În colaborare cu CSIC. De la primele obiecte sculptate în piatră până la obținerea sofisticată a fierului, istoria umanității a fost strâns legată de minerale.
Cuprins
Descoperirea și transformarea acestora au marcat momente decisive în evoluția noastră tehnologică, socială și culturală.
Cum stăpânirea metalelor a impulsionat dezvoltarea umană și a marcat începutul unei noi ere tehnologice și sociale.
De la începuturile noastre, mineralele au contribuit în mare măsură la bogăția tuturor societăților umane. În diferitele etape ale istoriei, acestea au furnizat materiile prime care au dat naștere la succesive niveluri de dezvoltare tehnologică. În societatea actuală, dependența de ele este mai acută ca niciodată.
În primul capitol al seriei Mineralele și umanitatea s-a abordat dezvoltarea primelor industrii și nașterea artei în preistorie. Aceste repere au fost legate de cunoașterea progresivă a proprietăților mineralelor care, în definitiv, sunt constituenții de bază ai Pământului, așa cum celulele sunt pentru materia vie.
Preistoria este de obicei împărțită în Epoca de Piatră (Paleoliticul și Neoliticul) și Epoca Metalelor (Cuprul, Bronzul și Fierul). Prima a început odată cu apariția speciei umane și a industriei litice, în urmă cu aproximativ 2.500.000 de ani. A doua a apărut abia acum aproximativ 7000 de ani, când s-a descoperit o tehnică de extragere a metalelor din minerale prin intermediul focului, separându-le de restul componentelor.
Această tehnologie a multiplicat disponibilitatea acestor materiale, inegalabile prin proprietățile și performanțele lor în comparație cu piatra, lemnul, oasele sau cochiliile. Aceste avantaje erau cunoscute încă înainte de apariția metalurgiei, datorită existenței câtorva metale care apar în stare nativă în scoarța terestră.
După cum vom vedea în capitolele următoare, metalele au revoluționat istoria umanității. Această importanță se reflectă în etimologia numelui folosit pentru a le desemna: provine din grecescul metallan, care înseamnă a căuta. Căutarea metalelor a fost una dintre principalele activități ale speciei noastre.
Dezvoltarea umanității a fost marcată de utilizarea crescândă a resurselor minerale, atât în ceea ce privește volumul, cât și varietatea. „A treia revoluție industrială”, în care ne aflăm acum, necesită un număr din ce în ce mai mare de minerale și cantități mult mai mari de metale decât în trecut.
Pseudomorf de cristale cubice de pirite, un sulfură de fier, transformate în oxizi de fier. Colecția de Mineralogie a Facultății de Geologie (UCM).
Metalele în natură
Metalele au afinități geochimice diferite, adică au preferință pentru a se uni cu anumite elemente chimice din natură. Astfel, există metale care pot apărea ca minerale fără a se combina cu niciun alt element chimic sau unite exclusiv cu alte metale, formând aliaje. Acestea sunt numite metale siderofile. Alții manifestă preferință pentru sulf și sunt denumiți calcófili, astfel încât se găsesc în principal sub formă de sulfuri. În cele din urmă, elementele llitófili tind să se combine cu oxigenul (sub formă de oxizi sau alți minerale cu oxigen în compoziția lor, cum ar fi carbonați, silicați etc.). Aceste afinități depind de caracteristicile mediului, astfel încât, de exemplu, același metal poate comporta ca calcófilo în medii reducătoare și ca litófilo în condiții oxidante.
Tocmai metalele siderofile sunt cele care pot apărea în stare nativă, precum aurul, argintul sau cuprul, sau sub formă de aliaje naturale, precum electrum, aliaj de aur și argint. Metalele native se formează numai în condiții foarte specifice, de aceea sunt deosebit de rare. Sunt minerale moi, ductile și maleabile, datorită structurii lor cristaline și legăturii metalice dintre atomii lor, care le conferă și strălucirea caracteristică.
În natură, metalele sunt de obicei combinate cu alte elemente chimice, formând diferite minerale care nu au aceleași proprietăți extraordinare. De aceea, s-a căutat o modalitate de a le separa de restul componentelor chimice prezente în minerale, dând naștere metalurgiei. Diferitele epoci ale Epocii Metalelor sunt marcate de dezvoltarea tehnologiilor care au permis obținerea lor.
Cuprul și bronzul
Orfevraia primitivă a demonstrat că cupru, aurul și argintul, pe lângă faptul că erau frumoase, erau mai funcționale decât piatra: nu se rupeau ușor, puteau fi reparate sau reutilizate și produceau o lamă mai ascuțită și mai durabilă. Acestea erau asociate cu diferite tipuri de roci și erau prelucrate în mod diferit față de materialele utilizate în industria litică. Prin ciocănire sau încălzire, se deformau, permițând realizarea de ornamente.
Acum aproximativ 7000 de ani, disponibilitatea metalelor a crescut semnificativ după o descoperire formidabilă care a dat început Epocii Metalelor. În foc, pietre verzi și albastre s-au transformat într-un metal roșu strălucitor. Se născuse metalurgia cuprului și începea o nouă eră tehnologică pentru umanitate.
Aceste roci de culori vii erau compuse în principal din malachit și azurit, două carbonați cu temperaturi de topire semnificativ mai scăzute decât cele ale cuprului nativ. Ambele au fost, inițial, principalele minereuri de cupru. Minereurile sunt acele minerale din care se poate obține un anumit element chimic, de obicei un metal, printr-un proces în care intervine temperatura prin încălzire sau calcinare. Cele mai comune minereuri sunt oxizii și sulfurile.
Pentru ca un mineral să fie minereu al unui metal, acesta trebuie să fie relativ comun, să conțină metalul într-o cantitate care să facă exploatarea sa rentabilă (adică să nu fie un component minoritar în mineral) și să poată fi extras cu ușurință (adică costul separării sale să fie inferior prețului său pe piață).
Astfel, de exemplu, minerale precum dioptasia sau crisocolita, silicați care conțin între 30 și 40 % cupru, nu constituie minereuri ale acestui metal, deoarece sunt minerale puțin abundente și în care cuprul este puternic legat în structurile lor cristaline, ceea ce presupune un cost energetic ridicat pentru separarea sa. Chiar și unii oxizi, cum ar fi cuprita, care au un conținut extrem de ridicat de cupru, sunt minereuri ale acestui metal numai în cazuri excepționale, când apar în concentrații importante.
În special, deși cuprul are un caracter calcofil foarte pronunțat, în prezența oxigenului acesta trece la un comportament litofil, astfel încât sulfurile originale tind să se transforme în carbonați, oxizi, sulfați sau silicați în condițiile de la suprafața terestră. Astfel, în prezent, principalele minereuri de cupru sunt sulfuri precum calcopirita, bornita, covellina sau calcosina, al căror conținut de cupru variază între 35 și 80 %. Ocazional, minerale precum azuritul sau malachitul, cu un conținut de cupru de aproximativ 50%, pot fi utilizate în prezent ca minereuri ale acestui metal. În plus, malachitul este utilizat în scopuri ornamentale.
În societatea noastră actuală, cuprul este, după fier, aluminiu și crom, cel mai utilizat metal. Indispensabil pentru conducerea energiei electrice, cererea sa pe termen scurt și mediu va crește semnificativ, atât datorită creșterii utilizării sale în țările emergente, cât și datorită importanței sale în tranziția energetică. Astfel, de exemplu, o mașină hibridă utilizează aproximativ de două ori mai mult cupru decât una convențională cu motor cu ardere internă, iar un vehicul complet electric poate conține până la 10 ori mai mult cupru decât unul cu combustie.
În mileniul al III-lea î.Hr., probabil în mod întâmplător, s-a descoperit o „varietate” de cupru deosebit de dură atunci când mineralele de cupru și staniu erau încălzite împreună. Această aliaj din cele două metale, bronzul, a fost utilizat la fabricarea armelor, a armurilor și a uneltelor și a conferit o putere enormă popoarelor care stăpâneau tehnologia sa.
Staniul are caracter litofil, iar principalul său mineral este casiteritul, un oxid cu formula SnO2, care conține aproape 80% staniu. Importanța staniului din această perioadă este atestată de termenul „casiteride”, adoptat în Grecia Antică pentru a denumi centrele producătoare de staniu din Europa de Vest, a căror localizare exactă era necunoscută de către aceștia. Astăzi știm că unul dintre aceste centre se afla în nord-vestul peninsulei Iberice.
Cererea puternică de bronz s-a confruntat cu un fapt incontestabil: lipsa componentelor sale în scoarța terestră. Cantitatea de cupru este de aproximativ 27 grame/tonă. Cea de staniu, 2 g/t. Zăcămintele minerale sunt adevărate anomalii geochimice în scoarța terestră. În acestea, un anumit metal se concentrează în mod extraordinar în raport cu abundența sa medie, constituind ceea ce se numește legea zăcământului. Astfel, de exemplu, pentru ca un zăcământ de cupru să fie rentabil, legea sa minimă trebuie să fie mai mare de 0,5 %, adică trebuie să se concentreze de aproximativ 200 de ori.
Plumbul și argintul
Plumbul, și nu cuprul, ar putea fi primul metal obținut prin metalurgie. Există dovezi arheologice ale utilizării sale încă din anul 6500 î.Hr. Cea mai mare parte a plumbului prezent în scoarța terestră se găsește într-un mineral comun, galena, un sulfur care prezintă proprietăți care permit identificarea sa cu ușurință. Galena a fost utilizată ca element simbolic în ajouri funerare și, timp de milenii, a fost folosită ca remediu terapeutic și cosmetic. Alte minereuri minore de plumb sunt ceruzita (un carbonat) și anglesita (un sulfat).
Plumbul este un metal moale, greu și rezistent la coroziune. Punctul său de topire scăzut (327 °C) a facilitat metalurgia și a permis fabricarea de capse pentru repararea uneltelor. A fost utilizat și la fabricarea figurinelor, proiectilelor, monedelor și a diferitelor aliaje. O funcție exercitată până în prezent este producția de greutăți și plumburi.
Numeroasele utilizări ale plumbului și valoarea sa ca metal în trecut sunt strâns legate de producția de argint. În scoarța terestră, concentrația de plumb este de 11 g/t, iar cea de argint, de 0,056 g/t. Deși există argint nativ, mineralul cel mai utilizat pentru obținerea acestui metal a fost galena argintiferă, care conține cantități semnificative de argint (până la 20 %, deși de obicei nu depășește 1 %). În galena argintiferă, argintul se concentrează în mici incluziuni de diferite minerale, în principal sulfuri și sulfosali. Sulfosalurile sunt minerale în care un metal (de obicei cupru, plumb sau argint) și un semimetal (de obicei antimoniu, arsen sau bismut) sunt legați de sulf.
Metoda de obținere a argintului din galena argintiferă la temperaturi ridicate, numită copelare, generează cantități mari de plumb, ceea ce, împreună cu ușurința sa de prelucrare și rezistența la coroziune, a făcut ca acest metal să fie cel mai utilizat în ingineria și arhitectura romană.
În timpul așa-numitei Pax Romana (27 î.Hr.-180 d.Hr.), economia a cunoscut o creștere fără precedent, favorizată de producția ridicată de argint din galenă, provenită în principal din zăcămintele din Hispania. Se estimează că pentru fiecare gram de argint obținut, zece kilograme de plumb au fost eliberate în atmosferă. Un studiu al probelor de gheață arctică corespunzătoare acestei perioade indică acest fenomen ca fiind primul exemplu de poluare generalizată a mediului provocată de activitatea umană.
Sfalerită (gri închis) cu pirită (cristale striate aurii), calcopirită (auriu-verzui) și cuarț (cristale albe). Colecția de Mineralogie a Facultății de Geologie (UCM).
Galena apare frecvent asociată cu sulfură de zinc, sphalerita, care este principalul minereu al acestui metal. În India, zincul metalic a fost obținut încă de la sfârșitul primului mileniu î.Hr., dar în Occident nu a fost recunoscut ca metal până în secolul al XVIII-lea. Alama este o aliaj de cupru și zinc, cunoscută încă din epocile preistorice, înainte de utilizarea zincului ca metal. Obținerea alamei a fost realizată în jurul anului 3000 î.Hr., prin amestecarea cuprului cu diferite minerale de zinc, în principal silicați și carbonați, care se formează în zona cea mai superficială a zăcămintelor acestui metal prin alterarea sphaleritei și care compun așa-numita calamină.
Conquista fierului a avut loc mult mai târziu decât cea a cuprului și a bronzului. Cauza nu a fost necunoașterea avantajelor sale, nici dificultatea localizării zăcămintelor. Pur și simplu, tehnicile metalurgiei primitive nu reușeau să-l lichefieze. A fost necesar să se aștepte dezvoltarea unor cuptoare speciale, care au furnizat căldura necesară pentru acest lucru.
În capitolul următor vom vedea cum această inovație tehnologică extrem de importantă a revoluționat structura societăților umane și a generat o remodelare a peisajului la o scară necunoscută până atunci. De la începutul Epocii Fierului, acum aproximativ 4000 de ani, fierul a fost și continuă să fie cel mai utilizat metal de-a lungul istoriei.
