Металлы древности

Тема «Металлы в древности» выбрана нами не случайно. Сейчас мы не представляем нашей жизни без металлов. Мы используем металлы и их сплавы — как одни из главных конструкционных материалов современной цивилизации. Это определяется, прежде всего их высокой прочностью, однородностью и непроницаемостью для жидкостей и газов. Кроме того, меняя рецептуру сплавов, можно менять их свойства в очень широких пределах.

Металлы используются как в качестве хороших проводников электричества (медь, алюминий), так и в качестве материалов с повышенным сопротивлением для резисторов и электронагревательных элементов (нихром и т.  п. ).

Металлы и их сплавы широко применяются для изготовления инструментов (их рабочей части). В основном это инструментальные стали и твёрдые сплавы. В качестве инструментальных материалов применяются также алмаз, нитрид бора, керамика.

Число 7 часто встречается в разных мистических учениях и даже просто в быту: 7 цветов радуги, 7 металлов древности, 7 планет, 7 дней недели, 7 нот.

Остановимся на 7 металлах древности – меди, серебре, золоте, олове, свинце, ртути, железе, а также некоторых сплавах на основе их.

Древние философы отождествляли различные металлы с костями божеств. В частности, египтяне рассматривали железо, как кости Марса, магнит - как кости Гора. Свинец, по их мнению, являлся скелетом Сатурна, а медь, соответственно, - Венеры. Ртуть древние философы относили к скелету Меркурия, золото–Солнца, серебро–Луны, сурьму–Земли.

С давних времен человек верил, что планеты влияют на функции человеческого тела.

Считалось, что с помощью металлов можно бороться с вредными влияниями звезд.

С древних веков лекари использовали металлы. Но любимым средством лечения у них являлись все же травы. Лечение порошкообразными минералами, принимаемыми вовнутрь, стали использовать только в средние века. Чаще использование металлов в древние времена, в этой связи, заключалось в ношении или использовании их в качестве талисманов, наряду с каменными талисманами. Элифас Леви, описывая волшебника в его облачении, говорит о том, что:

«В воскресенье (день Солнца) он держал в руках золотой жезл, украшенный рубином или хризолитом; в понедельник (день Луны) он носил три нитки – жемчуга, хрусталя и селенита; во вторник (день Марса) он имел стальной жезл и кольцо из того же металла; в среду (день Меркурия) он носил ожерелье из жемчуга или стеклянных шариков с ртутью и кольцо с агатом; в четверг (день Юпитера) он имел резиновый жезл и кольцо с имеральдом или сапфиром; в пятницу (день Венеры) он имел медный жезл, бирюзовое кольцо и корону с бериллами; в субботу (день Сатурна) он имел жезл из оникса, а также кольцо из этого камня, и на шее цепь из олова».

Когда же развилась астрология, то семь известных тогда металлов стали сопоставлять с семью планетами, что символизировало связь между металлами и небесными телами и небесное происхождение металлов.

Каждый металл выступал в роли посредника между богами и земными явлениями, поэтому их связывали со знаками планет: золото — с Солнцем, серебро — с Луной, медь — с Венерой, железо — с Марсом, свинец — с Сатурном, олово — с Юпитером и ртуть — с Меркурием. Такое сопоставление стало обычным более 2000 лет назад и постоянно встречается в литературе вплоть до XIX века.

Очевидно, что человек познакомился сначала с теми металлами, которые встречались в природе в самородном состоянии. Это - золото, серебро, медь, метеоритное железо. C остальными металлами – по мере того, как он научился получать их из соединений восстановительной плавкой.

Работая над проектом, мы узнали, что первые металлические орудия труда, после каменных, человек стал использовать еще за несколько тысячелетий до нашей эры. Они изготовлялись из самородной меди и, поэтому, были медными. Самородная же медь в природе встречается довольно часто. Обработку же медных самородков древний человек осуществлял сначала с помощью камней (т. е. , фактически, использовал холодную ковку металлов для получения изделий из них). Почему это стало возможным? На этот наш вопрос мы нашли для себя ответ. Медь - достаточно мягкий металл.

В теоретической части проекта «Металлы древности» мы предлагаем ответы и на другие вопросы, которые у нас возникли в ходе нашей работы:

Почему первым металлом, который стал использовать в своей жизни человек, была медь?

(мы уже ответили на него, см. выше)

Почему медь не смогла вытеснить полностью каменные орудия труда? В каком историческом прошлом появились «металлические века» - медный, бронзовый и железный? Почему на смену медному веку пришел бронзовый век, а его сменил железный? Какие новые свойства металлов и сплавов открывал для себя человек, которые и давали ему возможность изготавливать более совершенные орудия труда, оружие, предметы быта? Зачем человек использовал талисманы? Как и какие предметы старины человек использовал в своей повседневной жизни? О какой пользе или вреде могла идти речь, когда «древними металлами» пытались лечиться? Как получали или добывали металлы в древние времена? C чем связано происхождение названия древних металлов?

В практической же части своей работы мы решили исследовать:

Какие свойства металлов или сплавов предметов старины обеспечили сохранность их до наших дней?

Почему степень сохранности у изделий разная?

C целью решения практических задач мы: 1) провели химический эксперимент на определение химической активности металлов древности и химической стойкости их к некоторым химическим и атмосферным воздействиям; 2) сделали соответствующие выводы.

2. 1 МЕДЬ. МЕДНЫЙ ВЕК

Символ Cu происходит от латинского cyproum (позднее, Cuprum), так как на Кипре (Cyprus) находились медные рудники древних римлян.

Чистая медь - тягучий вязкий металл светло - розового цвета, легко пpокатываемый в тонкие листы. Она очень хорошо проводит тепло и электрический ток, уступая в этом отношении только серебру. В сухом воздухе медь почти не изменяется, так как образующаяся на её поверхности тончайшая плёнка оксидов придает меди более тёмный цвет и также служит хорошей защитой от дальнейшего окисления. Но в присутствии влаги и диоксида углерода поверхность меди покрывается зеленоватым налётом гидpоксокаpбоната меди - (CuOH)2CO3.

Медь широко используется в промышленности из - за высокой теплопроводимости , высокой электропроводимости, ковкости, хороших литейных качеств, большого сопротивления на разрыв, химической стойкости

Медь – первый металл, который впервые стал использовать человек в древности за несколько тысячелетий до нашей эры. Первые медные орудия изготовлялись из самородной меди, которая встречается в природе довольно часто, т. к. медь малоактивный металл. Самый крупный самородок меди был найден на территории США, он имел массу 420 т.

Но в виду того, что медь – мягкий металл, медь в древности не смогла вытеснить полностью каменные орудия труда. Лишь когда человек научился плавить медь и изобрел бронзу (сплав меди с оловом), металл заменил камень.

Широкое использование меди началось в IV тыc до н. э.

Считают, что медь начали использовать около 5000 до н. э.  В природе медь изредка встречается в виде металла. Из медных самородков, возможно, с помощью каменных топоров, были изготовлены первые металлические орудия труда. У индейцев, живших на  его берегах оз. Верхнее (Сев. Америка), где есть очень чистая самородная медь, способы ее холодной обработки были известны до времен Колумба.

Медный век - переходная эпоха между неолитом и бронзовым веком. Он характеризуется появлением первых орудий из меди при широком использовании каменных. Для южных районов Поволжья 4 тыс. до н. э. , для лесных - 3 тыс. до н. э. В лесных районах Поволжья основным промыслом остается рыболовство и охота, на юге - специализированная загонная охота на лошадей сменяется их разведением и земледелием. Около 3500 до н. э. на Ближнем Востоке медь научились извлекать из руд, ее получали восстановлением углем. Медные рудники были и в Древнем Египте. Известно, что глыбы для знаменитой пирамиды Хеопса обрабатывали медным инструментом.

В Южной Месопотамии древнейшим металлическим предметом явился наконечник копья, найденный в Уре, в слоях, относящихся к IV тысячелетию до н. э. Химический анализ установил, что в нем содержится 99,69% Сu, 0,16% As, 0,12% Zn и 0,01% Fe. На Кавказе и в Закавказье металл начали использовать с первой половины IV тысячелетия до н. э. Это была медь, которую получали металлургической плавкой окисленных медных руд, порой совместно с мышьяковыми минералами.

Еще позднее металл стали использовать в Центральной Европе, во всяком случае не ранее III тысячелетия до н. э. Плоский медный топорик примитивной формы, найденный в Горне Лефантовце в Западной Словакии, датируется приблизительно серединой III тысячелетия до н. э. По данным спектрального анализа, топорик изготовлен из меди, содержащей примеси мышьяка (0,10%), сурьмы (0,35%) и незначительного количества других металлов, что говорит о том, что медь, из которой изготовлен топорик, была не самородного происхождения, а вернее всего, была получена восстановительной плавкой малахитовых руд.

Предки древних славян, жившие в бассейне Дона и в Приднепровье, применяли медь для изготовления оружия, украшений и предметов домашнего обихода. Русское слово «медь», по мнению некоторых исследователей, произошло от слова «мида», которое у древних племен, населявших Восточную Европу, обозначало металл вообще.

ЛЕЧЕБНЫЕ СВОЙСТВА МЕДИ

Лечебные свойства меди известны очень давно. Древние считали, что лечебный эффект меди связан с её обезболивающем жаропонижающим антибактериальным и противовоспалительным свойствами. Ещё Авиценна и Гален описывали медь, как лекарственное средство, а Аристотель, указывая на общеукрепляющее действие меди на организм, предпочитал засыпать с медным шариком в руке. Царица Клеопатра носила тончайшие медные браслеты, предпочитая их золотым и серебряным, хорошо зная медицину и алхимию. В медных доспехах античные воины меньше уставали, а их раны меньше гноились и быстрее заживали. Была подмечена и широко использовалась в Древнем мире способность меди положительно влиять на «мужскую силу».

Кочующие народности использовали в быту медную посуду, которая оберегала их от инфекционных заболеваний, а цыгане носили медный обруч на голове в тех же целях. Исторический факт: эпидемия холеры и чумы обходила стороной людей, работающих с медью или живущих недалеко от медных рудников. Не случайно раньше дверные ручки в больницах делали из меди, дабы исключить передачу заразы от инфекционных больных к здоровым людям.

В детстве прикладывая по совету бабушки медный пятак на шишку, мы уменьшали боль и воспаление, хотя в 5-ти копеечной монете, выпущенной в советское время, содержание меди было невелико.

В наши дни применение медных изделий широко распространено. В Средней Азии носят медные изделия и практически не болеют ревматизмом. В Египте и Сирии медные изделия носят даже дети. Во Франции с помощью меди лечат расстройства слуха. В США медные браслеты носят как средства от артрита. В китайской медицине используются аппликации медных дисков на активные точки. А в Непале медь считают священным металлом

2. 2 Бронза. Бронзовый век

К 3000 до н. э. в Индии, Месопотамии и Греции для выплавки более твердой бронзы в медь стали добавлять олово. Открытие бронзы могло произойти случайно, однако ее преимущества по сравнению с чистой медью быстро вывели этот сплав на первое место.

Так начался «бронзовый век».

Бронзовый век характеризуется распространением металлургии бронзы, бронзовых орудий и оружии на Ближнем Востоке, Китае, Южной Америке и др.

Слово «бронза» почти одинаково звучит на многих европейских языках. Его происхождение связывают с названием небольшого итальянского порта на берегу Адриатического моря – Бриндизи. Именно через этот порт доставляли бронзу в Европу в старину, и в древнем Риме этот сплав называли «эс бриндиси» – медь из Бриндизи.

Изделия из бронзы были у ассирийцев, египтян, индусов и других народов древности. Однако цельные бронзовые статуи древние мастера научились отливать не раньше 5 в. до н. э. Около 290 до н. э. Харесом в честь бога солнца Гелиоса был создан Колосс Родосский. Он имел высоту 32 м и стоял над входом во внутреннюю гавань древнего порта острова Родоса в восточной части Эгейского моря это гигантская бронзовая статуя.

Почему же медный век сменился бронзовым?

Бронза обладает большей прочностью и износостойкостью, чем медь; хорошей пластичностью, стойкостью к коррозии, хорошими литейными качествами

Бронзы и латуни в современном мире

По химическому составу различают латуни простые и сложные, а по структуре - однофазные и двухфазные. Простые латуни легируются одним компонентом: цинком.

Латуни с более низким содержанием цинка (томпаки и полутомпаки) уступают латуням Л68 и Л70 в пластичности, но превосходят их в электро- и теплопроводности.

Оловянные бронзы

Бронзы превосходят латуни в прочности и сопротивлении коррозии (особенно в морской воде).

Оловянистые бронзы – имеют высокие литейные свойства. Недостаток отливок из оловянных бронз - их значительная микропористость. Поэтому для работы при повышенных давлениях используют алюминиевыми бронзами.

Из-за высокой стоимости олова чаще используют бронзы, в которых часть олова замене цинком (или свинцом).

Алюминиевые бронзы

Эти бронзы все более широко заменяют латуни и оловянные бронзы.

Их используют для листов и штамповки со значительной деформацией. Они более прочные и упругие, не образуют пористости, что обеспечивает получение более плотных отливок. Литейные свойства улучшаются введением в эти бронзы небольших количеств фосфора. Все алюминиевые бронзы, как и оловянные, хорошо устойчивы против коррозии в морской воде и во влажной тропической атмосфере, поэтому их используют в судостроении, авиации, и т. д. В виде лент, листов, проволоки их применяют для упругих элементов, в частности для токоведущих пружин.

Кремнистые бронзы

Эти бронзы применяют для арматуры и труб, работающих в щелочных (в том числе сточных) средах.

Бериллиевые бронзы

Бериллиевые бронзы сочетают очень высокую прочность ( до 120 кгс/мм2 ) и коррозионную стойкость с повышенной электропроводностью. Однако эти бронзы из-за высокой стоимости бериллия используют лишь для особо ответственных случаях в изделиях небольшого сечения в виде лент, проволоки для пружин, мембран, сильфонов и контактах в электрических машинах, аппаратах и приборах.

2. 3 Золото. Серебро

Наряду с медными самородками, внимание человека в новом каменном веке привлекали также и самородки золота и серебра. Люди добывают золото с незапамятных времен. C золотом человечество столкнулось уже в V тысячелетии до н. э. в эпоху неолита благодаря его распространению в самородном виде. По предположению археологов, начало системной добыче было положено на Ближнем Востоке, откуда золотые украшения поставлялись, в частности, в Египет. Именно в Египте в гробнице королевы Зер и одной из королев Пу – Аби Ур в Шумерской цивилизации были найдены первые золотые украшения, датируемые III тысячелетием до н. э.

В древности основными центрами добычи благородных металла был Верхний Египет, Нубия, Испания, Колхида (Кавказ); имеются сведения о добыче и в Центральной и Южной Америке, в Азии (Индия, Алтай, Казахстан, Китай). На территории России золото добывали уже во 2 – 3 тысячелетии до н. э.

Из россыпей металлы извлекали промывкой песка на шкурах животных с подстриженной шерстью (для улавливания крупинок золота), а также при помощи примитивных желобов, лотков и ковшей. Из руд металлы добывали нагреванием породы до растрескивания с последующими дроблением глыб в каменных ступах, истиранием жерновами и промывкой. Разделение по крупности проводили на ситах. В Древнем Египте был известен способ разделения сплавов золота и серебра кислотами, выделение золота и серебра из свинцового сплава купелированием, извлечение золота путем амальгамирования ртутью, или сбор частиц с помощью жировой поверхности (Древняя Греция). Купелирование осуществляли в глиняных тиглях, куда добавляли свинец, поваренную соль, олово и отруби.

В XI—VI веках до н.  э. серебро добывали в Испании в долинах рек Тахо, Дуэро, Миньо и Гуадьяро. В VI—IV веках до н.  э. начались разработки коренных и россыпных месторождений золота в Трансильвании и Западных Карпатах.

Добычу золота в Средние века осуществляли перемалыванием золотоносной руды в муку. Ее перемешивали в специальных бочках, на дне которых находилась ртуть. Ртуть смачивала и частично растворяла золото с образованием амальгамы (амальгамирование). Ее отделяли от остальной породы и разлагали нагреванием. Ртуть при этом улетучивалась, а золото оставалось в перегонном аппарате

В новое время золото стали извлекать путем цианирования руд,

Геохимия золота

Содержание золота в земной коре очень низкое 3 мкг/кг, но месторождения и участки, резко обогащённые металлом, весьма многочисленны. Золото содержится и в воде. 1 л и морской, и речной воды несёт примерно 4*10;9 г золота.

Для золота характерна самородная форма. Среди других его форм стоит отметить электрум, сплав золота с серебром, который обладает зеленоватым оттенком и относительно легко разрушается при переносе водой. В горных породах золото обычно рассеяно на атомарном уровне. В месторождениях оно зачастую заключено в сульфиды и арсениды.

Золото в быту

Золото наряду с медью было одним из первых металлов, использованных человеком в быту

Высокая пластичность золота и серебра широко применялась, особенно, в Египте в виде листового металла – фольги, для покрытия изделий из меди и даже из дерева. Покрытие золотом изделий из меди спасало их от коррозии

Из серебра делали предметы украшения - бусы, кольца, перстни, фурнитуру для одежды, вазы, сосуды, амулеты и др.

Амулет « Бог Солнца». Культ Солнца встречается во всех древних религиях. Его энергия ассоциируется с жизнью и процветанием. Животворящие лучи помогают произрастанию плодов, которыми питается весь мир. У кельтов это могучее светило ассоциировалось с мужским оплодотворяющим символом. Талисман Солнца помогает ощутить всю полноту жизни, обрести уверенность в себе и восстановить душевные силы. Охраняет от жизненных невзгод, физической и духовной слабости.

Высокая пластичность золота и серебра широко применялась, особенно, в Египте в виде листового металла – фольги, для покрытия изделий из меди и даже из дерева. Покрытие золотом изделий из меди спасало их от коррозии.

Из серебра делали предметы украшения - бусы, кольца, перстни, фурнитуру для одежды, вазы, сосуды, амулеты и др.

Уже в новом времени золото и серебро использовались в качестве денег. Главный валютный металл и по сей день – золото.

Серебро, после насыщения рынка, фактически утратило эту функцию.

Золото является важнейшим элементом современной мировой финансовой системы, поскольку данный металл не подвержен коррозии, имеет много сфер технического применения, а запасы его невелики. Золото практически не терялось в процессе исторических катаклизмов, а лишь накапливалось и переплавлялось. В настоящее время мировые банковские резервы золота оцениваются в 32 тыс. тонн

Чистое золото мягкий пластичный металл жёлтого цвета. Красноватый оттенок некоторым изделиям из золота, например, монетам, придают примеси других металлов, в частности меди.

Важнейшей характеристикой ювелирных изделий является их проба, характеризующая содержание в них золота. Состав таких сплавов выражается пробой, которая указывает число весовых частей золота в 1000 частей сплава(в российской практике). Проба химически чистого золота соответствует 999. 9 пробе его ещё называют "банковским" золотом, так как из такого золота изготавливают слитки.

В России принято считать началом золотодобычи 21 мая (1 июня) 1745 г. , когда Ерофей Марков, нашедший золото на Урале, объявил о своем открытии в Канцелярии Главного правления заводов в Екатеринбурге. За всю историю человечеством добыто около 140 тыс. т золота.

Серебро

Серебро - элемент побочной подгруппы первой группы, пятого периода Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 47. Обозначается символом Ag (лат. Argentum)

Открытие серебра. Добыча

Финикияне открыли месторождения серебра (серебряных руд) в Испании, Армении, Сардинии и на Кипре. Серебро из серебряных руд было в соединении с мышьяком, серой, хлором, а также и в виде самородного серебра. Самородный металл, конечно, стал известен раньше, чем его научились извлекать из соединений. Самородное серебро иногда встречается в виде очень больших масс: самым крупным самородком серебра считается самородок, который весил 13,5т. Серебро встречается также в метеоритах и содержится в морской воде. В виде самородков серебро встречается редко. Этот факт, а также менее заметный цвет (самородки серебра обычно покрыты черным налетом сульфида) послужили более позднему открытию самородного серебра человеком. Это объясняло большую редкость и большую ценность серебра поначалу. Но потом произошло второе открытие серебраПроводя очистку золота расплавленным свинцом, в некоторых случаях вместо более яркого, чем природное золото, получали металл более тусклый. Но зато его было больше, чем исходного металла, который хотели очистить. Это бледное золото вошло в обиход с третьего тысячелетия до новой эры. Греки называли его электроном, римляне – электрумом, а египтяне – асем. В настоящее время можно применять термин электрум для обозначения сплава серебра с золотом. Эти сплавы золота с серебром долгое время считали особым металлом. В древнем Египте, куда серебро привозили из Сирии, оно служило для изготовления украшений и чеканки монет. В Европу этот металл попал позже (приблизительно за 1000 лет до н. э. ) и применялся для тех же целей. Предполагалось, что серебро представляет собой продукт превращения металлов на пути их «трансмутации» в золото. За 2500 лет до нашей эры в Древнем Египте носили украшения и чеканили монеты из серебра, считая, что оно дороже золота. В X веке было показано, что между серебром и медью существует аналогия, и медь рассматривалась как серебро, окрашенное в красный цвет. В 1250 г. Винсент Бове высказал предположение, что серебро образуется из ртути при действии серы. В средние века "кобалдом" называли руды, которые служили для получения металла со свойствами, отличными от уже известного серебра. Позднее было показано, что из этих минералов добывается сплав серебро-кобальт, и различие в свойствах определялось присутствием кобальта. В XVI в. Парацельс получил хлорид серебра из элементов, а Бойль определил его состав. Шееле изучал действие света на хлорид серебра, а открытие фотографии привлекло внимание и к другим галогенидам серебра. В 1663 г. Глазер предложил нитрат серебра в качестве прижигающего средства. С конца XIX в. комплексные цианиды серебра используются в гальванопластике. Используется при чеканке монет, наград - орденов и медалей.

Галогениды серебра и нитрат серебра используются в фотографии, так как обладают высокой светочувствительностью.

Из-за высочайшей электропроводности и стойкости к окислению применяется: в электротехнике и электронике как покрытие ответственных контактов; в СВЧ технике как покрытие внутренней поверхности волноводов.

Используется как покрытие для зеркал с высокой отражающей способностью (в обычных зеркалах используется алюминий).

Часто используется как катализатор в реакциях окисления, например при производстве формальдегида из метанола.

Используется как дезинфицирующее вещество, в основном для обеззараживания воды. Некоторое время назад для лечения простуды использовали раствор протаргол и колларгол, которые представляли собой коллоидное серебро.

Одной из важных сфер использования серебра являлась алхимия, тесно связанная с медициной. Уже за 3 тыс. лет до н. э. в Китае, Персии и Египте были известны лечебные свойства самородного серебра. Древние египтяне, например, прикладывали серебряную пластину к ранам, добиваясь их быстрого заживления. О способности этого металла долгое время сохранять воду пригодной для питья также знали с древних времен. Например, персидский царь Кир в военных походах перевозил воду только в серебряных сосудах. Знаменитый средневековый врач Парацельс лечил некоторые болезни "лунным" камнем азотнокислым серебром (ляпис). Этим средством в медицине пользуются и поныне.

Развитие фармакологии и химии, появление множества новых природных и синтетических лекарственных форм не уменьшили внимания современных медиков к этому металлу. В наши годы оно продолжает широко использоваться в индийской фармакологии (для изготовления традиционных в Индии аурведических препаратов). Аюрведа (Ayurveda) это древний способ диагностики заболеваний и лечения, малоизвестный за пределами Индии. Более 500 млн человек в Индии принимают такие препараты, поэтому очевидно, что потребление серебра в фармаколо-гии страны очень велико. Сравнительно недавно современные исследования клеток организма на содержание серебра привели к заключению, что оно повышено в клетках мозга. Таким образом, сделан вывод, что серебро является металлом необходимым для жизнедеятельности человеческого организма и что открытые пять тысячелетий назад лечебные свойства серебра не утратили своей актуальности и в настоящее время.

Мелкораздробленное серебро широко применяется для обеззараживания воды. Вода, настоянная на порошке серебра (как правило, применяют посеребренный песок) или профильтрованная через такой песок, почти полностью обеззараживается. Серебро в виде ионов активно взаимодействует с различными другими ионами и молекулами. Малые концентрации полезны, так как серебро уничтожает многие болезнетворные бактерии. Установлено также, что ионы серебра в малых концентрациях способствуют повышению общей сопротивляемости организма к инфекционным заболеваниям. Развивая это направление использования, в довершение к зубным пастам, защитным карандашам, керамическим плиткам, покрытым серебром, в Японии даже стали изготавливать ладан, который содержит ионизированное серебро и при сжигании высвобождает ионы, убивающие бактерии. На этом свойстве серебра основано действие таких лекарственных препаратов, как протаргол, колларгол и др. , представляющих собой коллоидные формы серебра и способствующих излечению гнойных поражений глаз.

2. 4 Железо. Железный век

Желе́зо – элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 26. Обозначается символом Fe ( лат. Ferrum) Простое вещество железо —ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро коррозирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе. Железо обладает особым свойством - магнетизмом.

В природе железо редко встречается в чистом виде. Чаще всего оно встречается в составе железо-никелевых метеоритов. По распространённость в земной коре железо занимает 4-е место после O, Si, Al (4,65 %). Считается также, что железо составляет бо́льшую часть земного ядра.

Железо в древности

Первые железные орудия, найденные в Карпато – Дунайско-Понтийском регионе, который относится к ХII веку до н. э.

Железо как инструментальный материал известно с древнейших времён, самые древние изделия из железа, найденные при археологических раскопках, датируются IV тыс. до н. э. и относятся к древнешумерской и древнеегипетской цивилизациям. Это наконечники для стрел и украшения из метеоритного железа, то есть, сплава железа и никеля (содержание последнего колеблется от 5 до 30 %), из которого состоят метеориты. От их небесного происхождения идёт, видимо, одно из наименований железа в греческом языке: "сидер" (а на латыни это слово значит "звездный")

Изделия из железа, полученного искусственно, известны со времени расселения арийских племён из Европы в Азию и острова Средиземного моря (4-3 тысячелетие до н.  э. ). Самый древний железный инструмент из известных — стальное долото, найденное в каменной кладке пирамиды фараона Хуфу в Египте (построена около 2550 года до н.  э. ).

Но 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.

Природное металлическое железо неземного происхождения - метеоритное железо использовалось на заре «железного века». Путь химического же превращения железной руды - требовал освоения достаточно высоких температур. Для восстановления железа из его окислов окисью углерода, что и происходит в обычном металлургическом процессе, достаточна температура лишь несколько выше 700 oС - такую температуру дает даже лагерный костер. Однако железо, получающееся таким путем, представляет собой спеченную массу, состоящую из металла, его карбидов, окислов и силикатов; при ковке оно рассыпается. Чтобы практически реализовать возможности процесса восстановления с целью получения железа, пригодного для переработки, необходимы были три условия: 1) введение окислов железа в зону нагревания в условиях восстановления; 2) достижение температуры, при которой получается металл, пригодный для механической переработки; 3) открытие действия добавок - флюсов, облегчающих отделение примесей в виде шлаков, что обеспечивает получение ковкого металла при не слишком высоких температурах.

Первым шагом в зарождающейся чёрной металлургии было получение железа путём восстановления его из окиси. Руда перемешивалась с древесным углем и закладывалась в печь. При высокой температуре, создаваемой горением угля, углерод начинал соединяться не только с атмосферным кислородом, но и с тем, который был связан с атомами железа.

FeO + C = Fe + CO

FeO+CO = Fe + CO2

После выгорания угля в печи оставалась так называемая крица — комок веществ с примесью восстановленного железа. Крицу потом снова разогревали и подвергали обработке ковкой, выколачивая железо из шлака. Долгое время в металлургии железа именно ковка была основным элементом технологического процесса, причём, с приданием изделию формы она было связана в последнюю очередь. Ковкой получался сам материал.

«Железный век»

Железный век сменил бронзовый век в основном в начале 1 –го тыс. до н. э

Железный век сменил бронзовый век в основном в начале 1 –го тыс. до н. э. Это произошло по следующим причинам: 1) железо имеет большую распространенность в природе, чем медь, олово и свинец; 2) его сплавы обладают хорошей пластичностью, ковкостью; 3) большей прочностью, чем бронза; 4) хорошей устойчивостью к воздействию окружающей среды; 5) человек освоил основной способ производства ( восстановительную плавку) железа и его сплавов. Все это вместе взятое и стало предпосылкой к замене бронзового века на железный.

Железный век продолжается и по настоящее время.

На самом деле железом обычно называют его сплавы с малым содержанием примесей (до 0,8%), которые сохраняют мягкость и пластичность чистого металла. Но на практике чаще применяются сплавы железа с углеродом: сталь (до 2% углерода) и чугун (более 2% углерода), а так же нержавеющая сталь (легированная) сталь с добавками легирующих металлов (хром, марганец, никельи др. ). Совокупность специфических свойств железа и его сплавов делают его «металлом № 1» по важности для человека.

Применение железа дало мощный стимул развитию производства и тем самым ускорило общественное развитие. В железном веке у большинства народов Евразии происходило разложение первобытнообщинного строя и переход к классовому обществу.

Прогресс не стоял на месте: первым устройством для получения железа из руды была одноразовая сыродутная. При огромном количестве недостатков, долгое время это был единственный способ получить металл из руды

Более высокую ступень в развитии чёрной металлургии представляли собой постоянные высокие печи называемые в Европе штукофенами. Это действительно была высокая печь — с четырёх-метровой трубой для усиления тяги. Мехи штукофена качались уже несколькими людьми, а иногда и водяным двигателем. Штукофен имел дверцы, через которые раз в сутки извлекалась крица Изобретены штукофены были в Индии в начале первого тысячелетия до новой эры. В начале нашей эры они попали в Китай, а в VII веке вместе с «арабскими» цифрами арабы заимствовали из Индии и эту технологию. В конце ХШ века штукофены стали появляться в Германии и Чехии (а ещё до того были на юге Испании) и в течение следующего века распространились по всей Европе.

Производительность штукофена была несравненно выше, чем сыродутной печи — в день он давал до 250 кг железа, а температура плавления в нем оказывалась достаточна для науглероживания части железа до состояния чугуна. Однако штукофенный чугун при остановке печи застывал на её дне, смешиваясь со шлаками, а очищать металл от шлаков умели тогда только ковкой, но как раз ей-то чугун и не поддавался. Его приходилось выбрасывать.

Следующим этапом в развитии металлургии стало появление доменных печей. Их используют и сейчас. За счёт увеличения размера, предварительного подогрева воздуха и механического дутья, в такой печи все железо из руды превращалось в чугун, который расплавлялся и периодически выпускался наружу. Производство стало непрерывным — печь работала круглосуточно и не остывала. За день она выдавала до полутора тонн чугуна. Перегнать же чугун в железо в горнах было значительно проще, чем выколачивать его из крицы, хотя ковка все равно требовалась — но теперь уже выколачивали шлаки из железа, а не железо из шлаков

Применение железа в древности

Самой первой формой организации производства железных изделий были кузнецы - любители. Обычные крестьяне, которые в свободное от обработки земли время промышляли таким ремеслом. Кузнец этого сорта сам находил «руду» (ржавое болото или красный песок), сам выжигал уголь, сам выплавлял железо, сам ковал, сам обрабатывал изделие.

Умение мастера на данном этапе закономерно было ограничено выковыванием изделий самой простой формы. Инструментарий же его состоял из мехов, каменных молота и наковальни и точильного камня. Железные орудия производились с помощью каменных.

Если удобные для разработки залежи руды имелись поблизости, то и целая деревня могла заниматься производством железа, но такое было возможным только при наличии устойчивой возможности выгодного сбыта продукции, чего практически не могло быть в условиях варварства.

Если же, допустим, на племя из 1000 человек имелся десяток производителей железа, каждый из которых за год соорудил бы пару-тройку сыродутных печей, то их трудами обеспечивалась концентрация железных изделий всего порядка 200 граммов на душу населения. И не в год, а вообще. Цифра эта, конечно, очень приблизительная, но факт тот, что, производя железо таким способом, никогда не удавалось за его счёт полностью покрыть все потребности в самом простом оружии и самых необходимых орудиях труда. Из камня продолжали изготавливаться топоры, из дерева — гвозди и плуги. Металлические доспехи оставались недоступными даже для вождей.

Роль железа в современном мире

21 век – век полимеров, но эпоха железа еще не завершена.

В современном мире существует множество видов полимеров превосходящих железо по легкости, пластичности и коррозионной стойкости, но при этом сильно уступают железу по прочности, поэтому еще рано говорить о железе в прошедшем времени.

Железо сыграло большую роль в развитии человеческого общества и не потеряло своего значения и в настоящее время. Сплавы железа – чугун, сталь являются основой современной индустрии.

ГЛАВА III ВЫВОДЫ ПО ТЕОРЕТИЧЕСКИМ ИССЛЕДОВАНИЯМ

В своих теоретических исследованиях мы пришли к следующим выводам:

Главный вывод

Смена «металлических веков» была связана с открытием для человека новых металлов и сплавов с улучшенными качествами по сравнению с предыдущими металлами и сплавами (причем, металлов - достаточно распространенных в природе); освоением способов их добычи или получения, а также освоением способов литья и ковки изделий из новых металлов и сплавов. Смена материалов для труда и производства влияло и влияет на технический прогресс в обществе. Роль химии при этом всегда была и остается - значительной.

Выводы по «векам» (подтверждающие главный вывод)

1. Медный век. Медь – первый металл, который впервые стал использовать человек в древности за несколько тысячелетий до нашей эры (4-3 тыс. до н. э. ). Общее содержание меди в земной коре сравнительно невелико (0,01 вес %), однако она чаще, чем другие металлы, встречается в самородном состоянии, причем самородки меди достигают значительной величины.

Этим, а также сравнительной лёгкостью обработки меди объясняется то, что она ранее других металлов была использована человеком.

Медь – мягкий металл. Поэтому в древности медь не смогла вытеснить каменные орудия труда. Лишь, когда человек научился плавить медь и изобрел бронзу (сплав меди с оловом ), - металл заменил камень.

Древние считали, что лечебный эффект меди связан с её антибактериальными и противовоспалительными свойствами. В медных доспехах у античных воинов раны меньше гноились и быстрее заживали.

2. Бронзовый век длился с конца 4 – нач. 1-го тыс. до н. э. Распространилась металлургия бронзы, бронзовых орудий и оружия (Ближний Восток, Китай, Ю. Америка и др. ). Бронза – сплав на основе меди (в древности это медь + олово, реже - медь + свинец. Бронза обладала большей прочностью, чем медь; хорошей пластичностью, большей стойкостью к коррозии, хорошими литейными качествами. Поэтому медный век и сменился бронзовым.

3. Железный век. В очень давние времена железные изделия изготавливались из метеоритного железа, из «небесного камня». Метеоритное железо легко поддавалось обработке. Из него делали лишь украшения и простейшие орудия. Древним людям была недоступна плавка железа - получение его из соединений. Поэтому железный век в Египте начался лишь с XII в.

до н. э. , а в других странах еще позднее - в нач. 1-го тыс. до н. э.

Железный век наступил с распространением металлургии железа и изготовлением орудий и оружия. По распространенности металлов в природе железо занимает 2-ое место после алюминия. В чистом виде железо с наступлением железного века практически уже не иcпользовалось. В быту железными часто называли и называют стальные или чугунные изделия ( сплавы железа с углеродом и др. элементами ).

Хорошая пластичность, ковкость железа и его сплавов, а также особая прочность изделий из них привели к смене бронзового века на железный, который продолжается и по настоящее время.

Сплавы железа – чугун, сталь являются основой современной индустрии.

Железо необходимо для жизнедеятельности организмов. Оно входит в состав гемоглобина.

Древние считали, что железо находится под влиянием Марса. C помощью металлического талисмана, сделанного из железа, они пытались излечивать анемичных людей: талисман должен был отвести вредное влияние Марса, его энергию, и привести в норму содержание железа в крови.

4. Золото и серебро известны человеку также с древних времен. Эти металлы характеризуются мягкостью, ковкостью, очень хорошей пластичностью, тягучестью. Золото и серебро, поэтому, легко обрабатываются. Изделия из этих металлов датируются 5 – 1 тыс. до н. э. Красивый цвет,

«магический» блеск, высокая плотность, легкость, высокая устойчивость к атмосферным воздействиям давно оценены человеком.

Но золото и серебро - малораспространенные металлы в природе. Поэтому, уже с древних времен из них, в основном, делали украшения и бытовые предметы.

Зато со временем, золото (и, в меньшей степени, серебро) стало мерилом материальных ценностей, стало использоваться в качестве обмена на товар, а впоследствии - стало денежным эквивалентом и, таким образом, - «королем металлов».

С древних времен использовались и лечебные свойства серебра и золота: антисептические свойства серебряной воды; а для лечения кожных заболеваний – использовались свойства серебра, золота и меди.

ГЛАВА III НАШИ ПРАКТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

3. 1 Химический эксперимент

«Отношение « металлов древности» к некоторым химическим воздействиям»

На вопросы - «какие свойства металлов или сплавов предметов старины обеспечили сохранность их до наших дней?» и «почему степень сохранности у разных предметов разная?» мы попытались дать ответ, прибегнув к химическому эксперименту.

Сначала мы выдвинули такие гипотезы: 1 – изделия старины сохранились до наших времен, т. к. металлы или сплавы, из которых они сделаны, обладают малой химич еской активностью; 2 - степень сохранности изделий зависит от: а) коррозионной стойкости материалов к воздействиям окружающей среды (коррозионная стойкость же зависит, в первую очередь, от химической активности металлов и сплавов); б) времени воздействия раличных факторов ( включая «химический фактор») на изделия или – возраста изделия.

Мы провели такой химический эксперимент

Суть его состоит в следующем: мы рассмотрели отношение металлов древности и их некоторых сплавов к таким реагентам и природным веществам, как : кислород воздуха (при обычных условиях и температурных воздействиях); влажный воздух; вода – дистиллированная , водопроводная, природная; растворы кислот и щелочей.

Важно, что все они являются главными разрушителями (или подобием этих разрушителей) для металлов и сплавов в природе. Мы провели соответствующие реакции и получили результаты, подтверждающие правильность наших предположений ( гипотез).

Выводы по практическим исследованиям

Химический эксперимент, разработанный и выполненный нами, показал, что

• Химическая активность исследуемых металлов и сплавов (фактически «металлов древности») - низкая

• Коррозионная стойкость к химическим воздействиям – высокая.

Результаты эксперимента представлены в таблице

Делаем вывод, что данные характеристики материалов могут быть определяющими в том, что изделия старины сохранились до нашего времени

• Проверена реакция металлов и сплавов на длительность химического воздействия лабораторных и природных реагентов ( на протяжении 2-х месяцев)

Эксперимент показал: разрушение металлов и сплавов усиливается со временем

• Эксперимент также подтвердил наше предположение, что химическая активность исследуемых материалов сравнительно низкая; различия в их химической активности все же имеются