Текст книги "Другая история науки. От Аристотеля до Ньютона"

Автор книги: Дмитрий Калюжный

Соавторы: Сергей Валянский
сообщить о нарушении

Текущая страница: 16 (всего у книги 57 страниц) [доступный отрывок для чтения: 21 страниц]

Углерод = С

Несмотря на полное отсутствие конкретных сведений о том, кто, где и когда открыл простые вещества, относительно одного из них можно утверждать, что именно оно было обнаружено и использовано первым. Русское слово уголь и латинское карбо образованы от древнейшего корня кар, которым обозначалось горение. Только у славян этот кар превратился в жар, гол (уголь) и гор (горение).

Огонь первобытных людей оставил после себя вещественный след в виде слоев окаменевшей золы и окаменевшего пепла. В карстовой пещере в окрестностях Пекина толщина такого слоя достигала нескольких метров.

Сначала жгли дерево, затем обнаружили, что если из дерева выжечь все лишнее, кроме того, что мы нынче называем углем, получится топливо, дающее значительно больше тепла и в обращении более удобное, чем дрова. Технология производства угля изложена в «Естественной истории» Плиния Старшего, и она ничем не отличается от той, какой углежоги пользуются и по сей день: дрова складывают неплотной кучей, как для костра, затем засыпают землей, оставляя отверстия, достаточные, чтобы шло обугливание, но недостаточные для полного сгорания углерода.

Почему именно углерод – в виде угля – оказался первым элементом, который удалось найти и использовать? Не мог ли в принципе опередить его какой-нибудь другой элемент? Дело в том, что углерод повсеместно имеется в виде угля. Было бы просто невероятно, чтобы люди уже на заре цивилизации не встречались с ним чуть ли не на каждом шагу, как встречаются, кстати, до сих пор.

Сера = S

Слово сера лингвисты производят от цира, санскритского слова, означающего светло-желтый цвет. Однако, судя по тому, что серой называют и другие горючие вещества, например смолу, главной особенностью серы очень давно стала для человека ее горючесть и способность образовывать при горении сильно пахнущий дым.

Не существует каких-либо сведений о том, когда именно люди начали использовать серу. Но можно предположить, что это произошло еще до ознакомления с металлами. Во всяком случае, ничто не мешало человеку сделать это еще тогда, когда он вел пещерный образ жизни. Случайно попав в очаг, светло-желтый камешек загорался и наполнял пещеру удушливым дымом, вынуждая ее обитателей бежать прочь. А когда через некоторое время дым рассеивался, они, вернувшись, бывали приятно поражены исчезновением всех насекомых. Вероятно, такое случалось не раз, пока люди не распознали, в чем тут дело, и не стали разыскивать и сжигать серу специально, развешивая над очагом одежду. При этих процедурах могли обнаружить и отбеливающее действие сернистого газа на ткани.

В древности люди использовали в основном самородную серу. Народы Средиземноморья получали ее из Сицилии; «рудником» служил кратер вулкана Этна.

Получали серу и из руд. У Агриколы так написано про этот процесс: «Если руда очень богата серой, ее зажигают на широком железном листе с множеством отверстий, через которые сера вытекает в горшки, наполненные доверху водой».

Медь и ее сплавы = Cu

Открытие металла произошло во времена каменного века. Занимаясь поиском подходящих пород камней, а затем наблюдая за изменением формы самородков под ударами твердых камней, люди пришли к мысли использовать их для изготовления мелких украшений путем холодной ковки. Позже начали ковать самородки меди с предварительным отжигом. Поэтому общепринято мнение, что с древности и до начала широкого использования железа наибольшее значение в материальной культуре человечества играли медь и ее сплавы с другими цветными металлами.

Медная сковорода

Но холодной ковкой можно было придать форму лишь малым по величине предметам – шилам, булавкам, проволоке, крючкам, наконечникам стрел, ножам, требовавшим лишь небольшой ковки и шлифовки. Получение же листов из самородной меди таким способом невозможно, она просто растрескивается. Нам здесь важно, что в древнейших слоях, где были найдены первые медные предметы, не оказалось никаких гончарных черепков. Следовательно, хорошими печами тогда еще не располагали, плавить и тем более выплавлять медь из руды не могли. Легко сделать вывод, что медные орудия и украшения были изготовлены из найденных самородков.

Большинство имевшихся на поверхности земли медных самородков было превращено в изделия за тысячи лет до нас, однако и в новые времена попадались многотонные самородки меди.

Одним из ранних названий металла было эс – слово, родственное индийскому айас, что означало руду. Между прочим, и теперь по-немецки руда обозначается сходным словом эрц. Поскольку первые рудники нашли на Кипре и оттуда развозили готовый продукт в разные страны, медь стали называть эс киприум, металл с Кипра. Потом слово киприум в произношении заменилось на купрум, потом отбросили эс и стали всякую медь называть просто купрум. Очевидно, что эти наименования-переименования произошли тогда, когда было уже не просто мореплавание, а торговое мореплавание.

Следующим этапом освоения металлов стал отжиг меди, а позже – восстановление ее из руд. Первым металлургическим горном мог быть костер, но температура древесного огня около 700 °C, а для восстановления меди из карбонатной руды – малахита требуется температура не ниже 700–800 °C. А при отжиге меди плавление происходит при температуре не ниже 1084 °C.

Таким образом, гипотеза открытия металлургии меди в результате случайного попадания кусков руды в костер не верна. Для любой, пусть самой примитивной металлургии нужна печь с искусственным дутьем. А первые такие печи были созданы для гончарного производства. И вот не найдено ни одного культурного слоя – ни в Африке, ни в Азии, ни в Европе, ни в Америке, где были бы остатки металлургического производства в виде шлаков, но не было черепков. Напротив, есть множество находок керамики, датируемых более ранними веками, где нет и следов металлургии.

Мы уже говорили, что путь узнавания нового сложен и случаен. Ну не было у людей знаний! Какие же случайности встречаются в гончарном производстве, использующем печь, настолько часто, что это могло привести к обнаружению плавки металла? Это – восстановление металла из веществ, нанесенных на стенки гончарного изделия для их раскраски. Мы знаем, что это за вещества. Прежде всего, основные карбонаты меди – малахит и лазурит, а также сульфид ртути, киноварь. Все это яркие минеральные краски: зеленая, синяя, красная. А нанесение цветных узоров на изделия из керамики – один из древнейших видов искусства.

Случайно обнаружив кусочки металла, получившиеся на стенках горшков после их обжига, люди начали плавить их специально.

Плавку производили в печах примитивного типа: глиняный тигель с рудой и углем помещался в неглубокую ямку с насыпанным поверх слоем древесного угля. В этих случаях могла быть достигнута температура, необходимая как для восстановительной плавки руды, так и для получения расплава меди, то есть не ниже 1084 °C.

В опытных плавках, проведенных по восстановлению меди при более низкой температуре, не выше 700–800 °C, она получалась лишь в губчатой форме, непригодной для непосредственного использования; полученный продукт необходимо было подвергать дополнительному нагреву в отдельном тигле для плавки. А малахит, основная руда для получения меди, при такой температуре лишь кальцинировался, превращаясь в окись меди.

В Египте первые предметы из меди датируют IV тысячелетием до н. э., хотя вблизи Каира найден кусок медной руды, который, по всем данным, был обработан даже в V тысячелетии до н. э. и относится к меднорудному месторождению на Синайском полуострове. В погребениях этого времени были найдены несколько бусин из свернутой узкой медной полоски и иглы для закрепления погребальных ковриков.

Египтолог А. Лукас считает, что самые древние образцы медных изделий в Египте изготовлены не из самородной меди, а из меди, полученной восстановительной плавкой малахита. О применении же минерала малахита в Египте еще до начала использования самородного металла свидетельствуют обнаруженные там древнейшие малахитовые изделия. Кроме того, древнее население Египта использовало косметическую малахитовую пасту как краску для век; малахитом же окрашивали стены жилищ.

Топор-секира из мышьяковой бронзы

Колокольчик из мышьяковой бронзы

Новейшими исследованиями установлено, что многие древние медные и бронзовые предметы, найденные в различных регионах Старого света – в Германии, Испании, Португалии, изготовлены не из чистой меди, а из медно-мышьяковых сплавов, причем в тех областях, где не было месторождений оловянных руд, мышьяковистую медь производили в большом количестве достаточно долго. Но среди древнейших предметов, найденных в Юго-Восточной Азии, пока нет ни одного, который был бы изготовлен из медно-мышьяковых сплавов. Факты, подобранные и проанализированные И. Р. Селимхановым, свидетельствуют о преднамеренном введении мышьяка в медный сплав, а не о случайном его попадании туда.

Присутствие в меди 0,5–8% мышьяка улучшает ее ковкость в холодном состоянии, дает возможность получить более плотные отливки в рельефных литейных формах. Кроме того, по сравнению с чистой медью, плавящейся при температуре 1084 °C, медь, легированная мышьяком, плавится при более низкой температуре. К тому же изделия из мышьяковистой меди по твердости мало уступают оловянистой бронзе. Только при содержании мышьяка выше 8 % пластичность сплава ухудшается, и он становится хрупким.

Первоначально мышьяковые минералы – золотистый аурипигмент и ярко-красный реальгар – могли привлечь внимание человека как магические средства, в частности потому, что красные минералы с древнейших времен наделялись волшебными свойствами. Причем предположение о применении древними плавильщиками реальгара и аурипигмента было подтверждено многочисленными опытными лабораторными плавками.

Да и скажем прямо: плавильщик не мог не заметить, что присадка этих минералов дает сплав лучшего качества и что при изменении доли добавляемых минералов получаются сплавы различных цветов. В дальнейшем такое резкое изменение окраски и свойств металла при введении малых добавок стало несомненно одним из источников, питавших алхимические представления о трансмутации металлов и о «философском камне», малое количество которого «совершенствует» большое количество металла.

Два слова о латуни. Латунь (желтая медь) представляет один из самых полезных и наиболее употребляемых сплавов. Главные составные ее части – медь и цинк – обыкновенно находятся в отношении около 2 частей меди к 1 части цинка.

Но цинк был открыт только в XVI столетии, а латунь изготавливали много раньше. Готовилась она с помощью восстановительной плавки меди с галмеем, который, как полагали, обладал свойством окрашивать медь в желтый цвет. Этот способ практиковался также и в Средние века и удержался вплоть до начала ХХ века.

Латунь тверже, чем медь, и, следовательно, труднее изнашивается; она очень ковка и вязка и потому легко прокатывается в тонкие листы, плющится под ударом молотка, вытягивается в проволоку или выштамповывается в самые разнообразные формы; она сравнительно легко плавится и отливается при температурах ниже точки плавления меди. Наконец, она имеет красивый желтый цвет и отлично полируется. Некоторые считают, что ее использовали для имитации золота. Одна беда: она со временем чернеет.

Впервые латунь могла быть получена случайно при выплавке меди из руд, содержащих цинк, или при намеренном добавлении окиси сульфида или других соединений цинка в медную шихту.

Бесспорные письменные свидетельства о латуни и латунных изделиях в Египте цитирует Лукас. Считается, что в Древнем Риме при Августе из латуни чеканили монету.

Золото = Au

По своей распространенности самородная медь далеко превосходит все другие металлы, встречающиеся в самородном виде: золото – в сто раз, серебро – в пятьсот, об остальных и говорить не приходится. Вот и познакомились люди сначала с медью, потом с золотом и лишь много позже с серебром.

И все же золото было одним из первых металлов, использованных человеком в быту наряду с медью.

В древности его добывали обычно из аллювиальных песков и гравия, представляющих собой продукты разрушения золотоносных пород, которые в течение длительного времени дробились речными потоками. Позже его добывали также из жил, пронизывающих кварцевые породы; такое золото называется «жильным».

Добыча жильного золота в Египте описана греческим автором Агатархидом, которого традиционная история относит ко II веку до н. э., но оригинал его труда не дошел до наших дней.

Агатархид, посетивший золотые рудники в Египте, видел, как добывают золото. Сначала раскалывали скалу, в которой находились жилы, затем обломки породы нагревали огнем, резко охлаждали водой и дробили кирками и молотами непосредственно в шахтах. Раздробленную породу извлекали из шахты, толкли в больших каменных ступках «до величины гороха», а потом мололи в ручных мельницах до мелкого порошка. Для отделения золота полученный порошок промывали водой на наклонной плоскости и, наконец, отмытое золото сплавляли в небольшие слитки.

Совсем недавно на местах древних рудников добычи золота обнаружены мельницы, дробилки и остатки каменных столов для обработки измельченной золотоносной породы, а вообще на территории Египта найдено около ста древних разработок золота в кварцевой породе. По-видимому, для извлечения золота использовались породы, содержащие не менее десятых долей процента золота. Во времена Агриколы, в XVI веке, низший предел содержания золота в породе для рентабельной его добычи составлял 0,188 %, а сейчас с успехом используются породы, содержащие даже 0,0001 % золота.

Золото, широко встречающееся в природе в самородном состоянии, редко бывает химически чистым. Основные примеси в больших концентрациях – серебро и медь, в небольших – другие металлы, в том числе и железо. Как показали современные анализы, основной примесью в природном египетском золоте было серебро, содержание которого в добываемом золоте составляло в среднем 15–18 %. Иногда на поверхности египетских золотых предметов можно заметить включения серебра в виде разбросанных светлых пятен.

Результаты химического анализа некоторых древних египетских золотых изделий свидетельствуют, что золото не подвергалось рафинированию, то есть специальной очистке. Но в более поздние времена очистка золота уже безусловно производилась. Согласно Агатархиду, в Древнем Египте процесс рафинирования проводили нагреванием золота со свинцом, оловом, солью и ячменными отрубями. Видимо, при этом процессе полностью удалялось серебро, о выделении которого не сообщается.

Процесс извлечения золота с помощью ртути сообщает Плиний Старший. Согласно его описанию, руду, содержащую золото, дробили и смешивали с ртутью, затем породу отделяли от ртутно-золотой смеси фильтрацией через кожаный (замшевый) фильтр, а золото получали из получившейся амальгамы, выпаривая ртуть. Правда, в нашей версии хронологии Плиний Старший – автор Средневековья, а впрочем, и описанный им метод получения золота широко применялся в Средние века. Даже более того: считается, что золочение с помощью ртутного амальгамирования было освоено достаточно поздно, а именно в раннем Средневековье.

Цвет золота зависел от содержания естественных (природных) или искусственно введенных примесей: меди, серебра, мышьяка, олова, железа. Древние ремесленники принимали все эти сплавы золота за разновидности самого золота.

В древности изделия из золота изготовляли путем ковки или литья, что было легче, чем литье меди, температура плавления которой на 20o выше, чем золота.

Широко применялось, особенно в Египте, листовое золото – фольга, которой покрывали самые различные предметы, как металлические, так и деревянные. Например, фольгу накладывали (и укрепляли с помощью пайки) на медь, бронзу, серебро; покрытие золотом изделий из меди спасало их от коррозии. Золотой фольгой покрывали деревянную мебель. Уже в античности (то есть раньше XIV века) листовое золото шло на изготовление зубных коронок.

В Египте широко применялись изделия из природного сплава золота с серебром, который египтяне называли азем, греки – электрон, а римляне – электрум. Полагали, что он назван так из-за своего светло-желтого цвета, напоминающего янтарь, который греки также называли электроном. Причем А. Лукас полагает, что сплав электрон был известен ранее янтаря, который получил свое название благодаря цветовому сходству с этим сплавом.

Светло-желтый цвет золото приобретает, если содержание в нем серебра достигает 20 % и более. А в Египте были месторождения золота с содержанием серебра даже более 30 %. Поэтому древнейший электрон был природным. Широкое его распространение в Древнем мире, особенно в Египте, объясняется его лучшими механическими свойствами по сравнению с чистым золотом: он тверже, прочнее и меньше подвергается износу, особенно при трении.

Серебро = Ag

О давнем знакомстве человека с серебром свидетельствует само его название, сходное во многих языках: русское серебро, немецкое зильбер, английское сильвер… То есть название металлу было дано еще до разделения диалектов единого праиндоевропейского языка.

Хотя кларк у серебра в 15 раз больше, чем у золота, в виде самородков оно встречается гораздо реже. Это, а также менее заметный цвет – самородки серебра обычно покрыты черным налетом сульфида – обусловило более позднее открытие его человеком. По этой же причине серебро было более редким и поначалу более ценным, чем золото. А кстати, мы можем предположить относительную молодость латинского названия серебра – аргентум, что означает белое; это слово, очевидно, было приложено к уже хорошо известному белому металлу.

Итак, сначала в руки людей попадал только самородный металл, он был крайне редок и дорог. Но затем положение изменилось, и самым радикальным образом. Что произошло? Второе открытие серебра в прямой связи с добычей свинца из соединений, где свинец и серебро встречались вместе; археологические находки двух этих металлов синхронны. Вероятно, это второе открытие было двухступенчатым.

Первая ступень. Проводя очистку золота расплавленным свинцом (подробнее об этом расскажем в главе о свинце), в некоторых случаях вместо более яркого, чем природное, золота получали металл более тусклый. Но зато его было больше, чем исходного металла, который хотели очистить. Это и был электрон греков.

Вторая ступень. Обнаружив такое приятное «прибавление» золота, древние металлурги попытались выделить золото непосредственно из тех свинцовых руд, которые давали прибавку. Каким образом могли они это сделать? Да тем же самым, каким они выделяли очищаемое золото из сплава со свинцом. Сначала свинцовый блеск (природный сульфид свинца) обжигали; получался окисел, который в присутствии угля восстанавливался до металла. Расплавленный свинец продолжали нагревать, одновременно продувая над ним воздух. Свинец окислялся, на поверхности расплава образовывалась желтая пленка глета, ее удаляли и снова продолжали процесс. Постепенно весь свинец превращался в глет. (Потом свинец восстанавливали из полученного глета обычным путем, так же как из свинцовой руды, – прокаливанием с углем.) Кстати, и все прочие сопутствующие свинцу неблагородные металлы окислялись и уходили в ту же пленку. А когда пленка уже не образовывалась, мастера переставали раздувать мехи и жечь уголь.

Расплав постепенно остывал и оказывался не свинцом, не золотом, а еще более драгоценным в те времена металлом – чистым серебром. Вероятно, открытие было многократно повторено. И серебра сразу стало намного больше, чем золота. Ведь свинцовых руд сравнительно много, и нередко свинцовый блеск содержал значительные – до 5 и более процентов – примеси сульфида серебра. В более позднее время этот процесс мог служить одним из истоков алхимических представлений о «совершенствовании» металлов.

В течение длительного времени из серебра изготовлялись различные предметы украшения, ювелирные изделия – бусы, кольца, перстни, в том числе перстни-печати, вазы, сосуды, фурнитура для одежды и даже для дверей. Из серебра, как и из золота, изготовлялись тонкие листы и фольга, которыми покрывались некоторые деревянные предметы. Остатки тонкого листового серебра сохранились на одеяниях царя и царицы, изображенных на троне Тутанхамона, а также на полозьях ларца и ковчегов в гробнице.

Позднее серебро широко использовалось для чеканки монет.

Для коммерческих и торговых целей серебро применялось в различных видах: массивные кольца, бруски, слитки, крупные куски металла, плитки, проволока, небольшие обрубки различной формы. Серебром иногда спаивали медные изделия.

В быту серебро почти повсюду появилось позднее меди и золота, а в некоторых регионах – незадолго до появления железа. Лукас считает, что впервые серебро попало в руки человека в виде самородных золото-серебряных сплавов с содержанием золота менее 50 %. Он подтверждает это анализами древнеегипетских серебряных изделий, которые все содержат золото, иногда до 38 %.