Занимательная геохимия. Химия земли: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Алхимики также знали, что каждому металлу соответствует своя «земля», или «известь», и умели при помощи кислот эти «извести» (или, как мы говорим теперь, — «окислы») получать из всех металлов. Но они думали, что «извести» — более простые тела, а металлы — это соединения «известей» с «флогистоном», особым летучим началом огня.

«Филозофическая рука» алхимиков

Нужны были гений и трудолюбие Ломоносова и Лавуазье, чтобы доказать, что, наоборот, «ртутная известь» — сложное тело, состоящее из ртути и только что открытого Пристли газа кислорода, и что вес этого газа в точности равен прибавке в весе «ртутной земли». Годы этого открытия (1763–1775) по справедливости считаются годами начала современной химии и крушения алхимических фантазий, которые давно уже мешали научному изучению природы.

К этому времени было известно несколько десятков элементов: еще в 1669 году Бранд открыл фосфор, а в середине XVIII века были открыты кобальт, никель и научились из «цинковой земли» получать металл цинк. Наконец в 1748 году в Америке Антонио Улоа описал новый, похожий на серебро металл — «серебришко», или платину.

Но настоящая ревизия всех «простых» тел началась только в последней четверти XVIII и начале XIX столетия. В 1774 году были открыты кислород и хлор, и через десять лет, разлагая воду током от гальванических батарей, Кавендиш открыл водород и выяснил состав воды.

Дальнейшие открытия элементов шли закономерно: брали природное новое тело и разлагали его на составные части. В ряде случаев наталкивались на новые элементы. Так были открыты марганец, молибден, вольфрам, уран и цирконий, а также ряд других элементов.

В 1808 году Дэви усовершенствовал электролиз, а русский ученый Якоби усилил мощность тока и научился при помощи керосина и минеральных масел защищать продукты электролиза от окисления. Так были получены щелочные металлы в чистом виде, — были открыты калий, натрий, кальций, магний, барий и стронций.

За 14 лет, с 1804 по 1818 год, было открыто 14 элементов (кроме тех, о которых мы говорили, были открыты: йод, кадмий, селен и литий). За ними последовали бром, алюминий, торий, ванадий и рутений. А потом следует перерыв: нужны были новые методы исследований, старые уже исчерпали свои возможности.

Лишь когда в 1859 году был открыт спектральный анализ, снова последовали открытия, теперь уже таких элементов, которые были близки по свойствам к ранее изученным и не могли быть от них отличены старыми научными методами. Были открыты: рубидий, цезий, таллий, индий, эрбий, тербий и некоторые другие. Когда Д. И. Менделеев в 1868 году открыл свой знаменитый закон, ему уже было известно 60 элементов.

С этих пор наука получила твердую уверенность в существовании тех или иных элементов.

Оказалось, что у каждого элемента есть в таблице свое место, общее число всех элементов ограничено и пустые клетки — это еще не открытые элементы.

Для трех из них — экаалюминия (клетка № 31), экасилиция (клетка № 32) и экабора (клетка № 21) — Менделеев предсказал главные физические и химические свойства. Его предсказание блестяще подтвердилось, когда эти элементы были открыты. Экабор был назван скандием, экаалюминий — галлием, а экасилиций — германием.

Однако не следует думать, что прежде всего человечеству стали известны элементы, часто встречаемые в земной коре, а редкие — потом. Ничего подобного. Например, золота, меди и олова в земной коре очень мало, в то же время это были первые металлы, с которыми познакомились люди и которые были использованы в технической культуре. А между тем олова в среднем в земной коре несколько миллионных долей, меди — несколько десятитысячных, а золота так даже одна-две миллиардных.

И в то же время самые распространенные в земной коре элементы, как, например, алюминий, составляющий 7,45 % земной коры, были открыты очень поздно; алюминий еще в начале XX столетия считался редким металлом.

Причина здесь кроется в другом, а именно, насколько легко металл образуется в самородном виде и часто ли встречаются скопления с преобладанием этого металла, так называемые месторождения.

Способность собираться, концентрироваться в одном месте — вот что облегчило открытие и использование металлов в технике для потребностей человечества.

Открытие каждого нового элемента знаменует начало изучения его свойств, сперва химиками в лаборатории. Это, так сказать, первое знакомство. При этом химики ищут особенности элемента, его отличительные, оригинальные черты.

Например, разве не любопытно, что удельный вес лития — 0,53, так что этот металл плавает даже в бензине? А у осмия, наоборот, — 22,6, так что он в сорок раз тяжелее лития. Разве не любопытно, что галлий плавится всего при 30 °C, но температура кипения его (2300°) лежит далеко за пределами тех высоких температур, которые обычно употребляются в технике. «Что же тут любопытного?» — спросите вы. Попробуем рассказать.

Сначала о галлии. Применяя высокий нагрев в лабораториях и на заводах, инженеры и химики всегда хотят знать, до какой температуры нагревается проба или изделие. Конечно, прежде всего надо измерить температуру. Но вот беда: до 360° измерить очень просто, но при более сильных нагревах возникают затруднения: ртуть при 360° кипит, и ртутные термометры не годятся. А вот галлий годится. Если взять тугоплавкое кварцевое стекло и наполнить градусник расплавленным галлием, то таким термометром можно мерить температуру почти до 1700°, а галлий еще и не думает кипеть. Если найти более тугоплавкие стекла, то можно измерить температуру и в 2000°.

Теперь о весе. Вес, тяжесть — нечто гнетущее, прижимающее к земле. Вес сопротивляется движению, скорости, подъему на неизведанные высоты. А человек хочет двигаться быстро по земле, хочет летать по воздуху, как птица. Для этого надо победить тяжесть, и человек ищет легких и прочных конструкций, легкого и прочного материала. И вот особенно подходящими оказались два металла: алюминий с удельным весом 2,7 и магний, удельный вес которого 1,74.

В современном самолете большая часть его деталей состоит из алюминия, или, вернее, из его сплавов с медью, цинком, магнием и другими металлами. Но такое господствующее положение алюминий приобрел не сразу, а в упорной борьбе за улучшение своих качеств — прочности, твердости, упругости и устойчивости против огня и окислителей. Когда были преодолены трудности получения металлического алюминия, то он первым делом завоевал кухню. Легкие и чистые неокисляющиеся кастрюли, ложки и кружки — вот на что были истрачены первые его запасы. В технике его вначале не применяли, — да и куда, казалось, годится этот мягкий, не особенно прочный, не паяющийся, легкоплавкий металл? Алюминий завоевал мир только после того, как был изготовлен дюралюминий — твердый сплав, полученный «кухонным способом»: в тигель с алюминием добавляли попеременно различные металлы, и каждый новый сплав исследовался на прочность и другие качества.

Никто не мог в то время объяснить, почему 4 % меди, 0,5 % магния и незначительные примеси других металлов превратили мягкий, податливый алюминий в чудесный дюраль, прочный и способный закаливаться, как сталь. Замечательные свойства дюралюминия проявляются не сразу, и это значительно облегчает и упрощает его обработку. После закалки дюраль остается мягким еще несколько дней. За это время он «набирается сил», пока внутри сплава происходит перемещение медных частиц, образующих скелет дюралюминия. Но имеются и другие сплавы, которые кое в чем даже лучше дюраля. Таков, например, русский кольчугалюминий, по прочности превосходящий дюраль.

Внедрение дюраля и других легких сплавов имеет колоссальное значение для всех видов транспорта. Вес вагона метро или трамвая, сделанного из алюминия, на треть меньше, чем изготовленного из стали. В стальном трамвайном вагоне на одно пассажирское место приходится около 400 килограммов мертвого веса. А если металлическую конструкцию трамвая выполнить из алюминия, то вес на пассажирское место снизится до 280 килограммов.

История магния очень любопытна: он, можно сказать, был открыт два раза. Первый раз его открыл Дэви, и с тех пор он более ста лет считался одним из самых бесполезных металлов. Он шел лишь на елочную пиротехнику, в виде лент и порошка. Но в XX столетии было обнаружено, что этот «игрушечный» металл обладает такими замечательными свойствами, что его применение может вызвать настоящий переворот в различных областях техники.

Алюминий дал человеку настоящие крылья. Но человеку мало только летать — ему надо летать как можно дальше. И вот, если вес металла, из которого сделан самолет, сделать еще легче, скажем, на 20 %, то это лишняя тонна бензина в запасе и, стало быть, лишние тысячи километров полета. Но где же найти металл более легкий, чем алюминий?

И вот вспомнили про магний. Ведь его удельный вес 1,74 г, то есть на 35 % меньше, чем алюминия. Однако у магния нет тех качеств, которые нужны для строительного металла, то есть крепости и в особенности сопротивляемости к окислению; магний даже кипящей водой разлагается, отнимая от нее кислород и превращаясь в белый порошок — окись магния. Да и на воздухе он горит лучше дерева. Но конструкторы и химики не пришли в отчаяние: они знали, что сплавы — вот что поможет им найти металл с нужными свойствами. И действительно оказалось, что самые небольшие прибавки меди, алюминия и цинка лишают магний горючести и придают ему прочность, равную прочности дюраля. Все сплавы, содержащие более 40 % магния, называются электронами. В электроны, кроме магния, входят еще алюминий, цинк, марганец и медь.

И вот теперь, в XX веке, магний был открыт второй раз и сразу же завоевал себе прочное место как металл самолетостроения. Особенно обширно его применение для авиамоторов. Их части из магниевых сплавов обладают большой прочностью и неутомимостью.

Разве металлы «устают»? К сожалению, да. Стальная пружина, разгибаясь и сгибаясь сотни тысяч раз, теряет упругость, становится хрупкой и ломается — «устает». Вал мотора, «старея», ломается. И вот техника открыла, что некоторые сплавы «неутомимы»; и у них атомы разных металлов так хорошо подошли друг к другу, что, несмотря на удары, сцепление их не ослабевает. Таковы сплавы с магнием.

Конечно, одно самолетостроение не исчерпывает всех возможностей использования магния. Он широко применяется в автомобилестроении. Инструменты и части машин из магниевых сплавов отличаются большой прочностью и легкостью: они в пять-шесть раз легче стальных при той же, а иногда и большей прочности.