Текст книги "100 великих научных открытий"

Химия

Медь и бронза

Какой металл первым вошел в жизнь людей? Золото? Серебро? Железо? Нет, это была медь: ее нашли 6000 лет назад. Правда, в то время наши предки орудовали каменными топориками и костяными ножами, потому находкой не особо заинтересовались. Однако со временем древний человек разочаровался в материалах, из которых мастерил свои инструменты: камень был очень тяжелым, а кость часто ломалась. Довелось искать что-то иное, попрочнее да полегче, и тут на помощь пришел необычный минерал – желто-красный, с зеленцой, еще и блестящий.

Это оказалась медь – точнее, медная руда, но люди приняли ее за камень и попытались делать с ней то же, что с обычными камнями: придавать нужную форму, многократно откалывая по кусочку. Результат получался неожиданный: мягкая медь гнулась, принимая самые причудливые формы, и становилась тверже. Значит, из нее можно что-то выковать, сообразили древние мастера. Потом кто-то случайно сунул породу в огонь, она стала плавиться, и людей осенило: в таком состоянии из материала можно ковать все, что угодно, – хоть наконечники копий, хоть крючки для ловли рыбы, хоть бусы и браслеты. Да, медные ножи выходили не такими крепкими, как костяные и каменные, зато затачивать их не составляло труда, да и починить можно было на раз-два, вместо того чтобы делать новые.

Кроме того, оказалось, что из податливой меди очень удобно ковать тонкие, острые лезвия, которым каменные аналоги и в подметки не годились. Медным топором древний дровосек мог срубить довольно-таки толстое дерево втрое быстрее, чем каменным. Медная пила справлялась с распиливанием ствола на бревна в 20 раз быстрее каменной, а скорость обработки досок медным ножом вдесятеро превышала скорость строгания каменным инструментом.

Постепенно люди привыкали к работе с медью, экспериментировали с ней, выковывая такие орудия, о которых раньше и помыслить не могли, а те помогали им осваивать новые занятия, делали их жизнь удобнее и проще. Так на смену каменному веку пришел медный.

Раньше всех с медью подружились народы, населявшие территорию Турции, – именно там археологи нашли самые древние предметы из красного металла, возраст которых составлял 7―8 тысячелетий. Жители Месопотамии – одной из самых развитых ранних цивилизаций Ближнего Востока – начали мастерить медные украшения в VI-м тысячелетии до н. э. Через тысячу лет добывать и использовать медь научились египтяне, китайцы и балканские народы, затем к обработке красного металла подключились европейцы, а за ними – индейцы Южной Америки.

Впрочем, о местонахождении древнейших залежей меди ученые спорят до сих пор. Если отталкиваться от латинского названия меди – купрум, можно предположить, что первые залежи были обнаружены на греческом острове Кипр, где добыча этого металла велась с III-го тысячелетия до н. э. Однако в израильской долине Тимна было выявлено месторождение, на тысячу лет старше кипрского, к тому же, по прикидкам археологов, именно там впервые отлили слиток из красного металла. Когда-то даже поговаривали, будто рудники Тимны – это те самые легендарные копи мудрого царя Соломона, откуда добывался материал для изготовления монет, посуды, дворцового декора и прочих составляющих монаршего богатства. Но потом эту гипотезу отбросили: Соломон жил в Х в. до н. э. – в то время горнодобывающие работы в долине уже были остановлены.

Как-то раз один кузнец попробовал расплавить в специальной печи, устроенной по принципу гончарной, медную руду с небольшой примесью олова. Каково же было удивление мастера, когда на выходе он получил металл, в разы тверже и крепче меди! Поработав с новым металлом, кузнец заметил, что плавится он быстрее меди и при этом становится менее вязким, благодаря чему из него можно отливать весьма сложные, тонкие, изысканные изделия, которые легко шлифуются. В итоге из сплава меди с оловом при сравнительно небольших усилиях получались очень интересные и качественные вещи, поэтому кузнец специально стал смешивать эти металлы, и вскоре его примеру последовали другие мастера. Новый материал назвали бронзой, а новую эпоху, начало которой ознаменовалось повсеместным использованием сплава, – бронзовым веком.

На протяжении 2 тысячелетий кузнецы наперегонки старались улучшить технику изготовления бронзовых изделий. Если поначалу жидкий металл заливали в грубые глиняные или песочные формы, рассчитанные всего на одно использование, то позже были изобретены долговечные каменные формы. Правда, и те и другие были открытыми, словно детские «пасочки», потому предметы в них получались плоскими. Чтобы избавиться от такого досадного недостатка, мастера придумали делать двусторонние формы, закрывающиеся по принципу раковины моллюска. В такую форму металл заливался через крошечное отверстие, а когда изделие остывало и становилось твердым, форму раскрывали.

Следующим этапом стало изготовление восковых муляжей, которые лепились по образу и подобию желаемой вещи, а затем обмазывались глиной и обжигались. В раскаленной печи воск вытекал, а опустевшая форма застывала. Поскольку такая форма в мельчайших подробностях повторяла все детали будущего изделия, готовый продукт уже не требовал никакой обработки и выглядел очень добротно. Ну а когда кузнецы научились клепать, паять и сваривать, у них появилась возможность создавать настоящие бронзовые шедевры.

В общем, медь и бронза сослужили людям добрую службу не только в быту и в военном деле, но также в творчестве. И хотя сейчас в нашем распоряжении имеется много разных материалов, мастера до сих пор отливают бронзовые скульптуры, а из меди выковывают украшения и посуду.

Золото

О существовании этого волшебно красивого желтого металла, словно позаимствованного Землей у Солнца, люди узнали в глубокой древности – более 5 тысячелетий назад, еще в ту эпоху, когда все предметы быта и оружие делались из камня. Однако древний человек быстро оценил преимущества золота: из него легко можно было выковать любую вещь, оно не портилось ни в воде, ни при долгом пребывании на воздухе, не билось и вдобавок роскошно выглядело.

В 1972 г. обычный болгарский рабочий Райчо Маринов рыл траншею в городе Варна, чтобы проложить подземный кабель, как вдруг заметил в ковше что-то блестящее. Присмотревшись, Райчо ошеломленно присвистнул: вместе с грунтом ему попались настоящие золотые украшения и ритуальные фигурки вроде амулетов. Вещицы явно были старинными, потому Маринов отнес их археологам. Те сразу же приехали на место, где был найден клад, и провели тщательные раскопки, которые привели их к древнему, 5,5-тысячелетнему захоронению. Рядом со скелетами людей в могильнике лежали рабочие инструменты, луки, копья, булавы, бусы и прочие интересные предметы – все из золота.

Вслед за народами, населявшими территорию Болгарии, золотодобычей занялись египтяне, китайцы, индусы и жители Месопотамии, но, поскольку отделять чистый металл от примесей они еще не умели, в их золотых вещах оказывалось немало медных и серебряных добавок. В чистом виде золото впервые получили египтяне, для которых желтый металл символизировал солнечное божество, однако случилось это не раньше VI в. до н. э. Египтяне верили, будто небесная богиня Нут каждое утро рождает золотого теленка – Солнце, а тот трансформируется в солнечного бога Ра, который за день объезжает небосвод на своей колеснице, и вечером Нут глотает его, чтобы на следующее утро снова произвести на свет теленка.

У греков было собственное золотое мифическое животное – барашек, который спас детей богини неба и земного царя от их злой мачехи. Барашек должен был переправить царевича и его сестру в Колхиду (сейчас это территория Грузии, Абхазии, Аджарии, Турции), но девочка по дороге утонула, и выжить удалось только мальчику. Выполнив миссию, барашек сбросил свою золотую шкуру, чтобы его пассажир подарил руно царю Колхиды. Впрочем, надолго шкурка там не задержалась. Через некоторое время греческий герой Ясон вместе с командой аргонавтов выкрал золотое руно, умертвив его охранника – страшного дракона, – и драгоценность вернулась в Элладу.

Высокий статус, присвоенный золоту изначально, сделал этот металл объектом кровопролитных сражений. К примеру, ассирийцы, не желая ограничиваться торговлей с египтянами и честной прибылью за свои товары, отвоевали часть египетских земель и обложили местное население данью – конечно же, в виде желтого металла. Потом на завоеванное ассирийцами золото позарились персы, а у них сокровища отобрал правитель греческой Македонии – всем известный Александр. Но и греки не смогли удержать чужое добро: соседи-римляне отбили у них все запасы желтого металла, после чего пошли войной на Карфаген, чтобы захватить еще и места золотодобычи, расположенные на территории современной Испании.

Уже в нашу эру повсеместную охоту за солнечным металлом затеяли сами испанцы. Прослышав о том, что города индейцев инков буквально стоят на золоте и купаются в нем, испанский колонизатор Франсиско Писарро собрал команду таких же отчаянных, как он, солдат и направился прямиком в Южную Америку, где жили инки. Последние не преклонялись перед золотом – для них это был всего лишь «солнечный пот», который использовался так, как у нас применяется алюминий, то есть для изготовления всяческой домашней утвари и разных безделушек. Однако испанцам рассказали, будто у индейцев и дома золотые, и улицы вымощены золотом, и растения сделаны из него же. Поэтому, прибыв на южноамериканский континент, колонизаторы немедленно пленили инкского вождя Атауальпу и пригрозили убить его. Атауальпа не растерялся и предложил Писарро в обмен на освобождение заполнить золотом всю камеру, где его держали в заключении, а соседнюю дважды наполнить серебром. Франсиско согласился, и индейцы принялись сносить в камеру золото, но в какой-то момент испанцы запаниковали и прикончили вождя. Разгневанные инки забрали все сокровища и перепрятали их в недоступном месте. По слухам, там были сотни килограммов, а может быть, и тонн благородного металла!

Постепенно жаждущие золота старатели открывали одно месторождение за другим, попутно исследуя чужие земли, возводя там города, внедряя элементы цивилизации. Так, к концу XVIII в. была освоена почти вся территория Южной и Центральной Америки, тогда же золотоносные реки обнаружились в России, и мир охватила «золотая лихорадка»: старатели потоком хлынули на север Америки и рьяно принялись намывать из песка золотые крупинки. Затем были основаны Соединенные Штаты Америки (в Калифорнии нашлась свежая золотая жила), заселены Австралия и Южная Африка – разумеется, ради разработки тамошних месторождений.

Между тем с началом золотодобычи люди заинтересовались природой благородного металла. Во времена Средневековья этим вопросом озадачились алхимики: очень уж хотелось им узнать, из чего «сделано» золото, как его использовать, а самое важное – как производить в искусственных условиях. Загадочные алхимические эксперименты породили множество слухов и небылиц о возможности превращать любые металлы в драгоценный желтый. Для этого якобы нужно было лишь добавить «совершенное» золото к менее ценному «собрату», и тот сразу же становился благородным.

Впоследствии профессиональные химики развеяли этот миф: хотя золото действительно взаимодействует только с металлами (благодаря чему и не темнеет при контакте с кислородом из воздуха), последние не превращаются в него, а лишь укрепляют. Дело в том, что золото, несмотря на очень большую массу, относительно мягкое, поэтому использовать его в чистом виде неудобно: изделия легко царапаются и деформируются. Из чистого золота имеет смысл изготовлять только монеты: чтобы распознать подделку, достаточно попробовать такую денежку «на зуб» – на желтом металле следы останутся, а сплав не изменит формы. Что же касается тех вещей, которым лишние вмятины и царапины не нужны, то их спасают смеси золота с медью или серебром. Впрочем, мягкость и податливость золота позволяют работать с ним без предварительного плавления (а плавится желтый металл при очень высокой температуре, превышающей 1000 °С, и при этом зеленеет). Более того, с помощью обычного кузнецкого молота можно расплющить золото до толщины в тысячную долю миллиметра, поэтому желтым металлом удобно покрывать ювелирные украшения, элементы декора, стекла домов, самолетов и кораблей (он отражает инфракрасные лучи). А еще делать из него проволочки для микросхем: золото отлично проводит ток.

То, что желтый металл, с одной стороны, не портится со временем, не ломается и внешне сильно отличается от прочих металлов, а с другой – сложно добывается и вообще очень редкий, превратило его в универсальную валюту, ценную в любом уголке мира. Золото покупают и продают, золоту отводят роль денег, присваивая каждой обычной денежной единице то или иное количество желтого металла, золотые слитки передают на хранение банкам… Так что «солнечный» металл не только исполняет роль символа власти и богатства, но и активно участвует в экономических отношениях между странами.

Железо

Железо в прямом смысле слова свалилось людям на голову – в составе метеорита. Осколки небесного тела были найдены 5 тысяч лет назад жителями Египта и Шумера – они-то и обнаружили, что кусочки этой породы представляют собой металл, более твердый, чем уже известные в то время медь, олово и золото. Данное свойство определило название металла: «железо» («залізо») на праславянском языке означало «камень, скала». А латинское «феррум» восходит к словам из санскрита, переводящимся как «твердеть» и «крепкий, тяжелый». Правда, в метеоритной породе был еще и никель, который укреплял мягкое железо, но древние об этом не знали. Обрадовавшись находке, они принялись плавить новый металл и ковать из него кинжалы, бусы, браслеты, а также разнообразные подвески в оправе из… золота. Поскольку последнее родилось на Земле, а железо было ниспослано небом, шумеры и египтяне посчитали «крепыша» божественным подарком и оценили выше желтого металла.

Однако во II тысячелетии до н. э. выяснилось, что в земных недрах железо тоже есть, только существует оно не самостоятельно, а в составе руд: бурого железняка, болотной руды, шпата, гематита и пр. Первыми выплавлять железо из руды и обрабатывать его научились хатты – народ, населявший территорию современной Турции. Когда во владения хаттов вторглись воинственные соседи хетты, какой-то местный кузнец подарил хеттскому царю железный трон и скипетр. Вскоре завоеватели и сами научились управляться с дивным металлом, более того, впервые изготовили из него боевую колесницу собственной конструкции, а также придумали много новых видов оружия (сам фараон Египта попросил однажды хеттских мастеров выковать ему железный кинжал). Очевидно, именно это и стало залогом непобедимости хеттов.

Чуть позже, в I тысячелетии, был изобретен еще один способ выплавлять железо. Авторство данного метода принадлежит халибам: этот народ жил на побережье Черного моря, где было много магнетитового песка, состоявшего из мелкой крошки разных пород. Так вот, халибы добывали железо именно из него, а не из руды. Песок тщательно промывался, затем смешивался с древесным углем и плавился в специальных печах. В итоге получалась очень прочная нержавеющая форма железа – сталь, которую греки в честь ее создателей назвали халибасом.

Коренное население Америки о железе и слыхом не слыхивало аж до Средневековья: индейцам для жизни с лихвой хватало меди, которой полнились недра их земель, а добычу «крепыша» развернули уже бледнолицые пришельцы из Европы. Между тем в Африке о меди ничего не знали – ее там попросту никогда не было, зато за тысячу лет до нашей эры местные наткнулись на железные руды и быстренько придумали, как превращать породу в металл. Уже тогда в Африке были сооружены первые плавильные печи, являвшие собой конусообразную глиняную башню с ямой внутри.

Конечно, жители Черного континента не догадывались, что железо производить далеко не так просто, как медь, а вот европейским мастерам было с чем сравнивать. Если медная руда не требовала никаких дополнительных условий, кроме высокой температуры в печи, то железную приходилось нагревать сильнее, причем вместе с углем и непременно в ветренном, хорошо вентилируемом месте. Но даже при соблюдении всего этого материал получался пористым, ломким и с кучей лишних примесей.

А потом случайно обнаружилось, что много жара и не нужно – главное, найти хорошее горючее, да побольше: в этом плане железо более прихотливо, чем медь, которой достаточно и малого количества любого топлива. Новый способ плавки потребовал печей, построенных по особой технологии: сначала на возвышении или открытой поляне рыли конусообразную яму в метр глубиной и выкладывали ее глиной, устойчивой к высоким температурам; вокруг ямы возводили наклонную стену, сходящуюся к центру, но с отверстием вверху; внизу же по периметру проделывали несколько отверстий, через которые в печь поступал воздух. Такие печи получили название «горн», а сам метод добычи железа был назван сыродутным. Процесс начинался с поджигания угля на дне ямы. На этот уголь выкладывался еще одни слой угля и слой руды. Когда горн раскалялся до 1300 °С, руда превращалась в крицу – рыхлую мягкую массу, состоящую из железа с разными шлаковыми примесями и угольными частичками. Кузнец вынимал крицу и хорошенько отбивал ее молотом, чтобы сделать плотнее и очистить от примесей. Полученный металл снова накалялся в горне, после чего еще раз тщательно проковывался – и становился чистым железом с незначительной добавкой углерода.

Впрочем, позже оказалось, что чистое железо – не идеальный вариант: несмотря на пластичность и податливость ковке, оно слишком мягкое. Вот тогда-то и вспомнили о халибах, которые делали сплавы железа с приличной долей углерода. Поэкспериментировав с температурой в печи, мастера определили, что при более высоких значениях количество углерода на выходе растет – образуется новый металл, чугун, очень твердый, но… ломкий. Такой металл нельзя было бить молотком: он годился лишь для тех изделий, которые отливались в формах. Значит, нужно чуть убавить количество углерода в сплаве, решили металлурги. И попробовали нагревать чугун вкупе с разными железными сплавами либо с природным газом. Так металл дополнительно обогащался железом, и ему уже не страшен был молот. Однако для пущей прочности его закаливали: разогревали докрасна, а потом опускали в воду. Вот этот материал – сталь – уже прекрасно подходил и для ковки, и для штамповки прессом, и для сколь угодно острой заточки.

Впоследствии процесс производства совершенствовался, появлялись новые печи, но в целом принцип ковки, разработанный еще до нашей эры, использовался вплоть до ХХ в. Этот способ позволял производить очень прочный металл, пригодный для изготовления кинжалов, сабель, копий, различных хозяйственных инструментов, деталей транспортных средств и прочего.

Таким образом, металлургия получила статус чуть ли не главной промышленной отрасли, а железо стало неотъемлемой частью человеческой жизни. До 30-х годов XIX в., пока один студент-химик не изобрел спички, его применяли даже для разжигания огня. Чтобы высечь искру и поджечь трут, в роли которого выступал сушеный гриб-трутовик, сухая кора, трава или ткань, нужно было стукнуть по кремню железной кованой пластинкой с двумя загогулинами с одной стороны и отверстием посередине. Эта пластинка так и называлась – кресало.

Кроме того, в позапрошлом столетии было обнаружено, что железо содержится в каждом из нас – в составе крови – и что только благодаря ему кровь красная. Первым это выяснил французский химик Франсуа Мари Рауль – открытие поразило его настолько, что он надумал изготовить из собственной крови колечко для возлюбленной. Закрывшись в лаборатории, Франсуа планомерно выпускал из вены кровь, а затем, добавляя в красную жидкость разные химические элементы, путем сложных реакций выделял оттуда железо. Конечно, если бы отчаянный химик знал, что того количества железа, которое присутствует во всем объеме человеческой крови, хватит разве на крошечную булавочную головку, то наверняка не взялся бы за столь рискованный эксперимент. Однако он не знал этого, потому скончался от анемии раньше, чем закончил работу. Его изыскания побудили других химиков и медиков изучать свойства крови и потребности организма в железе.