Ensimmäisistä kivestä veistetyistä esineistä monimutkaiseen rautamalmin louhintaan – ihmiskunnan historia on tiiviisti yhteydessä mineraaleihin. Niiden löytäminen ja jalostaminen olivat tärkeitä virstanpylväitä teknologian, yhteiskunnan ja kulttuurin kehityksessä.
Sisällysluettelo
Alusta lähtien mineraalit ovat olleet merkittävä osa kaikkien ihmisyhteisöjen vaurautta. Eri historian vaiheissa ne ovat toimineet raaka-aineena, joka on edistänyt teknologian kehitystä. Nykyaikaisessa yhteiskunnassa riippuvuus mineraaleista on suurempi kuin koskaan.
Sarjan ”Mineraalit ja ihmiskunta” ensimmäinen luku on omistettu ensimmäisten teollisuudenalojen kehitykselle ja taiteen syntymälle esihistoriallisina aikoina. Nämä virstanpylväät liittyivät kasvavaan ymmärrykseen mineraalien ominaisuuksista, jotka ovat viime kädessä maapallon perusrakenteita, aivan kuten solut ovat elävän aineen perusrakenteita.
Esihistoria jaetaan yleensä kivikauteen (paleoliitti ja neoliitti) ja metallikauteen (kupari-, pronssi- ja rautakausi). Ensimmäinen alkoi ihmisen ja kiviteollisuuden syntyessä noin 2 500 000 vuotta sitten. Toinen alkoi vasta noin 7 000 vuotta sitten, kun keksittiin menetelmä metallien erottamiseksi malmista polttamalla ja erottamalla ne muista aineosista.
Tämä tekniikka lisäsi huomattavasti näiden materiaalien saatavuutta, sillä niiden ominaisuudet ja käyttöominaisuudet ovat vertaansa vailla verrattuna kiveen, puuhun, luuhun tai simpukankuoriin. Nämä edut olivat tunnettuja jo ennen metallurgian syntyä, koska joitakin metalleja esiintyy luonnossa maankuoressa.
Kuten seuraavissa luvuissa näemme, metallit ovat mullistaneet ihmiskunnan historian . Tämä merkitys heijastuu metallien nimien etymologiassa: ne ovat peräisin kreikan sanasta metallan, joka tarkoittaa etsiä. Metallien etsiminen oli yksi ihmiskunnan tärkeimmistä tehtävistä.
Ihmiskunnan kehitys on merkitty mineraalivarojen käytön kasvulla, sekä määrän että monimuotoisuuden osalta. ”Kolmas teollinen vallankumous”, johon olemme nyt uppoutuneet, vaatii yhä enemmän mineraaleja ja paljon enemmän metalleja kuin aiemmin.
Kubisten pyriittikiteiden, rautasulfidin, joka on muuttunut rautaoksideiksi, pseudomorfot.
Metallit luonnossa
Metalleilla on erilainen geokemiallinen affiniteetti, eli ne muodostavat mieluummin yhdisteitä tiettyjen luonnossa esiintyvien alkuaineiden kanssa. Täten jotkut metallit voivat esiintyä mineraaleina ilman, että ne yhdistävät mihinkään muuhun kemialliseen alkuaineeseen, tai ne voivat yhdistyä yksinomaan muiden metallien kanssa muodostaen seoksia. Niitä kutsutaan siderofiilisiksimetalleiksi. Toiset taas suosivat hopeaa ja niitä kutsutaan halcofiilisiksi, eli ne esiintyvät pääasiassa sulfideina. Lopuksi, litofiiliset alkuaineet ovat taipuvaisia yhdistymään hapen kanssa (joko oksidien muodossa tai muiden happea sisältävien mineraalien, kuten karbonaattien, silikaattien jne. muodossa). Tämä affiniteetti riippuu ympäristön ominaisuuksista. Esimerkiksi yksi ja sama metalli voi käyttäytyä halcofiilinä pelkistävissä ympäristöissä ja litofiilinä hapettavissa olosuhteissa.
Siderofiiliset metallit ovat metalleja, joita voi esiintyä luonnossa, esimerkiksi kulta, hopea tai kupari, tai luonnollisina seoksina, esimerkiksi elektrumi, joka on kullan ja hopean seos. Luonnossa esiintyvät metallit muodostuvat vain hyvin tietyissä olosuhteissa, joten ne ovat erityisen harvinaisia. Ne ovat pehmeitä, plastisia ja taipuisia mineraaleja, mikä johtuu niiden kiteisestä rakenteesta ja atomien välisistä metallisidoksista, jotka antavat niille myös tyypillisen kiillon.
Luonnonkuonaista kuparia. Geologinen museo
Luonnossa metallit yhdistyvät yleensä muiden kemiallisten alkuaineiden kanssa muodostaen erilaisia mineraaleja, joilla ei ole näitä epätavallisia ominaisuuksia. Siksi on löydetty tapa erottaa ne muista mineraaleissa olevista kemiallisista aineista, mikä johti metallurgian syntyyn. Metallien aikakauden eri vaiheet ovat merkitty teknologian kehityksellä, joka on mahdollistanut niiden louhimisen.
Kupari ja pronssi
Varhaiset jalokiviseppät huomasivat, että kupari, kulta ja hopea eivät ole vain kauniita, vaan myös kivestä toiminnallisempia: ne eivät rikkoutuneet, niitä voitiin korjata tai käyttää uudelleen, ja niistä saatiin terävämpiä ja kestävämpiä teriä. Ne yhdistettiin muihin kivilajeihin ja niitä työstettiin eri tavalla kuin kivien työstämisessä käytettyjä materiaaleja. Niitä muokattiin vasaralla tai kuumentamalla, mikä mahdollisti korujen valmistuksen.
Noin 7000 vuotta sitten metallien saatavuus lisääntyi huomattavasti suuren keksinnön jälkeen, joka aloitti metallikauden. Tulessa vihreät ja siniset kivet muuttuivat kiiltäväksi punaiseksi metalliksi. Näin syntyi kuparimetallurgia , joka aloitti uuden teknologisen aikakauden ihmiskunnalle.
Malakiitti. Geologisen tiedekunnan mineraloginen kokoelma
Nämä kirkkaanväriset kivet koostuivat pääasiassa malakiitista ja azuritista – kahdesta karbonaatista, joiden sulamispiste on huomattavasti alhaisempi kuin luonnonvalmisteisen kuparin. Molemmat olivat alun perin tärkeimpiä kuparimalmeja. Malmimineraalit ovat mineraaleja, joista tietty kemiallinen alkuaine, yleensä metalli, voidaan saada prosessissa, joka sisältää kuumentamisen tai polttamisen korkeassa lämpötilassa. Yleisimpiä malmimineraaleja ovat oksidit ja sulfidit.
Jotta mineraali voidaan katsoa metallimalmiksi, sen on oltava suhteellisen yleinen, sen on sisällettävä metallia niin paljon, että sen louhinta on kannattavaa (eli se ei saa olla mineraalin toissijainen komponentti), ja sen on oltava helposti erotettavissa (eli sen erottamisen kustannukset eivät saa olla korkeammat kuin sen markkinahinta).
Esimerkiksi mineraalit kuten dioptaasi tai krysokolla, silikaatit, jotka sisältävät 30–40 % kuparia, eivät kuulu kuparimalmiin, koska ne ovat harvinaisia mineraaleja, joissa kupari on tiukasti sitoutunut kiteiseen rakenteeseen, mikä edellyttää suuria energiakustannuksia niiden erottamiseksi. Jopa jotkut oksidit, kuten kupriitti, jotka sisältävät erittäin paljon kuparia, kuuluvat kuparimalmiin vain poikkeustapauksissa, kun niitä esiintyy merkittävissä pitoisuuksissa.
Dioptasi. Geologian laitoksen mineraloginen kokoelma
Vaikka kupari onkin voimakkaasti halkeileva, se muuttuu hapen läsnä ollessa litofiiliseksi, minkä vuoksi alkuperäiset sulfidit muuttuvat maan pinnalla karbonaateiksi, oksideiksi, sulfaateiksi tai silikaateiksi. Siten nykyisin tärkeimmät kuparimalmit ovat sulfidit, kuten kalkopyrite, bornite, kovelline ja kalkosine, joiden kuparipitoisuus vaihtelee 35–80 %. Kuparimalmina käytetään joskus myös mineraaleja kuten azurite tai malakiitti, joiden kuparipitoisuus on noin 50 %. Malakiittia käytetään myös koriste-esineiden valmistuksessa.
Nykyaikaisessa yhteiskunnassa kupari on rautaa, alumiinia ja kromia jälkeen neljänneksi eniten käytetty metalli. Kupari on välttämätöntä sähkönjohtavuuden kannalta, ja sen kysyntä kasvaa merkittävästi lyhyellä ja keskipitkällä aikavälillä sekä sen käytön lisääntyessä kehitysmaissa että sen tärkeän roolin vuoksi energiamuutoksessa . Esimerkiksi hybridiauto kuluttaa noin kaksi kertaa enemmän kuparia kuin tavallinen polttomoottori, ja täysin sähköinen auto voi sisältää jopa 10 kertaa enemmän kuparia kuin polttomoottori.
Alttari malakitikoristeilla. Pyhän Paavalin kirkko kaupungin muurien ulkopuolella (Rooma, Italia).
Kolmannella vuosituhannella eKr. löydettiin, luultavasti sattumalta, erityisen kova kuparin ”lajike” kuumentamalla kupari- ja tinamalmia. Tätä kahden metallin seosta, pronssia, käytettiin aseiden, haarniskoiden ja työkalujen valmistukseen, ja se antoi valtavan voiman ihmisille, jotka hallitsivat sen valmistustekniikan.
Tina on litofiilinen, ja sen päämalmimineraali on kassiteriitti, oksidi, jonka kaava on SnO2 , ja joka sisältää lähes 80 % tinaa. Tinan merkitys tällä kaudella näkyy termissä ”kassiteridit”, joka otettiin käyttöön antiikin Kreikassa viittaamaan Länsi-Euroopan tinatuotannon keskuksiin, joiden tarkkaa sijaintia ei tiedetty. Nykyään tiedetään, että yksi näistä keskuksista sijaitsi Pyreneiden niemimaan luoteisosassa.
Bronzin korkea kysyntä törmäsi kiistattomaan tosiasiaan: sen komponenttien harvinaisuuteen maankuoressa . Kuparin pitoisuus on noin 27 g/t ja tinan 2 g/t. Mineraaliesiintymät ovat todellisia geokemiallisia poikkeamia maankuoressa. Niissä tietyllä metallilla on poikkeuksellisen korkea pitoisuus suhteessa sen keskimääräiseen esiintyvyyteen, mikä määrää metallin pitoisuuden malmissa. Esimerkiksi kupariesiintymän kannattavuuden edellytyksenä on, että sen pitoisuus on vähintään 0,5 %, eli se on noin 200-kertainen.
Lyijy ja hopea
Lyijy, ei kupari, voi olla ensimmäinen metallurgiaa varten saatu metalli . Arkeologiset todisteet sen käytöstä ovat peräisin vähintään vuodelta 6500 eKr. Suurin osa maankuoressa esiintyvästä lyijystä on yleisessä mineraalissa galeniti, jonka ominaisuudet tekevät sen helposti tunnistettavaksi. Galenitiä käytettiin symbolisena elementtinä hautajaisissa ja tuhansien vuosien ajan terapeuttisiin ja kosmeettisiin tarkoituksiin. Muita vähemmän tunnettuja lyijymalmeja ovat cerussite (karbonaatti) ja anglite (sulfaatti).
Galenite. Geologian laitoksen mineraloginen kokoelma (UCM).
Lyijy on pehmeä, raskas ja korroosionkestävä metalli. Sen alhainen sulamispiste (327 °C) helpotti metallinjalostusta ja mahdollisti astioiden korjaukseen tarkoitettujen hakasten valmistuksen. Lyijyä käytettiin myös patsaiden, ammuksien, kolikoiden ja erilaisten seosten valmistukseen. Yksi sen käyttötarkoituksista on edelleen painojen ja luotien valmistus.
Lyijyn lukuisat käyttötarkoitukset ja sen arvo metallina ovat aiemmin olleet tiiviisti yhteydessä hopean tuotantoon. Maankuoressa lyijyn pitoisuus on 11 g/t ja hopean 0,056 g/t. Vaikka luonnossa esiintyy myös puhdasta hopeaa, sen tuotantoon käytetään eniten hopeagalenitiä, joka sisältää huomattavan määrän hopeaa (jopa 20 %, mutta yleensä enintään 1 %). Hopeagaleniitissa hopea on keskittynyt pieniin eri mineraalien, pääasiassa sulfidien ja sulfosuolojen, sisällyksiin. Sulfosuolat ovat mineraaleja, joissa metalli (yleensä kupari, lyijy tai hopea) ja puolimetalli (yleensä antimoni, arseeni tai vismutti) ovat sitoutuneet rikkiin.
Menetelmä, jolla hopeaa saadaan hopeapitoisesta galenitista korkeissa lämpötiloissa, kutsutaan kuparoimiseksi. Sen avulla voidaan saada suuri määrä lyijyä, joka yhdistettynä valmistuksen helppouteen ja korroosionkestävyyteen teki tästä metallista roomalaisen insinööritaidon ja arkkitehtuurin eniten käytetyn metallin.
Niin sanotun Pax Romanan aikana (27 eKr. – 180 jKr.) talous koki ennennäkemättömän nousun, joka johtui galenitiin korkeasta tuotannosta, jota louhittiin pääasiassa Espanjan esiintymistä. Arvioiden mukaan jokaista grammaa tuotettua hopeaa kohti ilmakehään pääsi kymmenen kiloa lyijyä. Tämän ajanjakson arktisen jään näytteiden tutkimukset osoittavat, että tämä oli ensimmäinen esimerkki ihmisen toiminnasta johtuvasta laajamittaisesta ympäristön pilaantumisesta .
Sfaleriitti (tummanharmaa) piritiitin (kultaisella juovikkailla kiteillä), kalkopiriitin (vihertävän kultaisilla) ja kvartsin (valkoisilla kiteillä) kanssa. Geologisen tiedekunnan mineraloginen kokoelma (UCM).
Galenite esiintyy usein yhdessä sinkkisulfidin sfaleriitin kanssa, joka on tämän metallin päämalmi. Metallista sinkkiä on louhittu Intiassa jo ensimmäisen vuosituhannen lopulta eKr. , mutta lännessä se tunnustettiin metalliksi vasta 1700-luvulla. Messinki on kuparin ja sinkin seos, joka on tunnettu jo esihistoriallisista ajoista, ennen kuin sinkkiä alettiin käyttää metallina. Messinkiä saatiin noin 3000 eKr. sekoittamalla kuparia erilaisiin sinkkimineraaleihin, pääasiassa silikaatteihin ja karbonaatteihin, jotka muodostuvat sinkkiesiintymien pinnalle sfaleriitin muuttuessa ja muodostavat niin sanotun kalamiinin.
Rauta otettiin käyttöön paljon myöhemmin kuin kupari ja pronssi. Syynä ei ollut tiedon puute sen eduista tai esiintymien vaikea löydettävyys. Alkeelliset metallurgiset menetelmät eivät yksinkertaisesti mahdollistaneet sen sulattamista. Oli odotettava erityisten uunien keksimistä, jotka mahdollistivat tarvittavan kuumentamisen.
Seuraavassa luvussa näytämme, kuinka tämä tärkeä teknologinen innovaatio mullisti ihmisyhteiskunnan rakenteen ja muutti maisemaa ennennäkemättömällä tavalla. Rautakauden alusta, noin 4000 vuotta sitten, rauta on ollut ja on edelleen historian yleisin metalli.
