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

Все мы видели, как на сверкающем металле автомобильного капота или велосипедной рамы со временем появляются пятна пористого красного вещества. Это ржавчина – результат того, что атомы железа вновь получили шанс отдать свои электроны кислороду. Здесь, на земной поверхности, это предпочтительная для железа форма. Поэтому люди тратят много денег и сил на то, чтобы противостоять образованию ржавчины, или коррозии, и ликвидировать повреждения, возникающие в тех случаях, когда коррозия неизбежна[94].

Хотя железо и кислород охотно обмениваются электронами, для реакции необходима вода. Поэтому первая – и самая простая – защита от ржавчины следующая: предотвратить контакт поверхности железа с водой[95]. Эйфелеву башню, построенную из кованого железа, регулярно красят, обновляя покрытие на всех поверхностях каждые семь лет. Так башня остается целой и невредимой с момента постройки уже более ста лет.

Покраска – простой, но не всегда практичный метод. На столовых приборах, которыми мы пользуемся во время ужина, краска никому не понравится – она облупится и смешается с пищей. Мы пользуемся нержавеющей сталью, сплавом железа и хрома, – в результате реакции между сталью и содержащимся в воздухе кислородом на металле образуется плотная оболочка из непроницаемого материала. Эта оболочка мешает кислороду вступать в реакцию с железом. Поверхность обычной, не нержавеющей стали тоже ржавеет, однако ржавчина образует пористый слой, который отваливается крупными кусками, а потому ничего не мешает реакции продвигаться вглубь.

Производство нержавеющей стали, если сравнивать с обычной, обходится намного дороже. Поэтому нержавеющую сталь не применяют для строительства крупных объектов, таких как корабли, мосты или нефтяные платформы. Конструкции, которые полностью или частично находятся в воде, иногда невозможно защитить с помощью краски. На корпус корабля поверх стали помещают кусочки цинка или магния, чтобы вместо железа ржавели эти металлы. Такие кусочки металла называют гальваническими анодами. Они работают до тех пор, пока состоят из металлов, которые более активно отдают свои электроны, чем железо.

Иногда проще принять тот факт, что предметы ржавеют. Некрашеным стальным сваям необходимо придавать дополнительную толщину, чтобы они не сломались, даже если их поверхность проржавеет. По расчетам, за сто лет во влажной земле проржавеют четыре миллиметра, а за сто лет в морской воде или в тех областях, куда попадают брызги, – 30 миллиметров[96].

Наша инфраструктура создается с учетом потерь. Проржавевшее железо смоют потоки дождя. Краска истирается, ее смывает вода и сдувает ветер. Гальванические аноды из цинка, алюминия и магния растворяются и исчезают в морях. Вдобавок мы теряем железо, когда оно изнашивается. Затупившееся острие ножа приходится точить, счищая тонкий слой материала. Острые зубцы велосипедного зубчатого колеса стачиваются во время эксплуатации. Материал зубцов становится пылью на обочине дороги, и со временем вода унесет его в реки, а в конечном счете и в океан.

Тем не менее предметы из стали предназначены для длительного пользования, что и происходит. Нержавеющие столовые приборы прослужат минимум 100 лет[97], а мосты, железнодорожные пути и небоскребы можно эксплуатировать 50–150 лет[98]. Поэтому у нас есть значительный, увеличивающийся запас железа, которое после эксплуатации можно переработать и использовать повторно в новых конструкциях.

Закончится ли железо?

Железо – самый дешевый и часто используемый металл в мире. В 2016 году в мире произвели 1640 миллионов тонн стали. В 22 раза больше, чем алюминия, занимающего второе место. Последние 170 лет производство железа каждый год увеличивалось на 5–10 %. Железо и сталь нужны нам для зданий, мостов, рельсов, кораблей, поездов, автобусов, автомобилей, опор линий электропередач и гидроэлектростанций. Железо – важнейший компонент самых значимых элементов нашей инфраструктуры. Мы с вами – люди железного века.

Представьте, что железо кончилось. Последствия окажутся катастрофическими. Где-то мы, разумеется, заменим железо другими материалами. Иногда они будут лучше железа, поскольку нам понадобится что-то полегче, как алюминий, лучше проводит электричество, как медь, – или то, что, оказавшись в человеческом теле, не заржавеет, например титан. В других ситуациях мы заменим железо неметаллами. Мост можно построить из дерева, а не из стали. А лодки изготовить из стеклопластика и пластмассы. Ножи – из керамических материалов. Хотя мы и смогли бы произвести столько всего из других материалов, мы бы даже и близко не подошли к тому, чтобы заменить все железо другими материалами, параллельно поддерживая функционирование сегодняшнего общества.