Химия человека. Как железо помогает нам дышать, калий – видеть, и другие секреты периодической таблицы - [16]
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.
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
