Как указывалось в предыдущей главе, отдельные поделки из меди (главным образом украшения) появились очень рано. В настоящее время археология не может точно указать, где впервые начали плавить руды или где впервые получили бронзу - сплав меди с другими металлами. По всей вероятности, люди сначала использовали медь самородного происхождения, которую обрабатывали как особую породу камня, обладавшую пластичными свойствами. Но когда обнаружили, что куски медной руды при сильном нагревании начинают плавиться, а при охлаждении вновь становятся твердыми, был открыт процесс выплавки металла. Новое свойство меди стали использовать для создания орудий с заранее обдуманной формой, т. е. был изобретен литейный процесс.
С освоением плавки меди возрос интерес к ней как к новому материалу для изготовления орудий труда, а не только украшений. Однако медь самородного происхождения редко встречается на поверхности земли. В V тыс. до н. э. стали разрабатывать окисленные медные руды, жилы которых выходили на поверхность. Разработка сульфидных руд относится к более позднему времени. Выработки представляли собой узкие щели, которые образовались в результате выемки породы рудоносных жил. Если рудокоп наталкивался на мощную рудную линзу, на месте выработки щель превращалась в полость. В IV тыс. до н. э. стали переходить к разработке подземных месторождений. На Балканском полуострове, например, шахтные выработки достигали глубины 27 м. Чтобы отколоть куски руды, необходимо было породу сначала разогреть, затем облить водой. В результате получались трещины, в которые вставляли деревянные клинья, пропитываемые водой. При разбухании деревянные клинья разрывали руды на куски. На Балканском полуострове в выработках обнаружены втульчатые клинья-кайла, сделанные из оленьего рога. Предполагают, что ими рудокопы добывали медную руду из жил.
Вблизи от разработок происходил процесс обогащения руд. Вначале был известен сухой способ обогащения: добытую руду отделяли от пустой породы и дробили каменными молотками. Позднее стали применять мокрый способ обогащения. Раздробленную руду укладывали в деревянные лотки с водой. Лотки трясли, в результате куски руды как более тяжелые оседали па дно, а более легкая пустая порода всплывала наверх. Ее сгребали, и в лотке оставались куски медной руды. Сульфидные медные руды перед плавкой длительное время обжигали на кострах.
Руду плавили также недалеко от разработок в специальных глиняных печах. Для получения в печи более высокой температуры через воздуходувные трубки люди вдували воздух. В III тыс. до н. э. были изобретены кожаные воздуходувные меха. Выплавленные из медных руд слитки металла служили предметом обмена; как правило, металлурги не занимались ювелирным и кузнечным делом.
В V тыс. до н. э. человек познакомился с другими цветными металлами: серебром и золотом.
Первым сплавом, как предполагают исследователи, был биллон - сплав меди с серебром. Из него в Южной Туркмении на рубеже V-IV тыс. до н. э. отковывали украшения (булавки). Сплав меди с мышьяком стал известен в IV тыс. до н. э. Мышьяковые сплавы появляются в Закавказье на тысячу лет ранее, чем оловянистые бронзы Западной Европы . С III тыс. до н. э. в странах Древнего Востока бронзу получали чаще из сплава меди с различными пропорциями олова. По сравнению с медью бронзовые сплавы отличаются легкоплавкостью, высокими литейными качествами, большой прочностью. В зависимости от назначения отливки в металл добавляли от 1-2% до 8-10% олова. Чем больше добавляли олова, тем более хрупким было изделие.
Если руду плавили в непосредственной близости от мест добычи, то медные и бронзовые изделия отливали на поселениях. Для получения бронзового сплава медь и олово или медь и мышьяк, взятые в определенных пропорциях, помещали в глиняные тигли, которые ставили в печь. Расплавленный металл из тиглей разливали в формы из песка, камня, дерева. Сначала использовали открытые, а затем и закрытые створчатые формы. В формах отливали оружие, орудия труда и разнообразный инструмент. Художественные и ювелирные изделия отливались по восковой модели. Модель лепили из воска, на которую слоями наносили тонкоотмученную глину до тех пор, пока глиняная стенка не становилась прочной. В глиняной форме оставляли специальные отверстия, чтобы вытопить воск и залить внутрь бронзовый сплав. По остывании, для того чтобы извлечь предмет, глину разламывали, а для получения новой отливки весь процесс необходимо было повторить заново. Изделия, отлитые по восковой модели, представляют художественную ценность.
Руды цветных металлов были мало доступны для разработок; залежи олова - основное сырье для бронзовых сплавов - известны были в древности в довольно ограниченных масштабах. Металл приходилось транспортировать с места добычи руд на очень большие расстояния. Все это мешало широкому внедрению цветных металлов в производство. По словам Ф. Энгельса, «...бронза давала пригодные орудия и оружие, но не могла вытеснить каменные орудия; это было под силу только железу, а добывать железо еще не умели» (Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 21, с. 161).
Особые свойства нового материала освоили быстро, были созданы более производительные орудия и оружие, что не могло не сказаться на развитии земледелия и ремесла.
Дополнительный материал для учащихся № 2
по теме «Минералы и сплавы в оформлении
станции “Площадь Революции”
Московского метрополитена»
Медь - первый металл, освоенный человеком
Роль меди в становлении человеческой культуры особенна. Использование меди и бронзы как важнейших материалов длилось тысячелетия. Медь, подобно благородным металлам, иногда образует самородки. Ученые полагают, что именно из них 10 тыс. лет назад были изготовлены первые металлические орудия труда. Благодаря мягкости и достаточно широкой распространенности меди в природе человек начал использовать ее задолго до железа.
Историки установили, что в Древнем Египте при постройке пирамид ремесленники применяли каменный инвентарь (из гранита и долерита) и медные инструменты. Металл отличался поразительной твердостью. Это позволило египтологам предположить, что уже в III тысячелетии до н. э. египтяне владели каким-то особым рецептом механической обработки меди, придававшей металлу высокую прочность.
Добавление к меди олова заметно увеличивает прочность и твердость материала. Об этом было известно еще 5000 лет назад, а возможно, и раньше. Получение сплавов меди было величайшим достижением древней металлургии и дало название целой эпохе - бронзовому веку.
Смена эпох у разных народов, в разных точках земного шара происходила неравномерно, и хронологические рамки эпох можно указать лишь приблизительно:
КАМЕННЫЙ→ МЕДНЫЙ ВЕК → БРОНЗОВЫЙ→ЖЕЛЕЗНЫЙ
ВЕК (халколит) ВЕК ВЕК
IV-III тысячелетия IV-I тысячелетия начало I тысячелетия
до н. э. до н. э. до н. э.
Распространение бронзы в передовых культурных центрах металлургии началось с конца IV тысячелетия до н. э. Древнейшие бронзовые изделия найдены на территории Месопотамии (в Шумере), Турции, Ирана. В конце третьего тысячелетия до н. э. бронза появилась в Египте, Индии, а в середине II тысячелетия до н. э. - в Китае и Европе. В Америке бронзовый век бронзовый век охватывает период с IV по Х в. н. э. Ведущие металлургические центры здесь располагались на территории современных Перу и Боливии.
Помимо бронз - сплавов меди с оловом, древние использовали и сплавы меди с цинком - латуни, более прочные и ковкие, чем бронзы. Примечательно, что люди древнейших времен не были знакомы с цинком как веществом. В чистом виде этот металл удалось выделить только в середине XVIII веке путем электролиза. Так, при раскопках в Фивах были найдены папирусы, в которых описывается секрет изготовления «золота» из меди. На самом деле, речь в них идет, по всей вероятности, о получении латуни путем добавления в медь природных соединений цинка. Своим цветом и блеском латунь напоминает золото.
Способы получения меди
Низкая химическая активность меди обусловливает возможность ее существования в природе в самородном состоянии.
Известно более 200 минералов, содержащих в своем составе медь, в том числе халькопирит (медный колчедан) CuFeS2, малахит (СuOH)2CO3, халькозин (медный блеск) Cu2S, куприт Cu2O.
Чистую медь получают различными методами. Гидрометаллургический метод - извлечение металлов из руд с помощью реагентов (H2SO4, KCN и др.) в виде соединений, растворимых в воде, с последующей обработкой этих растворов для выделения металлов в свободном виде.
При обработке разбавленной серной кислотой руды, содержащей CuO, медь переходит в раствор в виде сульфата:
CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O
Затем ее извлекают из раствора либо электролизом, либо вытесняют из сульфата железом:
CuSO4 + Fe = Cu + FeSO4
В основе всех способов получения меди из соединений лежат окислительно-восстановительные процессы.
Химические свойства меди
В сухом виде и при обычной температуре медь почти не изменяется. При повышенной температуре медь может вступать в реакции с простыми и сложными веществами.
Взаимодействие с простыми веществами:
Cu + Cl2 = CuCl2
2CuO + O2 = 2CuO
Взаимодействие со сложными веществами:
Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2 + 2H2O
Cu + 4HNO3 = Cu(NO)3 + 2NO2 + 2H2O
Медь и ее сплавы
Медь имеет температуру плавления 1083oС.
Различают две группы медных сплавов: латуни – сплавы меди с цинком, бронзы – сплавы меди с другими (кроме цинка) элементами.
Алюминий" href="/text/category/alyuminij/" rel="bookmark">алюминий , Мn – марганец, С – свинец, Б – бериллий, Мг – магний, Ср – серебро, Ж – железо, Мш – мышьяк, Су – сурьма, К – кремний, Н – никель, Т – титан, Кд – кадмий, О – олово, Ф – фосфор, Х – хром, Ц – цинк.
Вся бронза маркируется с помощью аббревиатуры «Бр», указывающей на данную категорию медных сплавов. После обозначения класса медного сплава «Бр» идут буквы, помогающие определить добавленные элементы.
Например, БрО5Ц6 означает, что данный бронзовый сплав содержит 5% олова и 6% цинка, а обозначение БрО5Ц2Н5 говорит о том, что сплав включает 5% олова, 2% цинка и 5% никеля. Маркировка БрО10Ц2 идентифицирует бронзовый сплав, включающий 10% олова и 2% цинка.
На ленинградском государственном меднообрабатывающем заводе «Красный выборжец" (1924) для отливки была использована так называемая художественная сукрасная бронза с цинковой добавкой, не превышающей 6%. Сукрасная бронза не чувствительна к переменам температуры.
Но проектам на заводе было отлито 80 скульптурных фигур для станции "Площадь Революции" Московского метрополитена.
Разновидности мраморов в оформлении станций метро
Каждая станция метро как минералогический музей, каждая из них имеет свою экспозицию.
Цокольная часть станции метро «Площадь Революции» облицована черным с «золотыми» прожилками армянским мраморовидным известняком давалу превратилась в огромный постамент, а арки из темно-красного мраморовидного известняка шроша. Арки сложили из цельных камней, вырезанных из из мраморных блоков. Простенки пилонов облицованы красной шрошей, серо-голубым уфалеем, желто-розовым мраморовидным известняком биюк-янка. Путевые стены станции украсили серым уфалейским мрамором, с карнизом из красной шроши, цоколь-ковровой мозаикой из оливково-черных мраморовидных известняков садахло и давалу. Пол станционного зала представляет собой шахматное чередование темно-серого жежелевского гранита и черного габбро, а платформы отделаны тем же гранитом и лабранитом.
На стенах платформ закреплены бронзовые стрелки с надписями «Выход в город» – это старейшие сохранившиеся указатели московского метро.
Наиболее распространены в строительной практике следующие разновидности мраморов:
Уфалейский (Уфалей), серо-голубого цвета.
Мраморы Грузии. Шрошинский (Шроша), темно-красного цвета с белыми прожилками.
Садахлинский (Садахло), темно-черного цвета с белыми и желтовато-золотистыми прожилками.
Мраморы Армении. Давалинский (Давалу), черного цвета с золотистыми прожилками. Этот мрамор применяется обычно в сочетании с мраморами других тональностей для пьедесталов и цокольных частей мраморной облицовки.
Подобно золоту и серебру, медь в земной коре иногда встречается в виде самородков. Возможно, из них около 10 тысяч лет назад были изготовлены первые металлические орудия труда. Распространению меди способствовали такие ее свойства, как способность к холодной ковке и простота выплавки из богатых руд. На Кипре уже в 3 тысячелетии до нашей эры существовали медные рудники и производилась выплавка меди. Отсюда происходит и латинское название меди – сuprum. На территории России медные рудники появились за два тысячелетия до н. э. Их остатки находят на Урале, Кавказе, Сибири. В трудах древнегреческого историка Страбона медь называется халкосом, от названия города Халкиды. От этого слова произошли многие термины в геохимии и минералогии, например - халькофильные элементы, халькопирит. Русское слово медь встречается в самых древних литературных памятниках и не имеет чёткой этимологии. Некоторые исследователи отсылают происхождение термина к названию древнего государства Мидия, располагавшегося на территории современного Ирана.
Простое вещество медь - пластичный металл золотисто-розового цвета. В Таблице Менделеева занимает клетку № 29 (символ Cu) с атомной массой 63, 55 а.е.м.
Кристалл халькопирита 4х5х4 см. Николаевский рудник, Приморский край.
По данным за 2016 год мировым лидером по запасам меди является Чили с долей 34%, второе и третье места делят США и Перу – по 9%, четвертое место Австралия – 6%, пятое – Россия с долей 5%. Остальные страны менее 5%.
Запасы медных руд на 2016 год
Крупнейшей медедобывающей страной является Чили. На её территории находится самое крупное в мире месторождение меди Чукикамата (исп. Chuquicamata) на котором добывают медную руду открытым способом с 1915 года. Карьер расположен в центральных Андах на высоте 2840 м и в настоящее время является самым большим по размерам карьером в мире: длина - 4,3 км, ширина - 3 км, глубина - 850 м.
Карьер Чукикамата, Чили.
Медь широко применяется в электротехнике для изготовления силовых и других кабелей, проводов и других проводников. На 2011 год стоимость меди составляла около $9000 за тонну. Вследствие кризиса мировой экономики цена на большинство видов сырья упала, и стоимость 1 тонны меди на 2016 год не превышала $4700.
Быстрый поиск по тексту
Категории металлов
К драгоценным или благородным металлам относится ряд веществ, которые обладают повышенной износостойкостью, не подвержены влиянию коррозии и окисления. Кроме того, их драгоценность обуславливается редкостью. Всего насчитывается 8 видов и выделяют:
- . Пластичное, не подвергается коррозии, ρ (плотность) = 19320 кг/м3, t плавления – 1064 Сᵒ.
- . Обладает тягучестью и ковкостью, обладает высокой отражающей способностью, электрической проводимостью, ρ = 10500 кг/ м3, t плавления – 961,9 Сᵒ.
- . Тягучий, тугоплавкий, ковкий элемент, ρ = 21450 кг/ м3, t плавления – 1772 Сᵒ.
- . Обладает мягкостью и ковкостью, имеет серебристо-белый цвет, наиболее легкий, плавкий, пластичный элемент, не поддается коррозии, ρ =12020 кг/ м3, t плавления – 1552 Сᵒ
- . Твердость и тугоплавкость выше среднего, отличается своей хрупкостью, не поддается воздействию щелочей, кислот и их смесей, ρ = 22420 кг/ м3, t плавления – 2450 Сᵒ
- . Внешне схож с платиной, однако, имеет большую твердость, хрупкость и тугоплавкость, ρ = 12370 кг/ м3, t плавления – 2950 Сᵒ.
- Родий. Твердость выше среднего, тугоплавкий, хрупкий, имеет высокую отражательную способность, не подвергается воздействию кислот, ρ = 12420 кг/ см3, t плавления – 1960 Сᵒ
- Осмий. Тяжелый, имеет повышенную тугоплавкость, твердость выше среднего, хрупкий, не поддается воздействию кислот, ρ = 22480 кг/ м3, t плавления – 3047 Сᵒ.
Схожие по своему химическому строению и по цвету(серебристо-белый) элементы. Насчитывается 17 видов этих металлов. Они были обнаружены в 1794 году в Финляндии, химиком Юханом Гадолином. К 1907 году этих элементов стало уже 14. Современное же название «редкоземельный» было присвоено данной группе к концу 18 века. Долгое время ученые предполагали, что элементы, относящиеся к этой группе, редко встречаются. Известны такие редкоземельные металлы:
- Тулий;
Что касается химических свойств, то металлы образуют тугоплавкие и не растворимые в воде оксиды.
Первое освоение металлов
IV тысячелетие до нашей эры принесло человечеству судьбоносные изменения. Наиболее важным процессом стало освоение металлов. В это время человек обнаруживает такие металлы как медь, золото, серебро, свинец и олово. Наиболее быстро была освоена медь.
Изначально металл добывался из руды методом обжига на открытом огне. Эта техника была освоена примерно в VI-V тысячелетии до нашей эры на территории Индии, Египта и Западной Азии. Наиболее широко медь применялась для изготовления орудий труда и оружия. Придя на смену каменным орудиям, медь значительно облегчила труд человека. Изготавливали предметы труда при помощи глиняных форм и расплавленной меди, ее заливали в формы и ждали пока она остынет.
Кроме того, освоение меди дало новый виток в развитии общественного строя. Это положило начало расслоению общества по благосостоянию. Медь стала признаком богатства и благополучия.
К V тысячелетию человек знакомится с драгоценными металлами, а именно с серебром и золотом. Ученые предполагают, что первым был медно серебряный сплав, он назывался биллон.
Изделия из данных металлов являются находками древних захоронений. В древние времена эти элементы добывали в Египте, Испании, Нубии, на Кавказе. В России также происходила добыча, во II-III тысячелетии до нашей эры. Если металлы добывались из россыпей, то их промывали песком на подстриженных шкурах животных. Чтобы добыть металл из руды, ее нагревали, она трескалась, затем ее дробили, истирали и промывали.
В Средневековье добывалось по большей части серебро. Большая часть добычи производилась в Южной Америке (Перу, Чили, Новая Гранада), Боливии, Бразилии.
В начале ХVI века жители Испании обнаружили платину, которая очень напоминала серебро и поэтому его уменьшительно-ласкательной версией испанского слова «plata» – «platina», что в переводе значит – маленькое серебро или серебришко. С научной точки зрения платина рассмотрена в 1741 году Уильямом Уотсоном.
1803 год – открытие палладия и родия. В 1804 – иридия и осмия. Еще через четыре года открыт вестий, в последствии переименованный в рутений.
Что касается редкоземельных металлов, то до 60-х годов ХХ века они не были интересны в научных сообществах. Однако, именно в это время возникает технология выделения чистых металлов. Тогда же выяснились мощные магнитные свойства этих металлов. Со временем стало возможным выращивание монокристаллов этих металлов. Сегодня редкоземельные металлы позволяют производить множество предметов быта, без которых человек не представляет свое существование, например, энергосберегающие лампы. А также военную и автомобильную технику.
Современная добыча драгоценных металлов
В современное время наиболее ценным металлом считается золото. Именно его добыче уделяется наибольшее количество ресурсов. Первые «золотые жилы» были освоены на территории Африки, Азии и Америки.
Сегодня золото добывается в Южной Америке, Австралии и Китае. Россия является одной из наиболее масштабных золотодобывающих стран и занимает четвертое место в мире. Добыча ведется 16 компаниями в Магадане, Амурской области, Хабаровской области, в Красноярском крае, в Иркутской области и на Чукотке.
Методы добычи
До тех пор, пока не была придумана современная технология добычи драгоценных металлов, они добывались вручную. И сказать, что это крайне трудоемкий процесс, значит, ничего не сказать.
Итак, современные процессы золотодобычи:
- Просеивание. Такой вид добычи золота был популярен во времена «золотой лихорадки» в Америке. Этот метод требовал больших усилий, терпения и навыков. Основными инструментами были сита, ведра с решетками на дне или мешки. Для того, чтобы найти хоть каплю золота человек заходил в реку по пояс, зачерпывал воду и выливал ее на сито и в ведро с решетчатым дном. Таким образом, на его поверхности оставались крупные камни и золотые частицы. При этом сито или решетчатое дно нужно было постоянно удерживать на поверхности, чтобы вымыть ненужные камни, песок и воду и оставить лишь частицы драгоценного металла. Сегодня данный метод редко используется.
- Добыча из золотоносной руды. Это также ручной способ добычи. Здесь инструментами служили лопата, молоток для раздробления руды и кирка. Данный способ предполагает лазанье по горам, рытье грунта, траншей и шахт. Такая добыча велась преимущественно на территории России.
- Промышленный метод. Благодаря развитию науки и открытию определенных химических соединений, скорость добычи значительно увеличилась, а также стала применяться мелкая и крупная техника. Этот процесс ведется автоматически и практически не требует человеческого внедрения.
Промышленная добыча в свою очередь делится на:
- Альмагальмирование. Смысл данного метода заключается во взаимодействии ртути и золота. Ртуть имеет свойство притягивать и обволакивать драгоценный металл. Для обнаружения металла, руду засыпают в бочки, на дне которых находится ртуть. Золото притягивалось к ртути, а остальная, опустошенная руда отбрасывается. Этот метод пользовался спросом и был эффективен в середине 20 века. Он считался достаточно дешевым и простым. Однако, ртуть все же является токсичным элементом и поэтому от метода отказались. Прилипшие частицы драгоценного металла не всегда до конца удавалось отделить от ртути, что не является практичным и приводит к потере части добытого металла.
- Выщелачивание. Этот метод производится при помощи цианида натрия. При помощи этого элемента частицы драгоценного металла переходят в состояние водорастворимых цианистых соединений. После этого при помощи химических реагентов их снова возвращают в твердое состояние.
- Флотация. Существуют такие разновидности золотоносных частиц, которые не поддаются воздействию воды и не промокают. Они плавают на поверхности, как воздушные пузырьки. Такую разновидность породы дробят, затем заливают жидкостью или маслом сосны и перемешивают. Необходимые золотые частицы всплывают подобно воздушным пузырькам, их очищают и получают конечный результат. Если речь идет о промышленных масштабах, то сосновое масло заменяется воздухом.
Современные технологии обработки
Существует два способа обработки драгоценных металлов.
Литье
Этот способ является относительно простым. И действительно, все что потребуется, это залить расплавленный металл в заранее заготовленную форму, которая изготовлена из меди, свинца, дерева или воска. После полного остывания, изделие извлекается из формы, полируется.
Для размягчения металла используются специальные плавильные печи. Они бывают индукционные и муфельные.
Индукционная печь считается наиболее популярным и функциональным видом плавления. В ней нагрев происходит благодаря воздействию вихревых токов.
Муфельная печь позволяет нагревать определенные материалы до заданной температуры.
Муфельные печи делятся на различные виды в зависимости от типа нагревательного элемента (электрические, газовые), от защитного режима обработки (воздушные, с газовой атмосферой, вакуумные), от типа конструкции (вертикальная загрузка, колпаковые, горизонтальная загрузка, трубчатые).
Чеканка
Этот способ считается более сложным. Здесь металл не плавят, а разогревают до необходимого для дальнейшей работы состояния. Далее, при помощи молотков, на свинцовой подложке размягченное сырье превращают в тонкий пласт. Далее, будущему изделию придают необходимую форму.
Применение и виды изделий
Первое, что приходит на ум, если речь идет о применении драгоценных металлов – ювелирная промышленность. Сегодня мы видим изобилие различных ювелирных украшений и изделий на любой вкус. Это, как украшения, так и предметы быта, например, изделия для сервировки стола, посуда. Каждое ювелирное изделие имеет клеймо, которое соответствует подлинности и определенной пробе. Однако, это лишь малая часть сферы использования драгоценных металлов.
Их использование востребовано в автомобильной сфере.
Без платины, иридия, палладия, золота не обойтись в медицинской сфере. Медицинские иглы яркий тому пример. Также на основе белого металла изготавливаются протезы, различные инструменты, детали, препараты.
Кроме того, при помощи ценных металлов изготавливаются высокопрочные и устойчивые аппараты в электротехнической сфере. Например, антикоррозийные приборы и константные к образованию электрической дуги приборы. Каталитические свойства платины используются при производстве серной и азотной кислоты. Формалин изготавливается при помощи химических свойств аргентума. Без золота трудно представить нефтеперерабатывающую сферу.
Более прочные металлы используются для выплавления деталей, задействованных в более агрессивных условиях. Например, когда речь идет о работе с высокими температурами, агрессивными химическими реакциями, электричеством и прочим.
Также напыления этих металлов используют для покрытия других. Это помогает избавиться от коррозий, наделяет защитными свойствами присущими драгоценным металлам.
Ценообразование
Цену на драгоценные металлы предопределяют множество процессов, среди которых технические, фундаментальные и спекулятивные. Однако, наиболее важным фактором является спрос и предложение. Именно от этого фактора отталкиваются при формировании цен на драгоценности. Спрос формируют покупатели. Они используют металлы в различных промышленностях – медицинской, машиностроительной, радиотехнической, ювелирной. Также наличие изделий из драгоценных металлов зачастую определяет принадлежность человека к определённому статусу. Наиболее популярным среди прочих является золото. Это связано также с тем, что каждое государство имеет свой золотой запас, и его масштаб частично определяет весомость государства на мировой арене.
Согласно данным Центрального Банка Российской Федерации стоимость одного грамма золота составляет – 2686,17 руб., серебро – 31,78 руб./ грамм, платина – 1775, 04 руб./ грамм, палладий – 2179, 99 руб./ грамм.
“Семь металлов создал свет по числу семи планет” — в этих немудреных стишках был заключен один из важнейших постулатов средневековой алхимии . В древности и в средние века и было известно лишь семь металлов и столько же небесных тел (Солнце, Луна и пять планет, не считая Земли). По мнению тогдашних светил науки, не увидеть в этом глубочайшую философскую закономерность могли только глупцы да невежды. Стройная алхимическая теория гласила, что золото представлено на небесах Солнцем, серебро — это типичная Луна, медь, несомненно, связана родственными узами с Венерой, железо олицетворяется Марсом, ртуть соответствует Меркурию, олово — Юпитеру, свинец — Сатурну. До XVII века металлы и обозначались в литературе соответствующими символами.
Рисунок 1 - Алхимические знаки металлов и планет
В настоящее время известно более 80 металлов, большинство которых используется в технике.
С 1814 г. по предложению шведского химика Берцелиуса для обозначения металлов используются буквенные знаки.
Первым металлом, который человек научился обрабатывать, было золото. Самые древние вещи из этого металла изготовлены в Египте примерно 8 тыс. лет назад. В Европе 6 тыс. лет тому назад первыми начали изготовлять из золота и бронзы ювелирные украшения и оружие фракийцы , жившие на территории от Дуная до Днепра.
Историки выделяют три этапа в развитии человечества: каменный век, бронзовый и железный.
В 3 тыс.до н.э. люди начали широко применять в своей хозяйственной деятельности металлы. Переход от каменных орудий к металлическим имел колоссальное значение в истории человечества. Пожалуй, никакое другое открытие не привело к таким значительным общественным сдвигам.
Первым металлом, получившим широкое распространение, была медь (рисунок 2).
Рисунок 2 - Карта-схема территориально-хронологического распространения металлов в Евразии и Северной Африке
На карте хорошо видно расположение древнейших находок металлических изделий. Почти все известные артефакты, относящиеся к периоду с конца IX по VI тыс. до н.э. (т.е. до того, как в Месопотамии широко распространилась культура типа Урук), происходят всего из трех десятков памятников, рассеянных по обширной территории в 1 млн. км 2 . Отсюда извлечено около 230 мелких образцов, причем 2/3 из них принадлежат двум поселениям докерамического неолита — Чайоню и Ашикли.
Постоянно разыскивая необходимые им камни, наши предки, надо думать, уже в древности обратили внимание на красновато-зеленые или зеленовато-серые куски самородной меди. В обрывах берегов и скал им попадались медный колчедан, медный блеск и красная медная руда (куприт). Поначалу люди использовали их как обыкновенные камни и обрабатывали соответствующим способом. Вскоре они открыли, что при обработке меди ударами каменного молотка ее твердость значительно возрастает, и она делается пригодной для изготовления инструментов. Таким образом, вошли в употребление приемы холодной обработки металла или примитивной ковки.
Затем было сделано другое важное открытие — кусок самородной меди или поверхностной породы, содержавшей металл, попадая в огонь костра, обнаруживал новые, не свойственные камню особенности: от сильного нагрева металл расплавлялся и, остывая, приобретал новую форму. Если форму делали искусственно, то получалось необходимое человеку изделие. Это свойство меди древние мастера использовали сначала для отливки украшений, а потом и для производства медных орудий труда. Так зародилась металлургия. Плавку стали осуществлять в специальных высокотемпературных печах, представлявших собой несколько измененную конструкцию хорошо известных людям гончарных печей (рисунок 3).
Рисунок 3 - Плавка металла в Древнем Египте (дутьё подаётся мехами, сшитыми из шкур животных)
В Юго-Восточной Анатолии археологи открыли очень древнее поселение докерамического неолита Чайоню Тепеси (рисунок 4), которое поразило неожиданной сложностью каменной архитектуры. Ученые обнаружили среди руин около сотни мелких кусочков меди, а также множество осколков медного минерала — малахита, некоторые из них были обработаны в виде бусин.
Рисунок 4 - Поселение Чайоню Тепеси в Восточной Анатолии: IX-VIII тысячелетия до н.э. Здесь был обнаружен древнейший металл планеты
Вообще говоря, медь — мягкий металл, сильно уступающий в твердости камню. Но медные инструменты можно было быстро и легко затачивать. (По наблюдениям С.А. Семенова, при замене каменного топора на медный, скорость рубки увеличивалась примерно в три раза.) Спрос на металлические инструменты стал быстро расти.
Люди начали настоящую «охоту» за медной рудой. Оказалось, что она встречается далеко не везде. В тех местах, где обнаруживались богатые залежи меди, возникала их интенсивная разработка, появлялось рудное и шахтное дело. Как показывают открытия археологов, уже в древности процесс добычи руды был поставлен с большим размахом. Например, вблизи Зальцбурга, где добыча меди началась около 1600 году до Р.Х., шахты достигали глубины 100 м, а общая длина отходящих от каждой шахты штреков составляла несколько километров.
Древним рудокопам приходилось решать все те задачи, которые стоят и перед современными шахтерами: укрепление сводов, вентиляция, освещение, подъем на гора добытой руды. Штольни укрепляли деревянными подпорками. Добытую руду плавили неподалеку в невысоких глиняных печах с толстыми стенками. Подобные центры металлургии существовали и в других местах (рисунки 5,6).
Рисунок 5 - Древние рудники
Рисунок 6 - Орудия древних рудокопов
В конце 3 тыс.до н.э. древние мастера начали использовать свойства сплавов, первым из которых стала бронза. На открытие бронзы людей должна была натолкнуть случайность, неизбежная при массовом производстве меди. Некоторые сорта медных руд содержат незначительную (до 2%) примесь олова. Выплавляя такую руду, мастера заметили, что медь, полученная из нее, намного тверже обычной. Оловянная руда могла попасть в медеплавильные печи и по другой причине. Как бы то ни было, наблюдения за свойствами руд привели к освоению значения олова, которое и стали добавлять к меди, образуя искусственный сплав — бронзу. При нагревании с оловом медь плавилась лучше и легче подвергалась отливке, так как становилась более текучей. Бронзовые инструменты были тверже медных, хорошо и легко затачивались. Металлургия бронзы позволила в несколько раз повысить производительность труда во всех отраслях человеческой деятельности (рисунок 7).
Само производство инструментов намного упростилось: вместо того, чтобы долгим и упорным трудом оббивать и шлифовать камень, люди наполняли готовые формы жидким металлом и получали результаты, которые и во сне не снились их предшественникам. Техника литья постепенно совершенствовалась. Сначала отливку производили в открытых глиняных или песчаных формах, представлявших собой просто углубление. Их сменили открытые формы, вырезанные из камня, которые можно было использовать многократно. Однако большим недостатком открытых форм было то, что в них получались только плоские изделия. Для отливки изделий сложной формы они не годились. Выход был найден, когда изобрели закрытые разъемные формы. Перед литьем две половинки формы крепко соединялись между собой. Затем через отверстие заливалась расплавленная бронза. Когда металл остывал и затвердевал, форму разбирали и получали готовое изделие.
Рисунок 7 - Бронзовые инструменты
Такой способ позволял отливать изделия сложной формы, но он не годился для фигурного литья. Но и это затруднение было преодолено, когда изобрели закрытую форму. При этом способе литья сначала лепилась из воска точная модель будущего изделия. Затем ее обмазывали глиной и обжигали в печи.
Воск плавился и испарялся, а глина принимала точный слепок модели. В образовавшуюся таким образом пустоту заливали бронзу. Когда она остывала, форму разбивали. Благодаря всем этим операциям мастера получили возможность отливать даже пустотелые предметы очень сложной формы. Постепенно были открыты новые технические приемы работы с металлами, такие как волочение, клепка, пайка и сварка, дополнявшие уже известные ковку и литье (рисунок 8).
Рисунок 8 - Золотая шляпа кельтского жреца
Пожалуй, самую крупную отливку из металла удалось сделать японским мастерам. Было это 1200 лет назад. Весит она 437 т и представляет собой Будду в позе умиротворения. Высота скульптуры вместе с пьедесталом — 22 м. Длина одной руки — 5м. На раскрытой ладони могли бы свободно танцевать четыре человека. Добавим, что знаменитая древнегреческая статуя — Колосс Родосский — высотой 36 м весила 12 т. Отлита она была в III в. до н. э.
С развитием металлургии бронзовые изделия, повсюду стала вытеснять каменные. Но не нужно думать, что это произошло очень быстро. Руды цветных металлов имелись далеко не везде. Причем олово встречалось гораздо реже, чем медь. Металлы приходилось транспортировать на далекие расстояния. Стоимость металлических инструментов оставалась высокой. Все это мешало их широкому распространению. Бронза не могла до конца заменить каменные инструменты. Это оказалось под силу только железу.
Кроме меди и бронзы широко использовались и другие металлы.
Древнейшими изделиями из свинца считаются найденные в Малой Азии при раскопках Чатал-Хююка бусы и подвески и обнаруженные в Ярым-Тепе (Северная Месопотамия) печати и фигурки. Эти находки датируются VI тыс. до н. К тому же времени относятся и первые железные раритеты, представляющие собой небольшие крицы, найденные в Чатал-Хююке. Старейшие серебряные изделия обнаружены на территории Ирана и Анатолии. В Иране их нашли в местечке Тепе-Сиалк: это пуговицы, датируемые началом V тыс. до н. В Анатолии, в Бейджесултане, найдено серебряное кольцо, датируемое концом того же тысячелетия.
В доисторические времена золото получали из россыпей путем промывки. Оно выходило в виде песка и самородков. Затем начали применять рафинирование золота (удаление примесей, отделение серебра), во второй половине 2-го тысячелетия до н.э. В 13-14 веках научились применять азотную кислоту для разделения золота и серебра. А в 19 веке был развит процесс амальгамации (хоть он и был известен в древности, но нет доказательств, что его использовали для добычи золота из песков и руд).
Серебро добывали из галенита, вместе со свинцом. Затем, через столетия, их начали выплавлять совместно (примерно к 3-му тысячелетию до н.э. в Малой Азии), а широкое распространение это получило еще спустя 1500-2000 лет.
Около 640 г. до н. э. начали чеканить монеты в Малой Азии, а около 575 г. до н. э. — в Афинах. По сути дела, это начало штамповочного производства.
Олово когда-то давно выплавляли в простых шахтных печах, после чего делалась его очистка специальными окислительными процессами. Сейчас в металлургии олово получают путем переработки руд по сложным комплексным схемам.
Ну, а ртуть производили путем обжига руды в кучах, при котором она конденсировалась на холодных предметах. Затем уже появились керамические сосуды (реторты), на смену которым пришли железные. А с ростом спроса на ртуть ее стали получать в специальных печах.
Железо было известно в Китае уже в 2357 г. до н. э., а в Египте — в 2800 г. до н. э., хотя еще в 1600 г. до н. э. на железо смотрели как на диковинку. “Железный век” в Европе начался приблизительно за 1000 лет до н. э., когда в государства Средиземноморья проникло от скифов Причерноморья искусство выплавки железа.
Использование железа началось намного раньше, чем его производство. Иногда находили куски серовато-черного металла, который, перекованный в кинжал или наконечник копья, давал оружие более прочное и пластичное, чем бронза, и дольше держал острое лезвие. Затруднение состояло в том, что этот металл находили только случайно. Теперь мы можем сказать, что это было метеоритное железо. Поскольку железные метеориты представляют собой железоникелевый сплав, можно предположить, что качество отдельных уникальных кинжалов, например, могло соперничать с современным ширпотребом. Однако, та же уникальность, приводила к тому, что такое оружие оказывалось не на поле боя, а в сокровищнице очередного правителя.
Железные орудия решительно расширили практические возможности человека. Стало возможным, например, строить рубленные из брёвен дома — ведь железный топор валил дерево уже не в три, как медный, а в 10 раз быстрее, чем каменный. Широкое распространение получило и строительство из тесаного камня. Он, естественно, употреблялся и в эпоху бронзы, но большой расход сравнительно мягкого и дорогого металла решительно ограничивал такие эксперименты. Значительно расширились также и возможности земледельцев.
Впервые железо научились обрабатывать народы Анатолии. Древнегреческая традиция считала открывателем железа народ халибов, для которых в литературе использовалось устойчивое выражение «отец железа», и само название народа происходит именно от греческого слова Χ?λυβας («железо»).
«Железная революция» началась на рубеже I тысячелетия до н. э. в Ассирии. С VIII века до н. э сварное железо быстро стало распространяться в Европе, в III веке до н. э. вытеснило бронзу в Галлии, во II веке новой эры появилось в Германии, а в VI веке нашей эры уже широко употреблялось в Скандинавии и в племенах, проживающих на территории будущей Руси. В Японии железный век наступил только в VIII веке нашей эры.
Вначале получали только маленькие партии железа, и в течение нескольких столетий оно стоило порой в сорок раз дороже серебра. Торговля железом восстановила процветание Ассирии. Открылся путь для новых завоеваний (рисунок 9).
Рисунок 9 - Печь для выплавки железа у древних персов
Увидеть же железо жидким металлурги смогли только в XIX веке, однако, ещё на заре железной металлургии — в начале I тысячелетия до новой эры — индийские мастера сумели решить проблему получения упругой стали без расплавления железа. Такую сталь называли булатом, но из-за сложности изготовления и отсутствия необходимых материалов в большей части мира эта сталь так и осталась индийским секретом на долгое время.
Более технологичный путь получения упругой стали, при котором не требовались ни особо чистая руда, ни графит, ни специальные печи, был найден в Китае во II веке нашей эры. Сталь перековывали очень много раз, при каждой ковке складывая заготовку вдвое, в результате чего получался отличный оружейный материал, называемый дамаском, из которого, в частности, делались знаменитые японские катаны.