Metall

The Renaissance

Der erste systematische Text über die Künste des Bergbaus und der Metallurgie war De la Pirotechnia (1540)von Vannoccio Biringuccio, der sich mit der Untersuchung, Fusion und Bearbeitung von Metallen befasst.

16 Jahre später veröffentlichte Georgius Agricola 1556 De Re Metallica, eine klare und vollständige Darstellung des Berufs des Bergbaus, der Metallurgie und der angewandten Künste und Wissenschaften, sowie die Qualifikation als die größte Abhandlung über die chemische Industrie durch das sechzehnte Jahrhundert.,

In seinem De Natura Fossilium (1546) beschrieb er ein Metall folgendermaßen:

Metall ist von Natur aus entweder flüssig oder etwas hart. Letzteres kann durch die Hitze des Feuers geschmolzen werden, aber wenn es wieder abgekühlt ist und alle Wärme verloren hat, wird es wieder hart und nimmt seine richtige Form wieder auf. In dieser Hinsicht unterscheidet es sich von dem Stein, der im Feuer schmilzt, denn obwohl dieser seine Härte wiedererlangt, verliert er dennoch seine ursprüngliche Form und Eigenschaften.,

Traditionell gibt es sechs verschiedene Arten von Metallen, nämlich Gold, Silber, Kupfer, Eisen, Zinn und Blei. Es gibt wirklich andere, denn Quecksilber ist ein Metall, obwohl die Alchemisten uns zu diesem Thema nicht zustimmen, und Wismut ist es auch. Die antiken griechischen Schriftsteller scheinen Wismut nicht zu kennen, weshalb Ammonius zu Recht angibt, dass es viele Arten von Metallen, Tieren und Pflanzen gibt, die uns unbekannt sind. Stibium, wenn es im Tiegel geschmolzen und raffiniert wird, hat das Recht, als richtiges Metall angesehen zu werden, wie es von Schriftstellern gewährt wird., Wenn beim Schmelzen ein bestimmter Teil zu Zinn hinzugefügt wird, wird die Legierung eines Buchhändlers hergestellt, aus der der Typ hergestellt wird, der von denjenigen verwendet wird, die Bücher auf Papier drucken.

Jedes Metall hat seine eigene Form, die es bewahrt, wenn es von den Metallen getrennt wird, die mit ihm vermischt wurden. Daher ist weder Electrum noch Stannum an sich ein echtes Metall, sondern eine Legierung aus zwei Metallen. Electrum ist eine Legierung aus Gold und Silber, Stannum aus Blei und Silber. Und doch, wenn Silber vom Elektrum getrennt wird, dann bleibt Gold und nicht Elektrum; Wenn Silber vom Stannum weggenommen wird, dann bleibt Blei und nicht Stannum.,

Ob Messing jedoch als natives Metall gefunden wird oder nicht, lässt sich mit keiner Sicherheit feststellen. Wir kennen nur das künstliche Messing, das aus Kupfer besteht, das mit der Farbe des Minerals Calamine getönt ist. Und doch, wenn irgendwelche ausgegraben werden sollten, wäre es ein richtiges Metall. Schwarz-Weiß-Kupfer scheint sich von der roten Art zu unterscheiden.

Metall ist daher von Natur aus entweder fest, wie ich gesagt habe, oder flüssig, wie im einzigartigen Fall von Quecksilber.

Aber genug jetzt über die einfachen Arten.,

Platin, das dritte Edelmetall nach Gold und Silber, wurde in Ecuador zwischen 1736 und 1744 vom spanischen Astronomen Antonio de Ulloa und seinem Kollegen entdeckt der Mathematiker Jorge Juan y Santacilia. Ulloa war die erste Person, die 1748 eine wissenschaftliche Beschreibung des Metalls schrieb.

1789 konnte der deutsche Chemiker Martin Heinrich Klaproth ein Uranoxid isolieren, das er für das Metall selbst hielt. Klaproth wurde später als Entdecker von Uran gutgeschrieben., Erst 1841 konnte der französische Chemiker Eugène-Melchior Péligot die erste Uranmetallprobe herstellen. Henri Becquerel entdeckte anschließend 1896 Radioaktivität unter Verwendung von Uran.

In den 1790er Jahren beobachteten Joseph Priestley und der niederländische Chemiker Martinus van Marum die transformative Wirkung von Metalloberflächen auf die Dehydrierung von Alkohol, eine Entwicklung, die 1831 zur Synthese von Schwefelsäure im industriellen Maßstab unter Verwendung eines Platinkatalysators führte.,

1803 wurde Cer als erstes der Lanthanidmetalle in Bastnäs, Schweden von Jöns Jakob Berzelius und Wilhelm Hisinger und unabhängig von Martin Heinrich Klaproth in Deutschland entdeckt. Die Lanthanidmetalle wurden bis in die 1960er Jahre weitgehend als Kuriositäten angesehen, als Methoden entwickelt wurden, um sie effizienter voneinander zu trennen. Sie haben in der Folge Anwendungen in Mobiltelefonen, Magneten, Lasern, Beleuchtung, Batterien, Katalysatoren und in anderen Anwendungen gefunden, die moderne Technologien ermöglichen.,

Andere Metalle, die während dieser Zeit entdeckt und hergestellt wurden, waren Kobalt, Nickel, Mangan, Molybdän, Wolfram und Chrom; und einige der Metalle der Platingruppe, Palladium, Osmium, Iridium und Rhodium.

Leichtmetalle

Alle bis 1809 entdeckten Metalle hatten relativ hohe Dichten; ihre Schwere galt als singuläres Unterscheidungskriterium. Ab 1809 wurden Leichtmetalle wie Natrium, Kalium und Strontium isoliert. Ihre geringen Dichten stellten die konventionelle Weisheit in Bezug auf die Natur von Metallen in Frage., Sie verhielten sich jedoch chemisch wie Metalle und wurden später als solche erkannt.

Aluminium wurde 1824 entdeckt, aber erst 1886 wurde eine industrielle Großproduktionsmethode entwickelt. Die Preise für Aluminium sanken und Aluminium wurden in den 1890er und frühen 20er Jahren in Schmuck, Alltagsgegenständen, Brillengestellen, optischen Instrumenten, Geschirr und Folie weit verbreitet. Die Fähigkeit von Aluminium, harte und dennoch leichte Legierungen mit anderen Metallen zu bilden, bot dem Metall zu dieser Zeit viele Verwendungsmöglichkeiten., Während des Ersten Weltkriegs forderten große Regierungen große Aluminiumlieferungen für leichte, starke Flugzeuge. Das gebräuchlichste Metall, das heute für die elektrische Kraftübertragung verwendet wird, ist Aluminium-Leiter-stahlverstärkt. Auch sehen viel Gebrauch ist All-Aluminium-Legierung Leiter. Aluminium wird verwendet, weil es etwa die Hälfte des Gewichts eines vergleichbaren Widerstandskupferkabels hat (obwohl es aufgrund der geringeren spezifischen Leitfähigkeit einen größeren Durchmesser hat) und billiger ist. Kupfer war in der Vergangenheit beliebter und wird immer noch verwendet, insbesondere bei niedrigeren Spannungen und zur Erdung.

Während reines metallisches Titan (99.,9%) wurde erstmals 1910 hergestellt und erst 1932 außerhalb des Labors verwendet. In den 1950er und 1960er Jahren leistete die Sowjetunion Pionierarbeit bei der Verwendung von Titan in Militär-und U-Boot-Anwendungen im Rahmen von Programmen im Zusammenhang mit dem Kalten Krieg. Ab den frühen 1950er Jahren kam Titan in der militärischen Luftfahrt, insbesondere in Hochleistungsjets, ausgiebig zum Einsatz, beginnend mit Flugzeugen wie dem F-100 Super Sabre und Lockheed A-12 und SR-71.

Metallic Scandium wurde erstmals 1937 hergestellt. Das erste Pfund 99% reines Scandium-Metall wurde 1960 hergestellt., Production of aluminum-scandium alloys began in 1971 following a U.S. patent. Aluminum-scandium alloys were also developed in the USSR.

• Sodium

• Potassium pearls under paraffin oil. Size of the largest pearl is 0.5 cm.

• Strontium crystals

• Aluminum chunk,
  2.,6 grams, 1 x 2 cm

• A bar of titanium crystals

• Scandium, including a 1 cm3 cube

The age of steel

Mit der Einführung des Bessemer-Verfahrens von Henry Bessemer im Jahr 1855, dessen Rohstoff Roheisen war, begann die moderne Ära der Stahlherstellung. Seine Methode ließ ihn Stahl in großen Mengen billig produzieren, so dass Baustahl für die meisten Zwecke verwendet wurde, für die früher Schmiedeeisen verwendet wurde. Der Gilchrist-Thomas-Prozess (oder Basic Bessemer-Prozess) war eine Verbesserung des Bessemer-Prozesses, der durch Auskleiden des Konverters mit einem Grundmaterial zur Entfernung von Phosphor hergestellt wurde.,

Aufgrund seiner hohen Zugfestigkeit und geringen Kosten wurde Stahl zu einem Hauptbestandteil für Gebäude, Infrastruktur, Werkzeuge, Schiffe, Automobile, Maschinen, Geräte und Waffen.

1872 patentierten die Engländer Clark und Woods eine Legierung, die heute als Edelstahl gilt. Die Korrosionsbeständigkeit von Eisen-Chrom-Legierungen wurde 1821 vom französischen Metallurgen Pierre Berthier anerkannt. Er bemerkte ihre Widerstandsfähigkeit gegen Angriffe einiger Säuren und schlug ihre Verwendung in Besteck vor., Jahrhunderts waren nicht in der Lage, die Kombination von kohlenstoffarmem und hohem Chrom herzustellen, die in den meisten modernen rostfreien Stählen zu finden ist, und die Hochchromlegierungen, die sie herstellen konnten, waren zu spröde, um praktisch zu sein. Erst 1912 erfolgte die Industrialisierung von Edelstahllegierungen in England, Deutschland und den USA.

Die letzten stabilen metallischen Elemente

Um 1900 blieben drei Metalle mit Atomzahlen unter Blei (#82), dem schwersten stabilen Metall, zu entdecken: Elemente 71, 72, 75.,

Von Welsbach bewies 1906, dass das alte Ytterbium auch ein neues Element (#71) enthielt, das er Cassiopeium nannte. Urbain bewies dies gleichzeitig, aber seine Proben waren sehr unrein und enthielten nur Spurenmengen des neuen Elements. Trotzdem wurde sein gewählter Name Lutetium angenommen.

Im Jahr 1908 fand Ogawa das Element 75 in Thorianit, ordnete es jedoch als Element 43 anstelle von 75 zu und nannte es Nipponium. 1925 gaben Walter Noddack, Ida Eva Tacke und Otto Berg die Trennung von Gadolinit bekannt und gaben ihm den heutigen Namen Rhenium.,

Georges Urbain behauptete, Element 72 in Seltenerdresten gefunden zu haben, während Vladimir Vernadsky es unabhängig in Orthit fand. Keiner der beiden Behauptungen wurde aufgrund des Ersten Weltkriegs bestätigt, und keiner konnte später bestätigt werden, da die Chemie, die sie berichteten, nicht mit der jetzt für Hafnium bekannten übereinstimmt. Nach dem Krieg, 1922, fanden Coster und Hevesy es durch röntgenspektroskopische Analyse in norwegischer Sprache. Hafnium war somit das letzte stabile Element, das entdeckt wurde.,

• Lutetium, einschließlich 1 cm3 Würfel

• Rhenium, einschließlich 1 cm3 Würfel

• Hafnium in Form eines 1,7 kg schweren Balkens

Bis zum Ende des Zweiten Weltkriegs hatten Wissenschaftler vier Posturanelemente synthetisiert, von denen alle radioaktive (instabile) Metalle sind: Neptunium (1940), Plutonium (1940-41) und Curium und Americium (1944), die Elemente darstellen 93 bis 96., Die ersten beiden davon wurden schließlich auch in der Natur gefunden. Curium und Americium waren Nebenprodukte des Manhattan-Projekts, das 1945 die erste Atombombe der Welt produzierte. Die Bombe basierte auf der Kernspaltung von Uran, einem Metall, von dem zunächst angenommen wurde, dass es fast 150 Jahre zuvor entdeckt worden war.,

Nachkriegsentwicklungen

Superlegierungen

Superlegierungen aus Kombinationen von Fe, Ni, Co und Cr sowie geringere Mengen an W, Mo, Ta, Nb, Ti und Al wurden kurz nach dem Zweiten Weltkrieg für den Einsatz in Hochleistungsmotoren mit erhöhten Temperaturen (über 650 °C) entwickelt. Sie behalten den größten Teil ihrer Festigkeit unter diesen Bedingungen für längere Zeit und kombinieren eine gute Niedertemperatur-Duktilität mit Korrosions-oder Oxidationsbeständigkeit., Superlegierungen finden sich jetzt in einer Vielzahl von Anwendungen, darunter Land -, See-und Luftfahrtturbinen sowie Chemie-und Erdölanlagen.

Transcurium metals

Die erfolgreiche Entwicklung der Atombombe am Ende des Zweiten Weltkriegs löste weitere Bemühungen aus, neue Elemente zu synthetisieren, von denen fast alle Metalle sind oder sein werden und die alle radioaktiv sind. Erst 1949 wurde Element 97 (Berkelium) nach Element 96 (Curium) synthetisiert, indem Alphateilchen auf ein Americium-Ziel abgefeuert wurden., 1952 wurde Element 100 (Fermium) in den Trümmern der ersten Wasserstoffbombenexplosion gefunden; Wasserstoff, ein Nichtmetall, war fast 200 Jahre zuvor als Element identifiziert worden. Seit 1952 wurden die Elemente 101 (Mendelevium) bis 118 (Oganesson) synthetisiert.

Bulk metallic glasses

Ein metallisches Glas (auch bekannt als ein amorphes oder glasiges Metall) ist ein festes metallisches Material, normalerweise eine Legierung, mit ungeordneter atomarer Skalenstruktur. Die meisten reinen und legierten Metalle haben in ihrem festen Zustand Atome, die in einer hochgeordneten kristallinen Struktur angeordnet sind., Amorphe Metalle haben eine nichtkristalline glasartige Struktur. Im Gegensatz zu herkömmlichen Gläsern wie Fensterglas, bei denen es sich typischerweise um elektrische Isolatoren handelt, weisen amorphe Metalle jedoch eine gute elektrische Leitfähigkeit auf. Amorphe Metalle werden auf verschiedene Arten hergestellt, einschließlich extrem schneller Abkühlung, physikalischer Dampfabscheidung, Festkörperreaktion, Ionenbestrahlung und mechanischer Legierung. Das erste berichtete metallische Glas war eine Legierung (Au75Si25), die 1960 bei Caltech hergestellt wurde. In jüngerer Zeit wurden Chargen aus amorphem Stahl mit der dreifachen Festigkeit herkömmlicher Stahllegierungen hergestellt., Derzeit basieren die wichtigsten Anwendungen auf den speziellen magnetischen Eigenschaften einiger ferromagnetischer metallischer Gläser. Der geringe Magnetisierungsverlust wird in Transformatoren mit hohem Wirkungsgrad verwendet. Theft Control ID-Tags und andere Artikelüberwachungsschemata verwenden aufgrund dieser magnetischen Eigenschaften häufig eine metallische Brille.

Formgedächtnislegierungen

Eine Formgedächtnislegierung (SMA) ist eine Legierung, die sich beim Erhitzen an ihre ursprüngliche Form „erinnert“ und bei Verformung wieder in ihre vorverformte Form zurückkehrt., Während der Formgedächtniseffekt erstmals 1932 in einer Au-Cd-Legierung beobachtet wurde, begann die Forschung erst 1962, mit der zufälligen Entdeckung des Effekts in einer Ni-Ti-Legierung, ernsthaft und weitere zehn Jahre bevor kommerzielle Anwendungen auftauchten. SMA ‚ s haben Anwendungen in der Robotik und Automobil -, Luft-und Raumfahrt-und biomedizinischen Industrie. Es gibt eine andere Art von SMA, eine ferromagnetische Formgedächtnislegierung (FSMA) genannt, die unter starken Magnetfeldern ihre Form ändert., Diese Materialien sind von besonderem Interesse, da die magnetische Reaktion tendenziell schneller und effizienter ist als temperaturinduzierte Reaktionen.,

Quasicyrstalline Legierungen

1984 fand der israelische Chemiker Dan Shechtman eine Aluminium-Mangan-Legierung mit fünffacher Symmetrie, in Verletzung der kristallographischen Konvention zu der Zeit, die besagte, dass kristalline Strukturen nur zwei -, drei -, vier-oder sechsfache Symmetrie haben könnten., Aus Angst vor der Reaktion der wissenschaftlichen Gemeinschaft brauchte er zwei Jahre, um die Ergebnisse zu veröffentlichen, für die er 2011 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurde. Seit dieser Zeit wurden Hunderte von Quasikristallen gemeldet und bestätigt. Sie existieren in vielen metallischen Legierungen (und einigen Polymeren). Quasicrystals gefunden werden, die am häufigsten in Aluminium-Legierungen (Al-Li-Cu, Al-Mn-Si, Al-Ni-Co, Al-Pd-Mn -, Al-Cu-Fe-Al-Cu-V, etc.), sondern noch zahlreiche weitere Kompositionen sind auch bekannt (Cd-Yb, Ti-Zr-Ni, Zn-Mg-Ho, Zn-Mg-Sc, In-Ag-Yb, Pd-U-Si, etc.). Quasikristalle haben effektiv unendlich große Einheitszellen., Ikosahedrit Al63Cu24Fe13, das erste in der Natur gefundene Quasikristall, wurde 2009 entdeckt. Die meisten Quasikristalle haben keramische Eigenschaften, einschließlich niedriger elektrischer Leitfähigkeit (Annäherungswerte in Isolatoren) und niedriger Wärmeleitfähigkeit, hoher Härte, Sprödigkeit und Korrosionsbeständigkeit sowie Antihafteigenschaften. Quasikristalle wurden verwendet, um Wärmedämmung, LEDs, Dieselmotoren und neue Materialien zu entwickeln, die Wärme in Strom umwandeln., Neue Anwendungen können den niedrigen Reibungskoeffizienten und die Härte einiger quasikristalliner Materialien nutzen, beispielsweise das Einbetten von Partikeln in Kunststoff, um starke, strapazierfähige, reibungsarme Kunststoffräder herzustellen. Weitere potenzielle Anwendungen sind selektive Solarabsorber für die Energieumwandlung, Breitwellenlängenreflektoren sowie Knochenreparatur-und Prothesenanwendungen, bei denen Biokompatibilität, geringe Reibung und Korrosionsbeständigkeit erforderlich sind.,

Komplexe metallische Legierungen

Komplexe metallische Legierungen (CMAs) sind intermetallische Verbindungen, die durch große Einheitszellen gekennzeichnet sind, die einige Zehn bis Tausende von Atomen umfassen.das Vorhandensein von genau definierten Atomclustern (häufig mit ikosaedrischer Symmetrie); und partielle Störung innerhalb ihrer kristallinen Gitter. Sie bestehen aus zwei oder mehr metallischen Elementen, manchmal mit Metalloiden oder Chalkogeniden hinzugefügt. Dazu gehören beispielsweise NaCd2 mit 348 Natriumatomen und 768 Cadmiumatomen in der Einheitszelle., Linus Pauling versuchte 1923, die Struktur von NaCd2 zu beschreiben, war aber erst 1955 erfolgreich. Zunächst als „Riesenzellkristalle“ bezeichnet, nahm das Interesse an CMAs, wie sie genannt wurden, erst 2002 mit der Veröffentlichung eines Papiers mit dem Titel „Strukturell komplexe Legierungsphasen“ auf der 8.Internationalen Konferenz über Quasikristalle auf. Mögliche Anwendungen von CMAs umfassen als Wärmedämmung; Solarheizung; magnetische Kühlschränke; Verwendung von Abwärme zur Stromerzeugung; und Beschichtungen für Turbinenschaufeln in Militärmotoren.,

Hochentropielegierungen

Hochentropielegierungen (HEAs) wie AlLiMgScTi bestehen aus gleichen oder nahezu gleichen Mengen von fünf oder mehr Metallen. Im Vergleich zu herkömmlichen Legierungen mit nur einem oder zwei Basismetallen weisen HEAs wesentlich bessere Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse, eine höhere Zugfestigkeit und eine größere Beständigkeit gegen Bruch, Korrosion und Oxidation auf. Obwohl HEAs bereits 1981 beschrieben wurden, entwickelte sich erst in den 2010er Jahren ein erhebliches Interesse; Sie stehen aufgrund ihres Potenzials für wünschenswerte Eigenschaften weiterhin im Mittelpunkt der Forschung in der Materialwissenschaft und-technik.,tr>

In a MAX phase alloy, M is an early transition metal, A is an A group element (mostly group IIIA and IVA, or groups 13 and 14), and X is either carbon or nitrogen., Beispiele sind Hf2SnC und Ti4AlN3. Solche Legierungen haben einige der besten Eigenschaften von Metallen und Keramiken. Diese Eigenschaften umfassen eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit, thermische Stoßfestigkeit, Schadenstoleranz, Bearbeitbarkeit, hohe elastische Steifigkeit und niedrige Wärmeausdehnungskoeffizienten.</ref> Sie können aufgrund ihrer hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit zu einem metallischen Glanz poliert werden., Während der mechanischen Prüfung wurde festgestellt, dass polykristalline Ti3SiC2-Zylinder wiederholt bei Raumtemperatur bis zu Spannungen von 1 GPa komprimiert werden können und sich beim Entfernen der Last vollständig erholen. Einige MAX-Phasen sind auch sehr resistent gegen chemische Angriffe (z. B. Ti3SiC2) und Hochtemperaturoxidation in Luft (Ti2AlC, Cr2AlC2 und Ti3AlC2). Mögliche Anwendungen für MAX-Phasenlegierungen umfassen: als zähe, bearbeitbare, thermoschockfeste feuerfeste Materialien; Hochtemperaturheizelemente; Beschichtungen für elektrische Kontakte; und Neutronenbestrahlung beständige Teile für nukleare Anwendungen., Während MAX-Phasenlegierungen in den 1960er Jahren entdeckt wurden, wurde das erste Papier zu diesem Thema erst 1996 veröffentlicht.