Текст книги "«Открытия и гипотезы» №2, 2012"
Автор книги: авторов Коллектив
Жанры:
Газеты и журналы
,сообщить о нарушении
Текущая страница: 6 (всего у книги 8 страниц)
ПОЧЕМУ РЖАВЕЕТ ГВОЗДЬ?
НЕИЗВЕСТНОЕ ОБ ИЗВЕСТНОМ
*********************************************************************************************
Ржавый гвоздь, ржавый мост, ржавый забор, ржавый корабль. Почему все железное ржавеет и что же такое ржавчина?
Наряду с ответами на эти вопросы, попробуем ответить на другой: – Как с ней можно бороться?
«Наука и жизнь»
*********************************************************************************************
Давайте вспомним, откуда берется железо или, например, алюминий. Правильно, их выплавляют из руды – железной, марганцевой, магниевой, алюминиевой и др. Металлы в рудах содержатся в основном в виде оксидов, гидроксидов, карбонатов, сульфидов, то есть в виде химических соединений с кислородом, водой, серой и пр.
В природе в металлическом, или свободном состоянии в основном можно встретить лишь золото, платину, иногда серебро. Эти металлы устойчивы, то есть не стремятся (или слабо стремятся) образовывать химические соединения. Наверное, по этой причине они получили название благородных.
Что же до подавляющего большинства металлов, то чтобы они находились в свободном состоянии, их надо восстановить из природных рудных соединений, то есть выплавить. Выходит, выплавляя металл, мы переводим его из устойчивого состояния в неустойчивое. Вот он и стремится вернуться в исходное состояние – окислиться. Это и есть коррозия – естественный для металлов процесс разрушения при взаимодействии с окружающей средой. Частный случай коррозии – ржавление – образование на железе гидроксида железа Fe(OH) 3. Этот процесс может протекать только в присутствии влаги (воды или водяных паров).
Но почему же тогда не рушатся в одночасье мосты, не рассыпаются мгновенно самолеты и автомобили? Да и кастрюльки со сковородками не превращаются на наших глазах в рыжий, черный или серый порошок. К счастью, реакции окисления металлов протекают не столь стремительно. Как и любой процесс, они идут с определенной скоростью, порою очень небольшой. Более того, есть много способов замедлить коррозию.
Плечо друга
Вы замечали, что на нержавеющей стали не бывает ржавчины, хотя ее основу составляет то же самое железо, которое при окислении (в присутствии воды или водяного пара) превращается в рыжий мохнатый гидроксид. Тут есть одна хитрость: нержавеющая сталь – это сплав железа с другими металлами. Введение в металлические сплавы элементов для придания им тех или иных свойств называется легированием.
Основной легирующий элемент, который добавляют к обычной (углеродистой) стали, чтобы получить нержавеющую, – хром. Этот металл тоже стремится окислиться, что он с успехом и делает гораздо охотнее и быстрее, чем само железо. При этом на поверхности нержавеющей стали быстро образуется пленка из оксида хрома.
В отличие от рыхлой ржавчины компактный темный оксид хрома не дает агрессивным ионам окружающей среды проникать к поверхности металла, то есть оксид попросту прикрывает собой металл, и процесс коррозии прекращается. Такие оксидные пленки называются защитными. В нержавеющих сталях хрома должно быть строго определенное количество, но не менее 13 %. Кроме хрома в нержавеющие стали часто добавляют никель, молибден, ниобий и титан.
Благодаря защитным пленкам многие металлы неплохо выдерживают воздействие различных сред. Возьмем, к примеру, алюминиевую кастрюльку, в какой кипятят молоко или варят манную кашу.
Обычно такая кастрюлька не блестит, подобно хрому или нержавеющей стали, и имеет слегка белесый цвет. Дело в том, что на алюминии, как и на других металлах, на воздухе всегда образуется белесая оксидная пленка (оксид алюминия), которая отлично защищает металл от коррозии. Такие пленки называются пассивными, а металлы, на которых они самопроизвольно образуются, – пассивирующимися. Если же алюминиевую кастрюльку почистить металлической щеткой, налет исчезнет и появится металлический блеск. Но очень быстро поверхность вновь покроется пленкой оксида алюминия и станет белесой.
Укрощение активных
Перевести металл в пассивное состояние можно принудительным образом. Например, железо помимо незащитных гидроксида железа или же низших оксидов (закиси и закиси-окиси) при определенных условиях образует высший оксид – окись железа (Fe 2О 3). Этот оксид неплохо защищает металл и его сплавы при высоких температурах на воздухе, он же (одна из его форм) «ответственен», как считают специалисты, за пассивное состояние железных сплавов во многих водных средах.
Устойчивость нержавеющей стали в крепкой серной кислоте связана именно с пассивированием стали в этой весьма агрессивной среде. Если же поместить нержавейку в слабый раствор серной кислоты, сталь начнет корродировать.
Парадокс объясняется просто: крепкая серная кислота обладает сильными окислительными свойствами, благодаря чему на поверхности нержавеющей стали образуется пассивирующая пленка, а в слабой кислоте не образуется.
В случаях, когда агрессивная среда недостаточно «окислительная», используют специальные химические добавки, помогающие образованию на поверхности металла пассивной пленки. Такие добавки называют ингибиторами или замедлителями коррозии.
Не все металлы способны образовывать пассивные пленки, даже принудительно. В этом случае добавление в агрессивную среду ингибитора, напротив, удерживает металл в «восстановительных» условиях, в которых его окисление подавляется (оно энергетически невыгодно).
Жертвоприношение
Искусственно поддерживать металл в «восстановительных» условиях можно и иным способом, ведь не всегда есть возможность добавить ингибитор. Возьмем, к примеру, обычное оцинкованное ведро. Оно сделано из углеродистой стали, а сверху покрыто слоем цинка. Цинк – более активный металл, чем железо, значит, он охотнее вступает в химические реакции. Поэтому цинк не просто механически изолирует стальное ведро от окружающей среды, но и «принимает огонь на себя», то есть корродирует вместо железа.
Похожим способом нередко защищают днища кораблей. Только их не покрывают сплошным слоем цинка, марганца или алюминия – это было бы очень дорого, да и сложно, а прикрепляют к днищу солидный кусок более активного металла (протектора). В итоге протектор разрушается, а днище корабля остается целым и невредимым.
Для подземных коммуникаций «восстановительные» условия создают с помощью электрохимической защиты: накладывают на защищаемый металл отрицательный (катодный) потенциал от внешнего источника тока, так что на металле прекращается процесс окисления.
Однако зачем нужно столько разных сложных способов защиты металлов? Разве нельзя просто покрасить металл или нанести на него эмаль?
Во-первых, все покрасить невозможно. А во-вторых… Возьмем для примера эмалированную кастрюлю или автомобиль. Если кастрюля, вырвавшись из рук, с грохотом упадет на пол и отшибет себе эмалированный бочок, то под отколовшейся эмалью будет зиять «черный глаз», края которого постепенно окрасятся в предательский рыжий цвет – скол покроется ржавчиной. Не лучшая судьба ждет и автомобиль, если вдруг в его лаковом боку (а чаще на стыке с днищем) образуется небольшая дырочка в слое лака. Этот канал поступления к корпусу агрессивных агентов – воды, кислорода воздуха, сернистых соединений, соли – немедленно заработает, и корпус начнет ржаветь. Вот и приходится владельцам автомобилей делать дополнительную антикоррозионную обработку.
Невидимый злодей
Так, может, проблема коррозии металлов решена? Увы, не все так просто. Любые коррозиестойкие сплавы устойчивы только в определенных средах и условиях, для которых они разработаны. Например, большинство нержавеющих сталей отлично выдерживают кислоты, щелочи и очень «не любят» хлориды, в которых они часто подвергаются местным видам коррозии – язвенной, точечной и межкристаллитной. Это очень коварные коррозионные разрушения. Конструкция из красивого, блестящего металла без намека на ржавление может однажды рухнуть или рассыпаться. Все дело в мельчайших точечных, но очень глубоких поражениях. Или же в микротрещинах, не видимых глазом на поверхности, но пронизывающих буквально всю толщу металла. Не менее опасно для многих сплавов, не подверженных общей коррозии, так называемое коррозионное растрескивание, когда внезапно конструкцию пронизывает огромная трещина. Такое случается с металлами, испытывающими длительные механические нагрузки – в самолетах и вертолетах, в различных механизмах и строительных конструкциях.
Крушение поездов, падение самолетов, разрушение мостов, выбросы газа и разливы нефти из трубопроводов – причиной подобных катастроф нередко становится коррозия. Чтобы ее укротить, предстоит еще много узнать о сложнейших природных процессах, происходящих вокруг нас.
Т. Зимина,к-т химических наук
УДИВИТЕЛЬНЫЙ КЕТЧУП
*********************************************************************************************
Группа физиков под руководством Сяна Чэна из Корнеллского университета (США) обнаружила, что высокая вязкость кетчупа, краски и других тягучих жидкостей возникает из-за хаотичного движения частиц и крупных молекул в их составе. Если такую жидкость размешать или встряхнуть, то быстрые молекулы воды или других растворителей увлекают за собой тяжелые частицы и «подавляют» броуновское движение, из-за чего их густота уменьшается.
Вязкость «обычных» жидкостей, таких как вода или спирт, не зависит от внешних условий. В отличие от них, псевдопластичные жидкости – кетчуп, кровь или краска – теряют присущую им густоту при встряхивании, сжатии или любом другом физическом воздействии. Это связано с тем, что такие жидкости очень неоднородны по своему составу и состоят из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры.
Сян Чэн и его коллеги изучили движение отдельных частиц в псевдопластичной жидкости при помощи сверхбыстрого микроскопа. Ученые подготовили специальную смесь из воды и глицерина, в которой они «растворили» небольшое количество шариков из оксида кремния диаметром 0,96 микрометра. Исследователи ввели внутрь этих сфер немного флуоресцирующего вещества, свечение которого можно было обнаружить при помощи микроскопа.
В статье отмечается, что в условиях покоя в искусственном «кетчупе» шарики-«молекулы» беспорядочно двигаются и постоянно сталкиваются друг с другом, что является причиной высокой вязкости таких жидкостей. При встряхивании сосуда или при помешивании раствора шарики «кетчупа» увлекаются потоком воды и двигаются в одном направлении с ней, из-за чего броуновское движение утрачивает силу.
Кроме того, авторы статьи смогли понять, почему раствор крахмала – своеобразный антипод кетчупа и краски – густеет при помешивании. Оказалось, что крупные частицы в дилатантных жидкостях – к примеру, зерна песка на мокром берегу моря или крахмал в воде – не «успевают» за быстрыми молекулами воды или других растворителей, сцепляются друг с другом и мешают движению жидкости.
Исследователи полагают, что их открытие поможет биологам лучше понять, как изменяется вязкость крови и лимфы при движении по кровеносной системе организма, а также позволит улучшить качество красок, кетчупов и средств для мытья посуды.
10 ОСНОВНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОВ
*********************************************************************************************
1. Возраст Земли впервые определен в 1956 г. по соотношению различных изотопов свинца в двух железных и трех каменных метеоритах. Линия в координатах 207РЬ/ 204РЬ – 206РЬ/ 204РЬ, проходящая через эти метеориты, определяет возраст и называется геохро-ной. Средний состав земной коры лежит на геохроне, указывая на то, что возраст Земли близок возрасту метеоритов. Самые древние минералы метеоритов имеют возраст -4,6 млрд. лет, а самые древние минералы Земли – возраст ~4,4 млрд. лет.
2. На ранней стадии существования Протоземли происходило объемное плавление. При этом железо мигрировало к центру под действием сил гравитации, что привело к формированию ядра за менее чем 30 млн. лет существования Земли. Кроме железа в ядре присутствует до 15 % более легких элементов, наиболее вероятно, никеля, кремния и кислорода. Внешнее ядро – жидкое, внутреннее – твердое. Конвекция (перемешивание) в жидком металлическом ядре генерирует магнитное поле Земли.
3. Валовый элементный состав Земли соответствует хондритовым метеоритам. Мантия обогащена кремнием относительно исходного состава Земли, а кора обогащена кремнием относительно мантии. Значительная часть коры, главным образом на континентах, сложена богатыми кремнием породами – гранитами. Граниты встречаются и на других планетах, на Луне и астероидах, однако там они крайне редки.
4. Мантия находится в твердом состоянии. При этом мантийное вещество медленно перемещается – конвектирует так, что на промежутках времени в миллионы лет мантию можно моделировать как очень вязкую жидкость. Тектоника плит – свидетельство конвекции.
Максимально известные скорости движения плит составляют порядка 20 см/год.
5. В срединно-океанических хребтах за счет вулканизма непрерывно образуется новая океаническая кора – идет спрединг океанического дна, а в зонах субдукции океаническое дно уходит обратно в мантию, что позволяет объему Земли оставаться практически неизменным. Однако ее внешний вид со временем меняется: литосферные плиты постепенно реорганизуются – соединяются в единое целое, разделяются на части, появляются новые плиты и исчезают старые.
6. Большинство вулканов (как и землетрясений) локализовано по границам больших и малых литосферных плит. При вулканическом процессе породы источника плавятся только частично. В зависимости от степени частичного плавления, температуры, а также состава плавящегося вещества, на поверхность могут изливаться магмы самого разнообразного состава. Доминируют силикатные магмы, среди которых преобладают базальты. Встречаются очень экзотичные магмы – такие как, например, натровые карбонатиты, состоящие из соды (Na 2C0 3) и других карбонатов.
Подавляющее количество землетрясений происходит в пределах хрупкой коры, мощность которой на континентах составляет в среднем -40 км, а в океанах – 10 км. Однако в зонах субдукции землетрясения происходят и на большей глубине, вплоть до 700 км.
8. Энергия радиоактивного распада изотопов 235U, 238U, 232Th и 40К дает не менее половины тепловыделения Земли. Уран, торий и калий сосредоточены, главным образом, в континентальной коре. Примерно 1,8 млрд. лет назад в Африке действовал природный ядерный реактор «Окло».
9. Первые живые организмы на Земле появились по крайней мере 3,46 млрд. лет назад. Расцвет организмов с твердым скелетом начался много позже – 545 млн. лет назад. После этого жизнь была почти на грани исчезновения 5 раз во время так называемых массовых вымираний. Длительность вымираний была очень короткая в геологическом масштабе времени (миллионы лет или меньше).
10. Текущие климатические изменения (потепление -1° за столетие) являются лишь небольшой флуктуацией на фоне климатических изменений в геологическом прошлом. На Земле неоднократно были гораздо более теплые и существенно более холодные, чем сейчас, периоды времени. Однако современная цивилизация развилась в течение последнего периода относительно стабильного климата, и прошлые, более масштабные пертурбации ее не затрагивали.
А. Иванов
СПРИНТЕРЫ И СТАЙЕРЫ
*********************************************************************************************
Исследователи выявили анатомические преимущества спортсменов, специализирующихся на коротких дистанциях, перед стайерами.
Специалисты из университета штата Пенсильвания под руководством Стивена Пьяцци выяснили, что передняя часть стопы у мужчин-спринтеров длиннее, чем у бегунов на длинные дистанции того же роста, а лодыжка расположена ближе к ахиллову сухожилию.
Но самое интересное в другом: эти нюансы строения конечности роднят их с такими рекордсменами по бегу, как гепарды и собаки породы грейхаунд, обеспечивая более эффективную работу сгибателей стопы и других мышц голени.
Удлиненный передний отдел стопы позволяет ноге бегуна дольше оставаться в контакте с землей, сильнее толкаться и лучше ускоряться, подчеркивает один из авторов исследования Джош Бакстер.
Интересно, что ученые не смогли сказать наверняка, являются ли указанные анатомические свойства врожденными (и это способствовало спринтерской карьере) либо появились в результате упорных тренировок. Как замечает г-н Бакстер, эту вариацию проблемы «курицы и яйца» можно решить, наблюдая за подрастающими атлетами.
Хотя работа, результаты которой были опубликованы в журнале The Proceedings of the Royal Society В, сфокусирована на узком вопросе спринтерских способностей, она, по словам г-на Бакстера, вносит свой вклад в изучение механики человеческого движения и может помочь людям с расстройствами опорно-двигательного аппарата.
МОЗГ, ПРЕДСКАЗЫВАЮЩИЙ БУДУЩЕЕ
*********************************************************************************************
Каждый день наш мозг выдает нашему сознанию массу предсказаний: когда приедет автобус, кто постучал в дверь, что произойдет со стаканом молока, который падает на пол, успеем ли мы перейти дорогу и так далее.
Джеффри Закс и его коллеги из университета Вашингтона задались вопросом, какой регион мозга отвечает за все эти предсказания, и провели функциональное магниторезонансное сканирование мозга добровольцев.
В ходе эксперимента здоровые молодые люди просматривали короткие бытовые видеоролики (например, как человек моет посуду, собирает фигуру из конструктора Lego или стирает одежду).
В определенный момент ученые останавливали воспроизведение и просили добровольцев предсказать, что произойдет в следующие несколько секунд, после чего человек досматривал ролик.
В половине случаев исследователи останавливали картинку в момент, когда предсказываемое действие еще не успевало начаться, в остальное время – когда оно уже началось.
Выяснилось, что более чем в 90 % случаев люди оказывались правы в своих предсказаниях, когда действие уже начиналось, и примерно в 80 % случаев угадывали последующие события, если они еще не стартовали.
Более выраженные сомнения и общее падение способности к предсказаниям во втором случае профессор Закс объясняет тем, что добровольцы думали тщательнее, сомневались, действительно ли они знают, что произойдет дальше.
Когда люди пытались угадать будущее действие, и сразу после того как они получали «отгадку», в мозгу добровольцев повышалась активность нескольких участков среднего мозга и, в частности, в черном веществе (substantia nigra), а также в полосатом теле (striatum).
Зачем развилась способность человека предсказывать ближайшее будущее, предположить нетрудно. Индивидууму необходимо было иметь не только быстрые ноги, чтобы убежать от льва, но и «быстрые» мозги, которые были бы способны решить, куда стоит отпрыгнуть, чтобы в следующую секунду не угодить в пасть хищника. Это значимое эволюционное преимущество – иметь возможность чуточку заглянуть в будущее.
«Мы постоянно что-то предсказываем. В большинстве случаев взрослый человек правильно угадывает, что произойдет в следующие несколько секунд, и даже не обращает на это внимание, – поясняет Джеффри. – Но иногда мы ошибаемся, и тогда некоторые области мозга сигнализируют нам о сбое и адаптируются к непредсказуемым изменениям».
Подготовил Н. Полищук
РАЗОБЛАЧЕНИЕ ДЖЕЙМСА БОНДА
РАЗРУШИТЕЛИ ЛЕГЕНД
*********************************************************************************************
В руках Джеймса Бонда, если верить фильмам, самый обычный предмет может оказаться и смертоносным оружием, и невероятным средством защиты. Разрушители легенд решили проверить пару киноисторий, связанных с такими предметами, а именно разобрали на запчасти часы с магнитом, благодаря которым пули «обходили» Бонда, и взрывающуюся ручку.
*********************************************************************************************
В одном из фильмов про знаменитого агента 007, у Бонда были магнитные часы, создающие вокруг супершпиона мощное магнитное поле, в котором пули изменяли свою траекторию и летели мимо.
Чтобы проверить, есть ли в этой истории хоть немного правды, разрушители взяли точно такие же часы, какие агент носил в фильме, выпотрошили их, оставив только корпус, а вместо механизмов поместили мощный электромагнит.
Первые подозрения в том, что возможности таких часов преувеличены, появились у Адама Сэвиджа еще до того, как Разрушители отправились на стрельбище. Пули, как правило, делают из свинца, а он магнитом не притягивается. Но кто его знает, рассудил Адам, может быть, у врагов Бонда были стальные пули, способные пробить броню? И сделал пули из стали.
На полигоне разрушители соорудили импровизированного Бонда, взяв портрет Джеймса Хайнемана и руку манекена, на которую надели чудо-часы. После чего Адам взял в руки пистолет, нажал на спусковой крючок и… пуля вошла точно в сердце «суперагента». На всякий случай было сделано еще несколько выстрелов – с тем же самым результатом.
Тогда Разрушители попробовали взять магнитик помощнее, хотя и в часах он был неслабый – более 500 гаусс (для сравнения: магнитное поле земли – 0,5 гаусса, магнит на холодильник – 10 гаусс, электромагнитный подъемный кран – 10 000 гаусс). Для начала попробовали большой электромагнит в 3200 гаусс – правда, поместить его удалось бы разве что в кремлевские куранты, но никак не в наручные часы. Потом испытали еще более мощные постоянные магниты из редкоземельных металлов (60 000 гаусс).
Увы, не смотря на все усилия, магнитам не удалось заметно повлиять на движение пули. Во всех случаях манекен-«Бонд» погибал смертью храбрых.
После того как «разрушители» разделались с «магнитным» мифом, дошла очередь до взрывающейся ручки – в фильме «Золотой глаз» эта невинная канцелярская принадлежность, наполненная взрывчаткой, разорвала человека на куски.
Адама и Джейми хлебом не корми, только дай что-нибудь взорвать, так что мимо такого зрелища они пройти не смогли и тут же стали воплощать его на практике. На этот раз проверка была суперэкспертной – в ней приняли участие бывшие сотрудники ФБР Фрэнк Дойл и сержант Нельсон. В роли жертв выступили пенопластовые манекены. Марка взрывчатки, которой начинили ручку, не была озвучена по соображениям секретности, но Дойл и Нельсон заверили, что в распоряжении Бонда, судя по всему, было куда менее мощное вещество.
После серии экспериментов было установлено, что манекен разлетелся на части, лишь когда Адам и Джейми сделали особую ручку длиной в полметра и диаметром около 10 сантиметров. Ее с трудом поместили в нагрудный карман, но взрыв получился на славу. От «жертвы» остались только закрепленные на земле «ботинки». Но поскольку такой ручкой никто и никогда бы не воспользовался, мифу был присвоен статус «опровергнуто».
