Ларс Орстрём - Химия навсегда. О гороховом супе, опасности утреннего кофе и пробе мистера Марша

Рисунок 9.Рейнгольд Ангерштейн, дворянин, промышленник и шпион, сегодня наблюдает за факсом и ксероксом в Ассоциации шведских производителей стали в Стокгольме. Портрет написан в 1755 году Олофом Арениусом, фото автора.

Чистое металлическое железо – не слишком полезный материал. Этот относительно мягкий металл быстро ржавеет. Но, смешав его с небольшим количеством углерода, вы получите сталь – материал, который физически изменил наш мир во многих отношениях: от небоскребов и мостов до скальпеля и бурильных установок [60] В технических терминах сталь – это материал из железа, содержащий менее 2 % углерода по массе. Те материалы, в которых концентрация углерода выше, имеют другие названия – например, чугун. . Открытие стали – одно из чудесных природных совпадений. Для того чтобы получить железо из железной руды, первые металлурги использовали углеродсодержащие материалы в форме дров, а когда процесс был усовершенствован, дерево заменил уголь, и все это привело к тому, что небольшое количество углерода попадало в железо, в результате чего получалась эта волшебная смесь.

Углеродсодержащий материал не только дает необходимый для плавления железа жар, но является также и ключевым для реакции ингредиентом. Из главы 2 мы узнали, что металлы в природе существуют главным образом в виде положительных ионов, которым нужны электроны, чтобы стать металлами. Урану требуется мощный восстановитель – металлический кальций; но, для того чтобы сделать металлическое железо из ионов Fe 2+или Fe 3+, мы можем использовать углерод:

3C + 2Fe 2O 3→ 3CO 2+4Fe.

Здесь мы вычисляем степень окисления, пользуясь правилом, согласно которому кислород всегда имеет заряд –2, за исключением состояния простого вещества или когда он соединяется с фтором, и видим, что железо вступает в реакцию со степенью окисления +3, а углерод в итоге получает степень +4.

Приведенная выше реакция упрощена: в пылающей литейной печи множество реакций происходит одновременно, и железо выплавляется при помощи оксида углерода (I), СО, который образуется, когда значительный избыток углерода частично окисляется кислородом воздуха. Вот с этой реакцией, тоже записанной в упрощенной форме, вы, возможно, встречались в школьной программе:

3CO + Fe 2O 3→ 3CO 2+ 2Fe.

Когда железо плавится, оно растворяет некоторое количество углерода, а поскольку атомы углерода меньше, чем атомы железа (их размеры соотносятся примерно как бильярдный шар и мяч для гольфа [61] Реальные значения радиусов атомов составляют 0,07 нанометра для углерода и 0,14 нанометра для железа. ), они не полностью разрушают атомную структуру железа. Вместо этого, когда сплав железа с углеродом остывает и начинает твердеть, маленькие атомы углерода внедряются между атомами железа, в результате чего материал становится более жестким, но при этом более хрупким.

Можно представить это следующим образом. Без углерода у атомов железа больше свободы движения, что делает материал крепким, поскольку примененная к нему сила встречается с микроскопическими движениями атомов. Когда пустые места заняты атомами углерода, возникает гораздо большее количество взаимодействий между атомами, некоторые из которых находятся на грани обычных химических связей, и это делает материал гораздо более жестким, но в то же время более хрупким, поскольку у атомов остается меньше возможностей перемещаться так, чтобы противостоять внешнему воздействию. Или же вы можете представить себе, что в чистом металле атомы вставлены в плотное желе из электронов; когда мы добавляем туда атомы углерода, это желе частично замещается шаростержневыми соединениями между атомами углерода и железа – такие связи крепкие, но, если их разорвать, они не восстановятся.

Важную роль играет не только содержание углерода; ключевыми факторами являются также время, проведенное при различных температурах, скорость остывания и добавление других легирующих металлов. Все это превращает сталь, каким бы старинным материалом она ни казалась, в высокотехнологичный сплав, поскольку металлурги и материаловеды продолжают открывать инновационные способы производства новых ее видов.

На протяжении первых 4000 лет производства стали тогдашние химики и металлурги не слишком хорошо представляли себе, что именно они делают, и поэтому им было непросто оптимизировать процесс сталеварения. Добавьте к этому трудность, которую представляет собой огромный и весьма разнообразный спектр железных руд в природе – часто неприятностей добавляют содержащиеся в них атомы фосфора и кремния, – и вы сможете оценить сложность этой задачи. В результате копирования успешного метода можно и не получить хороший продукт, потому что использовалась руда из другой шахты. Во время своих путешествий по Англии Ангерштейн надлежащим образом записывал происхождение сырья, которое использовалось на различных металлургических заводах страны, и, без сомнения, с удовольствием отмечал, что лучшая сталь получалась из руды, добытой в шахте Даннемора к северу от Стокгольма.