Другая история науки. От Аристотеля до Ньютона, стр. 52
Производство железа сыродутным способом существовало у ряда африканских племен еще в конце XIX века. Сыродутный горн сооружался из глины или из камней, обмазанных глиной. В стенах оставлялись отверстия для дутья, обычно два на противоположных сторонах. В эти отверстия вставлялись глиняные трубки (сопла), на которые надевали кожаные мехи, приводившиеся в движение, как правило, рычагами. Горн засыпался древесным углем и железной рудой. Частицы железа при сыродутном способе свариваются в крицу, комок железа, представляющий собой после проковки его молотом предварительный материал для кузнечной работы.
В Западной Европе для плавки железа использовали простейшие ямы диаметром около 1,5–1,6 и глубиной 0,6–1 метра. Ямы были обмазаны двумя слоями глины толщиной 16 и 8 сантиметров. Сохранились следы глиняных сопел для принудительного дутья. В более ранних типах европейских железоделательных сооружений для дутья использовали естественный ветер (в частности горный). При слабом ветре приходилось создавать движение воздуха, размахивая веером из ветвей деревьев.
Хорошо изучена славянская домница VIII–IX веков в Желеховицах (Чехия), включавшая целую систему сыродутных горнов. Процесс плавки в домнице шел на основе руды магнетита (Fе3О4) и гематита (Fе2О3) с использованием древесного угля, полученного из ясеня, клена и липы. К предварительно нагретым горнам доставляли раздробленную на мелкие части руду. В горнах зажигали древесный уголь, в разгоравшийся огонь бросали руду и производили принудительное дутье из меха, расположенного за горном, вместе с тем пользовались и природным ветром. Частицы железа сплавлялись при 1300–1400 °C в железные крицы. Жидкий шлак предохранял образовавшееся железо от нового окисления.
Предполагается, что первым значимым использованием железа было изготовление оружия, что, кстати, привело к перевороту в военном деле. Но чтобы перейти от изготовления из железа ювелирных драгоценных изделий к использованию его в массовом изготовлении разных видов оружия, а затем и орудий труда, потребовались и технический прогресс, и скачок в ценностной ориентации. В этом, по существу, и состоял переход к так называемому железному веку.
Цинк = Zn
Выше мы говорили, что, зная латунь, металлурги той эпохи не имели никакого понятия о металлическом цинке. В отличие от бронзы, латунь получали, бросая после меди в огонь серый камень, именуемый кадмией. Согласно легенде, название свое кадмия получила по имени финикийца Кадма, открывшего свойство этого камня делать красную медь желтой, подобной по цвету золоту.
Известно, что элементы разных подгрупп во второй группе Периодической таблицы элементов гораздо ближе по своим свойствам, чем, скажем, в первой группе. Цинк, например, во многом похож на магний. А кадмия – карбонат цинка – весьма сходна с доломитом, двойным карбонатом магния и кальция. По-видимому, это и помогло открыть ее удивительное свойство облагораживать медь.
Дело в том, что доломит использовался в качестве флюса при выплавке меди из окисных и обожженных сульфидных руд. Достаточно было по ошибке взять вместо доломита кадмию, и вместо красной меди в горнах появилось «золото». И хотя это золото оказалось отнюдь не таким благородным, как настоящее, у него были по сравнению с медью значительные достоинства. И не только цвет: латунь тверже меди, а плавится при более низкой температуре.
Что же касается самого цинка, то древним металлургам получить его было очень трудно. Карбонат цинка уже при 300 °C разлагается на окись цинка и углекислый газ. Для восстановления окиси цинка углем нужна температура уже около 1000–1100 °C, но кипит цинк при 906 °C, и поэтому он сразу получается в виде пара, который на воздухе воспламеняется, опять превращаясь в белые хлопья окиси. Медь способна удержать часть цинкового пара и образовать латунь.
А вот для того чтобы превратить этот пар в металлический цинк, требуется немалое искусство. В Трансильвании, на территории нынешней Румынии, был найден дакский идол, отлитый из сплава, содержащего 87 % цинка; по тому времени это был практически чистый металл.
Португальские купцы, привозившие цинк в Европу в XV и XVI веках, называли его индийским оловом. А в Европе секрет его производства был раскрыт в середине XVI века силезскими металлургами, чему, конечно, способствовало их знакомство с индийским цинком: сделать уже известную вещь легче, чем неизвестную.
Как получали цинк индийцы, никто не знает. А вот как его получали в Европе, известно, об этом рассказал Георгий Агрикола. Цинк, заключенный в руде, отделяется во время плавки от всех других металлических веществ по той причине, что от жара он становится летучим и превращается в пар. Этот пар оседает в специальном приемнике, сделанном в стене над желобом, по которому стекает расплавленный свинец. Приемник изнутри закрыт большим плоским камнем с щелями для входа паров цинка, а снаружи – другим камнем на глиняной замазке, который в течение всей плавки поливают холодной водой, чтобы охладить и осадить пар. Каждую плавку начинают в десять часов утра и ведут двадцать часов, до шести часов следующего утра.
Когда плавка закончена, рабочий железным ломом открывает приемник, удаляет снизу немного замазки, и собравшийся в течение плавки цинк вытекает оттуда, подобно ртути. Затем цинк переплавляют в железном горшке и отливают в полусферические формы.
Из кадмии, переименованной арабами в каламин, а европейскими алхимиками в галмей, цинк был получен в 1721 году. Тайну галмея удалось раскрыть фрейбергскому профессору Иоганну Фридриху Генкелю (кстати говоря, учителю Михаила Васильевича Ломоносова во время его пребывания во Фрейберге). Генкель так обрадовался, что ему удалось «сжечь» галмей, а потом из его «золы» получить блестящий металл, что в своем сочинении он уподобил цинк древнеегипетскому символу бессмертия – птице Феникс, восстающей из пепла. Так состоялось окончательное открытие цинка.
Но и во второй половине XVIII века этот металл все еще оставался редкостью. Мало кто, даже из весьма образованных людей, мог похвастать тем, что имел счастье подержать его в руках. И даже в первой половине XIX века интерес к цинку был так велик, что известный русский скульптор Иван Петрович Витали отлил из этого металла восемнадцать витых, украшенных скульптурами колонн для Георгиевского зала Большого Кремлевского дворца в Москве.
Вот так необычна история открытия этого металла, первые статуи из которого делали, говорят, еще древние обитатели Румынии.
Мышьяк = As
Итак, сначала людьми были открыты уголь, сера, медь, золото, серебро, железо в самородках. Затем свинец, олово, те же серебро, медь и железо в рудах. Затем – жидкая ртуть. Затем – цинк, восстанавливающийся из своего окисла в виде пара.
Сначала твердые тела, после этого жидкость и пар. Такой ход исторических событий совершенно естествен: легче всего обращаться с твердыми телами, труднее уловить жидкие, еще труднее – газообразные.
После цинка вторым элементом, уловленным из пара, стал мышьяк, который в условиях нормального атмосферного давления при 663 °C возгоняется, не плавясь. Если бы не эта технологическая трудность, то ничто не помешало бы мышьяку быть открытым еще в то время, когда изготавливали медные украшения и инструменты со значительным, в 2–3%, содержанием мышьяка. Так же, как цинк и олово, мышьяк придает меди твердость. Не исключено, что именно по этой причине сульфиды мышьяка могли получить свое название: ведь наиболее давнее из дошедших до нас древнегреческое арсеникос означает «сильный». Аналогия с названием олова – станнум (стойкий) – напрашивается сама собой.
В отличие от цинка, каких-либо упоминаний о металлическом мышьяке в древних рукописях не найдено, хотя он не так уж редко встречается даже в самородном виде. Отсутствие упоминаний связано, вероятно, с отсутствием возможности хоть как-то использовать мышьяк. Случайно наткнувшись среди серебряных, свинцовых или медных минералов на сероватый хрупкий камень или случайно получив мышьяк при выплавке серебра либо свинца, древние металлурги не знали, на что его употребить. Даже в наше время металлический мышьяк почти не используется – разве что в производстве свинцовой дроби.