Текст книги "Химия человека. Как железо помогает нам дышать, калий – видеть, и другие секреты периодической таблицы"

3
Железный век не закончился

Я спокойно лежу, а вот моя кровать движется. Завтра у меня встреча в Бергене. Сегодня вечером меня убаюкают звуки и движение поезда – так же как и поколения живших до меня людей. Благодаря подобным путешествиям на поездах я чувствую себя частью долгой истории. Задолго до появления машин и самолетов железная дорога перевозила людей и товары с места на место и из города в город.

И поезда, и железнодорожные пути сделаны из железа, самого важного для нашей цивилизации металла[74]74
  Железный век не закончился: «Мы вступили в железный век 1500 лет назад и с тех пор не покидали его»: Sverdrup and Ragnarsdóttir (2014).


[Закрыть]. Первые металлы, которыми стали пользоваться люди – золото, медь и бронза (сплав меди и олова), – слишком мягкие, чтобы в большинстве случаев стать заменой каменным и деревянным инструментам. Использование железа произвело революцию и в военном деле, и в земледелии. Почувствуйте разницу: вспахать землю деревянным плугом – или железным. Благодаря железным инструментам стало проще обрабатывать землю, строить дороги, рубить и резать дерево. В сочетании с железным оружием, таким как наконечники стрел и мечи, этот металл мог подарить значительные преимущества тем, кто освоил его раньше соседей[75]75
  Железо произвело революцию в военном деле: J. Diamond, Guns, Germs, and Steel: The Fates of Human Societies, W. W. Norton & Company, 1997. (Русский перевод: Даймонд Джаред. Ружья, микробы и сталь: История человеческих сообществ / Пер. с англ. М. В. Колопотина. М.: АСТ Москва: Corpus, 2010.)


[Закрыть].

Без железа дыхание бессмысленно

Железо не только играет важную для нашего общества роль. Оно является важнейшим элементом транспортной системы нашего тела. В теле взрослого человека около четырех граммов атомов железа[76]76
  Железо в транспортной системе тела, 4 г железа в теле: Khurshid and Qureshi (1984).


[Закрыть] – этого хватит на гвоздь средних размеров, – и железо в организме необходимо нам для решения жизненно важной задачи.

Чтобы жить, мне необходимо дышать. Кислород нужен всем клеткам моего тела. Когда я делаю вдох, в мои легкие попадает кислород, однако надо каким-то образом доставить его всем клеткам. И тут в игру вступает железо. В отличие от золота, предпочитающего держать свои электроны при себе, железо – щедрое, оно охотно отдаст пару своих электронов. Поэтому между железом и кислородом возникает тесная дружба: кислород жаждет принять дополнительные электроны от других элементов.

В моих легких – там, где кровь встречается с воздухом, – кислород пользуется шансом соединиться с атомами железа, связанными с молекулами крови. Таким образом кислород перемещается с кровью по телу. В моих клетках есть и другие молекулы – они уговаривают железо и кислород снова расстаться, и дальше железо в одиночестве идет по кровеносным сосудам к сердцу, где его перегонят обратно в легкие за новой порцией кислорода. Без железа в крови было бы совершенно не важно, сколько я вдыхаю, ведь я не могла бы воспользоваться кислородом, который с таким усердием вдохнула в легкие. Вот почему я должна принимать препараты железа в течение нескольких недель каждый раз, когда выступаю донором и сдаю пол-литра своей крови. Новые клетки крови тело производит с легкостью, а вот вырабатывать железо оно не умеет.

Если железо отдало электроны кислороду, для того чтобы вновь отделить друг от друга эти химические элементы, потребуется много энергии. Прошло немало времени, прежде чем люди узнали, как разрушить эту связь и возвращать атомам железа их электроны, а это необходимо для того, чтобы металл стал пригодным для изготовления оружия и инструментов.

На пороге железного века

Три с половиной тысячи лет назад египетского фараона Тутанхамона похоронили с железным кинжалом. Долгое время происхождение кинжала и других очень древних железных предметов, обнаруженных не только в Египте, но и в других уголках мира, оставалось большой тайной. Ведь технологии, необходимые для производства железа, из которого сделаны эти предметы, появились примерно на тысячу лет позже[77]77
  Кинжал Тутанхамона: Comelli et al. (2016).


[Закрыть].

Разгадка обнаружилась за пределами нашей планеты. Металл кинжала Тутанхамона не с Земли.

По космосу летает множество мелких и крупных астероидов: они состоят из железа с примесью никеля и не подвергаются воздействию воды или кислорода. Поэтому железо в них не ржавеет и способно навечно сохранить металлический блеск. Порой астероиды падают на Землю в виде метеоритов – их подбирают и превращают в кинжалы и другие предметы. Таким и было первое железо, оказавшееся в распоряжении людей. Вероятно, все подобные древние предметы сделаны из метеоритного железа[78]78
  A. Jambon, «Bronze Age Iron: Meteoritic or Not? A Chemical Strategy», Journal of Archaeological Science 88 (2017): 47–53.


[Закрыть].

На Земле крайне мало мест, где природное железо не образует соединений с другими элементами и встречается в металлической форме. Одно из таких месторождений находится в Гренландии – там содержащая железо лава пробилась сквозь земную кору очень-очень давно[79]79
  Месторождение железа в металлической форме в Гренландии: K. Brooks, «Native Iron: Greenland’s Natural Blast Furnace», Geology Today 31 (2015): 176–180.


[Закрыть]. Продвигаясь наверх, лава прошла слой угля – остатки доисторических растений, состоящие почти исключительно из углерода. Углерод обладает полезным свойством: он отдает свои электроны еще активнее, чем железо. В результате, когда связанные атомы железа и кислорода, содержащиеся в кипящей горячей лаве, вступают в реакцию с имеющимся в угле углеродом, углерод передает атомам железа свои дополнительные электроны. Углерод и кислород, образовав диоксид углерода, уходят в атмосферу, а железо остается в виде слоя металла – для нас это готовое сырье.

Здесь и кроется ключ к производству металлического железа – до того как шагнуть в железный век, людям приходилось его искать. Железа вокруг нас много (оно составляет около 4 % земной коры), но практически все оно образует связи с кислородом. Железную руду превращают в металл, смешивая с углем и нагревая до тех пор, пока уголь не загорится. Углерод из горящего угля вступает в реакцию с железной рудой, отдает электроны и крадет кислород – остается железо в металлической форме[80]80
  Производство железа из руды: Gilchrist (1989).


[Закрыть].

Когда люди начали изготавливать железо, выросла и потребность в древесине. Когда древесину нагревают в закрытых ямах, куда не поступает кислород, она превращается в уголь, пригодный для производства железа. Из-за этого значительно возросла нагрузка на близлежащие леса – типичный, но неблагоприятный побочный эффект. Сегодня для производства железа используют ископаемый уголь. Его извлекают из земли, так что необходимость рубить деревья для выполнения этой задачи отпала. Угольные шахты поспособствовали спасению многих лесов мира от участи оказаться в углежогной яме. И параллельно углерод, выпускаемый в атмосферу во время сжигания ископаемого угля, нагревает нашу планету. При производстве каждой тонны железа образуется примерно полтонны диоксида углерода[81]81
  Sverdrup and Ragnarsdóttir (2014).


[Закрыть]: углерод берется из угля, а кислород – из железной руды. В долгосрочной перспективе это представляет еще большую угрозу лесам и экосистемам, чем вырубка в прежние времена.

Шведское железо

Углем, необходимым для производства железа, нас снабжают леса прошлого, а сама железная руда появилась благодаря организмам, жившим еще раньше. Почти вся железная руда, добываемая нами сегодня, ведет свое происхождение от ржаво-красных запасов оксида железа, появившихся на дне океана, когда начался процесс фотосинтеза и океаны заржавели, – это случилось примерно 2,5 миллиарда лет назад[82]82
  Arndt et al. (2017).


[Закрыть]. Сегодня эти месторождения в виде горизонтальных слоев располагаются близко к поверхности, а потому подходят для открытой разработки. Закрывающие железную руду землю и породу извлекают и откладывают в сторону: огромные машины выламывают руду из гигантских ям на поверхности, имеющих форму чаши, – это одни из крупнейших сооружений, созданных человеком.

Так как железо – столь часто встречающийся химический элемент, также существуют месторождения руды, образовавшиеся другими способами. Одно из самых важных находится в Скандинавии. Туда можно добраться на поезде из Осло – сначала в Стокгольм, а затем двигаться на север чуть больше 15 часов. И город Кируна, и ведущую в него железную дорогу построили для того, чтобы добывать железо из породы, которая находится на севере Швеции[83]83
  История Кируны, а также ее значение для Гитлера: T. Weper, «Jernmalmen i Kiruna ble det svenske gullet», Illustrert Vitenskap Historie 3 (2010): 50–53.


[Закрыть].

Богатые месторождения железной руды в той области, где сегодня располагается город Кируна, известны давно. Тем не менее эта часть Северной Швеции вплоть до конца XIX века пребывала в запустении. Из-за высокого содержания фосфора в железной руде для мирового рынка она была практически бесполезной, однако, когда был открыт способ извлечения фосфора из железной руды, шведская руда превратилась в пользующееся спросом сырье.

Перевозка руды в санях на оленях с отдаленного месторождения в Кируне до порта Лулео в Ботническом заливе могла занять несколько дней. Часто зимой нарастал толстый слой льда, а потому руду приходилось сваливать на суше до тех пор, пока вода не очистится и не появится возможность перевезти груз дальше в Европу. Поэтому весной 1898 года шведский риксдаг принял решение проложить железную дорогу, которая свяжет Кируну и с Лулео, и норвежским портом Нарвик. Благодаря крупным вложениям руду можно поставлять на мировой рынок круглый год. Строительство привлекло тысячи шведов, норвежцев и финнов, стремившихся заработать денег в шахте, на строительстве железной дороги, ну или с помощью занятий другого рода, сопровождающих подобную деятельность, – в сфере ремесел, торговле спиртным или проституции. После скромного начала Кируна быстро превратилась в настоящий город, где были и школы, и больницы, и пожарные части.

Железную дорогу достроили в 1902 году, и Кируна утвердилась как важный для всей Европы источник железной руды. Одним из крупнейших покупателей была Германия, а накануне Второй мировой войны от этих поставок Гитлер зависел полностью. Из Кируны шло больше половины железа, необходимого для производства танков, бомбардировщиков и оружия для немецкой армии. Захватив 9 апреля 1940 года и Норвегию, и Данию, Германия обеспечила безопасность линий поставок, и перевозка грузов из Кируны в Германию шла вплоть до 1944 года, пока ее не остановили союзники[84]84
  О важности железа из Кируны для Гитлера также говорится в Википедии, «Swedish Iron-Ore Mining During World War II», обновлено 31 марта 2018 г., en.wikipedia.org/wiki/Swedish_iron-ore_mining_during_World_War_II, и в книге Jacobsen A. R. Krysseren Blücher 9. April 1940. Vega forlag, 2011. (Русский перевод: Якобсен Альф. Крепость Оскарсборг против крейсера «Блюхер». 9 апреля 1940 г.: Начало войны во фьордах Норвегии / Пер. с норв. С. А. Машкова-Хоркина. М.: Весь мир, 2020.)


[Закрыть].

Железо Кируны – из магмы, которая когда-то в прошлом проникла в земную кору[85]85
  Как образовалась залегающая под Кируной железная руда: Robb (2005).


[Закрыть]. Пока магма медленно остывала в полостях, созданных в породе ею самой, образовались кристаллы содержащих железо минералов, и они опустились на дно магматического бассейна. Так железо отделилось от других химических элементов, содержащихся в магме. Сегодня в глубине породы дно древнего магматического бассейна резко идет под уклон. Поэтому Кируна – один из немногих в мире крупных железных рудников, где руду выкапывают под землей. В глубине породы в пластах руды пробуривают большие тоннели, пока порода не треснет, – руда падает сверху, раскалывается при падении, ее грузят в машины и вывозят на поверхность. Там содержащие железо минералы сортируют и грузят в железнодорожные вагоны.

Когда породу выкапывают и она обрушивается на глубину, неизбежно возникают трещины, распространяющиеся в направлении поверхности. Сейчас трещины под Кируной дотянулись так далеко, что центр города скоро опустится в испещренную тоннелями породу. На нынешнем месте город больше оставаться не сможет. Церковь и некоторые отдельные исторические здания поставят на колеса и перевезут на более твердую почву. Они окажутся среди недавно построенных школ, магазинов и жилых зданий, предназначенных для всех тех людей, кому скоро предстоит собирать вещи[86]86
  Перемещение Кируны: F. Perry, «Kiruna: The Arctic City Being Knocked Down and Relocated Two Miles Away», Guardian, 30 июля 2015 г., theguardian.com/cities/2015/jul/30/kiruna-the-arctic-city-being-knocked-down-and-relocated-two-miles-away. График уже начавшегося перемещения можно найти на сайте: kiruna.se/stadsomvandling.


[Закрыть].

От руды – к металлу

По-прежнему каждый день из Кируны в Нарвик прибывают несколько груженных рудой поездов[87]87
  Bane NOR, «Ofotbanen», banenor.no/Jernbanen/Banene/Ofotbanen.


[Закрыть]. В Нарвике руду грузят на корабли и отправляют на металлургические предприятия, расположенные по всему миру. Сегодня Китай – крупнейший в мире производитель железа, за ним идут Япония и Индия[88]88
  USGS (2018).


[Закрыть].

На металлургических предприятиях железную руду вместе с углем нагревают в гигантских плавильных печах. Уголь отдает электроны железу и забирает кислород. По мере того как температура в печи растет, минералы, которых не должно быть в готовом металле, начинают плавиться. Эта жидкая масса называется шлаком, и с железной руды его можно слить или счистить. В конце процесса руда превращается в вязкий, напоминающий губку комок передельного чугуна, содержащий большое количество углерода из угля[89]89
  Производство железа: Gilchrist (1989).


[Закрыть].

Раньше предметы изготавливали именно из такого железа. Чугун били молотом, чтобы извлечь как можно больше оставшегося в нем шлака. Затем кузнец раскалял железо и с помощью молота и наковальни ковал оружие и инструменты. Скандинавские викинги получали такие комки чугуна в печах, специально построенных на фермах, а железную руду привозили с окрестных болот[90]90
  Руда из болот Скандинавии: L. Skogstrand, «Det første jernet», обновлено 26 октября 2017 г., Norgeshistorie.no, norgeshistorie.no/forromersk-jernalder/teknologi-og-okonomi/0405-det-forste-jernet.html; Store Norske Leksikon, «Jernvinna», обновлено 12 декабря 2016 г., snl.no/jernvinna.


[Закрыть]. Для достижения наилучших результатов кузнецу нужно было уметь контролировать температуру, подавать воздух и бить по железу молотом.

Позже оказалось, что качество металла улучшается, если расплавить его еще раз. Железо, содержащее много углерода и других примесей, остается в жидкой форме при температуре, достаточно низкой для того, чтобы разлить железо по формам. Это чугун – самый дешевый из производимых сегодня металлов. На кухне он существует в виде кастрюль и сковородок, а в промышленности – в огромном количестве деталей машин.

Кованое железо, которое мы видим в черных декоративных оградах и люстрах, получают в результате плавки передельного чугуна с известью и другими веществами, способствующими удалению как можно большего количества примесей в шлак. По мере очистки железа растет температура плавления. Когда железо больше невозможно держать в жидкой форме в печи, его можно извлечь, отбить и выковать. Из кованого железа сделана Эйфелева башня, строительство которой завершилось в 1889 году[91]91
  Применение передельного чугуна, чугуна и кованого железа: Street and Alexander (1990).


[Закрыть].

Вожделенная сталь

Наиболее вожделенный вид железа сам по себе является символом прочности. Характеристики вроде «стальные ноги и руки» или «стальные нервы» производят внушительное впечатление. Сталь – металл с очень низким содержанием углерода, его количество не превышает примерно одной сотой части. Производство стали было очень дорогим вплоть до конца XIX века, когда благодаря техническому развитию стало возможно ее масштабное производство[92]92
  Производство стали, до XIX в. дорогостоящее, структура и свойства: Street and Alexander (1990).


[Закрыть]. До этого сталь предназначалась для самых важных предметов, таких как мечи и эластичные стальные пружины.

Хотя углерода в стали содержится мало, она все равно является сплавом железа и углерода. Сплав – это металл, состоящий из смеси двух или более химических элементов. Он может обладать качествами, совершенно отличающимися от тех, что свойственны каждому элементу по отдельности. Это не тот случай, когда мы, смешав соль и сахар, получаем сладко-соленую массу. Прочная сталь состоит из железа (в чистой форме оно мягкое, эластичное и не очень-то подходит для изготовления инструментов) и углерода – его мы знаем как крошащийся графит в карандашах, которыми мы пишем. Также в сталь для придания особых свойств добавляют ряд других химических элементов. Сталь становится легче и прочнее благодаря небольшому количеству таких металлов, как ванадий и молибден, – они есть в разводных ключах и многих других инструментах, хранящихся у нас в кладовке. Благодаря хрому стали не так-то легко заржаветь – наряду с никелем и марганцем он содержится в нержавеющих столовых приборах, которыми я пользуюсь во время ужина[93]93
  Ванадий, марганец, молибден, хром и никель в стали: NRC (2008); Sverdrup and Ragnarsdóttir (2014).


[Закрыть].

Чтобы понять, почему определенный материал ведет себя именно таким образом, нужно узнать, как связаны друг с другом его атомы. Если взять кусочек чистого железа и рассмотреть под микроскопом с большим увеличением, мы увидим, что металл состоит из большого количества мелких кристаллов, пустот между которыми нет. К сожалению, в обычный микроскоп атом железа рассмотреть невозможно, но, если бы у вас была возможность, вы бы увидели, что в каждом кристалле атомы железа располагаются ровными рядами.

Если вы попытаетесь согнуть прут из чистого железа руками, один ряд атомов с легкостью проскользнет мимо соседнего. Как только вы перестанете прикладывать силу, атомы, остановившись на новом месте, больше никуда не сдвинутся. Когда вы выпустите прут из рук, он, в отличие от стальной пружины, к изначальной форме не вернется. От размера кристаллов в металле зависит то, сколько сил придется приложить, чтобы прут согнулся. На месте соприкосновения кристаллов ряды атомов стоят под разными углами, что препятствует скольжению. Поэтому проще согнуть железный прут с крупными кристаллами, чем с мелкими.

В жидком металле, помещенном в плавильную печь, атомы углерода и железа тщательно перемешиваются. Когда расплавленная масса остывает, начинают образовываться кристаллы чистого железа. Железо, в отличие от углерода, отделяется от жидкого металла, поэтому доля углерода в расплавленной массе увеличивается. Это продолжается до тех пор, пока температура в печи не снизится настолько, что оставшаяся смесь железа и углерода не удерживает жидкую форму. Образуется новое вещество, карбид железа, на четверть состоящий из атомов углерода, а на три четверти – из атомов железа. Пространство между кристаллами железа слой за слоем заполняется, соответственно, карбидом железа и чистым железом. Получившийся твердый металл состоит из смеси эластичных кристаллов чистого железа и слоистого прочного материала, содержащего углерод.

Сталь пользуется столь высоким спросом из-за сочетания прочности и эластичности. Благодаря эластичности перегруженный стальной мост не рухнет без предупреждения. Вместо этого он слегка наклонится, а прочности после этого не потеряет. Сегодня одна из важнейших сфер применения стали – армирование бетонных конструкций. Бетон выдерживает большой вес, но легко трескается, если попытаться его согнуть или растянуть. Стальные стержни в армированном бетоне сопротивляются силам, которые сгибают или растягивают конструкцию, в то время как бетон выдерживает большие нагрузки, под которыми одна лишь стальная арматура не выдержала бы и согнулась.

Проблема ржавчины

Сталь решает множество наших задач, однако не раз и навсегда. Применение железа – это вечная борьба с силами природы. Когда мы производим из железной руды металл, мы тратим много энергии на то, чтобы атомы железа вошли в состояние, в котором они на самом деле быть не хотят.

Все мы видели, как на сверкающем металле автомобильного капота или велосипедной рамы со временем появляются пятна пористого красного вещества. Это ржавчина – результат того, что атомы железа вновь получили шанс отдать свои электроны кислороду. Здесь, на земной поверхности, это предпочтительная для железа форма. Поэтому люди тратят много денег и сил на то, чтобы противостоять образованию ржавчины, или коррозии, и ликвидировать повреждения, возникающие в тех случаях, когда коррозия неизбежна[94]94
  Люди тратят огромные суммы денег (5 % ВВП, США, 1978) на борьбу с образованием ржавчины и ремонт вызванных ею повреждений: E. McChafferty, Introduction to Corrosion Science, Springer, 2010.


[Закрыть].

Хотя железо и кислород охотно обмениваются электронами, для реакции необходима вода. Поэтому первая – и самая простая – защита от ржавчины следующая: предотвратить контакт поверхности железа с водой[95]95
  Как образуется ржавчина и методы борьбы с ней: Street and Alexander (1990).


[Закрыть]. Эйфелеву башню, построенную из кованого железа, регулярно красят, обновляя покрытие на всех поверхностях каждые семь лет. Так башня остается целой и невредимой с момента постройки уже более ста лет.

Покраска – простой, но не всегда практичный метод. На столовых приборах, которыми мы пользуемся во время ужина, краска никому не понравится – она облупится и смешается с пищей. Мы пользуемся нержавеющей сталью, сплавом железа и хрома, – в результате реакции между сталью и содержащимся в воздухе кислородом на металле образуется плотная оболочка из непроницаемого материала. Эта оболочка мешает кислороду вступать в реакцию с железом. Поверхность обычной, не нержавеющей стали тоже ржавеет, однако ржавчина образует пористый слой, который отваливается крупными кусками, а потому ничего не мешает реакции продвигаться вглубь.

Производство нержавеющей стали, если сравнивать с обычной, обходится намного дороже. Поэтому нержавеющую сталь не применяют для строительства крупных объектов, таких как корабли, мосты или нефтяные платформы. Конструкции, которые полностью или частично находятся в воде, иногда невозможно защитить с помощью краски. На корпус корабля поверх стали помещают кусочки цинка или магния, чтобы вместо железа ржавели эти металлы. Такие кусочки металла называют гальваническими анодами. Они работают до тех пор, пока состоят из металлов, которые более активно отдают свои электроны, чем железо.

Иногда проще принять тот факт, что предметы ржавеют. Некрашеным стальным сваям необходимо придавать дополнительную толщину, чтобы они не сломались, даже если их поверхность проржавеет. По расчетам, за сто лет во влажной земле проржавеют четыре миллиметра, а за сто лет в морской воде или в тех областях, куда попадают брызги, – 30 миллиметров[96]96
  Стандарты коррозийной устойчивости (дополнительная толщина стальных свай, позволяющая компенсировать неизбежно возникающую ржавчину: Norsk Standard, Eurocode 3: Design of Steel Structures – Part 5: Piling, NS-EN 1993–5:2007+NA: 2010.


[Закрыть].

Наша инфраструктура создается с учетом потерь. Проржавевшее железо смоют потоки дождя. Краска истирается, ее смывает вода и сдувает ветер. Гальванические аноды из цинка, алюминия и магния растворяются и исчезают в морях. Вдобавок мы теряем железо, когда оно изнашивается. Затупившееся острие ножа приходится точить, счищая тонкий слой материала. Острые зубцы велосипедного зубчатого колеса стачиваются во время эксплуатации. Материал зубцов становится пылью на обочине дороги, и со временем вода унесет его в реки, а в конечном счете и в океан.

Тем не менее предметы из стали предназначены для длительного пользования, что и происходит. Нержавеющие столовые приборы прослужат минимум 100 лет[97]97
  Я говорю так потому, что столовые приборы из нержавеющей стали, возможно, прослужат «почти вечно» и появились на рынке примерно 100 лет назад: M. Miodowink, «Stainless Steel Revolutionised Eating After Centuries of a Bad Taste in the Mouth», Guardian, 29 апреля 2015 г., theguardian.com/technology/2015/apr/29/stainless-steel-cutlery-gold-silver-copper-aluminium.


[Закрыть], а мосты, железнодорожные пути и небоскребы можно эксплуатировать 50–150 лет[98]98
  Срок службы стальных конструкций: Sverdrup and Ragnarsdóttir (2014).


[Закрыть]. Поэтому у нас есть значительный, увеличивающийся запас железа, которое после эксплуатации можно переработать и использовать повторно в новых конструкциях.