Bảng tuần hoàn hóa học tốc hành (Phần 23)

Các khoáng chất nguyên tố bản chất

Đối với người xưa, chỉ có 13 chất được công nhận là nguyên tố. ‘Các nguyên tố bản chất’ này được tìm thấy không pha lẫn với bất kì chất nào khác, ở dạng khoáng chất (các chất vô cơ có mặt trong thiên nhiên). Thủy ngân lỏng có thể chảy ra khỏi một khoáng chất khác, cinnabar, trong khi lưu huỳnh hình thành các tinh thể tinh khiết xung quanh các lỗ phun khí miệng núi lửa. Các phi kim khác được tìm thấy ở dạng khoáng chất bao gồm arsenic và antimony xuất hiện gần như song hành. Carbon tạo thành kim cương kết tinh ở độ sâu 140 – 190 km (85 – 120 dặm), hay tạo thành graphite ở gần mặt đất hơn.

Một vài kim loại khác được tìm thấy không kết hợp – đồng, kẽm, bạc, vàng, thiếc, bismuth và chì – song bầu khí quyển có tính oxy hóa mạnh của Trái Đất khiến đa số kim loại đi tới thành hợp chất oxide hoặc sulfide. Thiếc thiên nhiên cực kì hiếm, trong khi sắt thiên nhiên không bị oxy hóa trên hành tinh chỉ đến từ không gian bên ngoài, trong các thiên thạch sắt-nickel. Các hợp kim có mặt trong thiên nhiên bao gồm electrum (một hỗn hợp của vàng và bạc) và platina (một hỗn hợp vô số kim loại họ platinium).

Lưu huỳnh tích tụ xung quanh một lỗ phun khí miệng núi lửa

Lưu huỳnh tích tụ xung quanh một lỗ phun khí miệng núi lửa.

Nấu chảy

Đa số kim loại không được tìm thấy ở trạng thái thiên nhiên của chúng, mà bị khóa trong các khoáng chất bên trong đá. Quặng là những khoáng chất chứa hàm lượng cao kim loại, và từ đó việc điều chế kim loại là có tính kinh tế. Đa số là hợp chất oxide hoặc sulfide, và quá trình điều chế, hay ‘nấu chảy’, sử dụng một phản ứng hóa học để tách chúng ra.

Giai đoạn thứ nhất là nung nóng, loại bỏ toàn bộ lưu huỳnh và carbon và để lại một oxide. Sau đó, oxygen bị loại bỏ bằng cách nung nóng với carbon, thường ở dạng than cốc hoặc than củi. Carbon kết hợp với oxygen hình thành carbon dioxide, thoát ra khỏi lò dưới dạng chất khí. Việc thêm chất gây chảy, ví dụ fluorite, làm hạ nhiệt độ của xỉ (chất thải) và khiến nó nhớt hơn và dễ loại bỏ hơn. Thiếc và chì là những nguyên tố kim loại đầu tiên từng được nấu chảy – nghề đúc chì đã có ở xứ Anatolia, Thổ Nhĩ Kì, từ khoảng năm 6500 tCN. Ngày nay, các kim loại thường được thu gom trước khi nấy chảy và tinh lọc sau đó – phương pháp tinh lọc điện phân hiện đại thu được 99,99 phần trăm đồng nguyên chất.

Nấu chảy