Железный век — Часть 1
СМИ постоянно сообщают, что век пластика наступил, а вокруг процветает кремниевая цивилизация. Однако реальность иная: мы живем в железном веке уже более трех тысяч лет. Можно еще добавить, что девятнадцатый век, т.е. век пара и электричества (поскольку электричество по-прежнему в основном вырабатывается силой потока водяного пара), продолжается в энергетическом плане.
Римский поэт Овидий в «Трансформациях» описал мифические эпохи человечества, в основном в соответствии с развитие цивилизации. Итак, после счастливых веков золота и серебра (тут у автора была фантазия, ибо это был каменный период) воцарился век бронзы, одного из сплавов меди и олова. В то время жили Геракл, Тесей и аргонавты, а герои Гомера, облаченные в бронзовые доспехи, сражались под стенами Трои бронзовыми мечами. Археологи называют этот период бронзовым веком. После нее (после Овидия)…
… наступил век жесткого железа
Когда это началось? Трудно ответить на этот вопрос. они происходят из 1-го тысячелетия до нашей эры, а может быть, и раньше. И это было не «всякое» железо, а небесное, строго метеоритного происхождения (XNUMX). Неудивительно, что к ним относились как к настоящему дару богов и соответственно уважали.
1. Фрагмент крупнейшего польского железного метеорита, найденный в пригороде Познани (Мораско). Образец находится в Музее Земли АМУ (автор: Wikimedia/MOs810)
С чистым с земным железом человек познакомился, когда стал получать металлы из руд, а не из samorodków. ,: при достижимых в то время в печах температурах (максимум до 1000°С) эти металлы плавились и могли отливаться, а их мягкость позволяла легко обрабатывать ковкой.
Z железо это было не так просто. Во-первых, он плавится при температуре, превышающей 1500 °С, во-вторых, в холодном состоянии он тверд и не поддается формовке методами тысячелетней давности. Первоначально это был хлопотный побочный продукт (медная и железная руды часто соседствуют друг с другом) — на дне печи оставался кусок губчатой, твердой массы. Это было железо, сделанное из восстановленных оксидов из руды. По воле случая, древний кузнец-кузнец начал обрабатывать полученный сланец (от латинского, что означает волк) еще до того, как он остыл (2). Этот раз металл легко поддавался обработке. Хотя по нынешним меркам это было очень низкокачественное железо, оно оказалось тверже всех известных в то время металлов.
2. Кузнец был важной профессией на протяжении тысячелетий (автор: Wikimedia/Jorgeroyan)
Твердость железа зависит от количества растворенного в нем углерода. (она происходила от древесного угля, используемого для плавки), а это, в свою очередь, от температуры плавки — увеличивается вместе с ней. Низкоуглеродистое железо получали в примитивных печах (содержание углерода не превышало 0,5%).
Однако технология продолжала развиваться. Были разработаны лучшие печи для достижения более высоких температур, чтобы в железе растворялось больше углерода. Когда его содержание достигло примерно 1%, человек впервые познакомился с ним. стал. Сделанные из него лезвия быстро не тупились, к тому же его можно было закаливать, что дополнительно повышало его твердость. С тех пор новый металл стал стремительно вытеснять коричневый. Когда был этот прорыв? Примерно в середине второго тысячелетия до нашей эры на территории современной Сирии и Анатолии (Турция). Оттуда сталь распространилась по всему тогдашнему миру, хотя в разных его частях это изобретение осуществлялось независимо друг от друга (например, в Индии и Китае).
Но почему железонесмотря на проблемы с его производством, был заменен на бронзу? На этот раз предоставим слово Болеславу Прусу, который в «Фараоне» описал преимущества нового материала следующим образом: «один из египетских офицеров обнажил свой бронзовый меч и держал его, словно собираясь напасть. Тогда Саргон поднял стальной меч, ударил и отсек противнику кусок оружия».
Металл войны
Действие романа происходит в 3 веке до нашей эры, но до этого лучшее вооружение означало преимущество на поле боя. Вероятно, неслучайно изобретение производства стали было изобретено хеттами, народом воинов. После них его переняли не менее смелые ассирийцы, чей посланник Саргон столь наглядно показал молодому наследнику египетского престола преимущества нового оружия. С тех пор железо навсегда было связано с войной, оно было посвящено богам, присматривающим за этой сферой жизни, и (XNUMX).
3. Поверхность Марса, покрытая оксидами железа (из ресурсов НАСА). Астрономический символ планеты Марс и алхимический символ железа изображают щит и копье — атрибуты бога войны
Шли века, совершенствовалась технология выплавки и обработки (в Польше уже в XNUMX веке до н.э. металлургия). Их секреты тщательно охранялись, а их успешные изобретения получили большую известность, например, совершенные булат. Кроме небольших примитивных коптилен, для плавки все чаще строились большие печи. В средневековой Европе удалось впервые достичь температуры плавления железа и — вместо губчатой массы, лежащей на дне очага, из печи вытекал жидкий металл, т.е. салат. Однако восхищения это не вызывало: сплав с высоким содержанием углерода (чугун) был хрупким и не поддавался ковке, годился только для отливок (для этой цели он используется и сегодня).
Прорыв в производстве стали произошел в XNUMX и особенно в XNUMX вв. Сначала его использовали для выплавки кокс (дегазированный каменный уголь) вместо уголь. Произошло это в Англии, где сталелитейная промышленность способствовала значительной вырубке лесов в стране (спрос на кокс был стимулом для бурного развития горнодобывающей промышленности). каменный уголь). Разработка методов получения стали из выплавляемого чугуна путем удаления избыточного углерода и других добавок (фосфора, серы, кремния) сделала сталь дешевой и доступной в больших количествах, что в свою очередь послужило началом ее широкого использования в качестве конструкционного материала.
Технологические процессы XNUMX века — Бессемера, Томаса, и особенно Сименс-Мартин — по сей день они являются основой производства стали (конечно, во многом усовершенствованы). Хотя в настоящее время методом проб и ошибок не занимаются, а процессы выплавки и обработки стали изучают специалисты разных областей, в металлургии все же есть добавленный элемент искусства. Специалистов в этой области можно сравнить с поварами, которые, используя правильно подобранные специи, могут получить изысканные блюда. В этом случае функцию специй выполняют сплавные добавки (то есть различные элементы), а готовые блюда представляют собой сплавы «на все случаи жизни».
Металл №1
Железо это основа нашей цивилизации, пусть цифры говорят сами за себя. В 2019 году во всем мире было выплавлено 1300 10 млн тонн чугуна, из которых около 1900% ушло на производство чугунных изделий, остальное переработано в сталь. Произведено около 10 2 млн тонн стали (разница — стальной лом, добавляемый при переработке чугуна). «Стальной завод мира» — Китай, который поставляет более половины продукции (у Польши — около 80 млн тонн). Годовое производство металла номер XNUMX, т.е. алюминия, составляет менее XNUMX миллионов тонн, что по сравнению с двумя миллиардами тонн стали и чугуна полностью доказывает, что мы все еще живем в Железный век (4).
4. Мировое производство стали составляет два миллиарда тонн в год.
На Земле у нас много железа, поверхностный слой содержит 5,6%, что ставит этот металл на 4 место (после кислорода и глины). Если брать Землю в целом, то лидирует железо, составляющее почти треть массы земного шара (в центре планеты находится железо-никелевое ядро диаметром почти 7000 км). Во Вселенной железо является 6-м по распространенности элементом, а также самым тяжелым элементом, который может производиться в ядре звезды (более тяжелые создаются в результате космических катаклизмов — взрывы сверхновых).
Бесплатное железо на Земле встречается изредка в виде мелких самородков и. Однако минералы железа многочисленны: гематит Fe2O3, сидерит FeCO3, магнетит Fe3O4 лимонит (гидратированные оксиды, так называемая болотная руда) наиболее часто добываемые руды этого металла, а пирит, имитирующий золото FeS2 он используется для производства серной кислоты (5).
5. Красноватый цвет на дне ручья сигнализирует о присутствии вездесущих соединений железа.
Живой мир также воспользовался преимуществами железа, оно необходимо для всех организмов. Ионы железа находятся в центре двух важных белков: гемоглобина, который транспортирует кислород, и миоглобина, который хранит живительный газ в мышцах. Также многие ферменты, ответственные за реакции окисления и восстановления, функционируют благодаря присутствию ионов железа (проводя опыты, вы узнаете, почему это происходит). В организме взрослого человека содержится около 4 граммов железа, а его недостаток вызывает анемию. Богатыми источниками легкоусвояемого железа являются: мясо, печень, яичные желтки, орехи, молоко и бобовые.
Взаимные трансформации
Соли двухвалентного и трехвалентного железа доступны в вашей лаборатории. Примером первого является сульфат FeSO.4а другой — хлорид FeCl3 (оба в виде гидратированных солей). В случае FeCl3 будьте особенно осторожны: его растворы едкие и оставляют коричневые пятна, которые трудно удалить. Поэтому требуются защитные перчатки и испытания проводятся на лотке. Приготовьте растворы обеих солей и разлейте их по пробиркам. Раствор, содержащий ионы Fe2+ имеет светло-зеленый цвет в случае катионов Fe3+ цвет желтый (6). Добавьте в каждую пробирку небольшое количество раствора гидроксида натрия NaOH. В обоих случаях образуются следующие отложения: Fe(OH)2 серо-зеленый, а Fe (OH)3 — красно-коричневый (7).
6. Цвета растворов солей железа.
7. Осаждение гидроксидов железа
Для пробирки с осадком Fe(OH)2 добавить несколько капель 3% раствора перекиси водорода Н2O2 (перекись водорода, используемая в качестве дезинфицирующего средства). Осадок быстро становится красно-коричневым (8):
2Fe (ОН)2 +H2O2 → 2Fe(ОН)3
8. Гидроксид железа (II) быстро окисляется до гидроксида железа (III).
В пробирку с водой налейте несколько капель раствора FeCl.3 так что цвет только светло-желтый. Добавьте небольшое количество раствора йодистого калия KI, он сразу потемнеет содержимое. Теперь добавьте раствор тиосульфата натрия. Na2S2O3. Содержимое сосуда почти обесцвечивалось. В конце влейте несколько капель раствора NaOH. Образовавшийся осадок имеет цвет… на удивление, зеленоватый. Какие реакции происходили в пробирке?
Во-первых, ионы Fe3+ окисляли йодиды до свободного йода (потемнение раствора), естественно, сами восстанавливались. Добавление тиосульфата снова вызывало восстановление йода до бесцветных йодидов, и под действием основания образовывался осадок Fe(OH).2.
Этот легкий переход — как бы связанный с Превращениями Овидия — ионов Fe(II) в Fe(III) и обратно лежит в основе их биологической активности.
Железо, сталь, чугун
Чаще всего, когда мы говорим о железе, мы имеем в виду сталь. Чистое железо почти нигде не используется. В качестве магнитного материала используется железо с небольшим количеством примесей (железо ARMCO). Сталь представляет собой сплав с содержанием углерода 1,7-2,1%. Если углерода больше, он отделяется в виде графита и образует чугун.
