Помоги проекту - поделись книгой:
Разумеется, все эти элементы не разложены по отдельным коробочкам, бутылочкам и ящичкам с соответствующими этикетками, как положено на настоящем складе химических реактивов. Элементы в чистом виде, то есть в виде простых веществ, встречаются в земле крайне редко. Это, например, самородное золото, замысловатые слитки которого, маленькие и большие, можно увидеть в минералогических музеях. Или жёлтая сера в восковых на ощупь кристаллах. А ещё — углерод в виде алмазов, из которых делают изумительные прозрачные бриллианты, блестящего чёрно-серого графита или чёрных угольных пластов. В основном же земные породы сложены из оксидов — так химики называют соединения элементов с кислородом в разных соотношениях. Вот почему кислорода в земной коре больше всего.
А ещё, помимо оксидов, в земных породах встречаются самые разные соли — так химики называют соединения атомов металлов с другими элементами. Например — наша поваренная соль, хлорид натрия, или пирит, сульфид железа, который блестит в камнях золотыми прожилками и часто сбивает с юлку искателей золота — очень уж похож.
А есть и более сложные соли, содержащие атомы металла, кислорода и ещё какого-нибудь элемента, например — карбонат кальция, он же белый мягкий мел, которым учительница пишет на доске. Это тоже природный камень, состоящий из атомов кальция, углерода и кислорода в соотношении 1:1:3. Чтобы более коротко записать состав этого вещества, химики используют такой прием: записывают в строчку символы элементов, а рядом с ними, чуть ниже, их относительное количество в веществе. Получается: Ca1C1O3 или, ещё проще, CaCO3. Коротко и ясно. Это называется химической формулой вещества.
Все эти вещества — твёрдые, они умеют образовывать кристаллы разного цвета, они смешиваются, переплетаются, врастают один в другой по велению природы. А в результате образуются самые разные камни — невзрачные, обычные, серенькие или яркие, с замысловатым узором и прожилками. Или прозрачные кристаллы разного цвета, которые называют драгоценными и полудрагоценными камнями. Песок и галька на пляже, скользкая глина на разбитых дорогах, камни в горах, которые сыплются из-под ног, — всё это застывший кристаллический коктейль из тех веществ, о которых мы только что с вами говорили. И все это называется минералами.
Откуда мы это знаем, спросите вы? А всё благодаря геологам, минералогам и геохимикам. Они неустанно исследуют то, что у нас под ногами. Геологи путешествуют по миру, по лесам, по горам, по долинам рек и пустыням с рюкзаком за спиной и со специальным молоточком в руках — собирают разные необычные камни и образцы пород. А минералоги и геохимики в лабораториях тщательно исследуют образцы — рассматривают рисунок, изучают блеск и излом камня, проверяют его магнитные свойства, просвечивают рентгеном и воздействуют химическими реагентами, чтобы узнать химический состав и кристаллическую структуру.
На мой взгляд, «минерал» — очень красивое французское слово. Так называют все природные вещества с определённой кристаллической структурой и свойствами, которые образовались по воле природы. Они входят в состав земной коры, горных пород и руд.
Но это мы с вами уже знаем. А вот чего мы пока не знаем, так это сколько же минералов существует в природе. На этот вопрос не ответит ни один минералог. Он только скажет, что двести лет назад было известно менее ста минералов, а сегодня открыто более четырех тысяч. Причём каждый год учёные находят десятки новых, тщательно исследуют их, выносят результаты своих изысканий на суд научного сообщества и при положительном исходе присваивают ему имя. После этого новый минерал попадает в официальный каталог.
Среди этих четырёх тысяч лишь 20-30 минералов, главнейшие из которых — кварц, полевой шпат и роговая обманка, слагают большую часть земной коры, а остальные встречаются относительно редко. Если вы на проселочной дороге подцепили носком ботинка серый плоский камешек, то, скорее всего, это один из трёх перечисленных минералов.
Кстати, а откуда берутся имена минералов? Имена, как известно, дают родители. А родители минералов — это те исследователи, которые их открыли и изучили. В давние времена, сотни лет назад, минералы называли по имени места, где их находили. Например, топаз впервые обнаружили на острове Топазион в Красном море, а халцедон — вблизи одноименного города в Малой Азии. Впрочем, и современные геологи используют этот прём. Красивый минерал чароит, который обнаружили совсем недавно, лет тридцать назад, назвали по имени реки Чары на юге Якутии.
Часто в именах минералов «зашифровывали» их свойства, в первую очередь — цвет: рубин означает «красный», аквамарин — «цвета морской воды». Но часто основой для имени становилось строение камней. Вот, к примеру, полевой шпат. Из-за особенностей кристаллической структуры этот камень может раскалываться на тонкие пластины. Поэтому и называется он «полевой шпат» от древнегреческого spate — пластина. Или возьмем роговую обманку. Если разбить этот камешек, то на изломе он будет похож на чешуйчатый рог. Отсюда и название.
Сегодня другая мода. Почти 40% всех названий минералов образованы от фамилий или имён разных людей. Эту моду ввёл в XVIII веке немецкий геолог Авраам Вернер. Первый именной минерал пренит — дело его рук. Он назвал его в честь полковника фон Прена, доставившего с мыса Доброй Надежды первые образцы этого минерала.
Поначалу мода приживалась с трудом, и в ход шли имена только важных особ. Например красивый камень александрит назвали в честь царя Александра II. Зато теперь во многих названиях мы слышим отголоски имён учёных, писателей, философов, поэтов, коллекционеров, артистов, политических деятелей... Всех не перечесть. Например, минерал беловит назван в честь кристаллографа и геохимика Николая Васильевича Белова, а биотит — в честь французского физика Жана Батиста Био, изучавшего магнетизм и оптику. В названиях камней увековечены имена знаменитых Пьера Кюри, открывшего элементы полоний и радий, Антуана Анри Беккереля, открывшего явление радиоактивности урана и его солей, и многих других.
Родители минералов не забыли и о космонавтах. В честь Юрия Гагарина, первого человека, совершившего полёт в космос в 1961 году, появился гагаринит. А фамилия американского астронавта Нила Олдена Армстронга, впервые ступившего на поверхность Луны, звучит в названии «армстронгит». В названии «гётит» читается имя знаменитого немецкого писателя и философа Иоганна Вольфганга Гёте, который, кстати, увлекался минералогией и собрал чудесные коллекции камней. А на кого вам намекают «рузвельтит» и «джефферсонит»? Не знаете? Спросите у папы. Он точно скажет, что здесь явно звучат имена двух президентов Соединённых Штатов Америки.
Открытие нового минерала по-прежнему остается событием в науке, потому что позволяет сделать ещё один шажок к пониманию того, как зарождалась и формировалась Земля и другие планеты. Не говоря уже о том, что новый минерал может быть полезен человечеству — мало ли что можно будет сделать из этого камня. И хотя за спиной минералогии сотни лет истории, эта наука по-прежнему хранит тайны.
Не исключено, что и вы увлечётесь красотой и гармонией, заключённых в камнях, станете известным учёным, откроете новый минерал и назовёте его в честь своей мамы. Вот уж она будет рада! Не зря уговаривала вас хорошо учиться и поступить на геологический факультет. Да и вообще, какая мама не желает своим детям добра? Нет таких.
Глава 4. Красивая жизнь вещества
Ну вот, теперь мы знаем, из чего сделана Земля и что в ней припасено. Как же этими несметными богатствами распорядиться? Ответ знают химики, потому что любое вещество для них — что дитя родное.
Проще всего взять у природы готовое вещество и пустить его на свои нужды. Вот, к примеру, обычный песок, он же диоксид кремния (SiO2), он же кремнезём и кварц.
Сколько всего можно сделать из этого невзрачного и вездесущего вещества! И добывать его просто, ведь песок лежит совсем не глубоко, а то и вовсе на поверхности земли. Запустил в песчаный карьер экскаватор, он своим ковшом подцепил кучу песка, высыпал его в самосвал, и побежала машина с песком к тем, кому он нужен.
Самое простое, что можно сделать с песком, это сыпать его под фундаменты будущих зданий, на дорожки в парках и стадионах и в песочницы, чтобы детишки могли возводить свои песчаные замки. Но это действительно просто. А если с песком поработать, то можно получить совершенно удивительный материал, который в своё время изменил облик всей цивилизации. Догадались, о чём я говорю? Правильно — о стекле. Вазочки и кувшины, стаканы и бутылки, украшения и лампочки, люстры и очки, окна и стеклопакеты — разве можно сегодня представить себе жизнь без всего этого стеклянного великолепия?
Чтобы превратить песок в стекло, приходится тратить много сил и энергии в прямом смысле этого слова. Песок надо расплавить, а плавится он при очень высокой температуре — более 1700 градусов! Железо и то легче расплавить. Чтобы раскалить в печи песок до такой температуры, нужно очень много топлива (если печь газовая) или электричества (если печь электрическая). Но здесь на помощь приходит маленькое химическое чудо. Если к песку добавить немного соды (химики называют это вещество карбонатом натрия) и мела (карбонат кальция), то температура плавления снизится на 700 градусов. При таком удачном сочетании компонентов песок расплавится, навсегда потеряет свою жёсткую кристаллическую структуру и превратится в прозрачную, жидкую массу, которая застынет, но так и не станет кристаллической. Вот она, химия в действии!
Как вы думаете, давно ли люди догадались, как делать стекло? Мелкие изделия из стекла — бусинки, колечки, маленькие пузырьки — научились изготавливать ещё в Древнем Египте несколько тысяч лет назад. Значит, уже тогда знали его рецепт. А вот листовое гладкое стекло впервые начали делать в конце семнадцатого века. Кстати, первый стекольный завод был построен шведом Елисеем Колтом в 1635 году недалеко от Москвы. Но первые листовые стёкла были маленькие, размером с обычную книжку. Да и гладкостью особой не отличались, ведь тогда остывающую стекольную массу просто раскатывали хорошо ошкуренным бревном.
Первые оконные стёкла были невероятно дороги, поэтому в домах, возводимых в конце семнадцатого и начале восемнадцатого века, окошки были маленькие. В богатых домах эти небольшие стеклянные пластинки вставляли в ячеистую деревянную раму. Тогда окно получалось вроде бы и большим, но состояло из нескольких стеклянных окошек в деревянном обрамлении. Именно такие окна вы можете увидеть в здании Кунсткамеры на Васильевском острове в Санкт-Петербурге, строительство которого началось по указанию Петра Первого в 1718 году. Говорят, что ещё 200 лет назад во Франции взимали налог с тех, у кого были стеклянные окна. Наверное, это был налог на роскошь.
Сегодня совсем другое дело. Огромные стеклянные витрины, размеры которых измеряются уже не сантиметрами, а метрами, — обычная примета любого современного города. Большие, идеально гладкие плоские стёкла делают по особой технологии, предложенной в 1959 году английскими технологами. Представьте себе огромную прямоугольную ванну, заполненную расплавленным металлом — оловом. Поверхность расплавленного металла идеально гладкая. Вот на неё-то и выливают расплавленную стекольную массу. Она легко и равномерно растекается по горячему металлу, образуя слой постоянной толщины. Так потихонечку и остывает в ванне вместе с оловом. А потом идеально гладкий лист стекла отправляют в работу — режут и упаковывают. Именно такие стёкла сегодня вставляют в стеклопакеты.
Наверняка у вас была или даже есть простенькая детская игрушка под названием «Калейдоскоп». Я права? Не знаю, как вы, но я, честно говоря, и сейчас иногда в него смотрю. Всего лишь три зеркальные пластинки и несколько маленьких разноцветных стёклышек, которые свободно перемещаются по донышку трубки калейдоскопа, если её вращать. И вот уже нашему взору предстают самые разные, удивительные, яркие узоры, сложенные из цветных стёклышек.
Как стеклу придают цвет в объёме? Да с помощью тех же самых природных минералов и соединений, которые добавляют в стекольную смесь перед её плавлением. Чтобы получить зеленоватый и жёлтый цвета, добавляют соединения хрома, оранжевый — соединения серебра, синий — кобальта, бутылочный или изумрудно-зелёный — железа, голубой и синий — меди, а кроваво-красный — кадмия.
А знаете, из чего сделаны рубиновые звезды на башнях Московского Кремля? Из ярко-красного стекла с добавками селена. И золотой шпиль на высотном здании МГУ тоже стеклянный. Он изготовлен из ярко-жёлтого стекла. Изнутри шпиля стекло покрыто тонким слоем алюминия, поэтому в солнечный день он блестит не хуже золотого, а служить будет дольше.
Если же в стекольную массу добавить соединения свинца и бария, то получится звонкий хрусталь. А еще хрусталь поддаётся огранке, на его поверхности вырезают замысловатые рисунки, а потом полируют грани. Подойдите к буфету, достаньте хрустальный фужер (только осторожно, бабушки очень расстраиваются, когда разбивают их хрусталь) и посмотрите, как играет свет на их гранях. Правда, красиво? Из обычного стекла такого сделать нельзя, оно слишком мягкое и «течёт» на гранях и ребрах, так что никакой игры света не получается.
А как вы думаете, из чего делают модные украшения — кристаллы Сваровски, которые выпускает австрийская компания с тем же названием? Из того же хрусталя, то есть, по сути, из стекла! Хрусталь для кристаллов Сваровски на треть состоит из оксида свинца, то есть он ещё твёрже обычного хрусталя.
История с модными кристаллами началась больше ста лет назад, в 1891 году. Тогда Даниэль Сваровски изобрёл автоматическую машину для огранки хрусталя, а через три года основал собственную компанию со своим именем. Интерес Сваровски к гранильному делу вполне объясним. Ведь он родился (1862) в маленькой деревне Георгенталь в Северной Богемии, которая уже тогда славилась своими стекольщиками, хрустальщиками, огранщиками и шлифовальщиками. Азы ремесла Даниэль освоил в мастерской отца, а затем восемнадцатилетним юношей отправился учиться в Париж, где изучил физику, химию, механику и инженерное дело. Побывал он и на Всемирной выставке электричества в Вене (1883), после чего и задумал сделать электрический станок для огранки камней и хрусталя.
Правда, в те времена никто и не думал заменять бриллианты каким-то стеклом. Это было просто неприлично. Твёрдые кристаллы с острыми гранями нужны были для изготовления шлифовальных и режущих материалов.
О кристаллах Сваровски как элементе ювелирных украшений заговорили лишь в последние пятьдесят лет, когда вдруг подскочил спрос на блестящие украшения, похожие на бриллиантовые. Сегодня бум вокруг кристаллов Сваровски настолько велик, что фирменный магазин в Вене, где продают украшения, статуэтки и просто кристаллы, работает круглые сутки. Витрины в нём сверкают так, что глазам больно. И дело здесь не только в игре света на гранях кристаллов. На некоторые свои изделия компания наносит специальные покрытия. Самое популярное — «Северное сияние Авроры», благодаря ему на поверхности кристалла появляются радужные отблески.
Итак, на примере песка мы убедились, что у земли можно взять готовое вещество, немного поколдовать с ним и получить материалы, которые сильно облегчат и украсят нашу жизнь. «Но ведь есть материалы и вещества, которых нет в природе в чистом виде?» — скажете вы. Спасибо за умное и своевременное замечание. Действительно, железо, алюминий, медь можно найти в земле только в виде соединений с другими элементами. Справедливости ради надо сказать, что самородки чистого железа и меди, порой даже очень крупные, встречаются, но крайне редко. А мы-то без этих металлов жить не можем. Иначе из чего делать сковородки, провода, велосипеды, самолёты и многое другое?
Вам нужно железо? Да, я прекрасно вас понимаю, ведь железо — самый востребованный человечеством металл, на нём держится 95% мирового металлургического производства. Ну что ж, пожалуйста! Берём железную руду, которая состоит из оксидов железа. Откуда берём? Да из месторождений этих минералов, благо геологи точно знают, где они находятся. В нашей стране — в основном на Урале, здесь уже открыто около 50 средних и крупных месторождений и более 200 мелких. Специальные машины снимают верхний слой земли и обнажают пласты с рудой. А дальше к делу подключаются экскаваторы. Они черпают эту руду гигантскими горстями, и она отправляется в переделку — в доменную печь. Кстати, первая доменная печь появилась в России почти 400 лет назад.
Домна — это огромное сооружение высотой с двенадцатиэтажный дом, в чреве которого царит чудовищная жара, температура достигает 2000 градусов. Сюда и загружают измельчённую руду в смеси с измельчённым коксом (углем), то есть углеродом, и другие добавки. А дальше в печи происходит цепочка волшебных превращений, углерод отнимает кислород у железной руды, в результате чего образуется расплавленный металл. Его горячие ручьи стекают вниз печи и выливаются из печки раскалённым, светящимся потоком. Он такой яркий, что может ослепить, поэтому сталевары смотрят на него через специальные затемнённые стекла.
Полученный металл — это ещё не чистое железо. Жидкий расплавленный металл растворяет в себе небольшое количество углерода, как вода растворяет соль. Такой материал называют чугуном. Тем самым, из которого сделана любимая бабушкина сковородка — только на ней получаются самые лучшие блины и самая вкусная жареная картошка. Поэтому бабушка её так бережёт.
Чтобы получить чистое железо, из чугуна надо «выгнать» углерод. Химики умеют это делать, как и многое другое. Они — великие мастера извлекать из природных материалов то, что нам нужно. А нужно нам всего так много!
Всё, хватит теории. Давайте-ка прогуляемся по городу и внимательно посмотрим по сторонам — где ещё используются природные вещества и продукты их переработки. Ну что, готовы? Оделись по погоде?
Тогда — вперед.
Поделиться книгой: