Вечный спутник железа

Вечный спутник железа

Колонны подземного дворца

Если вы бывали в московском метро, то, должно быть, обратили внимание на одну из его красивейших станций - "Маяковскую". Колонны этого подземного дворца украшены тонкой каемкой из розового камня. Это родонит - минерал, содержащий марганец. Нежный розовый цвет ("родон" по-гречески - роза) и хорошая обрабатываемость делают камень прекрасным облицовочным и поделочным материалом. Изделия из родонита хранятся в Эрмитаже, в Петропавловском соборе и многих других музеях нашей страны. Большие залежи его встречаются на Урале, где была найдена глыба весом 47 тонн. Нигде в других местах нашей планеты нет таких значительных скоплений этого минерала, как здесь. Да и по красоте уральский родонит не имеет себе равных.

Чудесный черный порошок

Но главный промышленный минерал марганца - не родонит, а пиролюзит, представляющий собой двуокись марганца. Этот черный минерал известен человеку с давних гор.

Еще в I веке Плиний Старший - замечательный естествоиспытатель Древнего Рима, погибший при извержении Везувия, писал о чудесной способности черного порошка (молодого пиролюзита) осветлять стекло.

"Стекольное мыло"

Позднее, в средние века, итальянский ученый и инженер Ванноччо Бирингуччо писал в своем энциклопедическом труде по горнорудному делу и металлургии "Пиротехния", вышедшем в 1540 году: "...пиролюзит бывает темно-коричневого цвета; ...если прибавить к нему стекловидных веществ, то он окрашивает их в красивый фиолетовый цвет. Мастера-стеклоплавильщики окрашивают им стекла в изумительный фиолетовый цвет; мастера гончары также пользуются им для образования фиолетовых узоров на посуде. Кроме того, пиролюзит обладает особым свойством - при сплавлении с литым стеклом очищать его и делать белым вместо зеленого или желтого".

'Стекольное мыло'

Название "пиролюзит" пришло к минералу позже, а в те времена из-за способности обесцвечивать стекло его называли "стекольным мылом", или "марганцем" (от греческого "манганезе" - очищать). Было известно и другое название минерала - "черная магнезия": пиролюзит с древних времен добывали в Малой Азии близ города Магнезии; кстати, там же добывалась и "белая магнезия", или "магнезия альба", - окись магния.

Ган или Кайм?

История химии приписывает открытие марганца как металла шведскому химику Ю. Гану (1774 год). Однако есть основания полагать, что первым человеком, получившим крупицы металлического марганца, был Игнатий Готтфрид Кайм, который описал его в своей диссертации, изданной в 1770 году в Вене. Кайм не довел эти исследования до конца, и поэтому они остались неизвестными большинству химиков того времени. Тем не менее, в одном из химических словарей есть упоминание об открытии Кайма: "Нагревая смесь из одной части порошкообразного пиролюзита с двумя частями черного плавня, Кайм получил синевато-белый хрупкий металл в виде кристалла с бесчисленными блестящими гранями различной формы, излом которого переливается всеми цветами от синего до желтого".

Следующую попытку поближе познакомиться с марганцем сделал шведский ученый Торберн Бергман. "Минерал, который называют черной . магнезией, - писал он, - представляет собой новую землю, которую не следует смешивать ни с обожженной известью, ни с магнезией альба". Но выделить марганец из пиролюзита ему так и не удалось.

Эстафету принимает Шееле

Изучение этого минерала продолжил друг Бергмана знаменитый химик Карл Шееле. В 1774 году он представил в Стокгольмскую Академию наук доклад "О марганце (т. е. о пиролюзите. - С. В.) и его свойствах", в котором сообщал об открытии нового элемента - газообразного хлора. Наряду с этим Шееле утверждал в докладе, что в состав пиролюзита входит новый металл, отличный от всех известных в то время. Но получить этот металл не сумел и он.

То, что не смогли сделать Бергман и Шееле, удалось в том же 1774 году Гану. В тигель, внутренняя стенка которого была покрыта влажной древесноугольной пылью, ученый поместил смесь размолотого пиролюзита и масла, а сверху насыпал порошок древесного угля. После сильного нагрева смеси в течение часа в тигле была обнаружена крупинка металлического марганца. Это открытие принесло Гану мировую славу, а семья металлов пополнилась новым, пятнадцатым по счету членом.

16 мая 1774 года Шееле послал Гану очищенный пиролюзит вместе со следующей запиской: "Я с нетерпением жду сообщений о том, к каким результатам приведет этот чистый пиролюзит, когда Вы примените к нему Ваш "адский огонь", и я надеюсь, что Вы пришлете мне небольшой королек металла как можно скорей".

"Адский огонь" делает свое дело

"Адский огонь" сделал свое дело, и уже 27 июня Шееле благодарил Гана за полученный королек марганца. Шееле писал: "...считаю, что королек, полученный из пиролюзита, представляет собой полуметалл, отличный от всех остальных полуметаллов и имеющий близкую связь с железом".

В России марганец начали получать в первой четверти XIX века в виде сплава с железом--ферромарганца. "Горный журнал" в 1825 году упоминал о выплавке стали с применением марганца. С этого времени судьба элемента неразрывно связана с металлургией, которая является сейчас основным (95%) потребителем марганцевой руды.

Великий русский металлург П. П. Аносов в своем классическом труде "О булатах", изданном в 1841 году, описывал исследования сталей с различным содержанием марганца. Для введения его в сталь Аносов использовал ферромарганец, полученный в тиглях. С 1876 года начинается промышленная выплавка ферромарганца в доменных печах Нижне-Тагильского завода.

Гадфильд получает патент

Вехой в истории марганца стал 1882 год, когда английский металлург Роберт Гадфильд выплавил сталь с высоким содержанием этого элемента (около 13%).

В 1878 году 19-летний Гадфильд приступил к исследованию сплавов железа с другими элементами, в частности с марганцем. Спустя четыре года молодой шеффилдский металлург сделал следующую запись в своем исследовательском журнале: "Я начал эти опыты, имея в виду изготовление стали, которая была бы твердой и одновременно вязкой. Опыты привели к некоторым любопытным результатам, весьма важным и способным изменить существующие взгляды металлургов на сплавы железа".

В 1883 году Гадфильду был выдан первый Британский патент на марганцовистую сталь, изготовленную присадкой к железу богатого ферромарганца. В последующие годы Гадфильд продолжал изучать проблемы, связанные с марганцовистой сталью. В 1883 году появились его труды "О марганце и его применении в металлургии", "О некоторых вновь открытых свойствах железа и марганца", "О марганцовистой стали". Исследования показали, что закалка в воде придает этой стали новые замечательные свойства, хГадфильд получил еще ряд патентов, касающихся термической обработки марганцовистой стали, а в 1901 году им была запатентована конструкция печи, предназначенной для нагрева этой стали перед закалкой.

Сталь. Гадфильда быстро получила признание металлургов и машиностроителей. Благодаря высокой износостойкости ее начали применять для изготовления тех деталей, которые в процессе эксплуатации истираются при значительном удельном давлении, - рельсовых крестовин, щек дробилок, шаров шаровых мельниц, гусеничных траков и т. п. Самое удивительное заключалось в том, что под действием нагрузок эта сталь становилась все тверже и тверже. Причина такого странного явления заключается в следующем. После литья в марганцовистой стали по границам зерен выпадают избыточные карбиды, снижающие ее прочность. Поэтому сталь необходимо подвергать закалке, в результате которой пограничные карбиды растворяются в металле. Во время службы детали вследствие наклепа (под действием нагрузок) в поверхностном слое выделяется углерод - именно этим и объясняется упрочнение стали.

Попробуйте взломать сейф

Не мудрено, что сталью Гадфильда очень заинтересовались фирмы, выпускающие сейфы и замки.

Попробуйте взломать сейф

Удастся ли собрать вече?

Свойством самоупрочняться обладает и марганцовистый чугун. Так, экскаваторы, на которых были установлены подшипники из этого чугуна, находились в эксплуатации без ремонта вдвое дольше, чем их "собратья" с бронзовыми подшипниками.

На смену платине и палладию

В металлургии марганец широко применяют для раскисления и десульфурации стали. Как легирующий элемент он входит в состав пружинных сталей, сталей для нефте - и газопроводных труб, сталей с немагнитными свойствами... впрочем, вряд ли нужно перечислять стали, содержащие марганец: в том или ином количестве элемент, открытый Ганом, присутствует буквально во всех сталях и чугунах. Не случайно ведь его называют вечным спутником железа. Да и в Периодической системе элементов они занимают соседние клетки № 25 и 26. (Вместе с железом марганец попадает даже... в зубы акулы, но об этом речь пойдет ниже).

В металлургии марганец широко применяют для раскисления и десульфурации стали

После того, как в 1917 году русские ученые С. Ф. Жемчужный и В. К. Петрашевич обнаружили, что уже незначительные добавки меди (около 3,5%) придают марганцу пластичность, металлурги стали проявлять интерес и к марганцевым сплавам.

Знакомы с детства

В современной технике применяют большое число манганинов - сплавов марганца, меди и никеля, обладающих высоким электрическим сопротивленцем, практически не зависящим от температуры. На способности манганина изменять сопротивление в зависимости от давления, которое испытывает сплав, основан принцип действия электрических манометров. В тех случаях, когда нужно измерить давление, например, в несколько десятков тысяч атмосфер, воспользоваться обычным манометром не удается: жидкость или газ под таким напором вырываются сквозь стенки манометрической трубки, как бы прочна она ни была. Электрический же манометр успешно справляется с этой задачей: измеряя электросопротивление манганина, находящегося под определяемым давлением, можно по известной зависимости вычислить давление с любой степенью точности.

Манганины обладают еще одним ценным свойством - демпфированием, т. е. способностью поглощать энергию колебаний. Если бы какому-нибудь чудаку пришла мысль отлить из манганина колокол, то с его помощью вряд ли удалось бы собрать вече: вместо набатного звона манганиновый колокол издавал бы лишь короткие глухие звуки.

Но если для колокола "молчание" - явный недостаток, то для железнодорожных или трамвайных колес, рельсовых стыков и многих других "звучащих" деталей умение "держать язык за зубами", не создавая никому не нужный грохот, - очевидное достоинство. В кузнечных, штамповочных металлообрабатывающих цехах с помощью "немых" сплавов можно значительно уменьшить вредные производственные шумы. Наибольшей способностью "не поднимать шум" отличаются сплавы, содержащие 70% марганца и 30% меди. Некоторые из них по прочности не уступают стали.

Интересно, что марганцевая бронза - сплав марганца с медью - может намагничиваться, хотя ни тот, ни другой компонент в отдельности не проявляют магнитных свойств.

Почему рыжие муравьи рыжие?

В последние годы широкую известность приобрели сплавы с "памятью" (о самом известном из них - нитиноле - рассказано в очерке "Медный дьявол"). Число таких сплавов с каждым годом растет. Не так давно ученые Центрального научно-исследовательского института черной металлургии имени И. П. Бардина разработали сплав на основе марганца (с добавкой меди), который по способности "помнить" свою прежнюю форму превосходит даже знаменитый нитинол. Сплав прост в изготовлении, легко подвергается обработке и несомненно найдет немало интересных областей применения.

При получении сверхчистого азота долгое время приходилось в качестве катализатора применять такие дорогие металлы, как платина и палладий. В Институте неорганической химии и электрохимии Грузинской Академии наук недавно разработан способ, при котором роль катализатора с успехом выполняет марганец. На Руставском заводе синтетического волокна уже создана уникальная промышленная установка для получения из воздуха идеального азота, который необходим для производства капрона.

С одним из соединений марганца - перманганатом калия, или, попросту говоря, "марганцовкой", - мы познакомились еще в детстве: в качестве дезинфицирующего средства оно служит для промывания ран, полоскания, смазывания ожогов. В химических лабораториях марганцовокислый калий широко применяют при количественном анализе - перманганатометрии.

Подобно многим элементам, марганец совершенно необходим для нормального развития животных и растительных организмов. Обычно содержание в них марганца не превышает нескольких тысячных долей процента, однако некоторые представители флоры и фауны проявляют к этому элементу повышенный интерес. В организме рыжих муравьев, например, содержится до 0,05% марганца. Еще богаче им ржавчинные грибы, морская трава, водяной орех (до 1%). В некоторых же видах бактерий содержание марганца доходит до нескольких процентов. В крови человека присутствует 0,002 -0,003% марганца. Суточная потребность в нем человеческого организма составляет 3-5 миллиграммов.

В зубах акулы

Поскольку речь зашла о растениях и животных, пора вспомнить и о рыбах - точнее, о той самой акуле, о которой уже говорилось выше. Ученые подвергли исследованию зуб этого морского хищника, пролежавший на дне океана несколько тысяч лет. И оказалось: зуб хорошо сохранился, но весь оброс соединениями железа и марганца. Какими путями они попали сюда?

В зубах акулы

Еще в прошлом веке, а точнее в 1876 году, британский трехмачтовый парусник "Челленджер", в течение трех лет бороздивший с научными целями моря и океаны, среди прочей "добычи" привез в Англию загадочные шишковидные образования темного цвета, поднятые с различных участков морского дна. Поскольку главной составной частью "шишек" был марганец, их стали называть "марганцевыми почками", или, выражаясь более научно, железо-марганцевыми конкрециями. Последующие экспедиции показали, что громадные скопления "марганцевых почек" покоятся во многих местах океанского дна. Однако до середины XX века никто не проявлял к ним особого интереса. И лишь в последние годы в связи с относительным дефицитом марганцевой руды подводные богатства приковали к себе внимание ученых. Районы залегания этих конкреций были тщательно изучены - результаты оказались ошеломляющими. По предварительным (и, можно смело добавить, скромным) подсчетам, только в Тихом океане скопилось примерно 100 миллиардов (!) тонн прекрасной железно-марганцевой руды. Именно руды: ведь содержание марганца в ней доходит до 50%, а железа - до 27%. (Концентраты некоторых конкреций содержат 98% двуокиси марганца и могут быть использованы без дальнейшей переработки, например, в производстве электрических батарей).

По скромным подсчетам

Не меньшими богатствами располагает и Атлантический океан. А совсем недавно экспедицией советских ученых на "Витязе" железо-марганцевые конкреции обнаружены и на дне Индийского океана. Расчеты показывают, что и этот океан не беднее своих "коллег".

"Витязь" бороздит океаны

Без бактерий не обошлось

Как полагают океанологи, конкреции возникли в результате концентрации минеральных веществ из водных растворов вокруг какого-либо тела. Некоторые ученые считают, что здесь дело не обошлось без участия морских бактерий - "микрообогатителей". Недавно ленинградские биологи обнаружили не известные ранее виды так называемых металлогенических бактерий, способных извлекать из воды и концентрировать марганец. В лабораторных условиях "подводные металлурги" проявили завидную работоспособность: за две-три недели они создавали марганцевые конкреции величиной со спичечную головку. Если учесть, что сами эти "труженики" едва различимы под микроскопом, то такую производительность нельзя не признать весьма высокой.

В петлях подводного кабеля

Своей формой океанские конкреции напоминают клубеньки картофеля. Цвет их - от коричневого до черного - зависит от того, что в них преобладает - железо или марганец. При большом содержании марганца их окраска становится совершенно черной.

Обычно размеры конкреций колеблются от долей миллиметра до 15 сантиметров. Однако встречаются отдельные образования значительно больших размеров. В музее Скриппсовского океанографического института (США) хранится конкреция весом 57 килограммов, найденная в районе Гавайских островов. Еще крупнее оказалась конкреция, случайно запутавшаяся в петлях подводного телеграфного кабеля при подъеме его на ремонт - она весила 136 килограммов. К сожалению, этому уникальному образцу не суждено было стать музейным экспонатом: после изучения и зарисовки он был по недоразумению выброшен за борт. Однако все рекорды побила полутораметровая железо-марганцевая конкреция, поднятая на борт "Витязя" в Тихом океане: глыба весила почти тонну.

По недоразумению за борт

Многие страны уже всерьез заинтересовались проблемой разработки океанских складов. Разумеется, при этом ученым и инженерам придется решить немало сложнейших технических задач. Уже сейчас создаются специальные подводные лодки, тракторы-амфибии, экскаваторы на поплавках и другое оборудование для добычи сокровищ с океанского дна. "Океано-рудная" промышленность будет иметь неоспоримое преимущество перед горнорудной: не нужно прокладывать дороги и коммуникации, как на суше. Суда доставят людей и оборудование в любую точку океана и смогут транспортировать добытые полезные ископаемые по какому угодно нужному маршруту. Голландские конструкторы, например, разработали проект подводного гусеничного экскаватора-автомата, предназначенного для добычи на морском дне марганцевых и других руд, причем этот автоматический "горняк" способен трудиться на глубине до 5 километров. Все его механизмы будут приводиться в действие электричеством. В роли "машиниста" предполагается использовать телевизионную камеру, которая позволит оператору, находящемуся на борту океанского рудовоза, добывать из пучины полезные ископаемые. Спиральный ротор экскаватора будет захватывать порцию руды и направлять ее в корпус машины.

Не за горами то время, когда начнется промышленное освоение подводных ресурсов, а пока геологи и горняки заняты разработкой земных недр.

"Посылка" из космоса

По содержанию в земной коре (0,09%) марганец занимает 15-е место. Геологи определили, что почти все его месторождения имеют примерно одинаковый "возраст". По мнению ряда ученых, это свидетельствует о космическом происхождении марганцевых скоплений. Выдвинута гипотеза, что около двух миллиардов лет назад на поверхность Земли выпала богатая марганцем метеоритная пыль, которая образовала месторождения марганца на суше и на дне морей и океанов.

Руды этого элемента встречаются в Индии, Гане, Южно-Африканской Республике, Марокко, Бразилии, но ни одна из стран не может конкурировать по запасам марганца с Советским Союзом. В нашей стране расположено и крупнейшее в мире месторождение - Чиатурское. Характерный факт: вместе с водами небольшой реки Риони, протекающей в этих краях, Черное море ежегодно "приобретает" свыше ста тысяч тонн марганца.

Добыча чиатурских руд началась еще в 1879 году. Несколько позднее, в 1886 году, в России стали разрабатывать еще одно крупное месторождение - в районе Никополя. Как это ни печально, но царская Россия "не нуждалась" в марганце: из 1245 тысяч тонн марганцевой руды, добытой в 1913 году, 1195 тысяч тонн было вывезено за границу. В годы Великой Отечественной войны начали усиленно разрабатывать месторождения марганца на Урале, в Казахстане, Сибири.

Нуждалась ли в нем Россия?

В настоящее время Советский Союз по добыче этой ценной руды прочно занимает ведущее место в мире.

Путь лежит в мартен

Основной потребитель марганцевой руды - ферросплавные заводы. Здесь в результате различных технологических процессов получают сплавы марганца (с железом, кремнием) или металл в чистом виде. Дальше путь марганца лежит в сталеплавильный цех.