We współpracy z CSIC. Od pierwszych przedmiotów wyrzeźbionych w kamieniu po wyrafinowane pozyskiwanie żelaza, historia ludzkości była ściśle związana z minerałami. Ich odkrycie i przetwarzanie stanowiły decydujące etapy w naszej ewolucji technologicznej, społecznej i kulturowej.
Jak opanowanie metali napędzało rozwój ludzkości i zapoczątkowało nową erę technologiczną i społeczną.
Od zarania dziejów minerały stanowiły znaczną część bogactwa wszystkich społeczeństw ludzkich. Na różnych etapach historii dostarczały one surowców, które umożliwiły kolejne etapy rozwoju technologicznego. W dzisiejszym społeczeństwie zależność od nich jest większa niż kiedykolwiek.
W pierwszym rozdziale serii Minerały i ludzkość omówiono rozwój pierwszych gałęzi przemysłu i narodziny sztuki w prehistorii. Kamienie milowe były związane z postępującym poznaniem właściwości minerałów, które są podstawowymi składnikami Ziemi, podobnie jak komórki są podstawowymi składnikami materii ożywionej.
Prehistorię dzieli się zazwyczaj na epokę kamienia (paleolit i neolit) oraz epokę metali (miedź, brąz i żelazo). Pierwsza z nich rozpoczęła się wraz z pojawieniem się człowieka i przemysłu kamieniarskiego około 2 500 000 lat temu. Drugi pojawił się zaledwie około 7000 lat temu, kiedy odkryto technikę wydobywania metali z minerałów za pomocą ognia, oddzielając je od pozostałych składników.
Technologia ta zwiększyła dostępność tych materiałów, które pod względem właściwości i właściwości użytkowych nie mają sobie równych w porównaniu z kamieniem, drewnem, kościami czy muszlami. Zalety te były znane już przed początkiem metalurgii dzięki istnieniu kilku metali występujących w stanie naturalnym w skorupie ziemskiej.
Jak zobaczymy w kolejnych rozdziałach, metale zrewolucjonizowały historię ludzkości. Znaczenie to znajduje odzwierciedlenie w etymologii nazwy używanej do ich określenia: pochodzi ona od greckiego słowa metallan, które oznacza szukać. Poszukiwanie metali było bowiem jedną z głównych czynności naszego gatunku.
Rozwój ludzkości naznaczony jest rosnącym wykorzystaniem zasobów mineralnych, zarówno pod względem ilości, jak i różnorodności. Trzecia rewolucja przemysłowa, w której obecnie żyjemy, wymaga coraz większej liczby minerałów i znacznie większych ilości metali niż w przeszłości.
Metale w przyrodzie
Metale mają różne powinowactwa geochemiczne, to znaczy mają preferencje do łączenia się z określonymi pierwiastkami chemicznymi występującymi w przyrodzie. Tak więc istnieją metale, które mogą występować jako minerały bez połączenia z żadnym innym pierwiastkiem chemicznym lub połączone wyłącznie z innymi metalami, tworząc stopy. Są to tak zwane metale siderofilne. Inne wykazują preferencję do siarki i nazywane są kalcofilami, dlatego występują głównie w postaci siarczków. Elementy llitofilne mają tendencję do łączenia się z tlenem (w postaci tlenków lub innych minerałów zawierających tlen, takich jak węglany, krzemiany itp.). Te powinowactwa zależą od właściwości środowiska, tak więc na przykład ten sam metal może zachowywać się jako kalcofil w środowisku redukującym, a jako litofil w warunkach utleniających.
To właśnie metale siderofilne mogą występować w stanie natywnym, jak złoto, srebro lub miedź, lub w postaci naturalnych stopów, takich jak elektrum, stop złota i srebra. Metale rodzime powstają tylko w bardzo specyficznych warunkach, dlatego są szczególnie rzadkie. Są to minerały miękkie, plastyczne i ciągliwe, co wynika z ich struktury krystalicznej i wiązania metalowego między atomami, które nadaje im również charakterystyczny połysk.
W naturze metale występują zazwyczaj w połączeniu z innymi pierwiastkami chemicznymi, tworząc różne minerały, które nie mają tych niezwykłych właściwości. Dlatego poszukiwano sposobu na oddzielenie ich od pozostałych składników chemicznych obecnych w minerałach, co dało początek metalurgii. Różne epoki epoki metali charakteryzują się rozwojem technologii, które umożliwiły ich pozyskiwanie.
Miedź i brąz
Pierwotni złotnicy przekonali się, że miedź, złoto i srebro są nie tylko piękne, ale także bardziej funkcjonalne niż kamień: nie łamają się łatwo, można je naprawiać lub ponownie wykorzystać, a ponadto zapewniają ostrzejsze i trwalsze cięcie. Występowały one w połączeniu z różnymi rodzajami skał i były obrabiane w inny sposób niż materiały wykorzystywane w przemyśle kamieniarskim. Pod wpływem uderzeń młotka lub ciepła ulegały deformacji, co pozwalało na wytwarzanie ozdób.
Około 7000 lat temu dostępność metali znacznie wzrosła po niezwykłym odkryciu, które zapoczątkowało epokę metali. W ogniu kamienie zielone i niebieskie zamieniły się w lśniący czerwony metal. Narodziła się metalurgia miedzi i rozpoczęła się nowa era technologiczna dla ludzkości.
Te jaskrawe skały składały się głównie z malachitu i azurytu, dwóch węglanów o temperaturze topnienia znacznie niższej niż temperatura topnienia miedzi rodzimej. Oba były początkowo głównymi rudami miedzi. Minerały rudne to minerały, z których można uzyskać określony pierwiastek chemiczny, zazwyczaj metal, w procesie, w którym występuje temperatura poprzez ogrzewanie lub kalcynację. Najpopularniejsze minerały rudne to tlenki i siarczki.
Aby minerał był rudą metalu, musi być stosunkowo powszechny, zawierać metal w ilości opłacalnej do wydobycia (tj. nie może być składnikiem mniejszościowym w minerale) oraz musi być łatwy do wydobycia (tj. koszt jego oddzielenia musi być niższy od jego ceny rynkowej).
W ten sposób na przykład minerały takie jak dioptaza lub chryzokola, krzemiany zawierające od 30 do 40% miedzi, nie stanowią rud tego metalu, ponieważ są to minerały mało rozpowszechnione, w których miedź jest silnie związana w strukturze krystalicznej, co powoduje wysokie koszty energetyczne związane z jej wydobyciem. Nawet niektóre tlenki, takie jak kupryt, które mają niezwykle wysoką zawartość miedzi, tylko w wyjątkowych przypadkach są rudami tego metalu, gdy występują w znacznych stężeniach.
W szczególności, chociaż miedź ma bardzo wyraźny charakter kalcofilny, w obecności tlenu zachowuje się jak litofil, tak że pierwotne siarczki mają tendencję do przekształcania się w węglany, tlenki, siarczany lub krzemiany w warunkach panujących na powierzchni ziemi. W związku z tym obecnie głównymi rudami miedzi są siarczki, takie jak chalkopiryt, bornit, kovellina lub chalkosina, których zawartość miedzi waha się od 35 do 80%. Czasami minerały takie jak azuryt lub malachit, zawierające około 50% miedzi, mogą być również wykorzystywane jako rudy tego metalu. Ponadto malachit jest wykorzystywany do celów ozdobnych.
W dzisiejszym społeczeństwie miedź jest trzecim najczęściej stosowanym metalem po żelazie, aluminium i chromie. Niezbędna do przewodzenia energii elektrycznej, jej popyt w perspektywie krótko- i średnioterminowej znacznie wzrośnie, zarówno ze względu na wzrost jej wykorzystania w krajach wschodzących, jak i jej znaczenie w transformacji energetycznej. Na przykład samochód hybrydowy zużywa około dwa razy więcej miedzi niż samochód konwencjonalny z silnikiem spalinowym, a pojazd w pełni elektryczny może zawierać nawet 10 razy więcej miedzi niż samochód spalinowy.
W trzecim tysiącleciu p.n.e. odkryto, prawdopodobnie przypadkowo, „odmianę” miedzi, która była szczególnie twarda po podgrzaniu minerałów miedzi i cyny. Stop tych dwóch metali, brąz, był wykorzystywany do produkcji broni, zbroi i narzędzi, a także dawał ogromną władzę ludom, które opanowały jego technologię.
Cynę charakteryzuje litofilność, a jej głównym minerałem jest kasyteryt, tlenek o wzorze SnO2, zawierający prawie 80% cyny. O znaczeniu cyny od tamtych czasów świadczy termin „kasiterydy”, przyjęty w starożytnej Grecji na określenie ośrodków produkcji cyny w zachodniej Europie, których dokładna lokalizacja była im nieznana. Dzisiaj wiemy, że jedno z tych ośrodków znajdowało się w północno-zachodniej części Półwyspu Iberyjskiego.
Duży popyt na brąz zderzył się z niepodważalnym faktem: niedoborem jego składników w skorupie ziemskiej. Ilość miedzi wynosi około 27 gramów/tonę. Cyna – 2 g/t. Złoża minerałów są prawdziwymi anomaliami geochemicznymi w skorupie ziemskiej. Występuje w nich niezwykle wysokie stężenie określonego metalu w stosunku do jego średniej zawartości, co stanowi tzw. prawo złoża. Na przykład, aby złoże miedzi było opłacalne, jego minimalna zawartość musi przekraczać 0,5%, czyli musi być stężona około 200 razy.
Ołów i srebro
Ołów, a nie miedź, mógł być pierwszym metalem uzyskanym w wyniku metalurgii. Istnieją archeologiczne dowody na jego wykorzystanie co najmniej od około 6500 lat p.n.e. Większość ołowiu obecnego w skorupie ziemskiej znajduje się w powszechnie występującym minerale, galenie, siarczku o właściwościach umożliwiających jego łatwą identyfikację. Galena była używana jako element symboliczny w wyposażeniu grobowym, a przez tysiąclecia stosowana była jako środek leczniczy i kosmetyczny. Inne, mniej popularne rudy ołowiu to cerusyt (węglan) i anglesyt (siarczan).
Ołów jest miękkim, ciężkim i odpornym na korozję metalem. Jego niska temperatura topnienia (327 °C) ułatwiła jego obróbkę i umożliwiła produkcję zszywek do naprawy narzędzi. Wykorzystywano go również do produkcji figurek, pocisków, monet i różnych stopów. Do dziś służy do produkcji ciężarków i lotów.
Wiele zastosowań ołowiu i jego wartość jako metalu w przeszłości są ściśle związane z produkcją srebra. W skorupie ziemskiej stężenie ołowiu wynosi 11 g/t, a srebra 0,056 g/t. Chociaż istnieje srebro rodzime, minerałem najczęściej wykorzystywanym do pozyskiwania tego metalu jest galena srebrna, która zawiera znaczne ilości srebra (do 20%, choć zazwyczaj nie przekracza 1%). W galenie srebrzystej srebro występuje w postaci niewielkich wtrąceń różnych minerałów, głównie siarczków i siarczanów. Siarczany to minerały, w których metal (zwykle miedź, ołów lub srebro) i półmetal (zazwyczaj antymon, arsen lub bizmut) są związane z siarką.
Metoda pozyskiwania srebra z galeny srebrnej w wysokich temperaturach, zwana kopelacją, generuje duże ilości ołowiu, co w połączeniu z łatwością obróbki i odpornością na korozję sprawiło, że metal ten był najczęściej stosowany w inżynierii i architekturze rzymskiej.
W okresie tzw. Pax Romana (27 p.n.e.-180 n.e.) gospodarka przeżywała bezprecedensowy rozkwit, sprzyjała temu wysoka produkcja srebra z galeny, pochodzącej głównie z złóż w Hiszpanii. Szacuje się, że na każdy gram uzyskanego srebra do atmosfery trafiało dziesięć kilogramów ołowiu. Badania próbek lodu arktycznego z tego okresu wskazują, że był to pierwszy przykład powszechnego zanieczyszczenia środowiska spowodowanego działalnością człowieka.
Galena często występuje w połączeniu z siarczkiem cynku, sfalerytem, który jest głównym rudą tego metalu. W Indiach cynk metaliczny pozyskiwano od końca pierwszego tysiąclecia p.n.e., ale na Zachodzie nie uznano go za metal aż do XVIII wieku. Mosiądz jest stopem miedzi i cynku, znanym również z czasów prehistorycznych, poprzedzających wykorzystanie cynku jako metalu. Mosiądz uzyskano około 3000 r. p.n.e. poprzez zmieszanie miedzi z różnymi minerałami cynku, głównie krzemianami i węglanami, które powstają w najbardziej powierzchniowej warstwie złóż tego metalu w wyniku przemiany sfalerytu i tworzą tak zwaną kalaminę.
Podbój żelaza nastąpił znacznie później niż miedzi i brązu. Przyczyną nie była nieznajomość jego zalet ani trudności w lokalizacji złóż. Po prostu prymitywne techniki metalurgiczne nie pozwalały na jego stopienie. Trzeba było poczekać na opracowanie specjalnych pieców, które zapewniły niezbędną do tego temperaturę.
W następnym rozdziale zobaczymy, jak ta niezwykle ważna innowacja technologiczna zrewolucjonizowała strukturę społeczeństw ludzkich i spowodowała przebudowę krajobrazu na skalę nieznaną dotąd. Od początku epoki żelaza, około 4000 lat temu, żelazo było i nadal jest najczęściej używanym metalem w historii.