Текст книги "Путешествие в мир металлов"

Благородный металл золото

Золото, как и медь, было одним из первых металлов, с которыми познакомился человек. Вероятно, это не было случайностью, так как оба металла проявляли похожие свойства, что определило возможность их совместного использования: пластичность при ковке, способность расплавляться при почти одинаковой температуре и легко сплавляться в любых пропорциях.

Найденный в 1842 г. на Урале золотой самородок «Большой треугольник» весом 32,94 кг;

Золотой слиток и мраморная литейная форма для золотых слитков с надписью: «C.CAESARIS AVG GERMANICI IMP EX NORIC». Австрия, Горный музей. Бохум, Германия

Золото встречается на Земле в самородном виде, в россыпных месторождениях, образующихся в результате процессов разрушения и переотложения содержащихся в руде веществ. Благодаря высокой плотности золото плохо переносится водой и ветром, поэтому при разрушении горных пород, содержащих даже мельчайшие вкрапления золота, оно остаётся на месте, а более лёгкие минералы вымываются водой или выдуваются ветрами. Постепенно содержание золота в продуктах разрушения увеличивается и может достигать десятков и сотен граммов на тонну. Так формируются россыпи – богатые золотом пески. Они-то и стали первой освоенной человеком формой месторождений золота. При его добыче древние золотодобытчики использовали просеивание драгоценного песка через сито и промывку водой, а если её не было или было мало, – то просеивание на ветру. Золотой песок подкидывали вверх и вперёд, при этом стараясь бросать по направлению ветра. Более лёгкий материал отлетал в сторону, а тяжёлое золото оставалось у добытчика. Всем хорош этот способ, но он эффективен только тогда, когда частицы золота крупнее полумиллиметра.

Плиний, древнеримский писатель и учёный, живший в I веке нашей эры, писал, что такое золото не плавят, так как оно достаточно чистое. В природе встречается минеральный сплав золота c серебром – электрум, содержащий от 20 до 90 % золота.

При добыче золота из рек, на пути золотоносного потока придумывали разного рода ловушки, помогающие задержаться его тяжёлым частицам.

Вы наверняка слышали или читали древнегреческий миф о Золотом руне. Так древние греки назвали шкуру барана, посланного богами детям орхоменского царя Фриксу и Геллае. Они отправились на быке к берегам Азии, спасаясь от преследований мачехи Ино. После долгого путешествия Фрикс достиг берегов Колхиды (современная Грузия). Здесь он принёс барана в жертву Зевсу, а снятое золотое руно подарил царю Колхиды. Золотое руно стало магическим символом, гарантом благоденствия и процветания жителей Колхиды колхов. Оно охранялось драконом в роще Ареса. А потом в Колхиду приплыли аргонавты – отряд греков под предводительством Ясона. Их целью было похитить золотое руно и привезти его в Грецию. Среди историков существует версия, что эта легенда связана со способом добычи золота на Кавказе, в Сванетии, где большие и малые реки несли золотой песок. Местные жители собирали его на натянутых на досках бараньих шкурах, выложенных на пути золотоносных рек. Через некоторое время их доставали из рек и высушивали. И шкуры блестели на солнце, благодаря золотым частичкам, застрявшим в шерсти.

Добыча руды в штольнях. Фотография рисунка из музея серебряного рудника «Каролинский рудник» в Зексау, Германия

Руды, содержащие золото, делятся на собственно золотые, которые добывают лишь ради золота, и комплексные руды, из которых золото извлекают попутно с другими металлами. Уже в Бронзовом веке люди научились добывать золото из руды. Тогда это было, видимо, самородное золото, и добывали его чаще всего из кварцевых жил, блоки которых выламывали примитивными инструментами, или там, где это было возможно, разогревали, разложив на скалах костёр, а затем резко охлаждали, поливая холодной водой. Наряду с кварцевыми, добывали золото и из комплексных руд, вместе с медью и железом. В эпоху Римской империи добычу вели на открытых горных выработках или в шахтах, глубиной до 100 метров и протяженностью до 500 метров. Руду вырабатывали клиньями и молотками и поднимали наверх в деревянных вёдрах с помощью ручного воротка. Когда глубина шахты достигала уровня грунтовых вод, то из-за неумения осушить участок его разработка прекращалась. Сейчас рудные жилы отрабатывают на глубине до 2000 метров, при этом встречающийся почти во всех шахтах приток воды откачивают насосами.

Промывка и измельчение руды. Фотография рисунка из музея серебряного рудника «Каролинский рудник» в Зексау, Германия

Добытую руду дробили, измельчали, а затем, раскладывая на наклонной доске, поливали водой, отделяя землю и лёгкие породы. Тяжёлые же крупинки золота оставались на доске. Этот способ, называемый гравитационным обогащением, используется и в настоящее время.

В Англии, на золоторудном месторождении Долаукоти, разработки которого велись ещё в Бронзовом веке, обнаружены остатки устройств для измельчения руды и римских водоводов к местам промывки золота.

Со временем легкодоступных и легкообогащаемых руд становилось всё меньше, а потребности человечества в золоте, с ростом численности населения и развитием экономики – всё больше. Эпоха великих географических открытий XV–XVII веков подарила европейцам Новый свет и новые источники золота. Индейцы в больших количествах добывали золото и серебро и тщательно его хранили. Вот почему с открытием Америки в Европу, а особенно в Испанию и Португалию, хлынул поток драгоценных металлов, сперва награбленных колонизаторами, а потом добытых рабским трудом индейцев. Недаром перуанцы называли золото «слезами, пролитыми солнцем».

Испанцы при завоевании Америки беспощадно грабили индейцев, заманивали в ловушки, требовали выкупы, убивали. Особенно прославился жестокостью и коварством конкистадор, авантюрист и одновременно генерал-капитан испанской короны Франсиско Писарро. Под предлогом переговоров он коварно заманил к себе правителя империи инков Атауальпу и, захватив в плен, потребовал выкуп за его освобождение. Тот пообещал конкистадору и его солдатам наполнить золотом комнату площадью 35 квадратных метров на высоту поднятой руки, а несколько меньшую комнату дважды наполнить серебром. Инки полностью внесли выкуп за своего вождя. Однако Писарро, получив баснословные сокровища, не сдержал своего слова и приказал казнить Атауальпу.

Небольшое по численности войско испанских завоевателей всего за несколько лет покорило огромную территорию, населённую инками и подвластными им индейскими племенами. И всё это время американское золото потоком шло в Европу. Однако к концу XVII века и это золото закончилось. Волей-неволей пришлось обращать внимание на всё более и более трудные для разработки месторождения. Соответственно приходилось совершенствовать и технику золотодобычи. В XIX и ХХ веках в промышленный обиход вошёл целый ряд обогатительных установок и технологий, в том числе драга, обогащение в циклонах, цианирование, которые используют до сих пор.

Золото – очень тяжёлый металл: его плотность 19,3 г/см³. Диск из золота размером со среднюю таблетку от простуды весит более 10 граммов.

Золото – не только любимый ценительницами дорогих ювелирных украшений металл. Это ещё и символ богатства. А кроме того, он очень полезен в самых разных областях техники. Его используют и в чистом состоянии, и в сплавах с другими металлами. Дело в том, что золото обладает высокой электропроводностью, очень пластично и легко обрабатывается – например, из него делают фольгу и проволоку. Из одного грамма золота можно вытянуть проволоку длиной два километра! Чистое золото настолько мягкое, что его можно поцарапать ногтем, поэтому в ювелирных изделиях используют сплавы золота с медью или серебром, имеющие различные цвета и великолепный блеск.

Сегодня золото находит применение:

– в драгоценных украшениях;

– в монетах и слитках;

– в электротехнике и электронике. Многие электронные устройства, где используют очень низкое напряжение и слабые токи, подвержены помехам и коррозии. Различные детали, в которых присуствует золото (контакты, переключатели, разъёмы, соединительные проводники), считаются очень надёжными. Много золотых контактов используется в современных компьютерах и мобильных телефонах. Ряд предприятий имеют установки по извлечению драгоценных металлов из отходов электроники;

– в стоматологии. Применение золота в стоматологии известно ещё с 700 года до н. э. Золотые сплавы используются для пломб, коронок, мостов, так как золото является неаллергенным материалом и, как мы уже знаем, хорошо обрабатывается;

– в самолето– и ракетостроении, где возможности ремонта и технического обслуживания сильно ограничены, а часто невозможны, поэтому используют только самые надёжные материалы. Например, козырёк шлема космонавта покрыт тонкой золотой плёнкой, которая защищает глаза и кожу от интенсивного солнечного света в космосе;

– в качестве сусального золота, для покрытия мебели, рамок для фотографий, элементов зданий и предметов искусства.

Можно перечислить ещё с дюжину примеров применения золота, но расскажем лишь о сусальном.

Сусальное золото было знакомо людям уже с античных времён. Рельефные рисунки и клинописные документы свидетельствуют об использовании сусального золота в Древнем Египте уже 2500 лет до н. э. На стенах гробниц находят изображения, на которых видно, как его производили египетские мастера. Сусальным золотом украшали статуэтки и надгробные маски. Древние греки тоже использовали сусальное золото и не только для украшений. В античном городе Пилос греческие археологи обнаружили две гробницы XIII века до н. э., их стены были покрыты сусальным золотом, которое отслоилось и хлопьями лежало на полу. В Бронзовом веке Пилос был важным торговым центром – он находился на древнем торговом пути из Азии и Греции в Италию. При изготовлении сусального золота мастера использовали невероятную пластичность этого металла – из золотого бруска ударами молотка получали фольгу, как лист бумаги толщиной 0,00001 миллиметра. Так, из 1 грамма золота можно было изготовить фольгу размером половина квадратного метра при ее толщине 100 нанометров! Такая фольга была на свету ярко-жёлтого цвета, а против света – зеленовато-синяя.

Особую роль сусальное золото играло в иконописи – его наносили с клеем на одежду, нимбы святых и крылья ангелов. После высыхания излишки металла удаляли, а сам рисунок с сусальным золотом проглаживали. Николай Васильевич Гоголь писал, что «в нашей старой иконописи имеются фантастические лица святых с фантастическими выражениями». Конечно же, иконы, отделанные сусальным золотом, высоко почитались и стоили немало.

О том, насколько они были дороги, свидетельствует запись, сделанная в 1511 году настоятелем Иосифом Волоцким в одном из его посланий: «От монаха Феодосия я получил иконы Андрея Рублёва, которые стоят двадцать рублей». А в то время 20 рублей стоила целая деревня с землёй и домами. Так высоко ценились работы всемирно известного иконописца Андрея Рублёва, которые Феодосий подарил Волоцкому монастырю.

В настоящее время много сусального золота используется для реставрационных работ. При золочении церковных куполов и орнаментов Екатерининского дворца в Царском селе было использовано 21360 листочков сусального золота размером 70 × 120 миллиметров общим весом 912 граммов, а на золочение 72-метрового шпиля Адмиралтейства в Санкт-Петербурге пошло около двух килограммов сусального золота. Этого количества хватило бы, чтобы сделать шарик радиусом три сантиметра.

Сусальное золото можно есть. То, что вы сейчас прочитали, не ошибка и не опечатка. Всё правильно – сусальное золото можно есть. Ещё в древности его принимали как лекарство, для очистки и омолаживания организма. Ежедневный приём нескольких микрограммов сусального золота в сутки улучшает работу внутренних органов, особенно печени, желудка и кровеносной системы. Каждый из нас ест минимум раз в неделю немного золота. Не верите? Посмотрите внимательно на этикетки продуктов, которые покупаете, и вы увидите, что многие из них содержат пищевую добавку Е-175. В странах Европейского Содружества, в Швейцарии и Соединённых Штатах Америки разрешают применение 22– и 24-каратного золота в продуктах как пищевую добавку, которая имеет обозначение Е-175. Она не вредная, не дает аллергическую реакцию и не изменяет вкус пищи. В Индии прямо в пищу добавляют сусальное золото. Подсчитано, что индусы за год съедают его почти 12 тонн! Особенно много сусального золота используют при подготовке блюд для свадеб и религиозных праздников. Французы и итальянцы тоже любят добавлять в пищу сусальное золото. Будь это поджаристый кусок мяса, рыбное филе, крем-суп, итальянское ризотто или торт ко дню рождения – сусальное золото можно нанести на любое блюдо. Оно не варится и не жарится вместе с едой, а раскладывается, как декорация, прямо перед сервировкой стола. Конечно, можно его нанести и при приготовлении блюда – с металлом ничего не произойдёт и вкус пищи от этого не изменится. Сусальное золото даёт прежде всего оптический эффект, особенно когда само блюдо имеет интенсивную окраску, как, например, свекольник. Для десерта больше всего подходят золотые хлопья, которыми его посыпают перед подачей на стол.

Профессионалы работают не только с золотыми хлопьями, иногда они и декорируют еду целыми листочками сусального золота. На Рождество печенье и шоколадные конфеты украшают золотыми звёздочками и сердечками. На тёмно-коричневом шоколаде такие блестящие чешуйки смотрятся особенно хорошо, а ко дню рождения на тортах выкладывают из сусального золота цветы и поздравления.

Загадочные, криминальные, а порой просто невероятные истории и приключения вырастали как грибы всюду, когда разговор шёл о золоте.

В XX веке в книгах и особенно в кинематографе о нём появились новые мифы. Вы наверняка видели голливудские боевики и детективы, в которых бандиты грабят банки, лихо складывая огромное количество золотых брусков в сумки, а то и в карманы. Но только представьте, что эти не слишком крупные бруски трапециедальной формы весят от 12 до 14 килограммов, так что сумка с ними может весить по крайней мере 100 килограммов, и не каждый бандит сумеет оторвать её от земли.

Серебро – металл для живой воды

А теперь наш герой – серебро. Серебро, как и золото, человек начал добывать и обрабатывать уже в VI тысячелетии до н. э. Археологи нашли в Египте серебряные украшения, относящиеся к VI–IV тысячелетию до н. э., однако до середины II тысячелетия до н. э. серебро было большой редкостью. В VI–V веках до н. э. этот металл добывали в основном в Лаврийских рудниках в Греции, а с IV по середину I века до н. э. лидерами по производству серебра были Испания и Карфаген. С началом новой эры много серебряных рудников появилось на территории Европы. Освоение Америки в XVI веке привело к разработке богатейших месторождений серебра в Южной и Центральной Америке, где объёмы добычи этого металла в 5 раз превышали уровень Европы. Первое серебро в России было добыто в 1704 году на Нерчинских рудниках Забайкалья. Затем последовала разработка серебряных месторождений на Алтае и в Приморье. Сегодня наибольшими запасами серебра обладают Перу, Чили, Австралия и Польша.

В природе серебро встречается как в самородном виде, так и в серебряных и серебросодержащих рудах цветных металлов и золота. В наши дни от 70 до 80 % мировой добычи серебра приходится на его извлечение как побочного продукта из комплексных медных и свинцово-цинковых руд. В процессе переработки этих руд основная масса благородных металлов концентрируется в анодных шламах, получаемых при электролитическом рафинировании меди, свинца и цинка. Из полученных шламов сначала удаляют остатки неблагородных металлов, а затем плавят с получением золото-серебряного сплава.

Получение серебра – сложный технологический процесс, но так как потребности в этом металле растут, то и добыча его как в России, так и за рубежом ежегодно возрастает. Для извлечения серебра из серебряных и золотых руд, содержащих много примесей, используют два основных метода. Самый старый способ – амальгамация серебра; в его основе способность благородных металлов вступать в контакт с ртутью. Частички серебра смачиваются ртутью, образуя с ней соединения, отделяемые от остальной руды. Ртуть не смачивает такие неблагородные металлы, как железо и медь, поскольку они всегда покрыты окисной плёнкой. Амальгамацию ведут как при измельчении руды в самом устройстве для измельчения, так и вне измельчающего устройства на специальных столах или барабанах. Полученную амальгаму промывают водой, фильтруют или отжимают до твёрдого состояния, а затем выпаривают ртуть. Серебро в виде порошка или губки, оставшееся после выпаривания ртути, сплавляют в слитки.

Наиболее часто используемый метод, цианирование, основан на растворении металла в водных цианистых растворах. Суть этого процесса заключается в следующем. Серебросодержащую руду доставляют на специальные металлургические заводы. В рудах, содержащих серебро, имеются примеси как пустой породы, так и других минералов, от которых серебро желательно отделить. Метод цианирования применим и в этом случае. Измельченную руду заливают раствором цианистого натрия или калия, пропуская через образующуюся пульпу воздух. В результате такой обработки получают серебросодержащий раствор, из которого после фильтрации осаждают, как правило цинковой пылью, серебро. Осадок очищают от примесей, промывают и сплавляют в слитки.

Сегодня серебро, как и золото, можно добывать не только широко известными способами, но также извлечением этих металлов из руды микроорганизмами – одноклеточными тионовыми бактериями.

Ни один из этих методов не позволяет получить серебро высокой чистоты, поэтому в дальнейшем проводят его дополнительную очистку – аффинаж. Аффинаж используется для очистки не только первичного металла, но и различного технологического и ювелирного лома.

Серебро применяют для производства электронного оборудования, ювелирных украшений, медицинского оборудования, в машиностроении.

Железо, или что дороже серебра и злата

Давайте зададим вопрос: какой металл в настоящее время можно считать наиболее изученным?

Практика показывает, что 80 % отвечающих, не задумываясь, называют железо, 15 %, подумав, тоже указывают на этот металл. Ещё процента три, поняв, что здесь что-то не так, задумчиво тянут: «Вообще-то железо, а может быть, ещё кальций или натрий». И, наконец, остальные два процента честно заявляют: «Не знаю. То есть знаю, что железо, но ведь это и остальные знают».

Ход мыслей опрашиваемых очевиден:

– Какой металл применяется больше всего?

– Железо.

– Какой металл известен человечеству уже несколько тысячелетий?

– Железо.

– Какой металл присутствует всюду от руд до человеческой крови?

– Железо.

Не будем спорить о первородстве металла, а просто попытаемся разобраться в истории железа.

Имеются веские доказательства того, что было время, когда железо ценилось дороже золота. Татарская пословица гласит: «В бою железо дороже золота», а русские говорили: «При рати железо дороже золота. Железом и золото добуду».

Железо как металл стало известно человечеству почти одновременно с медью и золотом. Редкие находки железных предметов (главным образом, небольших украшений) при раскопках древних захоронений в Египте относятся к IV тысячелетию до н. э. Химический анализ показал высокое содержание никеля (до 7,5 %), что свидетельствует о метеоритном происхождении железа. Рассказывают, что у древнеримского царя Нумы Помпилия (VII век до н. э.) железный щит был сделан из камня, упавшего с неба. В 1621 году из метеоритного железа мастерами были изготовлены две сабли, кинжал и наконечник пики для властелина одного индийского княжества Джехангира. Шпаги Александра I и героя Южной Америки Боливара также были сделаны из космического железа. Известны и другие факты. Полярная экспедиция Росса в 1818 году обнаружила, что эскимосы Земли Баффина делали ножи и наконечники гарпунов из кусочков железа от крупного метеорита, лежавшего на берегу бухты Мельвиль. Однако как свободное, самородное, оно, в отличие от меди, встречается очень редко.

Железо входит в состав многих минералов, из которых наиболее распространены гематит, сидерит, гидрогерит, магнетит и пирит. Они составляют основу лежащих на небольших глубинах залежей бурого, красного, шпатового и магнитного железняка.

Старинная легенда рассказывает о пастухе по имени Магнус. Однажды он пас овец на горе Ида на острове Крит и вдруг заметил, что железный наконечник его посоха «липнет» к чёрным камням, которые в изобилии валялись под ногами. Пастух перевернул палку наконечником вверх и убедился, что дерево не притягивается к странным камням. Магнус понял, что эти странные камни не признают других материалов кроме железа. Пастух прихватил несколько таких камней домой и поразил соседей своим открытием. Это свойство – притягивать предметы из железа – назвали магнетизмом, а чёрный камень – «камнем Магнуса» или просто магнитом. Природные магниты – это чёрный минерал железа магнетит. Но мы знаем не только природные магниты. Человек научился изготавливать искусственные и использовать их для разных целей, например в хорошо всем знакомом компасе – приборе для определения сторон света, один конец стрелки которого всегда указывает на север.

Минералы железа: гётит, гематит, лимонит, пирит

Первые письменные упоминания о железе относятся к началу II тысячелетия до н. э. При этом многие историки считают, что развитие производства железа на Ближнем Востоке связано с филистимлянами – упоминающимся в Ветхом Завете народом, жившим в приморской части Израиля (от современного Тель-Авива до Газы) начиная с XII века до н. э. На Ближнем Востоке лишь филистимляне и ещё один народ, хетты, владели технологией выплавки железа. (Можно сказать, что они стояли у истоков Железного века.) Широкое применение на Древнем Востоке железо получило только в IX–VIII веках до н. э. Именно к этому времени относится расцвет Ассирийского царства. Камень и бронза ещё не были полностью вытеснены, но с этого времени в ассирийских письменных источниках упоминаются оружие и орудия труда из железа. Из него делали доспехи и вооружение ассирийских воинов (панцири, шлемы, мечи, копья), а кроме того, лопаты и мотыги. При раскопках города Хорсабада (современный Ирак) во дворце ассирийского царя Саргона II, правившего в VIII веке до н. э., археологи нашли целый склад железных слитков, лопат, лемехов и мотыг!

Сыродутная печь для плавки железа. V век до н. э. Оберсдорф-Рёдген, Германия

Об использовании железа в древней Греции мы узнаём от великого древнегреческого поэта Гомера, читая его поэмы «Илиада» и «Одиссея». На островах Эгейского моря и в материковой Греции распространение железа относится к 900 годам до н. э. и связано с добычей железной руды в Лаконике и на южном побережье Чёрного моря. В VII–V веках до н. э. в Греции и на островах начинается регулярная добыча и обработка железа и руд цветных металлов. Основными центрами металлургии становятся Самос, Кнос, Коринф, Халкида и Лаконика.

В начале II тысячелетия до н. э. был открыт сыродутный способ получения железа, остававшийся до XIV века н. э. практически единственным способом его производства. При сыродутном процессе железо восстанавливали из руды в горнах, попеременно загружавшихся слоями древесного угля и измельчённой железной руды, при температуре 1100–1350 °C. Воздуходувными устройствами, состоявшими из кожаных мехов и сопел, в горн подавали сырой, неподогретый воздух, давший название всему процессу. В результате восстановления на дне горна получался железный ком с пустотами, заполненными затвердевшим шлаком весом от одного до 8 килограммов. Шлак из крицы удаляли ковкой молотами, получая железо достаточно высокого качества. Дальнейшие достижения в производстве железа связаны с усовершенствованием горна, воздуходувных устройств, а также с такими новыми способами обработки железных изделий, как закалка и цементация.