Текст книги "Путешествие в мир металлов"

Александр Мейерович
Путешествие в мир металлов

Предисловие

Дорогие друзья! Вам предстоит совершить путешествие в мир металлов, узнать об их удивительных свойствах и значении в жизни людей, а также познакомиться с многовековой историей развития металлургии и металлообработки. Эта книга – своеобразные «Путевые дневники», а её содержание – маршрут нашего путешествия. Вас ожидают не только необычные приключения металлов, но и знакомство со многими химическими понятиями, с легендами, сохранившимися письменными свидетельствами прошлого, а также с металлическими предметами, найденными археологами. Вам предстоит увидеть, как технический прогресс влияет на историческое развитие стран и народов.

Пока мы растём и взрослеем, мир, окружающий нас, стано вится всё интереснее и разнообразнее. Вот, к примеру, игрушки. Даже маленькие дети очень рано начинают понимать, что куклы, машинки и плюшевые зверушки сделаны из различных материалов. Пластик, дерево и металлы различаются по виду, весу, ощущениям тепла и прочности.

Все вещества в природе состоят из химических элементов. Их можно сравнить с элементами конструктора ЛЕГО, из которых легко собирать и моделировать различные предметы – будь то дом или машина. Человек и все живые существа на нашей планете тоже состоят из химических элементов.

Химические элементы делятся на металлы и неметаллы. Сегодня мы будем говорить о металлах, чьё открытие и использование считается одним из важнейших достижений человечества. Без металлов представить нашу современную жизнь практически невозможно. Скажите, как можно обойтись без ножа, вилки и ложки, без машин и механизмов, без телефонов и телевизоров? Металлы настолько глубоко вошли в нашу жизнь, что мы порой и не задумываемся, какие это волшебные материалы, которые так помогают нам и работать, и отдыхать.

Более 200 лет назад вышла книга великого русского учёного М.В. Ломоносова «Первые основания металлургии или рудных дел», в которой он даёт такое определение металлам: «Металлом называют светлое тело, которое ковать можно». Сегодня это определение кажется нам уж слишком простым. Так что же такое металлы?

По общему определению, металлы – это простые химические элементы, то есть простые вещества, из которых нельзя выделить или которые нельзя разделить на более простые составляющие. Из известных современной науке химических элементов большинство (более 90!) – металлы. Что же объединяет эту группу химических элементов?

Все они обладают определёнными, характерными только для металлов свойствами, как, например, твёрдость, ковкость, особый блеск, хорошая электро– и теплопроводность. Эти свойства металлов и заставили людей обратить на них внимание, а потом использовать в самых различных целях. (Кстати, у разных металлов и свойства разные.)

В природе металлы редко встречаются в чистом виде. В основном они находятся в виде руд – сложных соединений с серой, кислородом, углеродом, а также в виде соединений различных металлов – сплавов. Только золото, серебро и медь существуют на нашей планете как самородные металлы, в относительно чистом виде. Таким бывает и железо из упавших на Землю метеоритов.

Чистые металлы получают из руды. Для этого существуют различные технологии, о которых мы поговорим позже, а всеми этими вопросами занимается металлургия – наука изучающая металлы, способы их добычи и обработки.

Металлы – археология – история цивилизации

История человечества тесно связана с последовательной сменой орудий труда и видов оружия.

После каменного века наступил медный, затем – бронзовый, а тот, в свою очередь, сменился веком железным. В соответствии с этим менялись способы добычи и обработки материалов. Рождалась металлургия. При помощи металлических орудий труда можно было быстрее и качественнее обрабатывать поля, а затем собирать урожай.

Кузнецы изучали свойства металлов в зависимости от нагрева и охлаждения, создавали новые сплавы. Это влекло за собой рождение новых видов орудий труда и оружия. С изготовлением металлических гвоздей изменились принципы строительства, судостроения, усовершенствовались средства передвижения. Появились металлические медицинские инструменты, способствовавшие развитию медицины, а металлическая посуда оказала влияние на технологию приготовления пищи и вообще на кулинарное искусство. Развивалось ювелирное искусство – правители стран и народов требовали от своих мастеров изящные и дорогие украшения, а чтобы их делать, нужно было знать свойства драгоценных металлов, особенности их обработки. Развитие различных наук – физики, химии, геологии – тоже находилось в тесной связи с металлургией. Поэтому страны, быстрее осваивавшие металлы, производившие новые виды оружия, орудия труда, предметы быта и украшения, развивались быстрее. Таким образом, металлургия во многом определяла не только экономическое развитие стран, но и вообще развитие цивилизации.

Говоря о ранних этапах развития металлургии, мы не можем назвать ни её конкретных творцов, ни точных дат открытий и изобретений. В разных концах нашей планеты они повторялись множество раз, забывались, восстанавливались, пока не входили в повседневную практику людей.

Историки постоянно испытывают недостаток фактов, позволяющих воссоздать целостную картину прошлого. Конечно, им хотелось бы иметь письменные свидетельства произошедших событий. Но не все народы имели письменность, да и она сама часто была примитивной, в виде значков и рисунков, к тому же многие источники утрачены навсегда, а некоторые невозможно расшифровать и сегодня.

Археологи часто находят в земле разные интересные вещи. Только вот рукописи попадаются чрезвычайно редко. Это и понятно: пергамент, папирус подвержены разрушительному воздействию времени, гораздо сильнее, чем, к примеру, глиняные амфоры, золотые украшения, бронзовое оружие! Вот почему металлические предметы и их фрагменты, которые в отличие от письменных свидетельств прошлого сохраняются в земле лучше, часто служат основным историческим материалом.

Нож с ручкой, бронза, VII в. до н. э. Археологический музей, Флоренция, Италия;

Медицинские инструменты из «Дома хирурга», II век н. э., Археологический музей, Римини, Италия;

Золотое ожерелье, 750–475 г. до н. э. Кипрский археологический музей, Никосия, Кипр

Фрагмент формы для розлива металла. Керамика, 2700–2200 гг. до н. э. Вади Фидан, Иордания. Горный музей, Бохум, Германия;

Шлак железной плавки. Австрия, VI в. до н. э. Горный музей, Бохум, Германия;

Железная маска-личина шлема. XII – первая половина XIII века. Исторический музей, Москва

Рассказы о древних способах добычи и производства металлов, например о местонахождении месторождений и металлургических центров, можно найти в библейских и других античных текстах. Однако намного больше мы узнаём благодаря археологам, их раскопкам и находкам предметов, связанных с металлургией далёких веков (тигли, орудия труда и др.).

Сегодня у археологов есть строгие научные методы определения возраста обнаруженных при раскопках металлических предметов. Путём анализа металла или сплава, его процентного содержания можно узнать, когда этот предмет был изготовлен, а по количеству и составу примесей – определить, где добывалась руда, из которой был получен металл. Уже не нужно хмурить лоб, размышляя над тайнами происхождения того или иного изделия, и гадать, когда был изготовлен, к примеру, найденный золотой браслет: за семь столетий до нашей эры или в IX веке нашей эры, в царствование короля Западно-Франкского королевства Карла II Лысого.

Роль металлов в истории и археологии трудно переоценить. Изучая находки археологов, удаётся проследить развитие человеческого общества на разных этапах, торговые связи стран и народов, узнать о культуре прошлых эпох. Благодаря комплексным исследованиям рудников, остатков металлургического и литейного оборудования, шахтных и шлаковых отвалов, найденных археологами металлических изделий, их составов и форм учёные пишут историю технологий и восстанавливают события прошлого. Недаром всё большее значение приобретает новое направление в археологии – археометаллургия, наука, занимающаяся изучением и анализом элементов металлургического производства, таких как металлические артефакты, шлаки, тигли или печи.

Что говорит о металлах Библия

Если верить Ветхому Завету, а именно тому, что весь материальный мир был создан Господом в первые дни Творения, то Адам и Ева, появившиеся на шестой день кипучей Божьей деятельности, могли бы знать о существовании 96 металлов. Однако только пять металлов могут похвастаться упоминанием о них в Ветхом Завете.

Рисунок в гробнице Рехмира в Фивах, 1550–1292 гг. до н. э., рассказывает о литье и обработке металлов в Древнем Египте. Фото Jean Vertut (а),   таких открытых печах плавили медь и медные сплавы.

Воздух в печь подавался снизу через отверстие мехами или дутьём через трубку

И первый из них – конечно же, золото. Оно упоминается в Библии около 460 раз (реже, примерно 160 раз, встречаются в Библии слова медь и бронза). Моисей, написавший свою Первую Книгу «Бытие» около 1500 г. до н. э., упомянул в связи с рекой Фисон места добычи и, быть может, обработки золота: «Она обтекает всю землю Хавила, ту, где золото. И золото той земли хорошее». (Хавила – райская страна, а Фисон – одна из четырёх рек, вытекающая из Эдемского сада). Металлы были, вероятно, найдены на поверхности Земли или близко к ней. Позднее были вырыты глубокие шахты. Около 3600 лет назад Иов (Книга Иова в Ветхом Завете) писал, что «железо получается из земли; из камня выплавляется медь» и шахтёры «вырывают рудокопный колодец в местах, забытых ногою, спускаются вглубь, висят и зыблются вдали от людей».

Моисей в своей Второй книге «Исход» говорит и об обработке металлов: «И разбили они золото в листы и вытянули нити, чтобы выткать их между голубыми, пурпуровыми, червлёнными и виссонными нитями, искусною работою. К наперснику сделали толстые цепочки витою работою из чистого золота». Моисей описал Землю Обетованную, в которую израильтяне собирались войти, как «землю, в которой камни – железо, и из гор которой будешь высекать медь». И эти библейские сведения оказались верными. Уже в наше время археологи обнаружили на Синайском полуострове, примерно в 80 километрах от горы Синай, египетские бирюзовые рудники, а на побережье Красного моря остатки античной горнодобывающей промышленности.

Очень распространённое в природе железо, чьё производство сегодня более чем в 300 тысяч раз превышает производство золота, упоминается в Библии только около 100 раз. Впервые о нём говорится в Первой книге Моисея, где мы находим запись о том, что потомок Каина, Тубаль-Каин, живший до Всемирного потопа, занимался производством предметов из бронзы и железа: «Тубаль-Каин, кузнец всех орудий из меди и железа». Результаты археологических раскопок подтверждают, что железо было известно задолго до того, как человек научился выплавлять его из руды. Его находили в виде фрагментов метеоритов и не только использовали их в качестве орудий труда, но и почитали, как предметы небесного происхождения. Во втором тысячелетии до н. э. библейский народ филистимляне хранили секрет и считались монополистами производства железа. Библия рассказывает, что во времена Саула (а дело происходило в XI веке до н. э.) израильтяне сами не умели ни плавить, ни обрабатывать железо, что делало их зависимыми от филистимлян: «И должны были ходить все Израильтяне к Филистимлянам оттачивать свои сошники, и свои заступы, и свои топоры, и свои кирки».

Горняки за работой. Иллюстрация по картине XVI века.

Как символ железо связано в Библии прежде всего с оружием и военными действиями. Из железа, считавшегося металлом войны, делали мечи, боевые топоры, наконечники стрел и копий, а позднее – боевые доспехи. В те времена железо ещё не использовали как конструкционный материал, но при строительстве храма Соломона в Иерусалиме в 10 веке до н. э. уже применяли железные гвозди и кронштейны: «И множество железа к дверям ворот и для связей заготовил Давид, и множество меди без весу».

О важном значении металлов говорят поэтические строфы пророка Исайя: «Вместо меди буду доставлять тебе золото, и вместо железа – серебро, и вместо дерева – медь, и вместо камней – железо; и поставлю правителем твоим мир, и надзирателями твоими – правду» (Книга пророка Исайи, гл. 60).

Руды: их добыча и обработка

Инструменты, домашние устройства, оружие, пушки и монеты: спрос на металл рос постоянно. После завоевания Латинской Америки в Европу везли из Мексики золото, а из Перу – серебро. В Европе тоже добывали серебро, а также медь, свинец, олово и железо. С XVI века в Англии и Бельгии стали активно использовать в качестве топлива каменный уголь, которым заменяли древесный уголь. Многие купцы вкладывали огромные суммы денег в разработку рудных месторождений, за счёт чего увеличивали свои состояния и способствовали развитию промышленности.

Руды различают по содержанию в них тех или иных металлов, например чёрных, т. е. железа, и цветных металлов (в их состав не входит железо или его содержание мало). А ещё существует особая категория руд – руды благородных металлов, к которым относятся золото, серебро, платина, палладий и некоторые металлы платиновой группы. Имеется также немало пород, которые содержат несколько металлов, например свинец и цинк или медь и никель, поэтому при разработке технологий стараются учитывать все ценные компоненты руды и возможность их совместного извлечения. До начала добычи, используя специальные знания и методы, выясняют нахождение руд в земле.

Первые находки металлов происходили без каких-либо усилий человека, а исключительно за счёт стихийных процессов – обвалов, пожаров, землетрясений. Постепенно накапливаемый опыт позволил людям отметить ряд природных явлений и признаков, сопутствующих залежам руд: определённые виды растущих трав и грибов, высохшие деревья и деревья над рудными жилами, часто выкорчеванные сильными ветрами. Сегодня всё иначе и проще: человек вооружён специальными приборами, позволяющими определить наличие в земле тех или иных руд.

Куски руды специальным воротом поднимали в коробах на поверхность, а потом вручную измельчали

Добычу руд ведут открытым способом в карьерах или подземным способом на рудниках, в шахтах. В шахте под землёй имеются вертикальные стволы, по которым каждый день горняки спускаются вниз и возвращаются после работы наверх, а также поднимают в специальных коробах добытую руду на поверхность. Другие, относительно узкие вертикальные стволы служат для вентиляции и как аварийные выходы; через них можно при аварии по лестницам, прикреплённым к стене, выбраться на поверхность. Между двумя вертикальными стволами прорубают горизонтальные коридоры, называемые штольнями, где ведут добычу руды. Для освещения штолен в aнтичное время использовали факелы, а затем масляные светильники, называемые «третьим глазом».

В середине XVI века для подъёма руды и откачиваемой воды на поверхность на рудниках стали применять специальное колесо, имевшее около 10 метров в диаметре. Оно приводилось в движение водой или конной тягой. А в XVII веке на шахтах стали взрывать породу и вывозить руду на вагонетках, движущихся по деревянным рельсам.

Cегодня на рудниках почти все операции выполняются машинами и механизмами. В штольнях, где ведётся добыча руды, стены закрепляют от обвалов не деревянными стойками, как раньше, а металлическими; при этом своды штолен частично бетонируют. Сама руда добывается машинами, оборудованными специальным инструментом, напоминающим огромную фрезу. Руда поступает на длинный транспортёр, который доставляет её к приёмному бункеру. Руды, добываемые открытым способом в карьерах, сразу грузят на машины и отправляют на предприятия, где подвергают сортировке, обогащению и, в конечном счёте, из них извлекают металл.

Обогащение руды ведут, используя различия таких физических и химических свойств, как плотность, электропроводность, смачиваемость и т. д.; руду разделяют на рудный концентрат, содержащий минерал или минералы металла, и отходы, называемые отвалами и размещаемые на поверхности рядом с местом добычи.

Способ извлечения металлов из руд зависит прежде всего от свойств самих металлов и связан с изменением их химического состояния – восстановлением. Многие распространённые металлы, такие как железо, медь, олово, плавят при высоких температурах с использованием углерода в качестве восстановителя. Если руды содержат серу, то часто проводится их предварительный обжиг без или со специальной продувкой кислородом воздуха. Алюминий и натрий извлекают из растворов в процессе электрохимического восстановления.

Когда-то я читал новеллы замечательного американского писателя О. Генри, у которого были два любимых героя Джефф Питерс и Энди Такер – два весёлых проходимца, нередко становившихся жертвами собственного незамысловатого коварства. Каждый, кто знаком с рассказами О. Генри, безусловно, запомнил их коммерческие операции по выпуску акций на несуществующие рудники. Хотя времена Джеффа Питерса и Энди Такера давно миновали, но не только в Соединённых Штатах, а и во всём мире персонажи, сходные с героями О. Генри, частенько продают «богатые рудники» или «долевое участие в разработке новых, перспективных месторождений металлов». Все понимают: металлы – это выгодно!

Металлургическое производство: от руды к металлу

Магическое число 7, или человек начинает использовать металлы

Знакомство человека с металлами началось с золота, серебра и меди, то есть с металлов, встречающихся в свободном состоянии на земной поверхности; впоследствии к ним присоединились распространённые в природе и легко выделяемые из их соединений олово, свинец, железо и ртуть. Имеются веские основания предполагать, что первоначально металл добывали на территории Египта и Ближнего Востока, и делали это обжигом руд на открытом огне. Такая техника относится примерно к VI–V тысячелетию до н. э. Лучше всего древние металлурги освоили производство меди – из неё делали орудия труда и оружие. Для этого расплавленный металл заливали в формы из обожжённой глины. К семи известным с глубокой древности металлам в Средние века прибавились цинк, висмут, сурьма и в начале XVII столетия – мышьяк. С середины XVIII века число открытых металлов быстро возрастает, к началу XX столетия доходит до 65, а к началу XXI века – до 96. Обилие химических элементов, известных к середине XIX века, стало не на шутку тревожить исследователей. Каждый новый приносил с собою десятки новых проблем и вопросов, а тут ещё со старыми проблемами, со старыми вопросами справиться было мудрено. Не случайно именно в те годы великий английский учёный Майкл Фарадей с грустью признавался: «Было время, когда стремились увеличить число металлов, теперь мы хотим его сократить».

Обжиг руды, плавка и рафинирование (очистка) металла. Фотография рисунка из музея серебряного рудника «Каролинский рудник» в Зексау, Германия

Поговорим немного про металлы, которые первыми вошли в жизнь человека.

И начнём мы с меди.

Медь – металл Венеры

В Средние века алхимики и астрологи считали, что каждому металлу соответствует своя планета. Медь связывали с Венерой, а потому её называли металлом Венеры.

Медь находится в природе в самородном виде и в виде солей, а также в сплавах с другими металлами – мышьяком, сурьмой, теллуром, золотом, серебром, платиной и палладием. Сначала из неё делали украшения. Позже выяснилось, что медь обладает множеством полезных свойств: благодаря высокой ковкости из неё можно изготавливать предметы различных форм. Медь проще обрабатывать, чем кость или камень, а потому наконечник стрелы или нож из неё можно сделать быстрее, да и заточить гораздо легче. Потом обнаружилось, что медь нетрудно извлечь из особых камней-минералов путём плавления. Так начался Медный век. Следы древних рудников, печей и шлака сохранились до сегодняшнего дня. Последние археологические находки древнейших металлических предметов на Ближнем Востоке и в Анатолии подтверждают получение и применение металлургической меди уже в начале VII тысячелетия до н. э. Индейцы Канады длительное время, начиная с III тысячелетия до н. э., использовали самородную медь. Их история даёт нам хорошую иллюстрацию жизни людей Медного века. Когда туда вслед за Колумбом прибыли искатели приключений и драгоценных металлов, местные индейцы не знали не только железа, но и бронзы. Основные «медные» центры находились в области Великих озёр. Плавка индейцам была не известна. Самородную медь расплющивали молотками, а затем разрезали на отдельные куски, из которых делали оружие (медные наконечники стрел и копий, ножи, топоры) и домашние предметы. Из меди делали украшения, посуду и культовые изделия. К моменту появления здесь европейцев у северо-западных индейцев были даже своеобразные «деньги» в виде пластинок из чистой самородной меди.

Со II тысячелетия до н. э. медь стали добывать на островах Эгейского моря, в том числе на Кипре, который на столетия стал центром экспорта меди в Древнем мире. (Медедобывающая промышленность сохраняла своё значение для экономики Кипра вплоть до начала ХХ века.) Само слово Кипр созвучно древнегреческому «купрос» – медь. И теперь уже не ясно, что появилось первым – название острова или название металла.

Медные минералы: куприт, азурит, эритрит, малахит, халькопирит, халькозин

Древние металлурги разливали медь в виде плоских прямоугольных слитков с вытянутыми краями весом от 20 до 30 кг. Такие слитки из-за их формы археологи называют «бычьей кожей», и в середине II тысячелетия они поступали в разные страны для дальнейшей переработки. Доказательствами тому служат находки античных торговых кораблей с грузом слитков меди, затонувших на судоходном маршруте между Кипром и странами восточного Средиземноморья.

В древние времена предметы из меди и медных сплавов, например бронзы, ценились за их цвет и свойства. Из-за своей твёрдости сплавы использовались прежде всего для изготовления оружия и доспехов! И когда мы говорим о бронзе, то представляем средневековые пушки или церковные колокола. Но применение бронзы с античных времён до наших дней всегда было гораздо шире, включая также производство бытовых и культовых предметов. Благодаря широкому спектру полезных свойств медь и её сплавы находят применение и в домашнем хозяйстве.

Особый внешний вид и возможность лёгкой обработки меди играют и сегодня всё большую, в том числе декоративную, роль в различных домашних устройствах.

Слитки меди в виде «растянутой бычьей шкуры». XII век до н. э. Археологический музей. Ираклион, Крит;

Слитки меди в виде «браслета». Ранний бронзовый век, 2200–1600 г. до н. э. Горный музей. Бохум, Германия

Медь обладает высокой электропроводностью, применяется в электротехнике, в первую очередь для изготовления кабелей и проводников.

Медь популярна в строительстве, так как она мягкая и легко обрабатывается. Кроме того, в отличие от стали, даже при низких температурах она не становится хрупкой при длительной эксплуатации.

Высокая теплопроводность меди является преимуществом при изготовлении нагревательных устройств. При этом в медных трубах для горячей воды теряется меньше тепла.

А знаете ли вы, что медь играет важную роль в качестве микроэлемента в организме человека: она присутствует в нашей крови, работает в нервных клетках и иммунной системе.

Эмпедóкл (490–430 годы до н. э.), древнегреческий философ, политик и врач, для улучшения самочувствия носил медные сандалии. Аристотель (384–322 годы до н. э.) считал этот металл прекрасным средством лечения опухолей, ушибов, ссадин и, ложась спать, держал в руке медные шарики. Медь улучшает работу сердца, оказывает противовоспалительное действие. Mедью лечат заболевания глаз и кожи. В старину медью лечили глистные заболевания, малокровие, менингит. Больным эпилепсией вкладывали в руки медные монеты, шарики и кольца. Медь способна убивать микробы. Например, работники медных заводов не болели холерой, а солдаты, носившие на теле медные кресты, оставались в живых во время эпидемий чумы. Кузнецы, опоясанные медной проволокой, никогда не страдали радикулитом.

Надо сказать, что всё хорошо в меру. Как недостаток, так и избыток меди в организме вызывают заболевания. Соли меди разрушают клетки крови эритроциты; вызывают расстройства нервной системы, гастриты, язвенную болезнь желудка и заболевание костной системы; нарушают работу печени и почек, снижают иммунитет, портят зубы и слизистую рта.

Ну, а теперь поговорим о золоте.