Dzelzs laikmets — 1. daļa

Plašsaziņas līdzekļi nemitīgi ziņo, ka ir pienācis plastmasas laikmets un apkārt plaukst silīcija civilizācija. Tomēr realitāte ir cita: mēs dzīvojam dzelzs laikmetā vairāk nekā trīs tūkstošus gadu. Vēl var piebilst, ka XIX gs., t.i. tvaika un elektrības laikmets (jo elektroenerģiju joprojām galvenokārt ražo ar ūdens tvaiku plūsmas spēku), turpinās enerģijas ziņā.

Romiešu dzejnieks Ovidijs savā Pārvērtībās aprakstīja cilvēces mītiskos laikmetus, lielā mērā saskaņā ar civilizācijas attīstība. Tātad pēc laimīgajiem zelta un sudraba laikmetiem (šeit autoram bija fantāzija, jo tas bija akmens periods) valdīja bronzas laikmets, viens no vara un alvas sakausējumiem. Tajā laikā dzīvoja Herkuls, Tesejs un argonauti, un Homēra varoņi, tērpti bronzas bruņās, cīnījās zem Trojas mūriem ar bronzas zobeniem. Arheologi šo periodu sauc par bronzas laikmetu. Pēc viņas (pēc Ovidija) ...

... ir pienācis cietā dzelzs laikmets

Kad tas sākās? Uz šo jautājumu ir grūti atbildēt. tie nāk no 1. tūkstošgades pirms mūsu ēras, un varbūt pat agrāk. Un tas nebija "jebkurš" dzelzs, bet gan debesu, stingri meteoriskas izcelsmes (XNUMX). Nav pārsteidzoši, ka pret tiem izturējās kā pret īstu dievu dāvanu un attiecīgi cienīja.

1. Polijas lielākā dzelzs meteorīta fragments, kas atrasts Poznaņas (Morasko) priekšpilsētā. Paraugs atrodas AMU Zemes muzejā (autors: Wikimedia/MOs810)

Ar tīru ar zemes dzelzi vīrietis satika, kad sāka saņemt metālus no rūdām, nevis no tīrradņi. ,: pie tolaik sasniedzamajām temperatūrām krāsnīs (maksimums līdz 1000°C) šie metāli izkusa un varēja tikt izlieti, un to mīkstums atviegloja apstrādi ar kalšanu.

Z dzelzs tas nebija tik viegli. Pirmkārt, tas kūst temperatūrā, kas pārsniedz 1500 ° C, un, otrkārt, aukstā stāvoklī tas ir ciets un to nevar veidot ar tūkstošgades metodēm. Sākotnēji tas bija apgrūtinošs blakusprodukts (vara un dzelzsrūdas bieži atrodas blakus) - kurtuves apakšā palika porainas, cietas masas gabals. Tas bija dzelzs, kas izgatavots no reducētiem rūdas oksīdiem. Nejauši, senais kalējs kalējs sāka apstrādāt iegūto šīferi (no latīņu valodas, kas nozīmē vilks) vēl pirms tas bija atdzisis (2). Šoreiz ar metālu ir viegli strādāt. Lai gan pēc mūsdienu standartiem tas bija ļoti zemas kvalitātes dzelzs, tas izrādījās cietāks par visiem tolaik zināmajiem metāliem.

2. Kalējs ir bijusi svarīga profesija tūkstošiem gadu (Autors: Wikimedia/Jorgeroyan)

Dzelzs cietība ir atkarīga no tajā izšķīdinātā oglekļa daudzuma. (tas nāca no kausēšanai izmantotajām oglēm), un tas, savukārt, no kausēšanas temperatūras - līdz ar to palielinās. Zema oglekļa satura dzelzi ieguva primitīvās krāsnīs (oglekļa saturs nepārsniedza 0,5%).

Tomēr tehnoloģija turpināja attīstīties. Ir izstrādātas labākas krāsnis, lai sasniegtu augstāku temperatūru, lai dzelzī izšķīdinātu vairāk oglekļa. Kad tā saturs sasniedza aptuveni 1%, cilvēks pirmo reizi viņu satika. bija. No tā izgatavotie asmeņi ātri nenoblāva, turklāt to varēja rūdīt, kas papildus palielināja tā cietību. Kopš tā laika jaunais metāls ir strauji nomainījies brūna. Kad bija šis izrāviens? Ap XNUMX. tūkstošgades vidu pirms mūsu ēras mūsdienu Sīrijas un Anatolijas (Turcija) teritorijā. No turienes tērauds izplatījās visā toreizējā pasaulē, lai gan dažādās tā daļās šis izgudrojums tika veikts neatkarīgi viens no otra (piemēram, Indijā un Ķīnā).

Bet kāpēc dzelzsneskatoties uz problēmām ar tā ražošanu, tika aizstāts ar bronzu? Šoreiz vārdu dosim Boļeslavam Prūsam, kurš faraonā jaunā materiāla priekšrocības aprakstīja šādi: “viens no ēģiptiešu virsniekiem izvilka savu bronzas zobenu un turēja to, it kā grasītos uzbrukt. Tad Sargons pacēla tērauda zobenu, sita un nocirta ienaidniekam kādu ieroča gabalu.

Kara metāls

Romāna darbība risinās 3. gadsimtā pirms mūsu ēras, taču pirms tam labāki ieroči nozīmēja priekšrocības kaujas laukā. Iespējams, tā nav nejaušība, ka tērauda ražošanas izgudrojumu izgudroja hetiti, karotāju tauta. Pēc viņiem to pieņēma ne mazāk drosmīgie asīrieši, kuru sūtnis Sargons tik skaidri parādīja jaunajam Ēģiptes troņa mantiniekam jauna ieroča priekšrocības. Kopš tā laika dzelzs ir uz visiem laikiem saistīts ar karu, tas ir veltīts dieviem, kuri uzrauga šo dzīves jomu, un (XNUMX).

3. Marsa virsma, kas pārklāta ar dzelzs oksīdiem (no NASA resursiem). Planētas Marsa astronomiskais simbols un dzelzs alķīmiskais simbols attēlo vairogu un šķēpu - kara dieva atribūtus

Pagāja gadsimti, kausēšanas un apstrādes tehnoloģija uzlabojās (Polijā jau XNUMX gadsimtā pirms mūsu ēras. metalurģija). Viņu noslēpumi tika rūpīgi sargāti, un viņu veiksmīgie izgudrojumi bija plaši pazīstami, piemēram, perfekti bulat. Papildus mazām primitīvām kūpinātavām kausēšanai arvien vairāk tika būvētas lielas krāsnis. Viduslaiku Eiropā pirmo reizi bija iespējams sasniegt dzelzs kušanas temperatūru un - kurtuves dibenā gulošās sūkļveida masas vietā no krāsns izplūda šķidrs metāls, t.i. salāti. Tomēr tas neizraisīja apbrīnu: sakausējums ar augstu oglekļa saturu (čuguns) bija trausls un nebija kalts, piemērots tikai lējumiem (šim nolūkam to izmanto arī šodien).

Izrāviens tērauda ražošanā notika XNUMX. un īpaši XNUMX gadsimtā. Sākumā to izmantoja kausēšanai kokss (degazētas akmeņogles) vietā ogles. Tas notika Anglijā, kur tērauda rūpniecība veicināja ievērojamu mežu izciršanu valstī (pieprasījums pēc koksa bija stimuls kalnrūpniecības nozares straujai attīstībai). ogles). Metožu izstrāde tērauda ražošanai no kausētas dzelzs, atdalot lieko oglekli un citas piedevas (fosfors, sērs, silīcijs), padarīja tēraudu lētu un pieejamu lielos daudzumos, kas savukārt aizsāka tā plašu izmantošanu kā strukturālo materiālu.

XNUMX gadsimta tehnoloģiskie procesi - Bessemer, Tomass, un jo īpaši Siemens-Martins - līdz mūsdienām tie ir tērauda ražošanas pamats (protams, tie ir daudzējādā ziņā uzlaboti). Lai gan pašlaik izmēģinājumu un kļūdu metode netiek praktizēta, un kausēšanas un tērauda apstrādes procesus pēta dažādu nozaru speciālisti, metalurģijā joprojām ir pievienots mākslas elements. Šīs jomas speciālistus var salīdzināt ar šefpavāriem, kuri, izmantojot pareizās garšvielas, var iegūt gardus ēdienus. Šajā gadījumā garšvielu funkciju veic sakausējuma piedevas (tas ir, dažādi elementi), un gatavie ēdieni ir sakausējumi “visiem gadījumiem”.

Metāla numurs 1

dzelzs tas ir mūsu civilizācijas pamats, lai skaitļi runā paši par sevi. 2019. gadā visā pasaulē tika kausēti 1300 10 miljoni tonnu čuguna, no kuriem aptuveni 1900% nonāca čuguna izstrādājumu ražošanā, pārējais tika pārstrādāts tēraudā. Tika saražoti aptuveni 10 miljoni tonnu tērauda (atšķirība ir tērauda lūžņi, kas pievienoti čuguna apstrādes laikā). “Pasaules tērauda rūpnīca” ir Ķīna, kas piegādā vairāk nekā pusi produkcijas (Polijā ir aptuveni 2 miljoni tonnu). Metāla ražošanas gada numurs 80, t.i. alumīnija, ir mazāk nekā XNUMX miljoni tonnu, kas, salīdzinot ar diviem miljardiem tonnu tērauda un dzelzs, pilnībā pierāda, ka mēs joprojām dzīvojam dzelzs laikmets (4).

4. Pasaules tērauda ražošana ir divi miljardi tonnu gadā.

Mums uz Zemes ir daudz dzelzs, virsmas slānis satur 5,6%, kas šo metālu ierindo 4.vietā (pēc skābekļa un māla). Ja ņemam Zemi kopumā, tad dzelzs ir vadībā, veidojot gandrīz trešdaļu no zemeslodes masas (planētas centrā atrodas dzelzs-niķeļa kodols ar gandrīz 7000 km diametru). Visumā dzelzs ir 6. izplatītākais elements, kā arī smagākais elements, kas var rasties zvaigznes kodolā (smagāki rodas kosmisko kataklizmu rezultātā - supernovas sprādzieni).

Bezmaksas dzelzs uz zemes dažkārt rodas mazu tīrradņu veidā un. Tomēr dzelzs minerālvielu ir daudz: hematīts Fe₂O₃, siderite FeCO₃, magnetīts Fe₃O₄ Limonīts (hidrēti oksīdi, tā sauktā purva rūda) ir visbiežāk iegūtās šī metāla rūdas un pirīts, kas imitē zeltu FeS₂ to izmanto sērskābes ražošanai (5).

5. Sarkanīga krāsa straumes apakšā norāda uz visuresošu dzelzs savienojumu klātbūtni.

Dzīvā pasaule ir izmantojusi arī dzelzs priekšrocības, kas ir būtiskas visiem organismiem. dzelzs joni atrodas divu svarīgu proteīnu centrā: hemoglobīns, kas transportē skābekli, un mioglobīns, kas muskuļos uzglabā dzīvības gāzi. Arī daudzi fermenti, kas ir atbildīgi par oksidācijas un reducēšanas reakcijām, darbojas dzelzs jonu klātbūtnes dēļ (eksperimentējot, jūs uzzināsit, kāpēc tas notiek). Pieauguša cilvēka organismā ir aptuveni 4 grami dzelzs, un tā trūkums izraisa anēmiju. Bagātīgi viegli sagremojama dzelzs avoti ir: gaļa, aknas, olu dzeltenumi, rieksti, piens un pākšaugi.

Savstarpējās pārvērtības

Dzelzs un dzelzs sāļi ir pieejami jūsu laboratorijā. Pirmā piemērs ir FeSO sulfāts.₄un otrs ir hlorīds FeCl₃ (gan kā hidratēti sāļi). FeCl gadījumā₃ esiet īpaši uzmanīgi: tā šķīdumi ir kodīgi un atstāj brūnus plankumus, kurus ir grūti noņemt. Tāpēc ir nepieciešami aizsargcimdi un testi tiek veikti uz paplātes. Sagatavo abu sāļu šķīdumus un ielej tos mēģenēs. Šķīdums, kas satur Fe jonus²⁺ Fe katjonu gadījumā ir gaiši zaļa krāsa³⁺ krāsa dzeltena (6). Katrā mēģenē pievienojiet nelielu daudzumu NaOH nātrija hidroksīda šķīduma. Abos gadījumos veidojas šādas nogulsnes: Fe(OH)₂ pelēkzaļa un Fe (OH)₃ - sarkanbrūns (7).

6. Dzelzs sāļu šķīdumu krāsas.

7. Dzelzs hidroksīdu izgulsnēšana

Mēģenēm ar Fe(OH) nogulsnēm₂ pievieno dažus pilienus 3% ūdeņraža peroksīda šķīduma N₂O₂ (ūdeņraža peroksīdu izmanto kā dezinfekcijas līdzekli). Nogulsnes ātri kļūst sarkanbrūnas (8):

2Fe(OH)₂ +H₂O₂ → 2Fe(OH)₃

8. Dzelzs (II) hidroksīds ātri oksidējas līdz dzelzs (III) hidroksīdam.

Ielejiet dažus pilienus FeCl šķīduma mēģenē ar ūdeni.₃ tāpēc krāsa ir tikai gaiši dzeltena. Pievienojiet nelielu daudzumu kālija jodīda šķīduma KI, tas uzreiz padarīs saturu tumšāku. Tagad pievienojiet nātrija tiosulfāta šķīdumu. _Na2S2O3. Kuģa saturs bija gandrīz mainījis krāsu. Visbeidzot pievienojiet dažus pilienus NaOH šķīduma. Izveidotajām nogulsnēm ir krāsa... pārsteidzoši zaļgana. Kādas reakcijas notika mēģenē?

Pirmkārt, Fe joni³⁺ oksidēti jodīdi par brīvo jodu (šķīduma tumšums), dabiski, tie paši tika atjaunoti. Tiosulfāta pievienošana atkal izraisīja joda reducēšanos par bezkrāsainiem jodīdiem, un bāzes iedarbībā izveidojās Fe(OH) nogulsnes.₂.

Šī vieglā Fe (II) jonu pāreja, it kā tā bija saistīta ar Ovida transformācijām, par Fe (III) un otrādi ir to bioloģiskās aktivitātes pamatā.

Dzelzs, tērauds, čuguns

Visbiežāk, kad mēs runājam par dzelzi, mēs domājam tēraudu. Tīra dzelzs gandrīz nekad netiek izmantota. Dzelzs ar nelielu daudzumu piemaisījumu (ARMCO dzelzs) tiek izmantots kā magnētisks materiāls. Tērauds ir sakausējums ar oglekļa saturu 1,7-2,1%. Ja oglekļa ir vairāk, tas atdalās grafīta veidā un veido čugunu.