Занимательно о железе

Если предположить, что поверхность внутреннего ядра разделяет твердое и расплавленное железо, то современные данные о фазовой диаграмме железа при высоких давлениях позволяют узнать температуру внутри ядра, что очень важно для изучения распределения температур в недрах Земли. Эксперименты с ударным сжатием железоникелевого сплава подтвердили вывод теории конечных деформаций о том, что плотность чистого железа при давлениях, соответствующих земному ядру, приблизительно на 8% больше плотности ядра. Почти наверняка в ядре в качестве примеси присутствует металлический никель. Но его добавление не понижает плотность [1].

Австралийский исследователь в области физики твердой Земли Стейси считает, что средняя плотность Земли и внутреннее ее строение, по данным сейсмологии, хорошо согласуются с допущением, что Земля обладает жидким железным ядром с плотностью при нулевом давлении 7 г/см³, окруженным твердой мантией из силикатов с плотностью 3,3 г/см³.

Подтверждением этому может служить находка казахстанских геологов — обломков темной породы, найденных на земной поверхности. После комплексного исследования находки геологи пришли к выводу, что эти куски породы находились в очень давние времена глубоко в недрах планеты. Образцы резко отличаются от окружающих горных пород. В них, например, выявлено повышенное содержание железа, магния, кальция, хрома, титана.

Ученые Академии наук Казахской ССР полагают, что более 1 миллиарда лет назад эта порода являлась частью древних геологических образований. Она претерпела глубокие изменения под действием огромного давления, превышающего 1000 МПа, и высоких температур: 600–750°С.

Почему уникальные обломки оказались на земной поверхности? Ответ дает характер геологического строения районов, где они найдены. В тех местах расположены очень давние разломы земной коры, достигающие верхней мантии. В процессе бурного тектонического движения блоков земной коры и были вынесены к поверхности горные породы, залегавшие на глубине в десятки километров.

По современным представлениям, в 16-километровой толще земной коры содержится 4,5% железа. В следующем слое, лежащем под земной корой, железа находится втрое больше; центр земного шара состоит из железа с примесью никеля и кобальта. В среднем же земной шар состоит на 34,6% из железа. В составе Земли железо преобладает как по массе, так и по числу атомов. Оно является важнейшей составляющей частью в строении нашей планеты.

Использовав поверхностные скопления минерального сырья, человек вынужден будет обратить внимание на сырье, более бедное по содержанию железа. Уже теперь приходится иметь дело с месторождениями, расположенными в тяжелых горно-геологических условиях.

В наше время используются традиционные способы добычи руды — подземные или открытые. При такой добыче, по данным академика Н.В. Мельникова, теряется до 25% сырья.

В этих условиях особую практическую ценность имеют предлагаемые химиками способы прямого извлечения металлов из руд на месте их залегания под землей. Металлы и другие вещества, которые собираются извлечь из руд, переводятся под землей в химический раствор, в жидкое или газообразное состояние. Предлагается это делать с помощью выщелачивания, растворения, расплавления, возгонки. Образующиеся в результате этих процессов так называемые продуктивные растворы извлекаются на поверхность и перерабатываются.

Геотехнология, или бесшахтные методы добычи некоторых полезных ископаемых, уже используются в нескольких странах: химические, физико-химические, биохимические, микробиологические методы добычи полезных ископаемых на месте их залегания. СССР является родиной технологии почти всех способов бесшахтной добычи минерального сырья.

Известно, что железо есть не только в руде. Окислы его — важнейшая составная часть многих минералов, образующих земную кору. Железо входит в состав не менее трехсот минералов. В перспективе по мере использования более бедных руд придется, очевидно, обратить внимание на такие горные породы, как базальт, гнейс, сиенит, диабаз, которые содержат до 12% железа. Когда развитие техники позволит осуществить комплексную переработку горных пород с полным извлечением всех или большинства металлов, тогда процессы полиметаллургии станут экономически выгодны.

Посмотрите, что содержится в базальте: 10–15% оксида и диоксида железа, 42–52% оксида кремния, 6–20% оксида магния, 10–12% оксида алюминия, 1–3% оксида титана. А если их извлечение сочетать с производством каменного литья и получение сталебазальта?

Академик Д.И. Щербаков считал, что, когда на Земле будут исчерпаны запасы железных руд, наступит век базальтовой металлургии.

В космосе

Немецкие ученые Бунзен и Кирхгоф методом спектрального анализа с расстояния в несколько километров определили химический состав праздничного фейерверка. Этот метод был использован и для исследования космоса: в 1859–1860 годах по линиям спектра в атмосфере Солнца обнаружили содержание нескольких элементов — натрия, кальция, магния и других.

Уже в первые годы развития спектроскопии ученые сопоставили теоретические сведения о химическом составе небесных тел с анализом метеоритов — этих единственных в те времена образцов космического вещества на Земле. Исследование метеоритов значительно обогатило наши представления о телах космического происхождения.

Сейчас во всем мире зарегистрировано свыше 2 тысяч метеоритов, в коллекции АН СССР находится около 400 отечественных и зарубежных метеоритов.

Все метеориты подразделяются на три основных класса: железные, железокаменные и каменные. В среднем из 16 упавших метеоритов один железный. Железный метеорит содержит 91% железа, до 8,5% никеля и другие элементы. Метеориты двух следующих классов имеют от 1 до 50% железа. Масса метеоритов от долей граммов до десятков тонн.

От железного метеорита трудно отделить хотя бы небольшой кусок для лабораторных исследований. Однако люди еще в далекой древности пытались использовать метеоритное железо. Есть сведения, что в древности железо с упавших метеоритов использовали для изготовления оружия, орудий труда, а также ювелирных изделий. Этот материал трудно поддавался обработке. Как-то бухарский эмир приказал своим лучшим оружейникам отковать ему меч из куска “небесного железа”. Но сколько они не старались, ничего у них не вышло. Нагретое железо не поддавалось ковке, и эмир казнил неудачников.

И все-таки рассказывают, что у древнеримского царя Нумы Помпилия (VII век до н.э.) железный щит был сделан из камня, упавшего с неба. Для властелина одного индийского княжества Джехангира в 1621 году удалось изготовить две сабли, кинжал и наконечник пики из метеоритного железа. Шпаги Александра I и Боливара, героя Южной Америки, были сделаны из космического железа.

Известны и другие факты. Полярная экспедиция Росса в 1818 году обнаружила, что эскимосы Баффиновой Земли делали в то время ножи и наконечники гарпунов из железа, отделяемого ими с большим трудом от крупного метеорита, лежащего на берегу бухты Мельвиль.

Один исследователь сообщал, что он видел в Аргентине большой метеорит, первоначальная масса которого составляла 15 тонн. В шести местах этот метеорит имел следы отделения больших кусков железа.

В Мексике найден крупный метеорит с щелью длиной 9 сантиметров, в котором сохранился застрявший сломанный конец медного лезвия. Он попал туда, очевидно, при попытке туземцев добыть кусок столь нужного металла.

Издавна метеориты были ценнейшим объектом для научных исследований. Сведения, получаемые при их изучении, оказались необходимыми астрономам, геологам, физикам, конструкторам космических кораблей.

Прежде всего состав метеоритов свидетельствует о единстве материального мира. По присутствующим радиоактивным элементам определяется возраст метеоритов — около 4,5 миллиарда лет, что примерно соответствует возрасту Земли и подтверждает предположение о том, что метеориты возникли в солнечной системе.