Борис Степин - Книга по химии для домашнего чтения

• Название: Книга по химии для домашнего чтения
• Автор: Борис Степин
• Издательство: Химия
• Жанр: Научпоп
• Год: 1994
• ISBN: 5-7245-0708-0

В виде небольших рассказов, заметок и ответов на вопросы приведены сведения из различных разделов химии и эпизоды из жизни ученых-химиков. Цель книги — дать читателю представление о химии как о необходимом звене, гармонично связывающем нас с природой, позволяющем создавать необходимые цивилизованному миру предметы и материалы.

Книга рассчитана на широкий круг читателей — преподавателей и студентов, школьников и пенсионеров, инженеров и домохозяек. Любознакльные найдут здесь интересные факты, а практичные читатели — полезные советы и рекомендации.

---

5.24. НЕРЖАВЕЮЩАЯ ЖЕЛЕЗНАЯ КОЛОННА

Близ г. Дели в Индии стоит железная колонна без малейшего пятнышка ржавчины, хотя ее возраст почти 2800 лет.

Это знаменитая Кутубская колонна высотой около семи метров и массой 6,5 т. Надпись на колонне говорит о том, что она была поставлена в IX в. до н.э. Ржавление железа — образование метагидроксида железа FeO(OH) — связано со взаимодействием его с влагой и кислородом воздуха:

4Fe + 2Н2O + 3O2 = 4FeO(OH).

Однако эта реакция при отсутствии в железе различных примесей, и прежде всего углерода, кремния и серы, не протекает. Колонна была изготовлена из очень чистого металла: железа в колонне оказалось 99,72%. Этим и объясняется ее долговечность и коррозионная устойчивость.

5.25. СЕРА ВРЕДНАЯ И ПОЛЕЗНАЯ

В сталелитейной промышленности во избежание «красноломкости» (снижения прочности при высоких температурах) допустимое содержание серы S в стали не должно превышать 0,01%. Примесь серы находится там в виде сульфида железа FeS, практически нерастворимого в стали при обычной температуре. Он-то и вызывает растрескивание металла при прокатке и ковке.

Если речь идет о стали, содержащей марганец и бор, которую используют в машиностроении, то примесь серы в количестве около 0,015% приводит к тому, что такую сталь легче обрабатывать, причем режущий инструмент при этой обработке меньше изнашивается. В таких сталях сера содержится в виде сульфида марганца MnS, который играет роль твердой смазки, предотвращающей вырывы металла резцом.

При обкатке двигателей внутреннего сгорания в цилиндры добавляют специальные присадки, содержащие коллоидную серу. Срок технологической операции в этом случае сокращается, так как на поверхности металла цилиндра и поршня тоже образуется сульфид марганца.

5.26. «ЦВЕТАСТАЯ» МЕТАЛЛУРГИЯ

Знаете ли вы, что в английских патентах вплоть до конца XIX в. содержались рекомендации добавлять в закалочную жидкость при обработке железа полевые цветы?

Эту курьезную рекомендацию породило незнание действительных причин закаливания стали (см. 3.45; 530). Кстати, твердость закаленной стали долгое время объясняли превращением содержащегося в ней углерода в алмаз. Более того, в конце XVIII в. французский ученый Гитон де Морво (см. 2.28) получал сталь (наверное, самую дорогую в мире во все времена!) сильным нагреванием чистого железа с алмазами.

5.27. ОРУЖИЕ ИЗ «НЕБЕСНОГО КАМНЯ»

Почему эмиру Бухары не удалось использовать металл «небесного камня» (метеоритное железо) для изготовления оружия?

Согласно легенде, оружейники не смогли отковать из «небесного камня» меч для эмира, и их умертвили. Оружейники не знали, что никелистое метеоритное железо куется только холодным, а при нагревании становится хрупким (см. 155). Однако оружие из уникального «металла с неба» было у индийских властителей в XVII в., у российского царя Александра I и у латиноамериканского героя, легендарного Боливара.

5.28. ЛУННАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ

В образцах лунного грунта, доставленных на Землю, обнаружено поразительно большое количество самородного железа.

В первую очередь это остатки метеоритов, которые беспрепятственно достигают поверхности нашего безатмосферного спутника Луны. На их долю приходится 30% лунного железа. А остальные 70% следовало бы назвать «селеническим железом»: хотя на Луне нет залежей каменного угля, необходимых для естественного доменного процесса (см. 6.31), но нет и атмосферы, содержащей кислород. В условиях кислородного голодания на Луне все элементы находятся в низших степенях окисления. Глубокий вакуум (10-7–10-9 атм) и высокая температура (несколько тысяч градусов) сами по себе служат восстановителями железа; значит, при извержении расплавленных лунных пород всегда самопроизвольно образуется самородное железо. Не правда ли, «лунометаллургия» эффективнее земной?

5.29. МОЖЕТ ЛИ МЕТАЛЛ ВЗРЫВАТЬСЯ?

В 1855 г. была получена одна из модификаций сурьмы Sb (см. 4.24), названная «взрывчатой». Это стекловидно-аморфное вещество, похожее на графит. Если его потереть каким-либо твердым предметом, то оно распадается на мельчайшие частицы обычной сурьмы с выделением белого дыма и энергии в форме теплоты. Полагают, что неустойчивость аморфной сурьмы связана с наличием в ее структуре примеси хлоридов, содержащих ионы SbCl2 + , SbCl2 + и Cl-.

Получена и «взрывчатая» модификация металла висмута Bi (см. 4.22).

5.30. НЕ ВСЕГДА РЖАВЧИНА ВРЕДНА

Статья, опубликованная в 1834 г. в «Горном журнале», называлась «Улучшение железа и стали посредством ржавления в земле».

Способ превращения железа в сталь через ржавление в земле известен людям с глубокой древности. Например, черкесы на Кавказе закапывали полосовое железо в землю, а откопав его через 10–15 лет, выковывали из него свои сабли, которые могли перерубить даже ружейный ствол, щит, кости врага.

В земле железо Fe, естественно, ржавело, превращаясь в метагидроксид железа:

4Fe + 2H2O + 3O2 = 4FeO(OH),

но одновременно насыщалось углеродом и азотом при контакте с различными органическими веществами почвы. Ржавчина [метагидроксид железа FeO(OH)] обладает хорошей сорбционной способностью к различным органическим веществам. После выкапывания ржавое железо вместе с органическими веществами нагревали в горнах, ковали, а затем охлаждали водой — закаливали. Углерод и азот появлялись в поверхностном слое откованного металла, упрочняя его и сообщая ему особую твердость. В слое при термической обработке образуется очень твердое соединение: карбид железа Fe3C — цементит (см. 3.45):

3Fe + C = Fe3C.

Впоследствии для получения твердой стали вместо длительного пребывания железа в земле перешли к плавке железа под слоем древесного угля.

5.31. МНОГОЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ

Считается, что металлический цвет — это серебристо-белый или серый. Все ли металлы такого цвета?

Широко известно, что медь Cu имеет ярко выраженный розово-красный цвет. Очень чистое золото Au — желто-зеленого цвета. Щелочной металл цезий Cs — светложелтый, а тяжелый металл из семейства платины осмий Os — светло-голубого цвета. Искусственно полученный металл технеций Tc имеет серебристый цвет с коричневым оттенком.

5.32. ЗОЛОТИСТАЯ СТАЛЬ

Обычная сталь — серого цвета, есть даже выражение «стальной цвет». Но можно изменить цвет этого материала на золотистый путем нанесения на сталь покрытия из нитрида титана TiNx. В вакуумной камере в среде азота плазменная дуга испаряет титан Ti, а его пары, прореагировав с азотом, превращаются в нестехиометрические нитриды титана, которые, оседая на поверхности быстрорежущей стали, образуют прочное износостойкое покрытие золотистого цвета. Инструменты из такой стали почти не имеют конкуренции — разве только с алмазсодержащими хромированными изделиями.

Кстати, этим методом делают и тонированные «под золото» зубные протезы.

Алхимики для окраски металлов применяли «божественную воду», которой был водный раствор полисульфида кальция CaSx (x≥2) и сульфита кальция CaSO3 зеленовато-желтого цвета. После погружения в такой раствор пластинки или изделия из хрома, свинца или олова приобретали желтовато-золотистый цвет. «Божественную воду» алхимики получали кипячением смеси серы S, гидроксида кальция Ca(OH)2 и воды H2O:

5S + 3Са(ОН)2 = 2CaS2 + CaSO3 + 3Н2O.

5.33. СТРАННЫЙ НИТИНОЛ

Кусок проволоки при комнатной температуре был упруг как сталь. В холодной же воде проволока вдруг стала мягкой. Ее согнули, и она осталась согнутой… Когда же ее погрузили в горячую воду, то произошло невероятное: проволока распрямилась с силой, как пружина, и приняла первоначальную форму, которую имела до обработки ее холодной водой.

Проволока была изготовлена из никелево-титанового сплава Ni—Ti. Такой сплав называют нитинолом. Пластину и проволоку из нитинола используют для изготовления тепловых двигателей, позволяющих тепловую энергию превращать непосредственно в механическую в результате перехода от одних кристаллических структур к другим. Такие двигатели могут использовать тепловую энергию океанов, морей, тепловых морских течений, подобных Гольфстриму, преобразуя ее в движение турбин, насосов, роторов генераторов электрической энергии и т. п.

5.34. КАПРИЗНЫЙ ТИТАН

Титан Ti получают восстановлением тетрахлорида титана TiCl4 магнием Mg: