Текст книги "Занимательная геохимия. Химия земли"

Олово – металл консервной банки

Олово – скромный, ничем как будто не выдающийся металл. Мы редко слышим о нем в повседневной жизни, хотя пользуемся им очень часто…

Судьба этого металла – служить человеку не под своим именем. Бронза, жесть, припой, баббит, типографский камень, артиллерийский металл, станиоль, «итальянский» порошок, красивые фарфоровые эмали, краски и тому подобное, – многим никогда и в голову не приходит, что самой существенной составной частью этих разнообразных и полезных предметов является олово.

Этот металл отличается замечательными и очень своеобразными свойствами; некоторые из них еще остаются загадочными и пока полностью геохимически не раскрыты.

Источником олова является поднимающаяся из недр Земли гранитная магма, богатая кремнеземом, как принято ее называть, – «кислая». Однако далеко не во всякой кислой магме обнаруживается олово, и мы до сих пор не знаем, какому закону подчиняется связь олова с гранитом, почему в одном граните оно есть, а в другом, как будто совершенно таком же, его почти нет.

Другой интересный вопрос: почему олово, тяжелый металл, наперекор своей тяжести, не тонет в магме, как многие другие тяжелые металлы, а стремится вверх и оказывается в самой верхней части гранитного массива?

Дело в том, что среди растворенных в магме энергичных сильно летучих паров и газов большую роль играют галогены – хлор и фтор. Мы знаем из опыта, что олово соединяется с этими газами даже при комнатной температуре. В магме оно образует с этими газами очень летучие соединения – фториды и хлориды олова. И в таком газообразном виде олово вместе с другими летучими соединениями – кремния, натрия, лития, бериллия, бора и другими – прокладывает себе путь в верхнюю зону застывающего гранитного массива и даже за его пределы, в трещины покровных пород.

Здесь, при изменившихся физико-химических условиях, фтористое и хлористое олово вступает в реакцию с водяными парами. Олово, оставив своих прежних переносчиков, соединяется с кислородом, взятым у воды, и выделяется уже не в газообразной форме, а в виде твердого блестящего минерала – касситерита (от греческого слова «касситерос» – олово), оловянного камня, – главной промышленной руды олова. Вместе с касситеритом выделяется иногда много других интересных минералов: топаз, дымчатый горный хрусталь[42]42
  Называется также раухтопазом, но ничего общего с топазом не имеет. – Науч. ред.


[Закрыть], берилл, плавиковый шпат[43]43
  Более известен как флюорит. – Науч. ред.


[Закрыть], турмалин, вольфрамит, молибденит и другие.

Сравнительно недавно мы узнали, что крупные месторождения касситерита образуются не только из летучих галоидных соединений гранитной магмы. Они возникают и в более поздние периоды застывания гранитного остатка, когда водные пары превращаются в воду, разносящую далеко от материнского очага соединения различных металлов, чаще всего в виде сульфидов – соединений с серой. Многое в этих процессах нам еще не вполне ясно. Но мы знаем, что олово выносится из магмы также и этим путем. Замечательно, что, использовав на этот раз в роли переносчика серу, олово отбрасывает и ее, как раньше отбрасывало галогены, и соединяется с кислородом, образуя все тот же излюбленный свой минерал – касситерит.

Олово известно нам и в составе многих других минералов. Но все они встречаются очень редко, некоторые – исключительно редко, и промышленное значение их совершенно ничтожно. Оловянной рудой всегда был и пока остается только касситерит – SnO₂, содержащий в чистом виде около 78,5 % олова.

Касситерит – большею частью черный или буроватый минерал. Черный цвет его объясняется примесями железа и марганца. В редких случаях он бывает медово-желтый или красный, еще реже – бесцветный. Кристаллы его обычно очень небольшие. Благодаря своей твердости, химической стойкости и тяжести касситерит при выветривании гранитов не разрушается и не рассеивается, а накапливается, вместе с другими тяжелыми минералами, на местах разрушения гранитов – в руслах рек или на морских побережьях, образуя иногда обширные россыпи – залежи оловянного камня.

Таким образом, касситерит добывается или из коренных месторождений, или из вторичных месторождений – россыпей.

Добытая тем или иным способом оловянная руда подвергается прежде всего процессу обогащения, то есть очистке от различных примесей, а затем уже идет в плавку. При этом олово восстанавливается углеродом топлива. Кислород, соединяясь с углеродом, выделяется в виде углекислоты, и остается металлическое олово.

Чистое олово, выплавленное из касситерита, – мягкий, серебристо-белый (немного более тусклый по сравнению с серебром), ковкий металл. Замечательна способность олова раскатываться на тонкие листочки. Плавится олово при температуре 231°.

Своеобразны очень многие свойства олова. Известна способность олова «кричать», то есть издавать при сгибании особый, характерный звук. Другой оригинальной, но далеко не такой безразличной особенностью этого металла является его чувствительность к холоду. На холоде олово «заболевает» – вместо серебристо-белого становится серым, увеличивается в объеме, начинает крошиться и нередко рассыпается в порошок. Эта тяжелая болезнь, и ее зовут «оловянной чумой». Она погубила немало оловянных предметов большой художественной и исторической ценности. Заболевшее олово может заразить здоровый металл. К счастью, оловянная чума поддается лечению. Нужно переплавить и медленно охладить металл. Если эту операцию (главным образом охлаждение) произвести достаточно тщательно, олову возвращаются прежний вид и свойства.

В далеком-далеком прошлом именно олово дало могучий толчок культурному развитию человека. Олово известно человеку очень давно. За пять-шесть тысяч лет до нашей эры, гораздо раньше, чем человек научился выплавлять и обрабатывать железо, он уже умел выплавлять олово.

Чистое олово – мягкий и непрочный металл, непригодный для изготовления изделий. Но бронза (от персидского слова «бронтпсион» – «сплав») – сплав золотистого цвета, состоящий из меди с 10 % олова, – отличается прекрасными свойствами: он тверже меди, отлично отливается, куется и обрабатывается. Если мы обозначим твердость олова условным числом 5, то медь будет иметь твердость 30, а сплав меди с небольшим количеством олова – бронза – обладает твердостью 100–150. Эти качества и обеспечили бронзе в свое время столь широкое распространение, что археологи даже выделяют особую эпоху – бронзовый век, – когда орудия труда и оружие, а также домашнюю утварь и украшения делали по преимуществу из бронзы. Как был открыт человеком этот замечательный сплав, мы не знаем. Можно предположить, что человек много раз плавил медную руду с примесью олова (такие «комплексные» месторождения меди и олова встречаются) и в конце концов заметил результат этой совместной плавки и понял ее значение.

При археологических раскопках древних поселений очень часто среди других предметов находят хорошо сохранившиеся бронзовые изделия – предметы обихода, монеты, бронзовые фигурки. Если нужно установить, являются ли эти бронзовые изделия местными или привозными, то ценные указания в этом отношении может дать химический анализ этих предметов.

Очистка древнего металла была очень несовершенной, и современными точными методами анализа в нем можно обнаружить много различных элементов в виде незначительных примесей – загрязнений. По составу этих загрязнений иногда можно предположить, из каких месторождений были получены медь и олово, входящие в состав данной бронзы. Если историку или археологу удается доказать, что найденные бронзовые предметы изготовлялись в месте их находки, то геолог и геохимик немедленно должны произвести поиски на олово в этом районе. Таким путем можно вновь найти давно забытые месторождения олова.

Но и позднее, когда на смену бронзовому веку пришел век железный, бронза не потеряла своего значения. Человек делал из нее предметы искусства, стал чеканить монету и отливать колокола и орудия.

Олово обладает способностью образовывать замечательные сплавы и с другими металлами, например со свинцом, сурьмой и тому подобным.

В наше время сплавы – это область технических чудес, мир «волшебных» превращений. Ученые изучили и истолковали эти «чудесные» явления, эти перегруппировки атомов, совершающиеся при сплавлении двух или нескольких металлов. Благодаря изменениям молекулярной структуры сплав получает новые свойства, чуждые каждому из металлов, взятому в отдельности. Часто, например, сплав мягких металлов приобретает неожиданно высокую твердость.

Сплавы олова со свинцом, так называемые баббиты, применяются в мощных и точных аппаратах и станках, там, где нужно обезвредить действие вращающегося с огромной быстротой стального стержня. Это так называемые «антифрикционные» – очень стойкие против истирания сплавы (как говорят, с низким коэффициентом трения). Техническое значение их очень велико: они надолго продлевают срок работы дорогих машин.

Олово обладает замечательной способностью «привариваться» к металлам; на этом свойстве основано применение в технике так называемых «припоев», то есть сплавов олова со свинцом и сурьмой.

Не всем известно значение олова в типографском деле. Оно входит главной частью в состав так называемого «типографского металла», из которого отливаются литеры и клише, то есть формы с рельефным рисунком, служащие для воспроизведения иллюстраций.

Ничто не придает при полировке такого зеркального блеска прекрасным белым и многоцветным мраморам, как белый порошок окиси олова, который часто называют «итальянским порошком».

Различные соединения олова широко применяются в химической, резиновой промышленности, в ситцепечатании, в крашении шерсти и шелка, в изготовлении эмалей, глазурей, цветных стекол, сусального золота и серебра, не говоря уже о весьма важном значении олова в военном деле.

Древнейшие месторождения олова известны в Азии, а также и в Европе на юге Британских островов, которые даже назывались «касситеридами». Трудно сказать, однако, – минерал ли касситерит получил название от островов или острова были названы от греческого слова «касситерос», которое еще в «Илиаде» Гомера встречается для обозначения олова. Замечательно, что касситерит на английском полуострове Корнуэлл встречается вместе с медным минералом халькопиритом, так что при плавке этой руды сразу можно получить бронзу.

Главным источником олова в настоящее время, дающим около половины мировой добычи этого металла, является полуостров Малакка.

Здесь известно свыше двухсот месторождений в гранитах и громадное количество богатых россыпей. Россыпи разрабатываются гидравлически; на них направляется сильная струя воды из мощных мониторов. Жидкая грязь, состоящая из смеси разных минералов, стекает в особые канавы с порогами и усиленно перемешивается рабочими из местного населения. Этот тяжелый труд выполняется главным образом детьми. Касситерит благодаря высокому удельному весу задерживается около порогов, откуда время от времени выгребается. Способ добычи, как видите, очень примитивен.

Концентрат, содержащий 60–70 % касситерита, перевозят на заводы, где из него выплавляют олово.

Страны ведут между собой жестокую борьбу за олово. В годы Второй мировой войны Япония стремилась захватить в свои руки оловянные месторождения на материке и островах и оловоплавильные заводы в Сингапуре, принадлежавшие английским фирмам, чтобы обеспечить нужды своей военной промышленности и помочь гитлеровской Германии, которая остро нуждалась в олове. Одновременно преследовалась цель – лишить США и Англию источников этого важного военного металла.

Посмотрите на географическую карту мира: полоса оловоносных гранитов и связанных с ними месторождений олова, а также вольфрама и висмута, тянется по побережью Тихого океана, проходя с юга на север через острова Биллитон, Банка, Синкеп, полуостров Малакка, Таиланд, Южный Китай.

Геохимия стремится разгадать причину образования подобных полос или зон, в которых располагаются богатые месторождения оловянных руд и других химических соединений, встречающихся вместе с оловом.

Кроме Малакки, богатейшие скопления олова имеются в Боливии (Южная Америка). Они расположены на горном хребте Кордильер. Менее мощные месторождения известны в Австралии, на острове Тасмания, и в Бельгийском Конго (Африка).

Из ежегодно добываемых во всем мире около 200 тысяч тонн олова 40–50 % идет на изготовление жести.

Потребление белой жести резко возрастает по мере развития и роста консервной промышленности.

Задумывались ли вы о значении жести, о роли жестяной коробки, в которой хранятся миллионы килограммов мяса, рыбы, овощей, фруктов? Что такое жесть? Это листовое железо, покрытое тонким слоем олова, около сотой доли миллиметра толщиной. Покрытие оловом, или лужение, железных листов или железных банок предохраняет их от ржавления. Чистое олово не растворяется жидкостями консервов и практически безвредно для здоровья человека. Никакие другие покрытия не могут конкурировать с оловом по устойчивости.

Сейчас можно сказать, что олово отжило свой «бронзовый век» и стало металлом консервной банки!

Йод – вездесущий

Все мы хорошо знаем, что такое йод, пользуемся им, когда пораним себе палец, принимаем его буро-красные капли с молоком в старческие годы. Йод – всем хорошо известное лекарство, а между тем как мало и плохо знаем мы, что такое йод и какова его судьба в природе!

Трудно найти другой элемент, который был бы более полон загадок и противоречий, чем йод. Больше того, мы так мало о нем знаем и так плохо понимаем самые основные вехи в истории его странствований, что до сих пор является непонятным, почему мы лечимся йодом и откуда он взялся на Земле.

Надо сказать, что еще Д. И. Менделеев, наш великий химик, столкнулся с неприятными особенностями свойств йода. Менделеев распределил свои элементы в порядке повышения атомных весов, но йод с теллуром нарушили порядок: теллур стоит перед йодом, хотя атомный вес его выше. Так это и осталось до нашего времени. Йод и теллур оказались почти единственными элементами, нарушившими стройность менделеевского закона. Правда, сейчас мы знаем, в чем тут дело, но много лет это оставалось непонятным исключением; и неоднократно критики блестящей теории Менделеева указывали, что он переставляет элементы так, как ему это удобно.

Йод – твердое тело; он образует серые кристаллики с настоящим металлическим блеском. Он похож на металл и просвечивает фиолетовым цветом, но вместе с тем, если мы поместим в стеклянный флакон металлические кристаллики йода, то очень скоро увидим в верхней части флакона фиолетовые пары: йод легко возгоняется, не переходя в жидкое состояние.

Вот вам первое противоречие, которое бросается в глаза, но за ним сейчас же следует второе. Цвет паров темно-фиолетовый, а самого йода – серо-металлический. Соли же йода вообще бесцветны и выглядят, как простая поваренная соль; лишь некоторые из них обладают слегка желтоватым оттенком.

А вот и другие загадки йода. Йод – исключительно редкий элемент: наши геохимики подсчитали, что содержание йода в земной коре всего лишь около одной или двух стотысячных процента; а между тем йод присутствует всюду. Пожалуй, мы можем сказать даже еще точнее: нет ничего в окружающем нас мире, где тончайшие методы анализа в конце концов не открыли бы несколько атомов йода.

Все пронизано йодом: твердая земля и горные породы, даже самые чистые кристаллы прозрачного горного хрусталя пли исландского шпата содержат в себе довольно много атомов йода. Значительно больше его содержится в морской воде, очень много – в почвах, в проточных водах, еще больше в растениях, животных и в человеке. Мы поглощаем йод из воздуха, который весь насыщен его парами; мы вводим йод в свой организм с пищей и водой. Жить без йода мы не можем. И понятными являются вопросы: почему йод везде присутствует, откуда же берется такое большое количество йода, где его первоисточник, из каких глубин земных недр приносится нам этот редкий элемент.

Между тем даже самые точные анализы и наблюдения не могут открыть его таинственный источник, так как ни в глубинных изверженных породах, ни в расплавах излившихся магм мы не знаем ни одного минерала йода. Геохимики так рисуют картину происхождения йода на Земле: когда-то, еще до начала геологической истории Земли, когда наша планета впервые покрывалась твердой корой, летучие пары различных веществ сплошными облаками окутывали еще горячую Землю. Тогда йод вместе с хлором выделился из глубин расплавленных магм нашей планеты, тогда же он был захвачен первыми потоками осевших горячих паров воды, и первые океаны, породившие моря, накопили в себе йод из атмосферы Земли.

Так это или не так, мы сейчас точно не знаем, – мы знаем только то, что и на земной поверхности его распределение полно загадок. В арктических странах, на высоких горах йода меньше, в низинах, у морских берегов количество йода в породах увеличивается, еще больше его в пустынных образованиях, а в солях пустынь Южной Африки или Атакамы в Южной Америке мы встречаем настоящие минеральные соединения йода.

Йод растворен и в воздухе; точный анализ показал, что он распределен там по строго определенному закону: количество его меняется с высотой. В горах Памира и Алтая, на высоте свыше 4000 метров, йода во много раз меньше, чем на уровне Москвы или Казани.

И вместе с тем йод известен нам не только на Земле. Мы находим его в метеоритах, попадающих к нам из неведомых пространств мироздания. В атмосферах Солнца и звезд ученые давно уже ищут его с помощью новых методов, но пока безуспешно. В морской воде йода довольно много: на каждый литр приходится 2 мг, а это уже чувствительная величина. Морская вода сгущается у берегов, в лиманах, в прибрежных озерах, – там накапливаются соли и белой пеленой покрывают плоские берега. Эти скопления солей хорошо нами изучены на берегах Черного моря в Крыму, так же как и в озерах Средней Азии. Но йода в них нет, он куда-то исчезает. По-видимому, какая-то часть йода накапливается на дне в илах, но большая доля его испаряется, уходит в воздух, и лишь малая часть сохраняется в остаточных рассолах. Там же, где скапливаются соли калия и брома, йода почти не оказывается. Но иногда у берегов соленых озер и морей развивается растительность, образуются целые леса различных водорослей, которые покрывают прибрежные камни. В этих водорослях и накапливается йод в результате каких-то непонятных биохимических процессов; и на тонну водорослей приходится несколько килограммов чистого йода. А в некоторых морских губках количество йода еще больше и достигает 8–10 %.

Наши исследователи особенно хорошо изучили берега Тихого океана. На всем громадном пространстве прибрежного района волны прибивают, главным образом осенью, огромное количество водорослей морской капусты – свыше трехсот тысяч тонн в год. Эти бурые водоросли содержат много сотен тысяч килограммов йода. Их собирают, частично используют для пищи, частично осторожно сжигают, извлекая из них йод и поташ.

Но этим не заканчивается история йода в земной коре. Его приносят нам и нефтяные воды. Около Баку образуются целые озера отбросовых вод, из которых сейчас извлекают йод. Его выносят и некоторые вулканы из своих загадочных глубин.

Так разнообразны судьбы этого элемента в истории нашей Земли, что трудно нарисовать себе полную и связную картину жизни и скитаний этого бесконечно странствующего атома природы.

Но вот йод попадает в руки человека, и здесь возникает новая загадка: мы лечим йодом, останавливаем им кровь, убиваем бактерии, охраняем рану от заражения, а между тем йод исключительно ядовит: пары его вызывают раздражение слизистых оболочек. Избыток капель или кристалликов йода может быть смертельным для человека. Но самое удивительное заключается в том, что все же еще хуже для здоровья человека, когда йода мало. Организм человека, а вероятно и ряда животных, должен иметь определенное количество йода. Мы знаем, что недостаток йода в некоторых местностях проявляется в особой болезни, называемой зобом. Этой болезнью страдают обычно жители высокогорных местностей. Мы знаем некоторые аулы, расположенные в высоких горах на Центральном Кавказе и на Памире, в которых широко распространена эта болезнь. Очень хорошо она известна также и в Альпах.

Круговорот йода на Земле

В последнее время американские исследователи установили распространение зоба и на территории Америки. Оказалось, что если составить карту распространения заболеваний зобом и карту процентного содержания йода в воде, то данные карт совпадут друг с другом.

Человеческий организм исключительно чуток к йоду, и понижение его содержания в воздухе и в воде сейчас же отражается на здоровье. Зоб научились лечить, применяя соли йода.

Не менее интересны пути вовлечения йода в промышленность, которые с каждым годом становятся все шире, разнообразнее. С одной стороны, открыты соединения йода с органическими веществами, которые создают непроницаемую броню для прохождения рентгеновских лучей, и вместе с тем эти соединения, введенные в организм, позволяют фотографировать внутренние ткани с особой отчетливостью.

Мы узнали и совсем другие области применения йода, возникшие за последние годы. Особенное значение придается использованию йода в целлюлозной промышленности, где применяются особые соли йода в виде мелких игольчатых кристалликов. Эти игольчатые кристаллики распределяются в целлулоиде так, что колебания светового луча не могут проходить через них во всех направлениях. Получается то, что мы называем поляризованным лучом. Мы много лет строили особые, очень дорогие поляризационные микроскопы, а сейчас благодаря этому новому фильтру-поляроиду изобретены прекрасные лупы, которые заменяют собой микроскоп. С ними можно работать во время экспедиций в поле. Сочетанием двух-трех поляроидов можно добиться яркой окраски рисунка; и мне представляется чудесно освещенное декоративное панно или экран в кино, где вращением двух поляроидов будут достигаться замечательные красочные эффекты, быстро меняющие все цвета солнечного спектра. Когда поляроидная пластинка вставлена в окно автомобиля, вы можете ехать по освещенной улице, и вас не будет ослеплять свет ярких фар мчащейся навстречу машины, так как в поляроиде вы не увидите ярких ореолов горящих огней, а лишь самую машину с отдельной светящейся точкой.

Когда самолет поднимается над затемненным городом и сбрасывает вниз на парашюте сверкающие составы из магния, то поляроидные очки позволяют видеть все, что делается на земле под светящейся ракетой.

Вы видите, как разнообразно и широко применяется этот элемент, сколько неясных проблем, сколько противоречий в судьбе его странствований. Много еще нужно глубоких исследований, чтобы разгадать все его свойства и понять природу этого вездесущего элемента, пронизывающего весь окружающий нас мир. Интересна и история открытия этого элемента. Он был открыт в золе растений в 1811 году фармацевтом Куртуа, имевшим маленький завод, перерабатывавший золу растений в селитру. Открытие этого элемента не произвело особого впечатления на ученых и только через сто лет получило должную оценку.

Я мог бы на этом закончить свой рассказ об этом интересном элементе, но еще одна мысль занимает мое внимание. По таблице Менделеева ниже йода в той же группе приходится пустая клетка. Ее наметил еще Д. И. Менделеев и сказал, что здесь должен быть открыт новый элемент. Он назвал его экайодом. Мы эту клетку называем клеткой под номером 85. Где же встречается или где скрывается этот элемент номер 85? Он не может не существовать где-то в мире, он должен быть открыт.

Его долго искали в остаточных рассолах озер и в соляных месторождениях. Его искали в межпланетном пространстве, среди тех рассеянных атомов, которые наблюдаются в мироздании между звездами и солнцами, планетами и кометами; его искали и во всех природных металлах, но не нашли.

Много раз казалось ученым, что в приборах блеснула где-то та линия, которая отвечает светящимся атомам номера 85, но новые исследования не подтверждали этого открытия, и клетка номер 85 осталась и до наших дней пустой[44]44
  Химический элемент № 85 получен облучением висмута альфа-частицами в 1940 г. учеными из Калифорнийского университета. В 1943–1946 гг. его изотопы обнаружены в природных радиоактивных рядах. Это самый редкий элемент в земной коре. В русской терминологии до 1962 г. он назывался «астатин», сегодня – «астат». – Науч. ред.


[Закрыть].

Что же представляет собой этот таинственный неоткрытый атом? Вероятно, он продолжает загадочную историю йода, вероятно, он наделен еще более чудесными свойствами, и именно они затрудняют его открытие. Может быть, он существует в мироздании так недолго, что самые точные приборы не могут его поймать; может быть, он обладает настолько сильным зарядом, что не может существовать в нашем мире. Но если номер 85 будет открыт на Земле, то он окажется еще более замечательным элементом, с еще более сказочными свойствами, чем йод.

Над загадками йода и его товарища по таблице стоит поработать ученым!