić bez nich świat.
Z punktu widzenia materiałoznawstwa i fizyki metale to materiały, które dobrze przewodzą prąd elektryczny i ciepło, są plastyczne, łatwe w obróbce, a także mają charakterystyczny połysk. Ich właściwości w dużym stopniu determinowane są obecnością w strukturze wiązań metalicznych, a także zdelokalizowanych elektronów, które łatwo mogą się przemieszczać. I właśnie ten tzw. gaz elektronowy jest odpowiedzialny za przewodnictwo elektryczne i cieplne, ale także za połysk. Metale są ciałami stałymi w temperaturze pokojowej – z jednym wszakże wyjątkiem, którym jest rtęć.

Gdzie znajdziemy metale

Większość metali występuje w skorupie ziemskiej w postaci rozmaitych związków chemicznych. Wynika to z tego, że są one stosunkowo reaktywne, a miliardy lat istnienia Ziemi pozwoliły na to, że po prostu zdążyły one przereagować z innymi pierwiastkami, tworząc rozmaite minerały. Ale są też oczywiście wyjątki, czyli tzw. metale rodzime. Najbardziej znanym z nich jest złoto, które w postaci niezmienionej przywędrowało na Ziemię z dalekiego kosmosu.

Samorodek złota (Australia) – niemal 2 kg

żródło: Wikimedia, licencja: CC BY SA 2.0

Również inne metale szlachetne występują w stanie wolnym – platyna, srebro, rod czy osm. Najczęściej spotykamy je w postaci zmieszanej, czyli jako stopy metaliczne. Innym metalem występującym gdzieniegdzie w postaci rodzimej jest miedź.

Bywa, że spotykamy też na powierzchni Ziemi metaliczne żelazo i nikiel. W tym przypadku nie nazywamy ich rodzimymi, ponieważ tak naprawdę przywędrowały one stosunkowo niedawno z przestrzeni kosmicznej, lądując w postaci meteorytów żelaznych, czasem bardzo dużych.

Meteoryt Hoba – masa ponad 50 ton (Namibia)
skład: 84% Fe, 16% Ni, ślady Co

źródło: Wikimedia, licencja: CC BY SA 2.0

Trzeba też pamiętać, że olbrzymia ilość (rzędu 10²¹ ton) żelaza i niklu w postaci wolnej tworzy jądro Ziemi. Na powierzchni bardzo rzadko możemy znaleźć żelazo rodzime, tzw. telluryczne. Spotyka się je na Grenlandii, lokalni Inuici wykorzystywali je do produkcji narzędzi, m.in. noży.

Redukujemy

Jeśli metal występuje na Ziemi w formie związków chemicznych, w celu jego pozyskania musimy wykonać reakcję chemiczną, znaną pod nazwą redukcji. Człowiek wpadł na pomysł redukowania związków metali, przede wszystkim żelaza, już bardzo dawno temu. Było ono niezwykle przydatne, przede wszystkim do wyrobu narzędzi. Pierwotnie żelazo pozyskiwano z rud darniowych, które zawierają niewielkie ilości limonitu, w składzie którego są tlenki i wodorotlenki żelaza. Później okazało się, że istnieją znacznie lepsze źródła tego metalu. Niezależnie jednak od tego, z jaką rudą mamy do czynienia, uzyskanie z niej żelaza pierwiastkowego polega zwykle na reakcji z węglem. Tlenki i wodorotlenki żelaza redukują się do pierwiastkowego Fe, a węgiel przechodzi w CO i CO₂. Czysty przypadek zrządził, że dodatek niewielkiej ilości węgla do żelaza powoduje, że staje się ono znacznie twardsze i zyskuje doskonałe właściwości (patrz niżej). Już ponad 2 tysiące lat temu uzyskiwano żelazo, stosując tzw. dymarki, czyli gliniane piece, w których dokonywano procesu redukcji rudy. Na terenie Polski możemy zobaczyć na żywo, jak to się odbywa, uczestnicząc w połowie sierpnia każdego roku w święcie Dymarek Świętokrzyskich.

Rekonstrukcja dymarki – Biskupin
źródło: Wikimedia, licencja CC BY SA 2.5

Dziś proces otrzymywania żelaza z rudy oparty jest na tej samej zasadzie. Zmieniła się tylko wielkość urządzenia, ponieważ aktualnie używa się tzw. wielkiego pieca. Pozwala on na jednorazowe uzyskanie nawet do 300 ton surówki, którą następnie przetwarza się na stal lub żeliwo.

Podobne w konstrukcji i zasadzie działania piece stosuje się do otrzymywania kilku innych metali, takich jak cynk czy ołów.

Wielki piec – Duisburg (Niemcy)

Dietmar Rabich, Duisburg, Landschaftspark Duisburg-Nord, Hochofen 2 — 2016 — 1115, CC BY-SA 4.0

Hydrometalurgia i elektrometalurgia

W przypadku wielu rud mamy do czynienia z mieszaniną wielu pierwiastków metalicznych. W takiej sytuacji prosty proces redukcji jest zdecydowanie niewystarczający. Z pomocą przychodzą tutaj fizyka i chemia. W zależności od tego, z jakimi metalami mamy do czynienia, stosując odpowiednie roztwory wodne, powodujemy ługowanie konkretnych związków z mieszaniny. Dalszy proces polega najczęściej na ich zagęszczeniu i wydzieleniu czystego metalu – metodą czysto chemiczną albo też elektrolityczną. Wynalezienie prądu elektrycznego w zdecydowany sposób ułatwiło metalurgom zarówno wydzielanie metali, jak też ich oczyszczanie, zwane tutaj rafinacją. Warto podkreślić, że także w procesach elektrolitycznych podstawową reakcją, która ma miejsce, jest redukcja jonów metalu do obojętnego pierwiastka.

Otrzymywanie miedzi

Miedź jest jednym z najcenniejszych metali, niezbędnym w wielu dziedzinach życia. Niestety, rudy miedzi zawierają stosunkowo wiele zbytecznego balastu. Dlatego też pierwszym procesem, którym są poddawane, jest flotacja. Wykorzystuje się tutaj różną zwilżalność składników rudy. Na olbrzymią skalę flotacja jest wykorzystywana m.in. w polskich kopalniach KGHM. W wyniku tego procesu następuje zdecydowane wzbogacenie materiału w miedź – powstaje tzw. koncentrat miedzi, składający się głównie z siarczków Cu. Następnym etapem jest uzyskanie tzw. „kamienia miedziowego”, który zawiera już ok. 30% Cu, ale też pewne ilości srebra, które zawsze towarzyszy miedzi. W kolejnym etapie kamień miedziowy pozbawia się siarki i otrzymuje surową metaliczną miedź. Ponieważ nadal zawiera ona zanieczyszczenia pogarszające jej właściwości (w tym przewodnictwo), ostatnim etapem jest elektrorafinacja, będąca, mówiąc skrótowo, elektrolizą. Przy okazji uzyskuje się inne cenne pierwiastki metaliczne, takie jak srebro, złoto, pallad i platyna, a także bardzo cenny (ok. 1900 $/kg) i rzadki ren. Polska jako jedyna w Europie produkuje ten metal z własnych źródeł.

Ze względu na to, że uzyskiwanie miedzi jest procesem drogim i kosztownym, na całym świecie metal ten podlega recyklingowi.

Aluminium

Glin to powszechnie występujący w skorupie ziemskiej pierwiastek. Jego związki były stosowane już od dawna, ale czysty glin wyodrębniono dopiero w XIX w. Aluminium, czyli glin o czystości technicznej, otrzymuje się w procesie elektrolizy, wykorzystując naturalne boksyty, w skład których wchodzą głównie wodorotlenki glinu. W pierwszym etapie boksyt przetwarza się w tlenek glinu (Al₂O₃). Proces ten generuje dużą ilość odpadu zwanego „czerwonym szlamem”. Gromadzony jest on w olbrzymich zbiornikach i stanowi spore zagrożenie ekologiczne. W 2010 r. na Węgrzech miała miejsce katastrofa, w trakcie której uwolnione zostało 700 tys. m³ toksycznego i żrącego czerwonego szlamu.

Tlenek glinu przerabiany jest na czysty metal w procesie elektrolitycznym (Halla-Heroulta). Wymaga on olbrzymich ilości energii elektrycznej, dlatego też wydziały elektrolizy budowane są w pobliżu istniejących elektrowni. Elektrolizery zasilane są prądem o niskim napięciu (rzędu 5V), ale olbrzymim natężeniu – 100-300 tys. amperów.

Hala elektrolizy (widoczne pionowe czarne elektrody)
źródło: Wikimedia, licencja: GNU FDL

Także ten proces bardzo negatywnie oddziałuje na środowisko naturalne, ponieważ w trakcie elektrolizy emitowane są duże ilości szkodliwych związków fluoru. Dlatego też na całym świecie promowany jest recykling odpadów aluminiowych, które w prosty sposób można przetworzyć na czysty metal i wykorzystać ponownie.

O uzyskiwaniu aluminium, a także o transporcie boksytów pisał jakiś czas temu Przemek Darmochwał.

Złoto

Ten cenny metal występuje niemal wyłącznie w postaci rodzimej, w tzw. samorodkach. Przy odrobinie szczęścia są one wypłukiwane przez wody podziemne i pojawiają się w strumieniach. Pojawienie się większych ilości samorodków dało początek masowemu napływowi poszukiwaczy złota w połowie XIX w. w Kalifornii i kanadyjskiej Kolumbii Brytyjskiej, a potem na Alasce. Był to czas tzw. gorączki złota.

It’s blow, boys, blow
For California-oh
For there’s plenty of gold, so I’ve been told
On the banks of Sacramento

Przemysłowe wydobycie szlachetnego kruszcu odbywa się w kopalniach. Przez wiele lat w wydobyciu złota przodowała RPA, dziś liderem są Chiny. Oczywiście nie zawsze jest tak, że w kopalniach występują żyły złota. Ze względu na cenę tego metalu opłacalne jest wydobycie rud o zawartości zaledwie 0,00005% Au. Przez wiele lat próbowano uzyskiwać złoto z wody morskiej, ale nadal nie ma efektywnego ekonomicznie sposobu na taką produkcję.

Stopy żelaza

Czyste żelazo stosuje się bardzo rzadko. Zazwyczaj mamy do czynienia ze stopami, w których obok żelaza występują inne składniki, przede wszystkim węgiel. Jeśli węgla jest niewiele (do ok. 0,02%), otrzymujemy ferryt. Gdy jest go więcej – do 2,11% – uzyskujemy bardzo szeroko stosowany stop zwany stalą. Metalurdzy oraz inżynierowie wyróżniają wiele rodzajów stali, ale podstawowymi dwoma kategoriami są stale niestopowe (dawniej zwane węglowymi) oraz stopowe. Te ostatnie najczęściej zawierają aż do kilkudziesięciu procent innych składników. Dodatki te w dużym stopniu wpływają na właściwości materiału, takie jak hartowność czy zwiększona wytrzymałość. Nieco ponad 100 lat temu odkryto, że spory dodatek chromu (powyżej 11%) zdecydowanie poprawia trwałość stali, która staje się odporna na korozję. Jest to tzw. stal nierdzewna, znana czasem pod skrótem INOX. Jest ona także kwasoodporna.
W przypadku, gdy węgla jest więcej niż 2,11%, taki stop nazywa się żeliwem. Znajdziemy je w starych grzejnikach, ciężkich garnkach i patelniach, a także rurach i włazach kanałowych.

Popularne stopy metali

Od bardzo dawna znane są stopy miedzi. Bardzo popularny jest mosiądz, zawierający od 10 do 45% cynku. Jest on odporny na korozję i łatwy w obróbce. Mosiądz manganowy (1% Mn) stosuje się do wyrobu monet 1, 2 i 5 gr. Jeśli składnikiem obok Cu jest cyna lub inne metale czy pierwiastki niemetaliczne, takie stopy nazywamy brązami. Ich zastosowanie jest dziś ograniczone ze względu na dość wysoką cenę. Czasami do brązów zaliczamy też spiż, w którym obok cyny występują cynk i ołów. Spiż jest odporny na korozję i ścieranie. Wykonuje się z niego dzwony, dawniej stosowano go też do wyrobu luf armatnich. Najwyższe odznaczenie wojenne Imperium brytyjskiego, Victoria Cross, było dawniej wykonywane właśnie ze spiżu pochodzącego z dwóch armat zdobytych po bitwie pod Sewastopolem (wojna krymska 1853-56).

Bardzo popularne są stopy zawierające glin. Dodatek miedzi, manganu, magnezu czy też krzemu zdecydowanie poprawiają właściwości mechaniczne tego stopu, podczas gdy gęstość niewiele odbiega od gęstości aluminium. Stosowane są w wielu konstrukcjach lotniczych. Niestety, duraluminium łatwiej niż czyste aluminium ulega korozji.
Szczególnym przykładem stopów są amalgamaty, czyli stopy metali z rtęcią. Kiedyś amalgamat zawierający srebro, cynę, miedź i kadm był stosowany w stomatologii jako wypełnienie ubytków. Dziś na szczęście to już odeszło w niepamięć.