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

Кованое железо, которое мы видим в черных декоративных оградах и люстрах, получают в результате плавки передельного чугуна с известью и другими веществами, способствующими удалению как можно большего количества примесей в шлак. По мере очистки железа растет температура плавления. Когда железо больше невозможно держать в жидкой форме в печи, его можно извлечь, отбить и выковать. Из кованого железа сделана Эйфелева башня, строительство которой завершилось в 1889 году[91].

Вожделенная сталь

Наиболее вожделенный вид железа сам по себе является символом прочности. Характеристики вроде «стальные ноги и руки» или «стальные нервы» производят внушительное впечатление. Сталь – металл с очень низким содержанием углерода, его количество не превышает примерно одной сотой части. Производство стали было очень дорогим вплоть до конца XIX века, когда благодаря техническому развитию стало возможно ее масштабное производство[92]. До этого сталь предназначалась для самых важных предметов, таких как мечи и эластичные стальные пружины.

Хотя углерода в стали содержится мало, она все равно является сплавом железа и углерода. Сплав – это металл, состоящий из смеси двух или более химических элементов. Он может обладать качествами, совершенно отличающимися от тех, что свойственны каждому элементу по отдельности. Это не тот случай, когда мы, смешав соль и сахар, получаем сладко-соленую массу. Прочная сталь состоит из железа (в чистой форме оно мягкое, эластичное и не очень-то подходит для изготовления инструментов) и углерода – его мы знаем как крошащийся графит в карандашах, которыми мы пишем. Также в сталь для придания особых свойств добавляют ряд других химических элементов. Сталь становится легче и прочнее благодаря небольшому количеству таких металлов, как ванадий и молибден, – они есть в разводных ключах и многих других инструментах, хранящихся у нас в кладовке. Благодаря хрому стали не так-то легко заржаветь – наряду с никелем и марганцем он содержится в нержавеющих столовых приборах, которыми я пользуюсь во время ужина[93].

Чтобы понять, почему определенный материал ведет себя именно таким образом, нужно узнать, как связаны друг с другом его атомы. Если взять кусочек чистого железа и рассмотреть под микроскопом с большим увеличением, мы увидим, что металл состоит из большого количества мелких кристаллов, пустот между которыми нет. К сожалению, в обычный микроскоп атом железа рассмотреть невозможно, но, если бы у вас была возможность, вы бы увидели, что в каждом кристалле атомы железа располагаются ровными рядами.

Если вы попытаетесь согнуть прут из чистого железа руками, один ряд атомов с легкостью проскользнет мимо соседнего. Как только вы перестанете прикладывать силу, атомы, остановившись на новом месте, больше никуда не сдвинутся. Когда вы выпустите прут из рук, он, в отличие от стальной пружины, к изначальной форме не вернется. От размера кристаллов в металле зависит то, сколько сил придется приложить, чтобы прут согнулся. На месте соприкосновения кристаллов ряды атомов стоят под разными углами, что препятствует скольжению. Поэтому проще согнуть железный прут с крупными кристаллами, чем с мелкими.

В жидком металле, помещенном в плавильную печь, атомы углерода и железа тщательно перемешиваются. Когда расплавленная масса остывает, начинают образовываться кристаллы чистого железа. Железо, в отличие от углерода, отделяется от жидкого металла, поэтому доля углерода в расплавленной массе увеличивается. Это продолжается до тех пор, пока температура в печи не снизится настолько, что оставшаяся смесь железа и углерода не удерживает жидкую форму. Образуется новое вещество, карбид железа, на четверть состоящий из атомов углерода, а на три четверти – из атомов железа. Пространство между кристаллами железа слой за слоем заполняется, соответственно, карбидом железа и чистым железом. Получившийся твердый металл состоит из смеси эластичных кристаллов чистого железа и слоистого прочного материала, содержащего углерод.

Сталь пользуется столь высоким спросом из-за сочетания прочности и эластичности. Благодаря эластичности перегруженный стальной мост не рухнет без предупреждения. Вместо этого он слегка наклонится, а прочности после этого не потеряет. Сегодня одна из важнейших сфер применения стали – армирование бетонных конструкций. Бетон выдерживает большой вес, но легко трескается, если попытаться его согнуть или растянуть. Стальные стержни в армированном бетоне сопротивляются силам, которые сгибают или растягивают конструкцию, в то время как бетон выдерживает большие нагрузки, под которыми одна лишь стальная арматура не выдержала бы и согнулась.

Проблема ржавчины

Сталь решает множество наших задач, однако не раз и навсегда. Применение железа – это вечная борьба с силами природы. Когда мы производим из железной руды металл, мы тратим много энергии на то, чтобы атомы железа вошли в состояние, в котором они на самом деле быть не хотят.