Александр Круглов – Редкие металлы и элементы, которые всем так нужны (страница 2)
Глава 1: Что делает металл «редким»? Мир за пределами железа и меди
Семь металлов древности и первые шаги химии
История человеческой цивилизации неразрывно связана с металлами. Их открытие и освоение определяли технологический уровень общества, его военную мощь, экономическое благосостояние и даже эстетические идеалы. Однако на протяжении большей части этой истории – тысячелетия, отделяющие первые плавки меди от рождения научной химии – мир человека был миром всего лишь семи металлов. Этот ограниченный набор – золото, серебро, медь, железо, олово, свинец и ртуть – составлял весь доступный арсенал, из которого строились империи, создавались произведения искусства и велись войны. Остальные восемь десятков металлов, скрытых в глубинах таблицы Менделеева, оставались неизвестными, их уникальные свойства – нераскрытыми, а их потенциальное влияние на ход истории – нереализованным.
Почему именно эти семь? Их выделение из руд было технологически доступно древним металлургам. Золото и серебро, благородные металлы, часто встречаются в самородном виде или в легко узнаваемых соединениях. Золото в своей самородной форме выглядит именно как золото, и одного лишь мерцания жёлтого металла было достаточно, чтобы в XIX веке отправить толпы искателей приключений на запад, в Калифорнию. Их блеск, ковкость, устойчивость к коррозии и относительная редкость сделали их идеальными материалами для украшений, монет и символов власти с незапамятных времён. Золотые артефакты Варненского некрополя в Болгарии, датируемые V тысячелетием до н.э., свидетельствуют о том, что люди ценили этот мягкий жёлтый металл задолго до появления письменности. И если самородное золото встречается в достаточно чистом виде и требует минимальной обработки, то его очистка – процесс на удивление простой, своего рода технология бронзового века. Достаточно расплавить образцы при температуре около тысячи градусов Цельсия в керамическом или угольном тигле, добавить немного буры (борной кислоты, используемой как инсектицид) для отделения примесей, которые всплывут наверх шлаком, и затем слить очищенное золото в форму. Эта лёгкость идентификации и обработки, несомненно, способствовала ранней популярности золота.
Медь была, вероятно, первым металлом, который человек научился выплавлять из руды – её сравнительно низкая температура плавления и характерный красноватый цвет рудных минералов (например, малахита) облегчали её открытие, случившееся ещё в эпоху неолита. Использование меди ознаменовало переход от камня к металлу, хотя её мягкость ограничивала применение. Хотя человечество тысячи лет формировало и использовало медь, её выделение из руды, например, из халькопирита (CuFeS₂), в чистом виде – задача не из лёгких. Даже сегодня процесс выделения 99%-ой меди из распространённого минерала халькопирита требует дробления руды, плавки для удаления серы, продувки газом и электролиза – весьма трудоёмкий путь по сравнению с золотом.
Революционным шагом стало открытие бронзы – сплава меди с оловом. Добавление небольшого количества олова резко повышало твёрдость и прочность меди, сохраняя при этом лёгкость её плавки и литья. Бронзовый век (примерно с IV по II тысячелетие до н.э. в разных регионах) стал эпохой расцвета сложных обществ, создания мощного оружия и долговечных орудий труда. Однако производство бронзы зависело от доступности обоих компонентов – меди и олова. Олово геологически значительно реже меди (его содержание в коре около 2 ppm1 против 60 ppm у меди), и его месторождения географически ограничены (основные древние источники – Корнуолл и Пиренейский полуостров). Торговля оловом стала одним из первых примеров глобальных (по меркам того времени) ресурсных потоков и конкуренции.
Переход к Железному веку (начавшийся на Ближнем Востоке во II тысячелетии до н.э.) был обусловлен не столько редкостью бронзы, сколько открытием технологии выплавки железа. Железо гораздо более распространено в земной коре (около 5%), но его температура плавления значительно выше, чем у меди, а процесс извлечения из руды (гематита, магнетита) сложнее и требует более высоких температур и умения работать с углеродом для науглероживания и получения стали. Хетты, как упоминалось ранее, первыми освоили эту технологию, получив доступ к дешёвому и прочному материалу для массового производства оружия, что дало им решающее военное преимущество. Исключением из правила сложности извлечения, однако, является алюминий. Несмотря на то, что это третий по распространённости элемент в земной коре, трудности с его очисткой из руды (боксита) делали его в XVIII-XIX веках чрезвычайно ценным, дороже серебра. Лишь изобретение электролитического процесса Холла-Эру в 1886 году позволило наладить массовое производство, превратив алюминий из драгоценного в повсеместно используемый металл, сравнимый с железом.
Свинец и ртуть замыкали семёрку древних металлов. Свинец, тяжёлый и легкоплавкий металл, часто встречающийся вместе с серебром в галените (сульфид свинца), использовался для изготовления труб, сосудов, грузил, а его соединения – в качестве пигментов и косметики. Римляне широко применяли свинец в своих акведуках, что, по некоторым теориям, внесло вклад в упадок империи из-за хронического отравления. Ртуть – единственный металл, жидкий при комнатной температуре – была известна своей способностью растворять золото и серебро (амальгамация), что использовалось при их добыче. Её также применяли в медицине (часто с катастрофическими последствиями) и ритуальных практиках.
Долгие века алхимики, наследники античных и арабских знаний, бились над загадкой этих семи металлов. Опираясь на мистические представления о четырёх стихиях и первичной материи, они верили в возможность трансмутации – превращения одних металлов в другие, прежде всего неблагородных (свинца) в благородные (золото), с помощью гипотетического философского камня. Хотя их усилия были обречены на неудачу с точки зрения современной химии, они внесли неоценимый вклад в развитие лабораторной техники и экспериментальных методов. Дистилляция, кристаллизация, фильтрация, использование кислот и щелочей – многие базовые приёмы, применяемые химиками и сегодня, уходят корнями в практику алхимиков. Они накопили огромный эмпирический материал о свойствах веществ, пусть и интерпретировали его в рамках ошибочной теоретической парадигмы. Алхимия была тупиковой ветвью в поисках золота, но стала колыбелью для научной химии.
Настоящий прорыв начался лишь в XVII-XVIII веках, с научной революцией и отказом от мистических доктрин в пользу эксперимента и точного измерения. Роберт Бойль в своём труде «Химик-скептик» (1661) заложил основы современного определения химического элемента как вещества, которое не может быть разложено на более простые компоненты. Антуан Лавуазье в конце XVIII века своими работами по горению, роли кислорода и закону сохранения массы окончательно похоронил теорию флогистона и заложил фундамент современной химической номенклатуры и количественного анализа. Стало ясно, что превращение свинца в золото невозможно путём химических реакций – это требует изменения самого атомного ядра. Любопытно, что даже распространённый сегодня алюминий, из которого делают банки для напитков, прошёл похожий путь очистки, прежде чем стать пригодным для промышленного использования. Из-за сложности его выделения из руды (боксита) в XVIII-XIX веках алюминий ценился дороже серебра. Лишь в 1886 году молодой химик Чарльз Мартин Холл, впоследствии профессор и сооснователь гиганта Alcoa, открыл простой электролитический метод выделения алюминия, превратив его из дорогого и редкого металла в доступный и чрезвычайно полезный материал, сравнимый с железом. Этот процесс резко увеличил использование алюминия и позволил предложению угнаться за спросом.
Век открытий: охота за элементами и рождение периодической таблицы
Девятнадцатый век стал поистине золотым веком для химии – веком лихорадочной «охоты за элементами». Учёные по всей Европе, вооружённые новыми аналитическими методами и растущим пониманием природы вещества, принялись систематически препарировать минералы, руды и промышленные отходы в поисках неизвестных ранее кирпичиков мироздания. Их усилиями число известных элементов выросло с нескольких десятков в начале столетия до более чем восьмидесяти к его концу. В ходе этой гонки были открыты многие металлы, которые сегодня относят к редким и минорным, а сама структура знаний о них обрела стройность благодаря гению Дмитрия Менделеева.
Как ни парадоксально, значительная часть истории открытия редкоземельных металлов связана со Скандинавией, регионом, не самым богатым разнообразными рудными месторождениями по сравнению с другими частями света. Но именно здесь, благодаря активности местных учёных и наличию уникальных минералов пегматитового типа, были сделаны пионерские шаги. История, начавшаяся с черного гадолинита (первоначально названного иттербитом,