Михаил Васильев - Металлы и человек
— Кузнец, — снова послышался ответ.
— А ваши?..
И все, к кому обращался этот странный человек, отвечали:
— Да, кузнецы выковали наши инструменты, которыми был построен храм.
И тогда он обратился к великому царю:
— Я кузнец. Разве не мне принадлежит право занимать это место, уступленное сегодня тобой тому, государь, кто больше всех сделал для сооружения храма?
Что ж, таков был, уровень производства металла не только в Древней Руси.
Так рассказывает старинная легенда. Ее глубокий смысл — в признании того, что основой основ являются металлы.
Но, может быть, это было справедливо тысячи лет назад и совершенно не соответствует действительности сегодняшнего дня?
Нет, и сегодня металлы — основной материал, с которым имеет дело человек.
Металлы — это и каркас высотного дома, и ажурная арка моста, соединившего берега великой реки, и обтекаемый корпус реактивного самолета, готового ко взлету, и узкое тело космической ракеты, ринувшейся на разведку соседней планеты. Металл — это фундамент современной цивилизации. И чем выше поднимается человечество по ступеням культуры, тем больше его нужда в металлах.
Всего полтораста лет назад, в начале XIX века, на каждого жителя нашей планеты добывалось в год меньше килограмма металлов. Мировая выплавка железа в 1800 году, например, не достигала и 500 тысяч тонн. Люди жили в невысоких деревянных или каменных домах, ездили в деревянных каретах и бричках, обрабатывали землю деревянными сохами, ткали на деревянных ткацких станках.
Минувшие полтора столетия были периодом невиданного расцвета науки, техники и промышленности. Рельсы железных дорог густой сетью оплели обитаемые материки. Еще более густая сеть повисла над ними в воздухе — провода энергетических передач, линий телеграфной и телефонной связи.
Овеянные романтикой опасных и дерзких плаваний, но тихоходные и небольшие деревянные суда уступили место стальным плавающим городам.
Автомобили, автобусы, троллейбусы вытеснили лошадей и мулов. В небо взлетели искусственные птицы, способные унести в стратосферу добрые полсотни тонн груза. Соху заменили многолемешные плуги, прицепленные к тракторам, в стальных цилиндрах которых покорно работают целые табуны лошадиных сил. Деревянные станки можно увидеть только в исторических музеях. Человек забросил на Луну своего первого разведчика и сам уже совершил первые космические полеты.
В земной коре, образуемой шестнадцатикилометровым слоем горных пород, содержится:
алюминия 1.370.000.000 млрд. тонн
железа 775.000.000 млрд. тонн
меди 2.000.000 млрд. тонн
золота 93,5 млрд. тонн
радия 55,5 млн. тонн
За все время своего существования человечество взяло из этой природной сокровищницы: только около 3 млрд. тонн железа.
И все это стало возможным благодаря тому, что производство металлов на каждого человека на Земле превысило полтораста килограммов, а общее количество металла, содержащегося в машинах, сооружениях, постройках, достигло уже, вероятно, четырех миллиардов тонн, ибо именно металл был и остается основой технического прогресса человечества.
Ну, а в будущем? Не придется ли потесниться металлам, уступить часть позиций другим материалам, таким, как например пластические массы?
Искусственные материалы, эпоха которых только начинается, вероятно, в целом ряде случаев смогут превзойти сегодняшние металлы. Да, видимо, появятся пластмассовые автобусы и суда, пластмассовые самолеты и жилища. Но ведь будут совершенствоваться и металлы, ведь и они еще не открыли всех своих возможностей. И, бесспорно, будет расти и расти производство металлов и этим ростом будет определяться прогресс техники и производства.
Не надо противопоставлять металлы пластмассам, стальные канаты— капроновым шнурам. Они не исключают — они дополняют друг друга.
Там, где лучше и выгоднее металл, — место металлу. Там, где лучше и выгоднее искусственный материал, — да будет его место.
В науке, в технике, в промышленности, в многообразном хозяйстве будущего человечества найдется место всем материалам. И также, как сегодня в металлических аппаратах рождаются на химических заводах пластические массы, так и в будущем будут крепкой дружбой дружить два основных вида материалов, с помощью которых воздвигает человечество величественное здание своей материальной культуры, — металлы и синтетические материалы.
Но сегодня металлы — основа основ технического прогресса, основа основ народного хозяйства нашей страны, фундамент материальной культуры всего человечества.
Восемьдесят братьев
Древние римляне знали восемь металлов: золото, серебро, медь, олово, свинец, железо, ртуть и сурьму. В средние века были открыты цинк, висмут и мышьяк, однако их вместе с сурьмой обычно выделяли в специальную группу полуметаллов: они хуже ковались, а ковкость считалась основным признаком металла. Еще в 1763 году великий Ломоносов насчитал только шесть металлов. Кроме сурьмы, он исключил из их числа также ртуть, хотя именно он первый, изучая ее свойства в замороженном виде, доказал, что она обладает ковкостью. «Металлом называется светлое тело, которое ковать можно, — писал он в своей книге
„Первые основания металлургии или рудных дел“. — Таких тел находим только шесть: золото, серебро, медь, олово, железо и свинец».
К концу XVIII века химики знали уже около двадцати металлов, а ко времени открытия Д. И. Менделеевым периодической системы элементов — почти пятьдесят.
Сегодня известно около восьмидесяти металлов. Среди них всем знакомые — железо, медь, алюминий, свинец, олово; драгоценные— золото, платина, серебро; полученные учеными искусственным путем, не существующие на земле — технеций, америций, кюрий; редкие — иттрий, лантан, лютеций, тулий, эрбий. Наверное, и названий некоторых из этой последней группы металлов многие никогда не слышали.
А что же такое металлы? По каким признакам можно отнести к этой группе то или иное вещество?
Ломоносов писал: «Металлы — тела твердые, ковкие, блестящие». Достаточно ли этого определения?
Оказывается, нет. Мы считаем ртуть металлом, и даже сомнений в этом никто никогда не выражает. А ведь она при комнатной температуре находится в жидком состоянии. Кристаллы йода блестят не хуже металлической сурьмы. А ковкость — пластичность — у многих металлов значительно хуже, чем, например, у белого фосфора — воскообразного мягкого вещества.
И все-таки металлами вещества называют в первую очередь по совокупности ряда общих характерных свойств. В частности, металлы обладают хорошей электропроводностью и теплопроводностью, блеском, пластичностью. Металлы ведут себя одинаково и в химических реакциях.
Но ведь свойства элементов определяются их внутренним строением. Значит, металлы имеют нечто общее в своей внутренней структуре.
Попробуем заглянуть в глубь металла. Применим для этой цели микроскоп. Первым сделал это еще знаменитый русский металлург П. П. Аносов.
Впрочем, если мы возьмем обычный кусок металла, например лезвие перочинного ножа, и положим его под объектив микроскопа, мы просто ничего не увидим, кроме сверкающего кружка. Поверхность полированного металла отражает лучи во всех точках примерно одинаково. Чтобы увидеть внутреннее строение металла, надо полированную поверхность протравить слабым раствором кислоты. Неоднородные по своим химическим и физическим свойствам участки металла будут по-разному— в большей или меньшей степени — разъедены кислотой. И под микроскопом возникнет сложный рисунок.
Нелегко разобраться в этом рисунке — причудливых зигзагах светлых и темных полос. Однако ученые разобрались. И первый вывод, к которому они пришли, это то, что все металлы — вещества кристаллические.
Впрочем, в кристаллическом строении многих металлов можна убедиться и не прибегая к микроскопу. Многим, наверное, приходилось, видеть свежий излом стального или чугунного изделия. Там, в неровностях его, обычно бывают отчетливо видны мелкие кристаллики.
Неожиданная картина: металл состоит из крупных, неправильной формы зерен.
Правда, при обычных условиях застывания металлы не успевают образовать больших, отчетливо оформленных кристаллов. В расплавленном металле у стенок слитка при застывании в первые секунды образуется огромное количество крохотных ориентированных во все стороны кристалликов, которые при дальнейшем росте мешают друг другу, теснят друг друга, искажают форму. Затем, при дальнейшем остывании, растут направленные к центру столбчатые кристаллы. И в центре слитка возникает хаотическое нагромождение кристалликов. При дальнейших механических и термических обработках металла может происходить деформация кристаллов, перекристаллизация. Но всегда металлы в твердом виде остаются веществами кристаллическими.
