Металл в истории человека

Знакомство с  металлом

Первым металлом, который  узнал и стал применять человек, было золото. Потом настала 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 связан 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».

Медь

До III века до н.э. люди использовали в основном каменные орудия. Их было тяжело и долго обрабатывать, но они были достаточно прочными. В  поисках подходящих для обработки  камней люди сталкивались с самородной медной рудой – медным колчеданом, медным блеском и купритом (красная  медная руда) – и обратили внимание на то, что если медь обрабатывать ударами  каменного молотка – она становится тверже. Так появилась холодная обработка  металла или же холодная ковка.

Позже люди обнаружили другое интересное свойство меди: если кусок  руды случайно попадал в огонь  – он расплавлялся и при остывании  приобретал другую форму. Сначала мастера  начали использовать это открытие для  изготовления украшений, а потом  и орудий труда. Медь начали обрабатывать в специальных высокотемпературных  печах, которые напоминали гончарные  печи.

Медь сама по себе мягче  камня, но ее легко затачивать. Да и  получить медный инструмент значительно  легче, чем каменный, который нужно  долго оббивать и шлифовать. Потому спрос на металлические орудия все  время возрастал.

В местах залежей медной руды начало возникать рудное и шахтное  дело.  Уже в 1600 году до н.э в Зальцбурге были шахты глубиной до 100 метров, а суммарная длина всех ответвлений равнялась нескольким километрам. Рудокопное дело развивалось очень быстро. Шахты укреплялись деревянными подпорками, создавалась система вентиляции, освещения, поднятия наверх добытой руды. Медь плавилась на поверхности в небольших глиняных печах с толстыми стенками.

Следующим этапом истории  развития металла стало изобретение  бронзы.

Рисунок 1 – Медные монеты

Бронза

Наверняка не известно как именно был изобретен этот сплав. Скорее всего в медной руде попадались примеси олова и люди обратили внимание, что после переплавки такая медь тверже обычной. Также медь с примесью олова лучше плавилась, была более текучей, что позволяло легче придавать ей нужную форму. Инструменты, сделанные из такой меди, были более твердыми и хорошо затачивались. Изготовление бронзы начало широко распространяться  и позволило в несколько раз повысить производительность труда.

Техника литья металлов совершенствовалась. Сначала использовались открытые глиняные и песчаные формы. Но их основным недостатком  было то, что они были одноразовыми. Потом их сменили каменные формы, которые уже использовались многократно. Но все они были открытыми и  позволяли отливать только плоские  предметы. Позже изобрели  закрытые разъемные формы. Они состояли из двух половинок, которые крепко соединялись  между собой. В отверстие наливали металл, и когда он застывал половинки разбивались или разъединялись другим способом.

Для литья предметов очень  сложной формы (включая пустотелые предметы) использовали закрытые формы. Сначала из воска делалась точная копия ожидаемого изделия, потом  она обмазывалась глиной и обжигалась в печи. Воск испарялся и оставалась глиняная форма. В нее заливали металл, ждали когда он остынет и затвердеет и разбивали форму.

Позже были разработаны и  многие другие способы обработки  металлов – волочение, клепка, пайка  и сварка.

И все таки бронза не смогла полностью вытеснить каменные орудия. Медная руда имелась далеко не везде, а олово встречалось еще реже. Для изготовления металлических предметов сырье нужно было транспортировать на далекие расстояния. Все это делало стоимость металлических изделий довольно высокой. И только изобретение железа смогло полностью изменить процесс изготовления орудий труда.

Рисунок 2- Бронзовая посуда

Рисунок 3- Бронзовое оружие

Железо

И только в I веке до н.э началась история железа. Свободного самородного железа в природе практически не встречается, а только соединение железа с кислородом (оксид железа) или гидрат окиси железа. Для того чтобы получить металл нужно восстановить железо, то-есть отнять у него кислород. Но расплавить железо тяжело, так как оно плавится аж при 1539 градусах. Наши предки внимательно наблюдали за «плавкой» руды и таки нашли способ извлечь железо без нагревания его до столь высокой температуры (потому что печей для таких температур просто не было).

Чтобы извлечь из руды железо сначала выкапывалась круглая яма, стенки которой обмазывались глиной. Затем над округлой нижней частью сооружалась верхняя, в виде конуса. Топливо (а это был древесной уголь) засыпали на дно ямы. Сверху клали шихту – измельченную руду и уголь, а на самый верх – толстый шар угля.

Также в нижней части печи делалось отверстие для воздуха. При искусственном нагнетании воздуха  температуру в печи можно было поднять до 1200 градусов, что давало возможность извлечь из руды больше чистого железа (при естественном притоке воздуха температура  поднималась только до 1000 градусов). Потому вскоре начали использовать мехи. Они делались из шкур и при помощи сопел воздух вручную нагнетался в печь.

Когда топливо поджигалось, руда начинала разогреваться и тестообразное железо в виде мелких лепестков опускалось вниз. В результате на дне печи образовывался ком мягкого сварного железа – крица. Этот кусок мягкого железа весил от 1 до 8 кг и включал в себя пустоты, заполненные твердыми шлаками.

Железо доставали и  обрабатывали в кузнице. Крицу разогревали  и ударами молота удаляли шлак. Ковка железа вскоре стала основным видом обработки металла.

Впрочем, чистое железо слишком  мягкое и его невозможно использовать для изготовления орудий труда. Потому в него начали добавлять углерод. Сплав содержащий 0,3-1,7 % углерода называется сталью. Сталь ценна своей способностью к закалке: если изготовленный инструмент нагреть докрасна, а потом охладить в воде – он становится очень твердым и приобретает хорошие режущие качества.

В течении истории обработки железа существовало несколько способов производства стали.

Первые печи для добывания  железа из железной руды назывались сыродутные горны, потому что в них для  лучшего сгорания топлива и прогревания  руды нагнетался сырой не подогретый воздух. Детальнее о первых печах  можно почитать в Истории железа.

Сыродутный горн

Долгое время производство стальных изделий было очень длинным  и трудоемким процессом. Сначала  производился чугун, потом он восстанавливался в мягкое железо – крицу, крица  проковывалась и получалась нужная металлическая деталь (или же заготовку  к ней, которая еще обрабатывалась на металлорежущих станках). Весь процесс  требовал много сил и времени, потому в XIX столетии, когда резко  возрос спрос на сталь, металлурги начали искать пути добывания жидкой стали.

Кричный горн

До конца XVIII века в производстве металла использовались кричные  горны. Но качество металла, производимого  этим способом, было не очень хорошее  – местами производимый чугун  был более похож на сталь, местами  на ковкое железо. Также ставились  очень высокие требования к топливу: уголь был в непосредственном соприкосновении с железом и  потому должен был быть наивысшего качества. Количество топлива для  добывания металла также было огромным: для получения 1 кг железа нужно было сжечь до 4 кг угля. Количество производимого металла не могло  удовлетворить потребностей рынка, так как даже в самых крупных  горнах за 24 часа можно было добыть всего 400 кг железа.

Пудлинговая печь

В 1784 году англичанин Корт предложил  новый способ производства стали  – процессом пудлингования в  специально созданной для этого  машине.

Машина работала следующим  образом: в топке сжигали топливо. Продукты горения попадали в рабочее  пространство печи, где находился  чугун. Чугун нагревался, шлаки начинали выгорать и получалась крица.

Основным преимуществом  пудлинговых печей было то, что  они позволяли использовать в  качестве горючего любое топливо, включая  неочищенный каменный уголь. Также  была устранена необходимость вручную  нагнетать воздух, так как тяга осуществлялась через высокую трубу. Именно это стало причиной широкого распространения пудлинговых печей.

Объем печей стал больше. Но они все таки были недостаточно большими – для того чтобы чугун прогревался и восстанавливался равномерно, его приходилось помешивать. Это делалось вручную и было тяжелым трудом.

Металлурги продолжали поиски в создании более продуктивных способов добывания металла и в 1856 году английский инженер Бессемер изобрел новую технологию изготовления стали.

Интересные факты о металлах.

• В открытом космосе не окисленный металл слипается.

 Как известно в атмосфере  Земли содержится кислород, который  окисляет металл. Тонкий слой  окисления покрывает весь кусок  металла, создавая таким образом как бы защитную пленку. Зато если взять 2 куска металла в космическом вакууме и приложить друг к другу то они склеятся. Это происходит потому что отсутствует окисленная поверхность действующая как барьер и атомы металла могут свободно взаимодействовать.

 Если брать Вселенную  в целом то это эффект вполне  нормален, а случай на нашей  планете своего рода исключение  благодаря наличию кислорода.  Хотя это хорошо, ведь можно  не бояться, что два металлических  предмета могут слипнуться в  руках. 

 Учитывая это все  металлические инструменты, которые  используются космонавтами в открытом космосе имеют защитное пластиковое покрытие. Хотя этот эффект реален, но это не является особой проблемой для НАСА ведь даже если вы возьмете с Земли в космос уже окисленный инструмент он будет иметь защитную пленку и не прилипнет.

• Наиболее распространенный металл в почве Земли – алюминий. Если взять всю планету в целом, то железо выйдет на первое место, так как оно составляет большую часть ядра Земли.

 Железо является шестым  из самых распространенных элементов  во Вселенной. В пределах Земли  железо на четвертом месте.

• Самым дорогим металлом в природе является родий, стоимость которого переваливает за 175 тысяч долларов. Таким образом на втором месте платина и на третьем — золото.

• Единственным металлом, который может сохранять жидкое состояние при комнатной температуре является ртуть.

• Самым дорогим металлом, искусственно созданным человеком является калифорний 252. Ориентировочная цена – 6 500 000 $ за 1 грамм. В данный момент на Земле существует не более 5 граммов этого металла. Вырабатывается калифорний 252 в мощных реакторах, немудрено, что позволить такую роскошь могут только США и Россия. За год в одном реакторе производится всего около 30 мкг этого редкого вещества.

 Где же применяется  этот сверх редкий металл? Калифорний 252 применяется в медицине при лечении раковых заболеваний; в промышленности для проверки качества сварных швов; в приборостроении как индикатор; калифорний также используется при запуске реакторов; в геологии для обнаружения движения грунтовых вод и т.п… На этом послужной список данного вещества не окончен.

• Оказывается, инструменты, изготовленные из меди и её сплавов не создают искр. По этой причине такие инструменты применяются там, где существуют особые требования безопасности, то есть огнеопасные и взрывоопасные производства.

• Знаете ли вы, что еще в XV—XVI веках индейцы культуры Чонос (Эквадор) выплавляли медь с содержанием 99,5 %. Из меди они изготавливали монеты в виде топориков 2 мм по сторонам и 0,5 мм толщиной. Данная монета имела хождение по всему западному побережью Южной Америки, и в том числе в государстве Инков.

• Интересный факт установили польские учёные — в тех водоёмах, где присутствует медь, карпы отличаются крупными размерами. В прудах или озёрах, где медь отсутствует, быстро развивается грибок, который поражает карпов.

• Вольфрам — самый тугоплавкий металл. Температура плавления 3380 °C, кипения — 5900 °C.

• Самый крупный существующий в настоящий момент платиновый самородок хранится в Алмазном фонде Московского Кремля. Этот самородок весом 7 кг 860,5 г называют «Уральский гигант».

• В XVII веке в Южной Америке платину считали «поддельным серебром». Однажды запасы платины для предотвращения фальшивомонетничества утопили в океане.

• Швейцарская фирма Valcambi выпускает золотые слитки Combibar в форме, напоминающей плитку шоколада. Главное их преимущество перед привычными слитками заключается в том, что такую плитку можно легко разломать на дольки весом в 1 грамм и использовать как подарок или альтернативное платёжное средство. Кроме золота, компания выпускает подобные изделия из серебра, платины и палладия.

• Согласно рекомендациям Международного олимпийского комитета, в золотых олимпийских медалях должно содержаться не менее 6 граммов чистого золота в виде нанесения. Как правило, организаторы Игр не увеличивают эту цифру, поэтому золотая медаль в физическом смысле по большей части серебряная. Так, в медалях высшей пробы лондонской Олимпиады-2012 содержание золота составляет чуть больше 1%.

• Некоторым металлическим сплавам, например нитинолу (55% никеля и 45% титана), присущ эффект памяти формы. Он заключается в том, что деформированное изделие из такого материала при нагреве до определённой температуры возвращается к своей первоначальной форме. Это связано с тем, что данные сплавы имеют особую внутреннюю структуру под названием мартенсит, обладающую свойством термоупругости. В деформированных частях структуры возникают внутренние напряжения, которые стремятся вернуть структуру в исходное состояние. Материалы с памятью формы нашли широкое применение в производстве — например, для соединительных втулок, которые при очень низкой температуре сжимаются, а при комнатной — распрямляются, формируя соединение гораздо надёжнее сварки.

• Долгое время ценность монет была эквивалентна содержащемуся в них количеству металла. В связи с этим существовала проблема — мошенники срезали небольшие кусочки металла с краёв, чтобы делать из них новые монеты. Решение проблемы предложил Исаак Ньютон, который был по совместительству сотрудником Британского Королевского монетного двора. Его идея была очень простой — прорезать в краях монеты маленькие линии, из-за которых стёсанные края были бы сразу заметны. Эта часть на монетах оформляется таким образом по сей день и носит название гурт.

• За всю историю человечества было добыто 165 000 тонн золота (по состоянию на конец 2009 года), причём половина этого количества — в ЮАР. Если отлить его в единый слиток, получится куб со стороной всего 20 метров — он, например, легко бы вместился целиком в спорткомплекс «Олимпийский». А количество железа, равное всему добытому человечеством золоту, извлекается из недр земного шара примерно за 45 минут.

• Золото в чистом виде без примесей настолько мягкое, что его можно поцарапать ногтем. Поэтому в ювелирных изделиях золото всегда сплавляется с медью или серебром.

• Французский артист Мишель Лотито прославился тем, что ел абсолютно несъедобные вещи. На своих представлениях он поглощал велосипеды, телевизоры и другие предметы из стекла, металла и резины. Однажды он разобрал самолёт Цессна 150 и за два года съел его по частям. Перед выступлением он «смазывал» желудок минеральным маслом, а во время процесса пил большое количество воды. Подсчитано, что за свою карьеру он поглотил около тонны металла.

• Расходы на производство всех российских монет до 5 рублей включительно превышают номинал этих монет. Например, стоимость чеканки 5-копеечной монеты составляет 71 копейку.

• Шахтёры средневековой Германии нашли красный минерал, напоминающий медную руду. Однако извлечь медь из него не удалось, в чём шахтёры обвинили озорного духа Никеля, а руду назвали Kupfernickel (Kupfer по-немецки медь). В 1751 году барон Кронштедт снова попытался извлечь медь из купферникеля, но в результате открыл новый металл белого цвета, который впоследствии и был назван никелем.

• Платина в переводе с испанского буквально означает «серебришко». Объясняется такое пренебрежительное название, данное этому металлу конкистадорами, исключительной тугоплавкостью платины, которая не поддавалась переплавке, долгое время не находила применения и ценилась вдвое ниже, чем серебро. Сейчас на мировых биржах платина дороже серебра примерно в 100 раз.

• Когда союзники готовились к высадке в Европе, они в условиях дефицита металла всерьёз рассматривали проект постройки флота огромных авианосцев изо льда. Дело дошло до реального прототипа — уменьшенной копии авианосца из замороженной смеси воды и опилок, однако большие подобные корабли так и не были построены.

• Содержание золота в пепле, образующемся от сжигания сухого осадка канализационных отходов японского города Сува, более чем в 50 раз выше аналогичных показателей лучших золотоносных шахт. Специалисты объясняют этот факт тем, что в городе расположилось много заводов электроники, при производстве которой широко применяются золото и золотосодержащие сплавы. Установки по извлечению драгоценного металла уже работают.

• При обжиге содержащих мышьяк кобальтовых минералов выделяется летучий ядовитый оксид мышьяка. Руда, содержащая эти минералы, получила у горняков имя горного духа Кобольда. Древние норвежцы приписывали отравления плавильщиков при переплавке серебра проделкам этого злого духа. В честь него и назвали сам металл кобальт.