Текст книги "Я познаю мир. Сокровища Земли"

Автор книги: М. Голицын

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 16 страниц)

Восемьдесят пять металлов

Восемьдесят пять металлов

Если бы вам довелось провести вечер у костра с увлеченным своей профессией геологом и он бы затеял разговор о рудах металлов, вам пришлось бы выслушать ровно восемьдесят пять историй. Именно столько на сегодняшний день известно металлов. Среди них есть черные, цветные, редкие, благородные, радиоактивные, редкоземельные, трансурановые.

Само название «металлы» происходит от слова «металлон», что означает «копи, рудники». За последние 150 лет люди научились получать разные сплавы металлов, обладающие сверхвысокой прочностью, антикоррозийными, износостойкими и многими другими полезными качествами. Той неумолимой силой, которая тянула в нашем веке металлургию сплавов вперед, были, конечно, требования военной и космической техники, радиоэлектроники и других отраслей промышленности.

Металлы в истории человечества

Первым металлом, который узнал и стал применять человек, было золото. Потом наста– -.на очередь меди и, наконец, железа. Золото стало для человека металлом-первенцем не потому, что его так много на Земле и тут и там спотыкаешься о золотые горы. Золота на Земле и в земле очень и очень мало в сравнении с запасами железа, алюминия и меди. Но оно встречается в самородном виде, блестит, привлекая внимание. Золото легко обрабатывается, и, наконец, самое главное – оно вечное, сохраняется сколь угодно долго.

Человек издревле занимался собирательством: рвал плоды с деревьев, искал целебные травы, гнезда птиц и норы зверей, копал съедобные корешки, так почему бы и золотинки не пособирать? Золото вошло в человеческий обиход около 10 тысяч лет назад и использовалось тогда только для украшений и предметов культа.

Вторым металлом, который узнал и полюбил человек, стала медь. Она тоже известна в самородном виде, но основное ее количество входит в состав различных минералов. Меди на Земле много больше, чем золота, и она использовалась более широко. Из нее делали топоры и ножи, другие орудия древнего труда. Медный век охватывает в истории человечества время 6000-5000 лет назад.

Медный век человечества сменился эпохой бронзы. Бронза – это сплав меди со свинцом, оловом и другими металлами. Возможно, бронзу человек получил впервые случайно, чисто опытным путем: выплавлял медь из разных руд, и сварилось что-то новенькое. Бронза прочнее чистой меди, и искусство ее получения высоко ценилось в древние времена. Она довольно быстро распространилась по всем закоулкам человеческой цивилизации.

Эпоха бронзы началась 6000 лет назад и длилась около 3000 лет.

На смену бронзе пришло железо – ныне самый распространенный и необходимый человеку металл. В самородном виде железо практически не встречается: его надо выплавлять из руды. А что такое руда? Скопление определенных минералов. Из них теми или иными способами можно получить металл или сплав металлов. Руды различают по составу минералов, технологическим свойствам, содержанию полезных компонентов, примесей.

Судьба металлов и сплавов в истории была переменчива. Например, алюминий, полученный в виде чистого металла лишь в XIX веке, вначале использовался для изготовления ювелирных изделий и ценился выше серебра, а сегодня из него изготавливают самолеты и дешевые походные кровати.

Из уральской платины в 1828-1845 годах чеканили монеты достоинством 3, 6 и 12 рублей, а потом весь запас платины продали в Англию за ненадобностью. А ведь платина сегодня – один из ценнейших металлов, благородных и уважаемых. Сегодня российские платиновые монеты XIX века – заветная мечта коллекционеров. В честь XX Московской Олимпиады (1980 г.) выпустили новые платиновые монеты достоинством 150 рублей.

Серебро в начале своей карьеры в мире людей ценилось выше золота.

Из свинца в Древнем Риме изготавливали трубы для водопровода. А сегодня свинец признан как ядовитый тяжелый металл.

Долгое время не могли найти применение урану, многим редким и редкоземельным элементам. Но с того самого дня, как был открыт первый урановый рудник, уран стал задачей номер один для многих геологов мира. Уран пытались найти во всех мыслимых и немыслимых природных образованиях: почвах, водах, растениях, горных породах и минералах. И конечно, нашли. Урановой рудой, оказывается, могут быть ископаемые угли, фосфориты, кости давно вымерших рыб.

Один исторический курьез был связал с первыми попытками найти применение сурьмяной руде – минералу антимониту. Его в средние века в Италии стали помногу добавлять в пищу свиньям, те быстро жирели, набирая вес. То-то хозяева радовались! Но когда настоятель одного монастыря попробовал добавлять антимонит в пищу монахов, то многие из них отравились и умерли. Отсюда минерал и получил свое название «противомонаший».

Познакомимся поближе с другими рудами, которые ищут настойчивые геологи и которые так необходимы для жизни человечества.

Руды металлов

В самородном виде металлы встречаются очень редко. Золото, медь – в пластах земли, а железо, как это ни удивительно, – только в метеоритах.

В природе металлы находятся в виде разнообразных химических соединений – минералов. Наиболее распространенным и широко используемым металлом является железо, его сплавы. В том числе ферросплавы. Они содержат кроме железа хром, марганец, кремний, титан и другие примеси. Эти металлы веками трудятся на человека: по чугунным рельсам железной дороги бегут поезда, стальные топоры рубят любое дерево, космические и морские корабли, сделанные из железа, титана и других металлов, бороздят небесные и морские просторы.

Ученые придумали: раз эти металлы выполняют для человека тяжелую, черную работу, пусть и называются «черными».

О «родителях» железа

Основными рудными минералами железа, его «родителями», являются магнетит и гематит.

Другое имя магнетита – магнитный железняк. Если магнитная стрелка приближается к магнетиту, она начинает плясать, как страстная цыганка. Минерал содержит до 72% железа, в нем нередко присутствуют примеси титана, ванадия, хрома и других металлов. Магнетит – лучшая руда железа, очень распространенный минерал изверженных, метаморфических и осадочных пород.

Кстати, любопытно происхождение названия этого минерала. Оно не совсем ясно. Предполагают, что оно связано или с местностью Магнезиа (в Македонии), или с именем пастуха Магнеса, впервые нашедшего природный магнитный камень, – он притягивал к себе железный наконечник палки пастуха и гвозди его сапог.

Месторождения магматического магнетита известны на Урале, Кольском полуострове, в Швеции и во многих других местах.

Собратом и постоянным спутником магнетита является другой минерал – гематит. В переводе с греческого означает «кровавый». Гематит имеет еще несколько названий своих разновидностей: железный блеск, красный железняк, железная слюда, железная сметана, железная роза, кровавик, красная стеклянная голова. Все это один и тот же минерал, но образовавшийся то в магматических расплавах, то в гидротермальных растворах, то в холодных грунтовых водах и имеющий поэтому различный облик. Серые кристаллы гематита имеют металлический блеск, его землистые разновидности красные. Серый кристалл дает красную черту на шершавой фарфоровой пластинке. Отсюда и название – кровавый. Содержание железа в гематите превышает 60%, в качестве примесей он включает в себя титан и алюминий.

Криворожский железорудный бассейн – один из самых крупных в Европе. Там руду добывали еще во времена скифов в VI-V веках до нашей эры. Сегодня бассейн разведан на площади 300 квадратных километров. Его запасы превышают 15 миллиардов тонн.

Месторождения Курской магнит ой аномалии (КМА) еще больше и тоже относятся к типу древних железистых кварцитов.

Общая площадь бассейна оценивается в 120 тыс. кв. км. Самые известные месторождения – Михайловское, Яковлевское, Коробковское, Лебединское. Магнитная аномалия в районе Курска была обнаружена П.В. Ино-ходцевым еще в 1783 году. Первые скважины вскрыли железистые кварциты в 1923 году. Разработка месторождения началась в 1952 году.

Однажды американские геофизики сделали любопытное предположение. Они изучали, как ведет себя железо, если на него воздействовать сверхвысокими давлениями. Оказалось, этот металл менял температуру, и как! В ходе этих экспериментов американцы сделали вывод, который касается температуры в центре Земли. «Вполне вероятно, внутри Земли жарче, чем на поверхности Солнца! – заявили ученые. – Пекло от 6000 до 8000°С».

Враг металлов

У многих металлов Земли существует безжалостный враг. Это – коррозия.

Ежегодно коррозия сжирает от 1 до 1,5% всех металлов, которые используются человечеством. Если выразить эти проценты в деньгах, то получатся десятки миллиардов долларов. Больше всего страдают от коррозии сплавы, в которые входит железо.

Как люди борются с коррозией? Во-первых, стараются уберечь металлы от болезни, во-вторых, изучают природу коррозийных процессов. Оказывается, у коррозии много лиц: это и ржавление, и растрескивание, и изъязвление, и образование сквозных отверстий. Сейчас уже даже складывается новое научное направление, которое называется морфология продуктов коррозии.

Когда исследователи склоняются над микроскопами и изучают поверхности разрушенных металлов, перед ними открывается жутковатый мир, полный своеобразной красоты. Красками враг металлов не блещет: в его арсенале всего несколько оттенков бордового, оранжевого и черного цветов, но зато какое многообразие форм и линий!

Коррозия рисует то правильной геометрической формы неровности, то водную гладь, покрытую мелкими гребнями волн. Или создает картину, напоминающую хаотическое нагромождение камней и скал, кратер на поверхности неведомой планеты, морской берег, усыпанный галькой. Шедевром коррозии ученые считают фантастические букеты из нитей тонкой ажурной формы. Они получаются из гидрооксида железа. То, как протекают коррозийные процессы и какие картины они рисуют, зависит от химического состава среды, температуры, давления. В больших городах металлы болеют не так, как в поселке, в морском климате Петербурга – совершенно иначе, чем в Москве.

К сожалению, коррозия пока непобедима, но, кто знает, может быть, именно ты, дорогой читатель, став ученым, в XXI веке сразишься с врагом металлов и выйдешь из этого поединка триумфатором?

Освоение железных руд в Древней Руси

Геологи, занимающиеся историей своей науки, доподлинно знают: добыча железа на территории Руси осуществлялась с доисторических времен. Установлено, что у полян это ремесло существовало уже в IX веке. О выработке железа есть упоминания в договоре князя Игоря (945 г.), в летописи Нестора (1096 г.), в Русской Правде князя Ярослава Мудрого...

В X-XI веках плавка железа и кузнечное дело существовали в Киеве, Курске, на Ладоге и в Новгородской Устюжне. Глубоких шахт, уходящих в толщу земли, в те времена не рыли. Обходились бурожелезняковыми и сидеритовыми рудами, которые залегали недалеко от поверхности. В XV веке производство железа распространилось аж до самого Белого моря. А в XVI веке по всей Руси стали известны болотные залежи железных руд в Калуге, Кашире, Туле, Серпухове, на Хопре, Вычегде и в других местах.

В 1631 году возник Ницынский завод на восточном склоне Урала. В то же время начали строить заводы под Москвой. Царь Алексей Михайлович грамотой от 29 февраля 1632 года дозволил «комиссариусу и дворянину Андрею Денисовичу Виниусу строить завод на реке Тулице». Причем настолько важное значение придавалось этому производству, что от государственной казны давалась денежная субсидия, а предприятие на 10 лет вперед освобождалось от налога.

Были построены заводы на реках Яузе и Протве и в Звенигородском уезде.

Все эти предприятия работали на древесном угле, а в европейской Руси железных руд не хватало. Поэтому начиная с конца XVII века русские люди принялись искать железные руды на Урале. Так начало развиваться рудосыскное дело. Появились и любители, и профессионалы – рудознатцы и промышленники.

Под номером 22

Химический элемент, стоящий в периодической таблице Д.И. Менделеева под номером 22, был открыт в 1791 году английским пас тором В. Грегором.

Пастор изучал минерал менаконит и обнаружил в нем неизвестный ранее металл, который назвал «менакином». Но в 1795 году последовало второе открытие менакина. Его-то ученые мира и считают официальным... Немецкий исследователь Мартин Клапорт, изучая другой минерал – рутил, выделил из него новый элемент. Клапорт не знал, что он уже открыт под названием менакина, и дал ему имя «титан». Это название и сохранилось за металлом.

Люди сразу же стали искать применение титану. Поначалу с 1908 года оксид титана пошел на выработку титановых белил, которые в отличие от свинцовых неядовиты и не темнеют от действия сероводорода. В Первую мировую войну хлорид титана стали использовать для создания дымовых завес.

Чистый титан обладает уникальными свойствами: по прочности он не уступает железу, но почти вдвое легче его; в шесть раз прочнее и в двенадцать раз тверже алюминия.

Титан плавится лишь при температуре 1725°С. Он чрезвычайно коррозионностоек. На него не действует и «царская водка» (смесь концентрированных кислот: азотной – 1 объем и соляной – 3 объема), которая растворяет даже золото и платину.

Титан немагнитен, прекрасно сопротивляется электричеству.

Все это способствовало тому, что производить титан стали довольно быстрыми темпами: от нескольких тонн в 1947 году и до десятков тысяч в настоящее время.

Высокопрочные сплавы титана идут для строительства судов и самолетов. Он важная легирующая добавка в сталях некоторых марок.

А в земной коре титан распространен больше, чем многие другие металлы, например медь, никель, цинк, свинец. Сегодня известно более 150 месторождений титана.

Что такое хром?

 Хром – это твердый, ломкий металл серебристо-белого цвета, который практически не поддается коррозии и обладает низкой элект-ро– и теплопроводностью.

В чистом виде хром в природе никогда не встречается. Он входит в состав ряда минералов, в основном окрашенных в яркие цвета. Но только из тяжелой, хромовой руды черного цвета – хромита получают хром. Самые богатые месторождения этой руды находятся и России (в основном на Урале), в Казахстане, Юго-Восточной Африке (Родезия), Новой Каледонии, Турции, на острове Куба.

Многие из читателей давно знакомы с хромом: как празднично сияют сделанные из него ручки, всевозможные детали автомобилей. А еще хром добавляют при выплавке стальных сплавов. Если в таких сплавах есть даже небольшое количество хрома, сталь становится более прочной, твердой и стойкой к воздействию коррозии.

Хром – важнейший компонент нержавеющей стали; она широко используется во всех сферах нашей жизни. Из нержавеющей стали с примесью хрома делают ножи, вилки, кастрюли, ложки, сковороды, кухонные раковины, доильные аппараты и хирургические инструменты.

Хромовое покрытие надежно защищает металлы от коррозии. С помощью гальванического покрытия хром наносят на необходимые металлические детали, предметы.

Поначалу хром использовали для предохранения от коррозии часов, украшений, посуды. А начиная с 1925 года такое покрытие начали применять и при изготовлении деталей автомобиля.

Из хромсодержащих солей делают красители для кожи и хлопчатобумажных тканей.

Низкосортные руды, в которых хрома мало, идут на изготовление огнеупорных кирпичей.

Цветные металлы

Цветные металлы

К цветным металлам сегодня относят любые металлы, кроме железа. Цветными металлы названы потому, что они имеют разные цвета (белый, желтый, серый, красный), входят в состав различных красок, которыми пишут картины, покрывают стены и окна квартир, окрашивают машины и механизмы.

Наиболее распространенные цветные металлы – медь, свинец, цинк, никель.

Медь – хотя и достаточно тугоплавкий металл, но не очень твердый. Цвет меди может быть различным и колебаться от желтого до красноватого. В отличие от железа медь не магнитный металл. Однако она очень хорошо проводит тепло и электричество.

Вот почему медь чаще всего используют в электрических проводах. Внутри пластмассовых проводов, которые можно увидеть в любом доме, находится медная проволока.

Люди давным-давно задумались над тем, как сделать медные инструменты более прочными. Для этого они стали экспериментировать – соединять медь с другими металлами Чаще всего люди смешивали медь с оловом Вот так и получилась бронза – один из самых древних сплавов, созданных человеком

Бронза стала известна человеку очень давно. Но в различных частях Земли ее выплавляли по-разному. Так, в бронзовых изделиях, найденных в Западной Африке, ученые обнаружили примерно 40% олова. В Передней Азии количество олова очень редко превышает 20%. Сегодня к бронзе добавляют немного цинка и свинца. Тогда она становится более мягкой и текучей. Из такого металла легко отливать различные предметы: медали, скульптуры, а также корабельные винты.

Интересно, что народы Центральной и Южной Америки бронзы не знали и пользовались в основном золотом и серебром.

Что такое сплав

Сплавы, или твердые растворы, образуются при застывании жидких смесей двух или более компонентов. Сплавы делятся на металлические, состоящие преимущественно или исключительно из металлов, и неметаллические. Примером неметаллического сплава может служить стекло.

Некоторые сплавы встречаются в природе, однако их основная масса получена искусственным путем. Физические свойства сплавов совсем иные, чем свойства составляющих их компонентов. Причем значение имеет не только качественный, но и количественный состав компонентов. Взять, к примеру, чистое железо. Это довольно мягкий и малопригодный для использования материал. Но если сделать сплав железа с 1-1,5%-ным углеродом, получится твердая сталь.

А если создать сплав железа с 2,5%-ным углеродом, получится чугун. Он обладает еще большей твердостью, чем сталь, но в то же время хрупок.

Небольшие добавки таких элементов, как марганец, хром, ванадий, титан и другие, улучшают механические свойства стали, придают ей полезные качества, например, делают ее нержавеющей.

В настоящее время в мире выплавляются тысячи различных видов сплавов, обладающих теми или иными ценными свойствами: высокой или, наоборот, низкой тепло– или электропроводностью, тугоплавкостью, механической прочностью, устойчивостью к агрессивным средам. Поэтому сплавы человек применяет в самых разных сферах своей деятельности.

Про металл, который можно резать ножом

Свинец используется человеком давным-давно и в самых разных целях. Почему?

Наши предки обнаружили, что металл этот мягкий, легко плавится, хорошо куется, свинцовую пластину довольно легко можно согнуть рукой или разрезать ножом.

Поэтому в Древнем Риме был сооружен водопровод из свинцовых труб.

Весь мир научился выплавлять свинцовые пули.

Без свинца не может быть качественной краски, глазури, эмали.

Если вы попадаете на обследование в рентгеновский кабинет, вас защитит от излучения свинцовый фартук.

«Ай да чудо-металл!» – хочется поаплодировать свинцу. Но в то же время, радуясь мягкому «характеру» свинца, надо помнить, что многие его соединения ядовиты. Особенно если они попадают в пищу.

Основной свинцовой рудой является минерал галенит, или «свинцовый блеск». Он содержит больше 80% свинца и серу. Если геолог подходит к рудной жиле, которая содержит галенит, то он сразу узнает этот минерал – по серому цвету, сильному блеску и кубическим кристаллам. Кто хоть однажды видел галенит, запоминает его на всю жизнь.

Из свинцовых руд получают серебро, которое находится там в виде примеси.

Галенит образуется из горячих, так называемых гидротермальных растворов с температурой в недрах Земли до 200 °С и более. Неразлучный друг галенита в природе – сфалерит. Его иначе называют «цинковой обманкой» из-за сходства со многими другими минералами.

Металлы из «обманчивой» руды

Цинк, кадмий, галлий, индий получают из цинковой руды – сфалерита. Название это происходит от греческого слова «сфалерос» – «обманчивый». Очевидно, тот, кто давал название этой руде, обратил внимание, что она не похожа на обычные сульфиды металлов. Цинковая руда бывает и бесцветной, и светлоокрашенной, бывает и черной (когда в руде много железа), и красных, желтых, зеленоватых оттенков. Такой цвет цинковые руды имеют, когда они богаты кадмием. Блеск у цинковой руды алмазный» но отражательная способность низкая.

Сокровищница российских цинковых РУД – Урал (месторождения Капуцинское, Третьего Интернационала и другие), Алтай, Приморье. В ближнем зарубежье это, конечно, Украина, Грузия, Абхазия. А во всем мире известны цинковые руды Чехословакии, Швейцарии, Испании, Африки и США. Главная добыча цинка производится в США.

Цинк – довольно активный металл и на воздухе покрывается защитной пленкой. Около половины производимого цинка идет на защиту от коррозии различных металлических изделий. Цинк отличается от всех других распространенных металлов тем, что при температуре плавления он сразу превращается в пар. Цинк – составная часть латуней и других сплавов.

Сульфид цинка обладает люминесцентными свойствами, и в смеси с сульфидом кадмия им покрывают экраны телевизоров, осциллографов и другие тонкие приборы. Цинк употребляется и при изготовлении цинковых белил – художественной краски.

И конечно же всем знакомы предметы, которые сопровождают нас в повседневном быту: крыши, покрытые оцинкованным железом, оцинкованные ведра, баки и другие предметы.

Уже около двух тысяч лет назад умели получать латунь – сплав цинка с медью из руд этих металлов. Чистый цинк в Европе научились получать лишь в XVIII веке. Но в Индии чистый цинк выплавляли уже в XII веке, как «металл, похожий на олово, но добываемый перегонкой». Из цинка делали монеты, сосуды, а в основном он шел на получение той же латуни...

Попутно из цинковых руд добывают кадмий, галлий и индий.

Кадмий необходим в борьбе с коррозией металлов: им покрывают изделия из стали и железа. Кадмий используют в производстве аккумуляторов, автоматических противопожарных аппаратов.

Галлий представляет собой металл, во многом напоминающий алюминий. Но он плавится при температуре 29 °С. Галлием в ряде случаев вместо ртути наполняют термометры, другие точные приборы. Галлиевые лампы дают свет, близкий к солнечному.

Индий имеет давнишнюю репутацию антикоррозионного металла. Им покрывают металлические изделия, кроме того, он необходим при производстве рефлекторов для прожекторов и автомобильных фар. Органические соединения индия применяются для борьбы с сонной болезнью.