Текст книги "Металлы и человек"
Автор книги: Михаил Васильев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 30 страниц)
Сходства и различия
Когда вскоре после изобретения телескопа астрономы начали рассматривать планеты нашей солнечной системы, их поразило сходство этих небесных тел между собой и с Землей. Действительно, все планеты оказались шарообразными, оси вращения у всех наклонены к плоскостям орбит, у большинства удалось обнаружить атмосферу, а в ней нередко более или менее густые облака. И везде – смену времен года, смену дня и ночи.
Шли годы. Увеличивались знания о природе. И начало поражать различие между небесными телами.
Действительно, почему Венера покрыта столь густым покрывалом облаков, что сквозь него ни разу не удалось рассмотреть ее поверхность? Откуда взялись странные кольцевые горы Луны, подобных которым нет ни на одном небесном теле? Что за странные линии-каналы пересекают поверхность Марса – подобных им нет больше в природе? А почему только Сатурн опоясан волшебным диском кольца? И так далее и так далее…
Сегодня уже трудно сказать, чего больше – сходства или различия между девятью планетами солнечной системы.
И так же много различного между восемьюдесятью металлами.
Взять хотя бы такое свойство, как температура плавления.
Есть металл, который при тридцатиградусном морозе остается жидким. Он замерзает только в том случае, если температура опустится ниже– 38,9 градуса. Долгое время даже вообще не подозревали, что этот металл – ртуть – может находиться в твердом состоянии. Лишь в 1759 году петербургский академик И. А. Браун сумел заморозить ртуть, поместив ее в охлаждающую смесь из снега и концентрированной азотной кислоты.
Есть металл, слиток которого можно расплавить теплом ладони. Это цезий. Он плавится при 28,5 градуса.
Рубидий плавится при температуре в 39 градусов, натрий – при 97,9, олово – при 231,8, свинец – при 327, цинк – при 419 градусах. Все эти металлы можно расплавить в пламени газовой плиты.
Но есть металлы, которые расплавить не так-то просто. В течение многих веков люди не умели извлекать из руд железо в значительной степени потому, что не могли получить его температуры плавления – 1532 градусов.
И все же железо – не чемпион по тугоплавкости. Его более чем на тысячу градусов превосходят молибден, плавящийся только при 2600 градусах, и рений, который становится жидким только при температуре в 3 тысячи градусов. Это лишь вдвое ниже температуры поверхности Солнца.
Однако «красную майку чемпиона» по тугоплавкости получают не они. Она по праву принадлежит вольфраму, температура плавления которого равна 3410 градусам!
3450 градусов – таков диапазон между самым легкоплавким и самым тугоплавким металлами!
И все же, если заглянуть глубже, и в самом процессе плавления металлов есть нечто общее.
Во-первых, все они плавятся при строго определенной температуре– ведь они кристаллические тела. Аморфные тела – такие, как вар или стекло, – сначала при нагревании размягчаются и только потом плавятся, причем четкой границы между размягчением и плавлением у них не существует.
Во-вторых, они и в расплавленном виде сохраняют целый ряд общих свойств. И даже взаимное расположение атомов в расплавленном металле остается почти таким же, как и в твердом.
Ну, а другие свойства металлов? Близки ли по ним металлы друг другу?
Возьмем теплопроводность. Разогните канцелярскую скрепку и один ее конец поместите в пламя спички. Вы очень скоро почувствуете, что проволочка и в том месте, за которое вы ее держите, нагрелась. Тепло прошло вдоль проволочки, но не прошло вдоль древка спички. Вы не почувствуете, что она стала теплее до тех пор, пока пламя не коснется ваших пальцев. Это значит: проволочка хорошо проводит тепло, дерево – плохо.
Почти три с половиной тысячи градусов – таков перепад между температурами плавления самого тугоплавкого и самого легкоплавкого металлов.
В технике инженеры точно определили, сколько тепла проходит через метровой толщины стенку в час при разнице температур с разных сторон стенки в 1 градус. Ведь этим коэффициентом определяется и количество тепла, которое сможет получить вода от пламени топлива в паровом котле, и количество тепла, которое уйдет сквозь стенки дома в зимние месяцы. Посмотрим и мы в таблицы коэффициентов теплопроводности различных веществ.
Максимальной теплопроводностью обладает серебро. Его коэффициент теплопроводности равен 360 единицам. Немногим уступает ему медь. Ее коэффициент теплопроводности достигает 335 единиц. Отличной теплопроводностью обладает золото – 269 единиц, алюминий– 180 единиц, вольфрам– 145 единиц.
Наименьшими теплопроводностями среди металлов обладают ртуть – 25 единиц, свинец – 30 единиц, сталь – 39 единиц.
А теперь посмотрим, какова теплопроводность других веществ, не металлов.
Наилучшей она оказывается у… льда! Да, теплопроводность льда – 1,9 единицы и гранита – 1,89 единицы.
В тринадцать раз ниже, чем у самого нетеплопроводного металла! А теплопроводность других материалов – бумаги, стекла, штукатурки, кирпича – еще в несколько раз ниже. Еще ниже теплопроводность газов. Так, теплопроводность азота – основной составляющей части нашей атмосферы – равна 0,02 единицы, а благородного газа ксенона – даже 0,004 единицы.
Легко догадаться теперь, почему батареи отопления, которые должны отдавать воздуху комнаты как можно больше тепла, делают из металла, а двери зимой обивают войлоком, почему не делают железобетонных паровых котлов и к щипцам для завивки волос приделывают деревянные ручки.
Что ж, с точки зрения наших сегодняшних представлений о внутреннем строении металлов, нам легко объяснить такую большую разницу в теплопроводности металлов и других веществ. Дело в том, что передача тепла в металлах осуществляется не только за счет колебаний атомов в кристаллической решетке, но и движением свободных электронов. Легкие электроны легче привести в движение, чем тяжелые атомы, к тому же привязанные к определенным точкам кристаллической решетки. Поэтому большая часть тепла переносится именно движением электронов.
Перечисляя общие свойства металлов, мы упоминали их хорошую электропроводность. Это значит, что они оказывают малое сопротивление проходящему сквозь них току.
Действительно, сопоставление показывает, что металлы обладают несравненно лучшей электропроводностью, чем неметаллы и разные сложные вещества. Лучше всех проводят электрический ток серебро и медь. За ними следуют золото, алюминий, вольфрам. Хуже – железо и ртуть.
Если расположить металлы по убывающей теплопроводности, то окажется, что и электропроводность их убывает почти в той же последовательности. Ведь электрический ток – это тоже движение электронов.
Чем чище металл, чем точнее, следовательно, его кристаллическая решетка, тем лучше он проводит электрический ток. Наоборот, мельчайшие примеси или даже механическая обработка, искажающая кристаллическую решетку, например прокатка, уменьшают электропроводность.
Электрон – вот волшебный переносчик тепла в металлах!
Ионы сходят со своих мест в кристаллической решетке и заслоняют пути электронам. Те сталкиваются с ионами, передают им часть своей энергии движения, вызывают их тепловые колебания. Металл нагревается: часть проходящей электрической энергии превращается в тепло.
Позволим привести такое достаточно вольное, но убедительное сравнение. Представьте широкую улицу, по сторонам которой стоит ровная шеренга домов, – это ионы в кристаллической решетке. По проезжей части мчится поток автомашин – это электроны. И вдруг некоторые дома выходят из общего строя и становятся прямо посередине улицы – это атомы примесей. Их приходится объезжать, скорость движения автомобилей при этом, конечно, снижается, то есть, если продолжить сравнение, уменьшается электропроводность металла.
Именно поэтому для проводов, кабелей, рубильников используют лучшую, чистейшую медь. После выплавки ее для этой цели еще подвергают электролитической очистке – буквально перебирают весь металл по одному атому. Такая медь называется электролитной. Она содержит не более 0,05 процента посторонних примесей.
Серебро еще лучший проводник, чем медь, но оно слишком дорого, чтобы делать из него провода уличного освещения или пригородной электрички. Серебряные провода можно увидеть только в сверхточных лабораторных радиоприборах да на контактах ответственных переключателей тока.
Наоборот, там, где надо получить большое сопротивление, например для превращения электрического тока в тепловую энергию, вы найдете сплавы металлов – константан, нихром.
Чрезвычайно интересна зависимость электропроводности металлов от их температуры. Как правило, с повышением температуры сопротивление металла прохождению тока растет, с понижением – уменьшается. Это и понятно: повышение температуры связано с увеличением колебаний ионов в кристаллической решетке. И эти колебания, конечно, мешают движению электронов.
В нашем сравнении металлической структуры с проезжей улицей в этом случае надо сдвинуть с места дома и заставить их пританцовывать, выпрыгивая почти на середину улицы и впрыгивая тут же назад. Свободной для проезда остается только самая середина улицы, а по ее боковым сторонам проезд будет почти невозможен.
Все это было сравнительно легко понять. Но совершенно неожиданное явление открыли ученые, когда они перенесли свои опыты по определению электрического сопротивления металлов в область сверхнизких температур, близких к абсолютному нулю. Вероятно, всем известно, что абсолютный нуль – это максимально низкая возможная в природе температура, около – 273 градусов, когда совершенно прекращается тепловое движение молекул.
Впервые с этим явлением столкнулся еще в 1911 году известный голландский физик Г. Камерлинг-Оннес. Он исследовал электропроводность ртути при низких температурах. И вдруг, когда до абсолютного нуля осталось всего 4,12 градуса, сопротивление ртути упало до такой величины, что он не смог его обнаружить вовсе.
Камерлинг-Оннес улучшил электроизмерительную аппаратуру, тщательнее произвел опыт. Нет, опять ничего. Впечатление такое, словно электрическое сопротивление металла упало до нуля, исчезло совсем. Электрический ток, пущенный в кольцо из ртути, продолжал течь в нем неопределенно долгое время, не затухая. Так и не удалось ученому измерить величину сопротивления электрическому току при температурах, близких к абсолютному нулю. А это явление потери сопротивления назвали сверхпроводимостью.
В настоящее время сверхпроводимость обнаружена у двадцати трех чистых металлов, многих сплавов и химических соединений.
Электрону надо быть виртуозом-слаломистом, чтобы проскочить между атомами металла.
Так, у алюминия она возникает при 1,14 градуса абсолютной температуры, у цинка – при 0,79, у свинца – при 7,26, у ванадия – при 4,3, у ниобия– даже при 9,22 градуса.
В течение долгого времени ученые не могли разгадать секрета сверхпроводимости. Только в самые последние годы советский ученый академик Николай Николаевич Боголюбов сумел объяснить это явление.
Магнетизм
Есть старая сказка.
Где-то в бескрайних далях океана высится гигантская магнитная скала.
Ее притяжение ощущается на сотни километров. И горе судам, попавшим в зону ее притяжения. Они перестают слушаться руля и парусов и со все нарастающей скоростью устремляются к этой скале. Размотавшие свои цепи якоря, словно чудовищные постромки, летят, натянутые невидимой, но могучей силой, впереди корабля, увлекая его за собой. Сопротивление воды тормозит бег судна, и с лафетов слетают стальные пушки, отрываются листы железной обшивки, вылезают из своих гнезд гвозди. Словно чудовищные ядра и пули, со свистом улетают они вперед, увлеченные непреодолимым притяжением черной скалы.
День и ночь, сутки за сутками длится это плавание, похожее на полет.
Лишенный всех металлических частей, рассыпается корабль, и гибнут моряки. Лишь немногие, уцепившись за металлические предметы, достигают таинственной магнитной скалы.
Она вся, как ель – иглами, покрыта щетиной металлических деталей. Ничего не растет на ее железной вершине. И без воды и пищи погибали «счастливцы», избегнувшие смерти в океане…
К счастью, такой скалы на земном шаре нет да и быть не может. Слишком уж из сильного магнита должна бы она состоять. Нет в природе и искусственным путем не получено магнита такой силы.
Но магнитные вещества, вещества, способные притягивать к себе железные и стальные предметы, в природе существуют – это невзрачный горный камень, называемый магнитным железняком. К куску его притягиваются гвозди, железные опилки, подковы.
Свойство магнитного железняка было известно в глубокой древности и вызывало величайшее изумление и восторг. Древний философ и поэт Лукреций Кар рассказывает о магнитных кольцах, свешивающихся со сводов храма и удерживаемых только взаимным притяжением. Чудесная сила магнитного притяжения привлекала и изобретателей вечных двигателей. Сколько хитроумнейших конструкций, в которых главная роль отводилась магнитам, было создано на протяжении многих веков! Но и эти конструкции вечного двигателя не избавили человечество от необходимости строить водяные и воздушные мельницы, добывать уголь и нефть.
В самой сущности строения атома заключена загадка магнетизма.
Магнитные свойства можно сообщить и некоторым другим телам. Если куском магнитного железняка потереть по стальной пластинке, она тоже намагнитится и будет сама притягивать металлические предметы. Приобретает она и другое свойство: если ее подвесить на шелковой нитке, она будет всегда поворачиваться одним концом на север, другим на юг.
Почти четыре тысячи лет назад китайские путешественники и полководцы пользовались специальными повозками, в которых поставлены были фигуры, всегда обращавшие простертые руки на юг и таким образом указывавшие путь в необозримых степях и бесконечных однообразных песчаных пустынях Азии. В III веке нашей эры китайцы использовали уже стальные пластинки, подвешенные на шелковой нити, – компас. И только где-то около XI или XII века этот прибор стал известен европейским народам. С тех пор его магнитная стрелка помогает морякам находить путь по синему зеркалу мирового океана.
Что же такое магнетизм? Все ли металлы обладают этим свойством?
Да, все металлы способны намагничиваться в той или иной степени. Но сильно намагничиваются только четыре чистых металла – железо, кобальт, никель и гадолиний. Последний принадлежит к группе редкоземельных элементов. В чистом виде его можно найти лишь в прекрасно оборудованных химических лабораториях.
Хорошо намагничиваются многие сплавы этих металлов, например сталь и чугун. Их называют ферромагнитными металлами и сплавами.
Волшебная точка температуры. Выше нее металл перестает быть магнитным.
Значительно слабее намагничиваются алюминий, платина, хром, титан, марганец. Только очень чувствительные приборы позволяют установить, что они обладают магнитными свойствами. Их называют парамагнитными.
Чрезвычайно интересно ведет себя другая группа металлов: к ним относятся олово, свинец, медь, серебро, золото. Они намагничиваются тоже очень слабо, но к магниту не притягиваются, а наоборот, отталкиваются от него. Эти металлы называются диамагнитными.
Разница в электромагнитных свойствах разных веществ скрыта глубоко, в самой сердцевине металла, в его атоме.
Еще в начале прошлого столетия выдающийся французский физик и математик Андре Мари Ампер выдвинул гипотезу о том, что внутри железа существует огромное количество «круговых токов», «витков с током». Пока нет внешнего магнитного или электромагнитного поля, они расположены хаотически и создаваемые ими магнитные поля взаимно уничтожают друг друга. Однако, если влиянием постороннего магнитного поля сориентировать все эти элементарные витки в одном направлении, их магнитные поля сложатся, и железо станет магнитным.
Магниты работают во многих механизмах и устройствах. В частности, это магнит рождает ультразвуковой луч эхолота.
Французский ученый, даже не подозревавший о внутреннем строении атома, как ни странно, оказался прав. Он в своей гипотезе исходил из простого знания того, что вокруг катушки, по которой протекает ток, возникает электромагнитное поле. Сегодня мы знаем, что электрический ток представляет собой поток электронов. Всякое движение электрона вызывает магнитное поле, в том числе и его вращение вокруг собственной оси. И в атоме, который представляет собой ядро, окруженное движущимися вокруг него электронами, существует целый ряд источников магнитного поля. Магнитными свойствами обладает и ядро атома, и каждый из его электронов, и движение электрона вокруг ядра также вызывает магнитное поле.
Магниты управляют «грифелем» электронного «карандаша» в кинескопе.
В диамагнитных телах магнитные поля электронов и ядра взаимно погашают друг друга, поэтому их атомы в целом не обладают магнитными свойствами. Когда же они оказываются в магнитном поле, они становятся крохотными магнитиками, причем северный полюс каждого такого диамагнитного атома становится против северного полюса вызвавшего его магнита и тело в целом отталкивается от магнита.
У парамагнитных и ферромагнитных материалов магнитные поля электронов и ядра, складываясь, усиливают друг друга. Каждый атом в них обладает магнитными свойствами. В парамагнитных материалах, однако, тепловое движение атомов мешает им сориентироваться строго в одном направлении, и поэтому их общий магнетизм невелик.
В ферромагнитных материалах особые электрические силы обеспечивают одинаковую магнитную ориентацию целых участков кристаллов металла. Такие участки называют доменами. При намагничивании ферромагнита эти домены постепенно смещают свои полюса в одном направлении и тело приобретает сильные магнитные свойства.
Чем выше мы поднимаем температуру металла, тем меньшими становятся его магнитные свойства. Это и понятно: тепловое движение расшатывает атомы, разрушает их одинаковую магнитную ориентацию. И при какой-то температуре даже самый ферромагнитный материал теряет свои магнитные свойства. Температуры, при которых это происходит, называются точками Кюри. Они названы так в честь знаменитого французского ученого Пьера Кюри, Заметили ученые и еще одну закономерность. Многие ферромагнитные вещества при намагничивании несколько изменяют свою величину и форму. Это явление назвали магнитострикцией. Обратное свойство – изменять величину намагниченности под действием механического давления – называется механострикцией.
Необходимо здесь отметить и еще одно – связь магнитного поля и поля, создаваемого текущим по проводнику электрическим током. Как удалось установить ученым, магнитное поле является частным случаем электромагнитного поля. Они тесно взаимно связаны. И с помощью электромагнитного поля можно намагнитить стальной стержень. Для этого надо его только поместить в электромагнитное поле. А пересекая магнитным полем проволочку, мы вызываем в ней электрический ток.
Мы не будем здесь углубляться в область электромагнетизма, ибо это очень далеко отвлечет нас от темы.
Семьи металлов
В периодической системе элементов, составленной великим Менделеевым, каждому металлу отведено особое место. Каждый занимает отдельную клетку со своим собственным номером.
Периодическая система элементов Менделеева является лучшим путеводителем по миру металлов. К какой бы клетке в ней мы ни подошли, даже к жилищу самого редкого и тщательно скрываемого природой металла, мы уже по номеру его можем получить целый ряд сведений. Так же, как по номеру квартиры в паспортном столе можно узнать целый ряд сведений о ее обитателе: и год рождения, и национальность, и образование…
Мы будем часто обращаться за справками в «адресный стол» периодической системы элементов. Но для нас, интересующихся не столько самими металлами, сколько тем, что они дают человеку и что смогут дать, вряд ли будет целесообразно рассматривать по очереди все металлы. И осмотр их мы поведем, начиная с более важных для современного человечества. Поэтому нам удобнее другие, не общепринятые в технике классификации, хотя и менее точные и строгие, чем в таблице Менделеева.
Прежде всего разделим металлы на две неравные группы – черные и цветные.
К черным металлам относится одно железо и его многочисленные сплавы. Действительно, деление явно неравное: один против семидесяти девяти. Но в человеческой культуре этот один металл играет, пожалуй, не меньшую роль, чем все остальные. Да вот лучшая иллюстрация: около 94 процентов по весу от веса всех добываемых на земном шаре металлов падает на железо. Убедительная цифра!
Отделив от могучего братства металлов черный металл, мы сделали огромное дело. Но нелегко разобраться и в оставшихся семидесяти девяти цветных металлах и их сплавах. (Кстати, они действительно цветные: голубовато-серый свинец, желтое золото, красная медь, белый никель и т. д. Но есть среди цветных металлов и значительно более темные, чем сталь. Название черные и цветные поэтому надо считать чисто условным.)
Обычно цветные металлы делят на две группы: тяжелые и легкие. В обеих группах есть и очень важные для человека металлы, и почти или совсем в настоящее время не используемые.
К тяжелым металлам относятся медь, никель, свинец, олово, цинк, хром, марганец и другие металлы, имеющие удельный вес более 5 г на куб. см.
К легким относятся тринадцать металлов. Среди них натрий, калий, бериллий, магний, кальций, стронций, алюминий, титан.
Помимо этого основного деления, цветные металлы нередко подразделяются и на более мелкие семейства. Так, из тяжелых металлов нередко выделяют группу благородных металлов. К ним относятся золото, серебро, платина, осмий, иридий, палладий, рутений и родий. Все эти металлы отличает большая химическая стойкость, они не окисляются, не ржавеют не только на воздухе, но и не растворяются при действии большинства кислот.
В специальное семейство нередко выделяют и рассеянные элементы– те, которые не образуют самостоятельных залежей руд, а рассеяны по всей земной коре. К ним относятся литий, рубидий, иттрий, цезий, германий, радий и многие другие. Эти металлы обычно добывают из руд других элементов, которым они в какой-то мере сопутствуют.
Выделяют в самостоятельные семейства редкоземельные элементы, радиоактивные металлы, заурановые металлы… Мы еще будем встречаться с такими группами или семействами элементов, объединенных по какому-нибудь одному признаку или качеству.
В жизни мы почти не имеем дела с чистыми металлами. Значительно чаще нам приходится встречаться с их самыми различными сплавами. То, что мы называем железом, – это, как правило, сплавы железа с углеродом и многими другими веществами. Медь (если только это не проволока) – обычно или бронза или латунь, то есть сплав с оловом или цинком. Даже золото украшений обычно имеет примесь серебра или меди.
Это понятно: чистые металлы не только трудно получить, но и качества их в большинстве случаев оказываются менее полезными для нас, чем качества сплавов.
