ΜΕΤΑΛΛΕΥΜΑΤΑ – ΜΕΤΑΛΛΑ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Μεταλλεύματα ονομάζονται τα ορυκτά από τα οποία εξάγονται τα μέταλλα. Τα μέταλλα βρίσκονται στη φύση σε στερεά μορφή (εκτός του υδράργυρου), ως συστατικά των ορυκτών και με μορφή ιχνοστοιχείων. Απαντώνται ως αυτοφυή ή με τη μορφή οξειδίων, ανθρακικών, θειούχων, πυριτικών και φθοριούχων αλάτων. Η μεταλλευτική βιομηχανία αποσπά τα μέταλλα από τα ορυκτά, με διάφορες μεθόδους, όπως ηλεκτρόλυση, αναγωγή, απόσταξη. Ως παράδειγμα, από το ορυκτό γαληνίτη αποσπά μόλυβδο, από τον βωξίτη αλουμίνιο, από το ορυκτό αιματίτη σίδηρο. Τα μεταλλεύματα από τα οποία εξάγεται ο σίδηρος και το αλουμίνιο, λέγονται σιδηρομεταλλεύματα.

Μέταλλα
Ορυκτά προέλευσης – χημικά στοιχεία – χρήσεις

Τα μέταλλα ήταν και είναι εξαιρετικά πολύτιμες ύλες για την επιβίωση και την ανάπτυξη του ανθρώπου, από τις εποχές του χαλκού και του σιδήρου. Χωρίς αυτά δεν θα μπορούσε να υπάρχει ο σύγχρονος πολιτισμός.

Τα μέταλλα ταξινομούνται με διάφορα κριτήρια:

• Ως προς τη σύνθεσή τους με άλλα ορυκτά σε αυτοφυή ή μη αυτοφυή μέταλλα. Αυτοφυή είναι τα μέταλλα τα οποία συνήθως ταυτίζονται με το ορυκτό τους, δηλαδή βρίσκονται στη φύση αυτόνομα.
• Ως προς τη σπανιότητα των αποθεμάτων τους σε σπάνιες γαίες (Rare Earth Elements, REE) και σε σπάνια μέταλλα. Ο όρος σπάνιες γαίες ή λανθανίδες αναφέρεται σε μια ομάδα 15 μετάλλων, με ιδιαίτερες ατομικές ιδιότητες, εντοπισμένα σε ελάχιστες περιοχές του Πλανήτη. Σπάνια μέταλλα είναι τα μέταλλα των οποίων τα αποθέματα εξαντλούνται ή που η εξόρυξή τους είναι δυνατή σε ελάχιστες χώρες ή που έχουν πολύ υψηλή τιμή. Χρησιμοποιούνται στην παραγωγή ηλεκτρονικών, καθαρής ενέργειας, ιατρικών συσκευών και επιστημονικού εξοπλισμού.
• Ως προς την πυκνότητά τους σε βαρέα μέταλλα και σε ελαφρά μέταλλα. Βαρέα ονομάζονται τα μέταλλα που έχουν πυκνότητα μεγαλύτερη των 4,5 g/cm³ και αποτελούν το μεγαλύτερο ποσοστό των μετάλλων. Σε αυτά συμπεριλαμβάνονται και τα «μαύρα μέταλλα», τα οποία προέρχονται από τα σιδηρομεταλλεύματα. Ελαφρά ονομάζονται τα μέταλλα με πυκνότητα μικρότερη των 4,5 g/cm³.
• Ως προς την περιεκτικότητά σε σίδηρο σε σιδηρούχα (σίδηρος και χάλυβας) και μη σιδηρούχα. Σιδηρούχα είναι τα μεταλλικά κράματα στα οποία το ποσοστό του σιδήρου υπερβαίνει το ποσοστό των υπόλοιπων στοιχείων του κράματος. Το σημαντικότερο στοιχείο τους μετά το σίδηρο είναι ο άνθρακας.

Πίνακας ενδεικτικής ταξινόμησης μετάλλων

Τα μέταλλα σπανίως χρησιμοποιούνται χωρίς προσμίξεις. Ενώνονται συνήθως με άλλα μέταλλα ή με αμέταλλα στοιχεία και δημιουργούν κράματα ή άλλες ενώσεις: ο χάλυβας και ο χυτοσίδηρος είναι κράματα σιδήρου και άνθρακα, ο νικελιούχος χάλυβας είναι κράμα σιδήρου και νικελίου, ο μπρούντζος είναι κράμα κασσίτερου και χαλκού, ο ορείχαλκος είναι κράμα ψευδάργυρου και χαλκού.

Η έρευνα για την ανακάλυψη νέων μεθόδων παραγωγής, κατεργασίας των μετάλλων και για τη δημιουργία νέων κραμάτων, αναπτύσσεται συνεχώς.

ΦΥΣΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ

Οι κυριότερες ιδιότητες των μετάλλων και των κραμάτων τους είναι:

• Υψηλή μηχανική αντοχή σε όλα τα είδη των καταπονήσεων όπως θλίψη, κάμψη κλπ.
• Καλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα
• Όλκιμο, η ικανότητα να μορφοποιούνται με την έλξη, σε σύρμα. με πλέον όλκιμο μέταλλο το χρυσό.
• Ελατό, η ικανότητα να μορφοποιούνται σε ελάσματα ή φύλλα θερμαινόμενα ή όχι, με σφυρηλάτηση ή πίεση.
• Εύτηκτο, η ικανότητα να τήκονται σε υψηλές θερμοκρασίες και να επανέρχονται με την ψύξη.
• Συγκολλητότητα, η ικανότητα πλήρους συγκόλλησης τεμαχίων του ίδιου μετάλλου ή κράματος
• Ικανότητα αύξησης της σκληρότητας και της αντοχής τους, όταν θερμανθούν και στη συνέχεια ψυχθούν απότομα.

ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ

• Η εμπεριεχόμενη ενέργεια των μετάλλων είναι υψηλή. Ποικίλει από είδος σε είδος, όμως, για τα μέταλλα που χρησιμοποιούνται στο οικοδομικό τομέα, κυμαίνεται μεταξύ 6.500 kWh/t (για τον κασσίτερο) και 45.600 kWh/t (για το νικέλιο), με εξαίρεση το εξαιρετικά ενεργοβόρο αλουμίνιο, που φτάνει τις 72.500 kWh/t.
• Τα αποθέματα των μετάλλων είναι από ελάχιστα έως άφθονα. Η αποθεματική βάση του βωξίτη εκτιμάται με τα σημερινά δεδομένα, ότι επαρκεί για 180 – 200 χρόνια και τα αποθέματά του για 140 ακόμη χρόνια. Αντίθετα, η αποθεματική βάση πολύτιμων και για τον οικοδομικό τομέα μετάλλων, όπως χαλκός, κασσίτερος, ψευδάργυρος και μόλυβδος θεωρείται επαρκής μόνο για τα επόμενα 40 έως το πολύ 60 χρόνια, ενώ τα αποθέματά τους εκτιμάται, σύμφωνα με τα επίσημα στοιχεία του USGS, 2007 (Γεωλογική Υπηρεσία Η.Π.Α.) ότι θα εξαντληθούν μέσα στα επόμενα 20 έως 30 χρόνια.
  Είναι προφανής η επιτακτική ανάγκη χαρακτηρισμού ορισμένων μετάλλων καθημερινής χρήσης ως σπάνιων, καθώς και η θέσπιση όρων και περιορισμών στη χρήση τους. Αντί αυτού, η εξάντληση των αποθεμάτων τους, οξύνει εξαιρετικά τον παγκόσμιο ανταγωνισμό για τον έλεγχο των πηγών τους.
• Τα προϊόντα των μετάλλων προσφέρονται κατά κανόνα για επανάχρηση και ανακύκλωση. Η βιομηχανία ανακύκλωσης αυτών είναι εξαιρετικά αναπτυγμένη και θεωρείται σημαντική για την εξοικονόμηση και προστασία των αποθεμάτων, την εξοικονόμηση σημαντικών ποσοτήτων ενέργειας και τον περιορισμό των περιβαλλοντικών επιπτώσεων της πρωτογενούς παραγωγής.
  Η ανακύκλωση των μη σιδηρούχων και των ευγενών μετάλλων, όπως χαλκός και χρυσός μπορεί να είναι πλήρης, χωρίς απώλειες και να επαναλαμβάνεται στο διηνεκές. Η ανακύκλωση κραμάτων είναι επίσης εφικτή, όμως με απώλειες.
  Προϋπόθεση της ανακύκλωσης είναι ο καθαρισμός των απορριμμάτων των μεταλλικών ειδών από ξένες ύλες καθώς και λήψη μέτρων ασφαλούς διαχείρισης των υπολειμμάτων και των εκπομπών της διαδικασίας ανακύκλωσης.
• Ορισμένα βαρέα μέταλλα με τη μορφή ιχνοστοιχείων είναι απαραίτητα για όλους τους ζωντανούς οργανισμούς, όπως χρώμιο, σίδηρος, κοβάλτιο, χαλκός, μαγγάνιο, νικέλιο, κασσίτερος και ψευδάργυρος. Σε μεγάλες όμως ποσότητες μπορεί να είναι τοξικά ή ισχυρά τοξικά και άρα επιβλαβή για την υγεία.
  Οι πηγές εκπομπών βαρέων μετάλλων είναι ή φυσικές (ηφαίστεια, διάβρωση) ή ανθρωπογενείς, συνέπεια της βιομηχανοποίησης. Βαρέα μέταλλα χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία, π.χ. για την παραγωγή συνθετικών υλικών ή στον εξευγενισμό μετάλλων (χρώμιο και νικέλιο για το χάλυβα), στην κατασκευή δικτύων ύδρευσης πόσιμου νερού (χαλκός, σίδηρος, ψευδάργυρος, μόλυβδος), στην κατασκευή στεγών (χαλκός, ψευδάργυρος, μόλυβδος, κασσίτερος), ως πρόσθετα συνθετικών υλικών (μόλυβδος ή κάδμιο ως σταθεροποιητές), ως χρωστικές και ως αντιδιαβρωτική προστασία άλλων υλικών. Η ανεξέλεγκτη διάθεση στερεών απορριμμάτων, η απόρριψη βιομηχανικών αποβλήτων, η διοχέτευση ανεπεξέργαστων λυμάτων στους υδάτινους αποδέκτες, η καύση στερεών καυσίμων καθώς και οι χώροι συγκέντρωσης οικιακών και οικοδομικών απορριμμάτων είναι πρόσθετες πηγές εκπομπής βαρέων μετάλλων, που κατακάθονται στο έδαφος και τα νερά, και με διάφορους τρόπους διεισδύουν στην τροφική αλυσίδα.
  Τα βαρέα μέταλλα δεν αποβάλλονται, ούτε αφομοιώνονται από τους οργανισμούς. Αντίθετα, συσσωρεύονται ιδιαίτερα σε ορισμένους ιστούς, όπως νεφρά και συκώτι και μπορούν να εμφανίσουν υψηλές συγκεντρώσεις. Η δράση τους είναι κυρίως καρκινογόνα και οφείλεται είτε στην παραγωγή ελευθέρων ριζών που προκαλεί οξειδωτικές βλάβες, είτε σε απευθείας πρόκληση μεταλλάξεων στο DNA.
  Ως ιδιαίτερα τοξικά βαρέα μέταλλα θεωρούνται ο μόλυβδος, το κάδμιο, ο υδράργυρος και το χρώμιο (ενώσεις του χρωμίου – IV).
  Όλα τα συστήματα του οργανισμού επηρεάζονται από την τοξικότητα των βαρέων μετάλλων, κυρίως το Κεντρικό Νευρικό Σύστημα (ΚΝΣ), το Περιφερικό Νευρικό Σύστημα (ΠΝΣ), καθώς και το αιμοποιητικό, το νεφρικό και το καρδιαγγειακό σύστημα.