Химия человека. Как железо помогает нам дышать, калий – видеть, и другие секреты периодической таблицы

По космосу летает множество мелких и крупных астероидов: они состоят из железа с примесью никеля и не подвергаются воздействию воды или кислорода. Поэтому железо в них не ржавеет и способно навечно сохранить металлический блеск. Порой астероиды падают на Землю в виде метеоритов – их подбирают и превращают в кинжалы и другие предметы. Таким и было первое железо, оказавшееся в распоряжении людей. Вероятно, все подобные древние предметы сделаны из метеоритного железа[78].

На Земле крайне мало мест, где природное железо не образует соединений с другими элементами и встречается в металлической форме. Одно из таких месторождений находится в Гренландии – там содержащая железо лава пробилась сквозь земную кору очень-очень давно[79]. Продвигаясь наверх, лава прошла слой угля – остатки доисторических растений, состоящие почти исключительно из углерода. Углерод обладает полезным свойством: он отдает свои электроны еще активнее, чем железо. В результате, когда связанные атомы железа и кислорода, содержащиеся в кипящей горячей лаве, вступают в реакцию с имеющимся в угле углеродом, углерод передает атомам железа свои дополнительные электроны. Углерод и кислород, образовав диоксид углерода, уходят в атмосферу, а железо остается в виде слоя металла – для нас это готовое сырье.

Здесь и кроется ключ к производству металлического железа – до того как шагнуть в железный век, людям приходилось его искать. Железа вокруг нас много (оно составляет около 4 % земной коры), но практически все оно образует связи с кислородом. Железную руду превращают в металл, смешивая с углем и нагревая до тех пор, пока уголь не загорится. Углерод из горящего угля вступает в реакцию с железной рудой, отдает электроны и крадет кислород – остается железо в металлической форме[80].

Когда люди начали изготавливать железо, выросла и потребность в древесине. Когда древесину нагревают в закрытых ямах, куда не поступает кислород, она превращается в уголь, пригодный для производства железа. Из-за этого значительно возросла нагрузка на близлежащие леса – типичный, но неблагоприятный побочный эффект. Сегодня для производства железа используют ископаемый уголь. Его извлекают из земли, так что необходимость рубить деревья для выполнения этой задачи отпала. Угольные шахты поспособствовали спасению многих лесов мира от участи оказаться в углежогной яме. И параллельно углерод, выпускаемый в атмосферу во время сжигания ископаемого угля, нагревает нашу планету. При производстве каждой тонны железа образуется примерно полтонны диоксида углерода[81]: углерод берется из угля, а кислород – из железной руды. В долгосрочной перспективе это представляет еще большую угрозу лесам и экосистемам, чем вырубка в прежние времена.

Шведское железо

Углем, необходимым для производства железа, нас снабжают леса прошлого, а сама железная руда появилась благодаря организмам, жившим еще раньше. Почти вся железная руда, добываемая нами сегодня, ведет свое происхождение от ржаво-красных запасов оксида железа, появившихся на дне океана, когда начался процесс фотосинтеза и океаны заржавели, – это случилось примерно 2,5 миллиарда лет назад[82]. Сегодня эти месторождения в виде горизонтальных слоев располагаются близко к поверхности, а потому подходят для открытой разработки. Закрывающие железную руду землю и породу извлекают и откладывают в сторону: огромные машины выламывают руду из гигантских ям на поверхности, имеющих форму чаши, – это одни из крупнейших сооружений, созданных человеком.

Так как железо – столь часто встречающийся химический элемент, также существуют месторождения руды, образовавшиеся другими способами. Одно из самых важных находится в Скандинавии. Туда можно добраться на поезде из Осло – сначала в Стокгольм, а затем двигаться на север чуть больше 15 часов. И город Кируна, и ведущую в него железную дорогу построили для того, чтобы добывать железо из породы, которая находится на севере Швеции[83].

Богатые месторождения железной руды в той области, где сегодня располагается город Кируна, известны давно. Тем не менее эта часть Северной Швеции вплоть до конца XIX века пребывала в запустении. Из-за высокого содержания фосфора в железной руде для мирового рынка она была практически бесполезной, однако, когда был открыт способ извлечения фосфора из железной руды, шведская руда превратилась в пользующееся спросом сырье.