Химия навсегда. О гороховом супе, опасности утреннего кофе и пробе мистера Марша

В середине XVIII века шведское правительство и производители железа хотели знать все о том, как британцы производят сталь. Причина этого была не в том, что шведы хотели улучшить свои фабрики по производству оружия: все реальные мечты о шведской военной мощи в Европе закончились почти за 50 лет до того под маленьким украинским городом Полтавой. Нет, это был всего лишь бизнес. В то время большая доля железа, которое использовалось в британской сталелитейной промышленности, приходила из Швеции, и в некоторые годы эта доля составляла почти 60 % от всех доходов шведского экспорта[58]. Поэтому у шведов имелась веская причина пристально наблюдать за любыми связанными с железом разработками в Англии и соседних с ней странах.

Сейчас мне, конечно же, хотелось бы сказать, что причиной быстрого отъезда Ангерштейна из Шеффилда с его литейной стало то, что владелец литейной, бдительный мистер Хантсман, хранил от всех возможных конкурентов сарацинский секрет – древний способ производства стали, который он не так давно заново открыл[59]. Однако это не вполне соответствовало бы истине, поскольку то, что я решил назвать «сарацинским секретом», представляет собой довольно сложный процесс, который и сегодня не до конца понят, несмотря на утверждения обратного. Тем не менее я не слишком отклонился бы от истины, поскольку речь идет об изготовлении высококачественной стали из железа и углерода.

Рисунок 9. Рейнгольд Ангерштейн, дворянин, промышленник и шпион, сегодня наблюдает за факсом и ксероксом в Ассоциации шведских производителей стали в Стокгольме. Портрет написан в 1755 году Олофом Арениусом, фото автора.

Чистое металлическое железо – не слишком полезный материал. Этот относительно мягкий металл быстро ржавеет. Но, смешав его с небольшим количеством углерода, вы получите сталь – материал, который физически изменил наш мир во многих отношениях: от небоскребов и мостов до скальпеля и бурильных установок[60]. Открытие стали – одно из чудесных природных совпадений. Для того чтобы получить железо из железной руды, первые металлурги использовали углеродсодержащие материалы в форме дров, а когда процесс был усовершенствован, дерево заменил уголь, и все это привело к тому, что небольшое количество углерода попадало в железо, в результате чего получалась эта волшебная смесь.

Углеродсодержащий материал не только дает необходимый для плавления железа жар, но является также и ключевым для реакции ингредиентом. Из главы 2 мы узнали, что металлы в природе существуют главным образом в виде положительных ионов, которым нужны электроны, чтобы стать металлами. Урану требуется мощный восстановитель – металлический кальций; но, для того чтобы сделать металлическое железо из ионов Fe²⁺ или Fe³⁺, мы можем использовать углерод:

3C + 2Fe₂O₃ → 3CO₂ +4Fe.

Здесь мы вычисляем степень окисления, пользуясь правилом, согласно которому кислород всегда имеет заряд –2, за исключением состояния простого вещества или когда он соединяется с фтором, и видим, что железо вступает в реакцию со степенью окисления +3, а углерод в итоге получает степень +4.

Приведенная выше реакция упрощена: в пылающей литейной печи множество реакций происходит одновременно, и железо выплавляется при помощи оксида углерода (I), СО, который образуется, когда значительный избыток углерода частично окисляется кислородом воздуха. Вот с этой реакцией, тоже записанной в упрощенной форме, вы, возможно, встречались в школьной программе:

3CO + Fe₂O₃ → 3CO₂ + 2Fe.

Когда железо плавится, оно растворяет некоторое количество углерода, а поскольку атомы углерода меньше, чем атомы железа (их размеры соотносятся примерно как бильярдный шар и мяч для гольфа[61]), они не полностью разрушают атомную структуру железа. Вместо этого, когда сплав железа с углеродом остывает и начинает твердеть, маленькие атомы углерода внедряются между атомами железа, в результате чего материал становится более жестким, но при этом более хрупким.