Текст книги "Занимательная геохимия. Химия земли"

Разве не поучителен также пример с ниобием? Ниобий считался бесполезным элементом, «загрязняющим» тантал, с которым он обычно вместе встречается. Но когда открыли, что сталь с примесью ниобия – великолепный сварочный материал для электросварки стальных изделий, дающий небывалую прочность шва, то ниобий стал так же нужен, как тантал.

Вовлечение все новых элементов в промышленность, конечно, далеко не кончено, да и никогда не будет кончено, так как поступательное движение технического прогресса безгранично. И химикам и геохимикам здесь принадлежит почетная роль.

Но каково же, однако, влияние технического прогресса на Землю, которая является поставщиком всех веществ, необходимых технике? Человек по-своему стремится перекроить земную кору, черпает из нее все, что ему нужно, не думая о том, что то, что он берет, уже невозвратно. Не истощает ли человек Землю?

Вот вопросы, которые приходят в голову, когда мы следим за общим развитием человечества на Земле. И есть еще одно обстоятельство, которое побуждает поставить этот вопрос: это все увеличивающиеся количества полезных продуктов, извлекаемых ежегодно из земных недр.

Мне вспоминается рассказ одного инженера, побывавшего на горных разработках. Он остановился в домике около большой горы из магнезита, а через две-три недели горы уже не было: она была свезена на цементный завод.

Стоит только посмотреть на горы шлаков, выбрасываемых нашими металлургическими заводами, чтобы понять, что человеческая деятельность – геологический фактор, преобразующий земную кору.

Одна из самых важных проблем мирового химического хозяйства – это судьба углерода, в которую особенно энергично вмешался человек. Углерод распространен в природе в трех формах: в виде живого вещества, в виде скоплений угля и нефти в поверхностной зоне земной коры и в окисленном виде – в виде углекислоты, находящейся в атмосфере, в водах рек и океанов. Но более всего углекислоты в соединении с кальцием в твердых известняках.

В атмосфере содержится свыше двух тысяч миллиардов тонн углекислоты и, следовательно, 600 миллиардов тонн углерода. Человек добывает ежегодно свыше миллиарда тонн угля и 200 миллионов тонн нефти. И то и другое он сжигает, превращая углерод в углекислоту. Таким образом, в атмосферу поступает ежегодно свыше трех миллиардов тонн углекислоты, и через двести-триста лет ее количество должно было бы удвоиться, если бы не было встречных процессов: растворения в океане и поглощения растениями.

Используя углерод угольных слоев, человек способствует распылению и рассеянию этого элемента, и притом в столь значительных масштабах, что его деятельность принимает размеры настоящих геологических преобразований.

Не менее властно человек вмешивается и в судьбу металлов: он имеет в обращении около миллиарда тонн железа и изделий из него, причем металл находится в неустойчивой форме самородного металла и окисляется.

Окисление обесценивает почти столько же железа, сколько его за это же время добывается, так что накопление железа не может побороть его распыление.

Несколько лучше положение с золотом: за год его уходит на реактивы, на позолоту и распыляется на износ около тонны, то есть много меньше, чем добывается (около 600 тонн).

А такие металлы, как свинец, олово, цинк, добываются человеком из природных скоплений в земной коре – так называемых месторождений – лишь для того, чтобы в процессе использования их оказаться безвозвратно рассеянными.

Сельскохозяйственная и инженерная деятельность человека по своим масштабам также вполне соизмерима с влиянием стихийных процессов.

Огромное геохимическое значение имеет обработка верхнего слоя земли, или почвы, для нужд сельского хозяйства, так как в результате этой обработки свыше трех тысяч кубических километров земли ежегодно делаются доступными энергичному воздействию атмосферных вод и воздуха.

Культурные растения выносят из почвы громадное количество минеральных веществ: фосфорного ангидрида – 10 миллионов тонн, азота и калия – 30 миллионов тонн. Это количество во много раз больше того, что вносится в почву при ее удобрении. Извлекаемые элементы поступают в круговорот в животном мире и в конце концов рассеиваются.

В итоге человек производит распыление вещества своей сельскохозяйственной и технической деятельностью. Ежегодно во всех горных выработках добывается свыше одного кубического километра пород. Если добавить еще постройку плотин, ирригационных каналов и прочее, то эту цифру надо удвоить, а может быть, и утроить.

Количество шлаков из всех металлургических печей мира тоже достигает, вероятно, кубического километра. А сколько отбросов химической промышленности выносится человеком на поверхность Земли!

Если сравнить эти цифры с 15 кубическими километрами осадков, уносимых ежегодно с земной поверхности всеми реками, то придется признать, что человеческая деятельность может быть признана таким же серьезным фактором, как и деятельность рек.

А строительное искусство, – сколько камней и цемента тратится здесь ежегодно! Интенсивно идущее у нас строительство социалистических городов ежегодно использует более миллиарда тонн различных строительных материалов.

Преобразование природы человеком идет во все более возрастающем темпе. Если исходить из общих запасов металлов в Земле, то они велики, и об их истощении говорить пока не приходится. Но эти запасы далеко не все могут быть использованы, так как практически промышленность может брать только богатые скопления того или иного металла. А их не так много.

По многим металлам реальные запасы едва обеспечивают требования промышленности. Поэтому целые армии геологов-поисковиков и геохимиков должны напряженно искать металлы, чтобы обеспечить все растущие запросы промышленности.

И чем больше мы уделим внимание этим вопросам, тем скорее наша Родина получит в изобилии редкие и ценные металлы, необходимые для расцвета ее могущества и славы.

Атомы на войне

Для нашего времени характерны войны, в которые втягивается все хозяйство воюющих стран. Впервые это обнаружилось с особой силой в Первую мировую войну. Взрывчатые вещества, сталь, медь, селитра, нефть, черный металл начали влиять на судьбы военных операций. Боеспособность армий в значительной степени стала зависеть от обеспеченности сырьем.

Сражение при Вердене в 1916 году, длившееся несколько месяцев, показало новые масштабы расходования сырья. Немцы истратили около миллиона тонн железа и стали в неудачных атаках на гарнизон, оборонявший крепость Верден, превратив поля и подземные сооружения укрепленного района в целое «месторождение» стали. Количество сырья, используемого в сражениях, стало расти в грандиозной пропорции.

Потребность в цементе для германской армии в 1917 году, когда она, зарывшись в окопы, перешла к позиционной борьбе, почти равнялась годовому производству цемента в Германии.

Потребность в соединениях азота, в серной кислоте для производства взрывчатых веществ, в йоде превзошла в несколько раз производственную мощность всех имевшихся в Европе заводов. Чаша весов военного счастья колебалась то в ту, то в другую сторону.

К концу 1917 года во Франции оставалось стали лишь на неделю, взрывчатых веществ почти не было. Англия стояла перед кризисом угля и хлеба. Подводные лодки немцев топили английский торговый флот, и голод угрожал десяткам миллионов людей, так как запасов продовольствия и сырья оставалось на считаные недели.

Но у Германии запасы сырья были исчерпаны еще в большей степени, чем у ее противников. Резервов цветных металлов больше не было. Лома металла, собиравшегося на полях сражений, не хватало.

Отсутствие сырья грозило катастрофой, приближавшейся быстрыми темпами. Когда в марте 1918 года немцам неожиданным ударом удалось прорвать западный фронт и занять Амьен, перед ними, в сущности, открылась дорога на Париж, до которого оставалось всего 120 км. Однако армия оказалась парализованной: не было резины и не было бензина; снежная метель не позволяла механизированному транспорту перемещаться на «полуживых», оборванных каучуковых шинах; прекратился подвоз продовольствия и снарядов. Армия остановилась. Участь Германии была решена. Ресурсы Германии, ее материальные и моральные силы истощились прежде, чем у ее противников, и Германия была побеждена. Таковы уроки Первой мировой войны.

Да, сырье, обеспечение стратегическим сырьем во всей грандиозности и сложности проблемы сделалось важной задачей всех стран, и особенно агрессоров, еще задолго до начала Второй мировой войны! Возникла огромная литература, раскрывшая перед нами целый мир новых сложных проблем, в которых переплетаются экономика и геология, техника и металлургия.

Можно насчитать свыше двадцати пяти видов стратегического сырья: это железо, алюминий, магний, цинк, медь, свинец, марганец, хром, никель, мышьяк, сурьма, ртуть, бор, молибден, вольфрам, нефть, уголь, каучук, азот, сера, серный колчедан, графит, калий, йод, фосфаты, асбест и слюда. К этому перечню необходимо прибавить и уран.

И вот еще до Второй мировой войны началась борьба за сырье. Америка стала развивать производство нужных ей металлов. Германия, наоборот, законсервировала ряд своих месторождений, считая их глубинными фондами. Она, например, прекратила добычу собственного серного колчедана, сохраняя месторождения этого источника серной кислоты на случай войны, а стала усиленно ввозить колчедан из Испании.

Германия провела ряд мер по подготовке к эксплуатации своих бедных (сильно марганцовистых) железных руд, но разрабатывать их не стала. Бросая на это дело все свои валютные фонды, Германия за предвоенное пятилетие усиленно ввозила сырье; она ввезла марганцевых руд в пять раз больше, чем за десять лет до этого, скупала в огромных количествах вольфрам, молибден, ввезла большое количество нефтепродуктов. На нефть были затрачены миллиардные суммы. Военная промышленность Германии после первой империалистической войны быстро восстанавливалась благодаря помощи английских и американских капиталистов.

Наконец, Германия провела ряд мероприятий по захвату рынков сырья в союзных и соседних странах как возможных источников для покрытия дефицита во время самой войны. Как это делалось, показывает следующий пример. Сразу после Первой мировой войны Германия приобрела медное месторождение Бор в Югославии. Подчинив его немецкому капиталу и направив туда своих инженеров, Германия подготовила для себя это замечательное месторождение, которое во время войны должно было удвоить снабжение страны медью, увеличив его почти на 50 тысяч тонн в год. Однако во время войны это предприятие было в значительной части разрушено рабочими, и фашистской Германии не удалось воспользоваться его запасами.

Каковы масштабы потребностей в сырье, можно видеть из таких примерных расчетов. Скажем, для современной армии[65]65
  По данным на 1940 г.


[Закрыть] в 300 механизированных и моторизованных дивизий, то есть в 6–7 миллионов человек, для одного года войны требуется примерно 30 миллионов тонн железа и стали, 250 миллионов тонн угля, 25 миллионов тонн нефти и бензина, 10 миллионов тонн цемента, 2 миллиона тонн марганца, 20 тысяч тонн никеля, 10 тысяч тонн вольфрама и еще много других веществ.

Вдумаемся в эти грандиозные цифры и попробуем их осмыслить. Что такое 30 миллионов тонн стали? Чтобы выплавить такое количество металла, надо не менее 60–70 миллионов тонн руды, то есть нужно выработать несколько крупных месторождений.

Еще значительнее цифра для нефти – 25 миллионов тонн, причем эта цифра скорее преуменьшена, так как механизация армии и тыла, воздушный и морской флот пожирают огромное количество самых разнообразных нефтяных продуктов. Вся Румыния в годы максимального подъема давала до 7–8 миллионов тонн. Иран же может давать в год 10–11 миллионов тонн.

Помимо указанных видов сырья, для войны требуется огромное количество каучука, цветных металлов, строительного леса, асбеста, слюды, серы, серной кислоты и многого другого.

Но не только огромные масштабы использования сырья становятся фактором геохимического перераспределения металлов. Современную военную технику характеризует еще другая, новая черта. Это огромное расширение ассортимента веществ, принимающих прямое или косвенное участие в бою, переоценка основных и решающих видов стратегического сырья, внедрение сотен и тысяч новых продуктов, соединений и сплавов.

Вместо железной кольчуги и лат средневековых рыцарей, вместо железа и стали – в недавнем прошлом почти единственных металлов войны – сейчас на арену боя вступили новые силы Земли, новые химические элементы и их соединения, редчайшие металлы и особенно «черное золото» – нефть.

В ряде случаев именно они определяют успех военных операций.

Попробуем химически расшифровать картину современного сражения. Вот идет бой между танковыми частями. Качество броневой стали в значительной степени определяет успех боя. Хром и никель, марганец и молибден обеспечивают устойчивость брони; ванадий и вольфрам, молибден и ниобий входят в состав наиболее ответственных частей машин – осей, передач, гусениц; хромовые краски со свинцом окрашивают танки в защитный цвет; особое стекло с бором, поляро-идные стекла с соединениями йода позволяют водителю видеть противника, несмотря на ослепительный свет прожекторов и фар. Отдельные, менее ответственные части боевой машины сделаны из дюраля и силумина – сплава алюминия и кремния.

Высокого качества бензин, керосин, легкая нефть, лучшие смазочные масла, получаемые из нефти, определяют жизненность машины и скорость ее движения, а соединения брома улучшают сгорание и частично ослабляют шум моторов.

Около тридцати химических элементов участвует в строении броневой машины. Но еще большее количество их входит в химический состав ее вооружения: сурьма, металлическая и сернистая, в шрапнелях и гранатах; свинец, олово, медь, алюминий и никель – в снарядах, бомбах, патронах и пулеметных лентах; особо хрупкая сталь, легко поддающаяся разрыву; сложный набор взрывчатых веществ, полученных из нефти и угля как продукты их переработки, обладающие огромной взрывной силой. В столкновении броневых машин и танков участвуют десятки тысяч тонн металла и различных химических веществ, и руководители боя, танкисты, водители машин управляют химическими реакциями огромного масштаба, страшными по своей разрушительной силе, с механическими давлениями, измеряемыми сотнями тонн на единицу поверхности.

Между тем даже разрушительные лавины, уничтожающие целые поселки, вызывают давление максимум в 10–15 т на квадратный метр – ничтожная цифра по сравнению с мощью воздушной волны от взрыва фугасной бомбы! Чем мощнее броня, чем выше октановое число бензина, чем разрушительнее сила взрывчатых веществ, тем больше преимуществ у воюющего.

Попробуем дать химический анализ ночной бомбежки современного большого города.

Летит эскадрилья бомбардировщиков и истребителей в темную осеннюю ночь – алюминиевые коршуны весом в несколько тонн из сплавов алюминия – дюраля, силумина. За ними несколько тяжелых машин из специальной стали с хромом, никелем, с прочными спайками из лучшей ниобиевой стали; ответственные части моторов – из бериллиевой бронзы, другие части машин – из электрона, сплава магния с медью, цинком и алюминием. В баках – или особая легкая нефть, или лучшие, чистейшие сорта бензина, с самым высоким октановым числом, ибо оно обеспечит скорость полета.

У штурвала – летчик с картой, покрытой листком слюды или специального борного стекла. Ториевые и радиевые светящиеся составы зеленоватым светом освещают многочисленные счетчики и указатели, а внизу, под машиной, висят легко сбрасываемые специальным рычагом авиационные бомбы из легко разрывающегося металла с детонаторами из гремучей ртути и гирлянды зажигательных бомб из порошка алюминия, магния и окиси железа.

То приглушая мотор, то вновь запуская его на полный ход, так что от шума пропеллеров и моторов эскадрильи дрожат дома и звенят стекла, коршуны противника спускают на парашютах осветительные ракеты.

Мы видим сначала красновато-желтое пламя медленно опускающегося факела-люстры: это горит специальный состав из угля, бертолетовой соли и солей кальция.

Но свет постепенно делается более ровным, ярким и белым – загорается порошок магния, спрессованный с особыми составами, порошок того магния, который мы так часто зажигали для фотографической съемки, магния с примесью солей бария, сообщающих пламени зеленоватый оттенок.

Но не дремлет и оборона города. На тонких стальных тросах, мешая движению пикирующих самолетов, колеблются защитные шары, наполненные водородом. В ответственных случаях употребляется также и газ гелий. Улавливая звуки моторов, особые слухачи при помощи звуковых дальномеров даже сквозь тучи и туман определяют положение налетевшего самолета и автоматически выбрасывают навстречу мигающие желтовато-красные звездочки, то вспыхивающие, то потухающие в ослепительно светящемся составе, в которых особую роль играют соли кальция.

Десятки ярких лучей прожекторов вонзаются на несколько километров во тьму неба. Золото и палладий, серебро и индий – вот те металлы, отблески которых сверкают на пойманных и бьющихся в ослепительных лучах дюралюминиевых вражеских птицах. Угли электрических ламп прожекторов пропитаны солями редчайших металлов, называемых редкими землями.

Английские ученые особую интенсивность лучей своих прожекторов, пронизывающих туманы Лондона, приписывают солям тория, циркония и некоторым другим специальным металлам.

Вот к свету ослепительной люстры, подвешенной на парашюте, присоединяется дымовая завеса. Совершая восьмерки над освещенным районом и выбрав место удара, самолет противника из особого снаряда выпускает ленту дымовой завесы из солей титана или олова, намечая для бомбардировщиков район пикировки.

Но уже брошены против ослепительного света магниевых люстр тысячи красных и красно-желтых трассирующих пуль защитников города. Их яркие вспышки мешают летчику разбираться в обстановке. В лучах солей кальция и стронция он теряет ориентировку и бросает бомбы куда придется. Сотнями разбрасывает он на мирные дома зажигательные бомбы в алюминиевой коробке с начинкой из порошка металлических алюминия и магния, с особым окисляющим веществом, с детонатором из гремучей ртути в головке, иногда с небольшим количеством битума или нефти для быстрейшего зажигания. Нажимом рычагов срываются с петель фугасные бомбы, воздушная волна от разрывов которых производит еще бо́льшие разрушения, чем бронебойный снаряд тяжелых орудий морской артиллерии.

Заговорили зенитки, следящие за пикирующим полетом коршуна. Шрапнели и осколки зенитных снарядов осыпают вражеский самолет. И снова хрупкая сталь, сурьма и взрывчатые вещества из угля и нефти вводят в действие разрушительную силу химических реакций. Эти реакции, которые мы называем взрывом, протекают в тысячные доли секунды, создавая колебательные движения и механические удары огромной силы.

Но вот – удачный выстрел. Пробито крыло налетевшего коршуна – и тяжелым грузом летит он на землю с остатками бомб. Взрываются бензиновые и нефтяные баки, рвутся не-сброшенные снаряды, сгорает и превращается в кучу бесформенного металла многотонный бомбардировщик.

«Фашистский самолет сбит» – гласит краткое сообщение в газете.

«Сильнейшая химическая реакция закончена, и химическое равновесие восстановлено» – можно сказать языком химии.

«Еще один удар по фашистской своре, по ее технике, живой силе и нервам», – говорим мы.

Свыше 46 элементов участвует в воздушном бою, почти половина всей менделеевской таблицы.

Но я не закончил еще своих химических картин борьбы. Борьба идет не только на полях сражений, она неразрывно сливает тыл с фронтом, вовлекая все отрасли промышленности в обслуживание нужд армии. Далеко в тылу сернокислотный завод – основной нерв промышленности взрывчатых веществ. Длинной цепочкой тянулись такие заводы в Рейнско-Вестфальской области в Германии, и столько же их было разбросано на бывших границах с Польшей.

Сотни тысяч тонн колчедана, богатого серой, нужны для сернокислотного завода. Специальные кислотоупорные сооружения сделаны то из свинца, то из ниобиевых сплавов. Кислотоупорные лавы, чистейшее кварцевое сырье, тончайшие катализаторы из ванадиевых или платиновых металлов – это только небольшая часть того огромного и сложного химического хозяйства, без которого не может жить ни один сернокислотный завод как боевая единица химического производства, дающая серную кислоту для взрывчатых веществ, селен для фотоэлементов и медь и золото в своих отходах.

А вот мастерская для приготовления снарядов. Обточка стальных болванок требует твердых резцов из вольфрамовой или молибденовой самозакаливающейся стали. Лучшие сорта наждака, корундовой пыли, тончайшего оловянного порошка, хромового или железного крокуса нужны для полировки наиболее ответственных частей. Никель, медь, бронза, сплавы алюминия идут на отдельные части.

Когда снаряд готов, начинается новый этап его химического вооружения: его подготовка к взрывной химической реакции, его начинка химическими соединениями. Сколько нужно самых различных веществ, чтобы бесперебойно работала мастерская или завод, чтобы точной была обточка артиллерийского снаряда, бомбы или мины, чтобы безошибочно работала ударная головка или расположенный в мине часовой механизм!

Но победа готовится не только на военных заводах, в мастерских и на фабриках военного снаряжения; она куется во всей стране в бесперебойной работе всего народа, начиная от рабочих у станка, с колхозников у трактора или комбайна и кончая учеными в лабораториях.