Ферсман: Занимательная геохимия. Химия земли

АТОМЫ В ИСТОРИИ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА

Первые элементы человек узнал попутно, не думая о них, даже не подозревая, что он владеет тайной, которая открыла бы острому уму важнейшие секреты природы. Трудно, с колоссальным усилием проникала в сознание почерпнутая из практики мысль о простых веществах, лежащих в основе строения всякой материи.

Алхимики не знали способа отличать простое тело от сложного, но они знали металлы и некоторые вещества, например мышьяк и сурьму.

Алхимики, а позднее некоторое время и химики называли металлы именами планет: золото — Солнце, серебро — Луна, ртуть — Меркурий, медь — Венера, железо — Марс, олово — Юпитер, свинец — Сатурн. Мышьяк и сурьма не считались металлами, хотя их свойства окисляться и возгоняться при нагревании были известны очень хорошо.

К сожалению, алхимики часто маскировали свои рецепты нелепыми и подчас трудно понимаемыми аллегориями.

Вот, например, «филозофическая рука алхимиков». Вы видите на ладони рыбу — символ ртути и огонь — символ серы. Рыба в огне — ртуть в сере,— по мнению алхимиков, первоисточник всех видов вещества.

Из соединения этих элементов, как пальцы из ладони, возникают пять главных солей, знаки которых стоят над пальцами: корона и луна — символ селитры; шестиконечная звезда — железный купорос; солнце — нашатырь; фонарь — символ квасцов; ключ — кухонная, или поваренная, соль.

Теперь понятно, что, когда алхимик писал: «взяв короля, его надо прокипятить...»,— он имел в виду селитру, а кладя в реторту «фунт длинного пальца», он думал о нашатыре...

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.

Нужны были гений и трудолюбце 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 г. Бранд открыл фосфор, а в середине XVIII в.

были открыты кобальт, никель и научились из. «цинковой земли» получать металл цинк. Наконец в 1748 г. 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 г. были открыты кислород и хлор, и через десять лет, разлагая воду током от гальванических батарей, Кавендиш открыл водород и выяснил состав воды.

В 1808 г. 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 г., 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 г. 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 г. 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), экасили- ция (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.

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 «казались 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, 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 вот теперь, в XX в., 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 большою 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 большою прочностью и легкостью: они в пять-шесть раз легче стальных при той же, а иногда и большей прочности.

Магний — очень распространенный в земной коре металл, он встречается всюду. Подобно железу, он легко образует месторождения. В больших количествах магний содержится в морской воде, в соленых озерах, например у крымских берегов в водах Сиваша.

Главная руда магния — карналлит (двойная хлористая соль калия и магния), и наш Советский Союз исключительно богат- им. Крупные запасы его в Соликамском месторождении лежат -пластами под землей на глубине 100—200 м от поверхности- Карналлит рвут аммоналом, рубят отбойными молотками в шахтах и поднимают на поверхность.

Здесь еще нужно с ним много повозиться, чтобы отделить, магний от хлора, с которым он тесно связан. Для этого карналлит надо расплавить и пропустить через него постоянный ток. Электричество разорвет связь между магнием и хлором, не белый металл живыми стручками, польется в изложницы.

Сейчас пришло время добывать «магний и из морской воды, в которой 3,5 % солей, и из них одна десятая часть магния. Таким образом, один кубометр морской воды содержит 3,5 кг металлического магния.

Добыча его очень проста: фильтрованная морская вода наливается в чаны, куда подсыпается гашеная известь, и тогда, в виде мути, выпадает гидрат окиси магния. Его отстаивают, а воду сливают. Осадок сушат на фильтрах, нейтрализуют соляной кислотой и окончательно обезвоживают. Полученный хлористый магний идет на электролиз в плавленом виде, примерно при^ 700°, как и карналлит. Вот и весь процесс.

Но магний не только строительный металл. Его способность гореть, развивая при этом огромную температуру, до 3500°, тоже не забыта техникой. Магний — важная составная часть в специальных бронзах. Магнеалюминиевая пыль — самая сильная смесь для зажигательных бомб. Магний очень нужен промышленности, и ему предстоит блестящее будущее.

Но вернемся к самолетам. Есть и еще «летающий» металл, к освоению которого самолетостроители сейчас только приступают. Это бериллий. Его удельный вес 1,82, но он устойчивее и «крепче» магния.

Сплавы бериллия превосходят по качествам все сплавы, до- сих пор применяемые в самолетостроении. Инструменты из этих сплавов работают без шума и не дают искр.

Бериллий повышает качества магниевых сплавов, сообщая им особую прочность и неокисляемость. Незначительная присадка бериллия к магнию устраняет необходимость защищать, металлический магний от окисления при разливке.

Но встает вопрос: а нет ли сплавов еще более легких?

Вспомним о металле литии. Ведь его удельный вес 0,53, то- есть как у пробки. А между тем, прибавленный в небольших количествах к сплавам алюминия и магния, он придает им особую твердость.

Крейсер «Свердлов», корпус которого построен из легированной стали

К сожалению, еще не найдено стойких сплавов с большим количеством лития. Но искать их стоит, так как литий — распространенный металл, его в земной коре столько же, сколько цинка, и он встречается в значительных количествах в некоторых месторождениях в виде минералов сподумена и литиевых слюд.

Следовательно, если бы, например, сплавы лития с бериллием оказались подходящими, литий можно добыть в достаточных количествах. Но работы по изучению литиевых сплавов еще не увенчались успехом,— это является задачей сегодняшнего дня.

Литий встречается в минеральных водах, и врачи приписывают водам, богатым литием (как, например, воды Виши во Франции), особо целебные свойства. Но все же наиболее заманчивой является перспектива получения легкого, прочного и неокисляющегося металла для самолетов.

Легкие металлы и сплавы, однако, еще далеко не заменили в настоящее время черные металлы — железо, сталь и их сплавы ни в транспорте, ни во многих других видах промышленности. Поговорим об этих «старичках», которые, однако, еще очень бодры, крепки и дают все новые сплавы отличных качеств.

Если учесть все сложные, так называемые легированные, стали, то мы увидим, что они состоят из ряда близких между собой металлов — железа, титана, никеля, кобальта, хрома, ванадия, марганца, молибдена и вольфрама. Все эти сплавы в основе своей — «стали», то есть состоят из углеродистого железа, качества которого существенно улучшены «легированием», или прибавкой редкого металла.

Идя по пути замены части железа редкими металлами, технологи пришли к сплавам, в которых уже нет железа. Таков, например, стеллит, состоящий из вольфрама, хрома и кобальта. Этот сплав явился родоначальником широко известных теперь сверхтвердых сплавов, принесших в технику невиданные скорости резания металла — сначала 70—80, а теперь и сотни метров в минуту.

Вольфрам породил сверхтвердые сплавы и мощную технику резания металлов. Вольфрам и молибден дали сотни новых марок сталей небывалых по прочности, жароупорных, броневых, рессорных, снарядных, бронебойных и т. п.

Нет, пожалуй, ни одной отрасли техники, в которую не проникало бы коренных изменений в связи с раскрытием свойств таких редких металлов, как вольфрам, молибден и другие.

Впрочем, название «редкие» — для них уже пережиток. Если учесть их содержание в земной коре, то молибдена в два, а вольфрама даже в семь раз больше, чем свинца. Какие же они редкие! А в промышленности они тоже уже становятся обычными, и их добыча сильно растет, догоняя добычу других, обычных, «нередких» металлов,

Стальные сплавы с молибденом применяются для изготовления орудийных стволов и лафетов. Марганцево-молибденовая сталь применяется как материал для брони и бронебойных снарядов.

Конструкторы автомобилей и самолетов предъявляют три основных требования к металлу: максимальная упругость, большая вязкость, высокое сопротивление длительным сотрясениям и частым ударам. Рост потребления молибдена за последние годы как раз и объясняется широким применением его в валах, шатунах, опорных механизмах, авиамоторах, трубах, особенно в соединении с хромом и никелем.

Другой вид использования молибдена — высококачественное литье из серого чугуна. Ничтожная прибавка в 0,25% молибдена повышает физические свойства чугуна, в частности сопротивление на изгиб и на растяжение, а также твердость.

Вольфрам и молибден в виде тонкой проволоки используются в значительном количестве в электротехнике для вакуумных ламп. Из вольфрама готовят нити накаливания ламп. Температура плавления вольфрам*» 3380е, наивысшая из температур плавления металлов. Только углерод, один-единственный элемент, плавится при еще более высокой температуре — при 3500°. К вольфраму близки по температуре плавления два элемента: тантал (3000°) и рений (3170°). Из молибдена, температура плавления которого 2625°, делают крючочки, поддерживающие раскаленный вольфрамовый волосок в электрических лампах.

Мы видим, что мало открыть элемент,— его надо изучить, открыть в нем то качество, которое особенно ценно в изделиях, и тогда элемент как бы вторично открывается и делается полезным и необходимым. Вот, например, вольфрамовые контакты в автомобильных моторах, где тонкая, в десятую миллиметра, пластиночка из вольфрама обеспечивает электрический контакт ' в прерывателе, работая безотказно сотни часов.

Разве не поучителен также пример с ниобием? Ниобий считался бесполезным элементом, «загрязняющим» тантал, с которым он обычно вместе встречается. Но когда открыли, что сталь с примесью ниобия — великолепный сварочный материал для алектросварки стальных изделий, дающий небывалую прочность шва, то ниобий стал так же нужен, как тантал.

Вовлечение все новых элементов в промышленность, конечно, далеко не кончено, да и никогда не будет кончено, так как поступательное движение технического прогресса безгранично. И химикам и геохимикам здесь принадлежит почетная роль.

Но каково же, однако, влияние технического прогресса на Землю, которая является поставщиком всех веществ, необходимых технике? Человек по-своему стремится перекроить земную кору, черпает из нее все, что ему нужно, не думая о том, что то, что он берет, уже невозвратно. Не истощает ли человек Землю?

Вот вопросы, которые приходят в голову, когда мы следим за общим развитием человечества на Земле. И есть еще одно обстоятельство, которое побуждает поставить этот вопрос: это все увеличивающиеся количества полезных продуктов, извлекаемых ежегодно из земных недр.

Мне вспоминается рассказ одного инженера, побывавшего на горных разработках. Он остановился в домике около большой горы из магнезита, а через две-три недели горы уже не было: она была свезена на цементный завод.

Стоит только посмотреть на горы шлаков, выбрасываемых нашими металлургическими заводами, чтобы понять, что человеческая деятельность — геологический фактор, преобразующий земную кору.

Одна из самых важных проблем мирового химического хозяйства — это судьба углерода, в которую особенно энергично вмешался человек. Углерод распространен в природе в трех формах: в виде живого вещества, в виде скоплений угля и нефти в поверхностной зоне земной коры и в окисленном виде —в виде углекислоты, находящейся в атмосфере, в водах рек и океанов. Но более всего углекислоты в соединении с Кальцием в твердых известняках.

В атмосфере содержится свыше двух тысяч миллиардов тонн углекислоты и, следовательно, 600 миллиардов тонн углерода. Человек добывает ежегодно свыше миллиарда тонн угля и 200 миллионов тонн нефти. И то и другое он сжигает, превращая углерод в углекислоту. Таким образом, в атмосферу поступает ежегодно свыше трех миллиардов тонн углекислоты, и через двести-триста лет ее количество должно было бы удвоиться, если бы не было встречных процессов: растворения в океане и поглощения растениями.

Используя углерод угольных слоев, человек способствует распылению и рассеянию этого элемента, и притом в столь значительных масштабах, что его деятельность принимает размеры настоящих геологических преобразований.

Не менее властно человек вмешивается и в судьбу металлов: он имеет в обращении около миллиарда тонн железа и изделий из него, причем металл находится в неустойчивой форме самородного металла и окисляется.

Окисление обесценивает почти столько же железа, сколько его за это же время добывается, так что накопление железа не может побороть его распыление.

Несколько лучше положение с золотом: за год его уходит на реактивы, на позолоту и распыляется на износ около тонны, то есть много меньше, чем добывается (около 600 тонн).

А такие металлы, как свинец, олово, цинк, добываются человеком из природных скоплений в земной коре — так называемых месторождений — лишь для того, чтобы в процессе использования их оказаться безвозвратно рассеянными.

Сельскохозяйственная и инженерная деятельность человека по своим масштабам также вполне соизмерима с влиянием стихийных процессов.

Огромное геохимическое значение имеет обработка верхнего слоя земли, или почвы, для нужд сельского хозяйства, так как в результате этой обработки свыше трех тысяч кубических километров земли ежегодно делаются доступными энергичному воздействию атмосферных вод и воздуха.

Культурные растения выносят из почвы громадное количество минеральных веществ: фосфорного ангидрида — 10 миллионов тонн, азота и калия — 30 миллионов тонн. Это количество во много раз больше того, что вносится в почву при ее удобрении. Извлекаемые элементы поступают в круговорот в животном мире и в конце концов рассеиваются.

В итоге человек производит распыление вещества своей сельскохозяйственной и технической деятельностью. Ежегодно во всех горных выработках добывается свыше одного кубического километра пород. Если добавить еще постройку плотин, ирригационных каналов и прочее, то эту цифру надо удвоить, а может быть, и утроить.

Количество шлаков из всех металлургических печей мира тоже достигает, вероятно, кубического километра. А сколько отбросов химической промышленности выносится человеком на поверхность Земли!

Если сравнить эти цифры с 15 кубическими километрами осадков, уносимых ежегодно с земной поверхности всеми реками, то придется признать, что человеческая деятельность может быть признана таким же серьезным фактором, как и деятельность рек.

А строительное искусство,— сколько камней и цемента тратится здесь ежегодно! Интенсивно идущее у нас строительство социалистических городов ежегодно использует более миллиарда тонн различных строительных материалов.

Преобразование природы человеком идет во все болеё возрастающем темпе. Если исходить из общих запасов металлов в Земле, то они велики, и об их истощении говорить пока не приходится. Но эти запасы далеко не все могут быть использованы, так как практически промышленность может брать только богатые скопления того или иного металла. По многим металлам реальные запасы едва обеспечивают требования промышленности. Поэтому целые армии геологов- поисковиков и геохимиков должны напряженно искать металлы, чтобы обеспечить все растущие запросы промышленности.

И чем больше мы уделим внимание этим вопросам, тем скорее наша Родина получит в изобилии редкие и ценные металлы, необходимые для расцвета ее могущества и славы.