Глава XVII. О цветке, нетающем льде и других помощниках металлургов

Держу невиданный кристалл: 
Как будто множество зеркал 
                         соединило грани 
.........................................
И каждый быстрый поворот 
Все новую с собой несет игру и 
                              сочетанье.

М. Кузмин

Испокон веков стучатся люди в каменную грудь Земли кувалдой и киркой, кайлой и лопатой: отдай свои сокровища, открой бесценные клады! Испокон веков тяжек был труд рудокопа. Утром, еще затемно спускался он под землю по шатким приставным деревянным лесенкам. Десять лесенок вниз, двадцать, тридцать, до полсотни. Там, в глубине, остается он один на один с каменной громадой горы. Вот примостился рудокоп на мокром уступе и бьет породу кувалдой. Изо всех сил, изо дня в день. Бьет, а сам глядит в оба. Тускло, неровно горит масляная лампа, а рудная жила капризна, как бы не потерять ее след в породе. Ухо привыкло слушать каждый звук: и на слух отличается руда от пустой породы. И чудится рудокопу, что в своем одиночестве он не один в горе, подчас страх закрадывается в его душу: нет ли тут поблизости злого Никеля? Мало ли болтают о нем старики за кружкой пива! А уж Кобольды! Чуть замечтаешься, и начнут шкодить: как примутся играть в прятки, того и гляди корзину с рудой опрокинут. Бывает и похлеще: жилу рудную запрячут - ищи-свищи! А то фитиль задуют, лесенки опрокинут - выбирайся как знаешь. Но бывает, что хорошему человеку подскажут: ищи тут! А счастливцу достается встретить в забое рудный цветок. Чудесно оживает тогда темный каменный колодец! На влажной серой стене горят, переливаются в язычках пламени перламутровые лепестки - кристаллы рудного цветка. Пламя как живое колышется, лижет стену острый язычок огня, выхватывая пунцовые жаркие грани, а в глубине кристалла вспыхивают искры. А то рудный цветок отливает зеленью, словно хочет напомнить зеленую траву там, наверху, на солнышке! Но нет нежней "цветка" фиолетового, цвета апрельской фиалки. Иногда фиолетовые кристаллы растут кубиками. Но вот чудеса - если уронить кубик, он непременно расколется, да как хитро: упал один прямой с квадратными гранями, а подберешь целую горсть мелких с косыми треугольниками "граней". Но это не грани: кристалл раскололся по спайности. Его осколки так и называются "спайные выколки". Но в рудном цветке пленяет не только красота. Еще издавна было известно, что вслед за "цветком" пойдет и руда: оловянная, или свинцовая, или цинковая!

Так и "цвел" веками прелестный и давно известный горнякам минерал без имени, лишь с кличкой "цветок". Нечестные ювелиры нередко гранили эти разноцветные камушки и продавали за другие, драгоценные, а между собой называли их обидно: фальш-рубин, фальш-изумруд, фальш-аметист! Горняки же так и звали этот камень "цветком", пока не попал он однажды в печь вместе с рудой. Тут-то и оказалось, что есть у камня свой особенный секрет: он не только легко плавится сам, но и руда с ним вместе плавится легче, течет, отдавая металл. За это минерал назвали "плавень", "плавиковый шпат". Минералоги называют его флюорит, от латинского слова "флюор" - текучий.

И вспоминая о разных камнях, "рождающих руду",- о минералах, содержащих в своем составе различные металлы, нельзя забывать и о таких необходимых и активных участниках выплавки металла, как минералы-флюсы, минералы-плавни. Первый из них - флюорит - главный флюс металлургического процесса, особенно в цветной металлургии. Свойство флюорита облегчать плавку связано с тем, что в его состав входит один из самых активных химических элементов - фтор. Состав минерала выражается простой формулой - CaF₂. Но в средние века и эпоху Возрождения точного состава минерала еще не знали, хотя людям было известно и еще одно уникальное свойство флюорита: если добавить кусочек флюорита в серную кислоту, он быстро растает, растворится в ней. Но смесь получается "адская": любое стекло растворяет, как льдинку! Тут уже взялись за флюорит стеклоделы: тончайшие узоры, целые сцены пиров, охоты или войны наносили при помощи "плавика" на стекло и хрусталь кубков и ваз. Долго считалось, что во флюорите таится какой-то особый всеразъедающий элемент - фтор давал о себе знать и "не открытый". Но только лет через 200 после первых опытов этот ядовитый химический элемент удалось извлечь и изучить. Назвали фтором его не зря: по-гречески "фторос" означает "разрушение".

Кристаллы флюорита

Магические кристаллы флюорита, таящие в своей прозрачной хрупкости разрушительные силы, "раскрывающие" руду и выводящие металл, растворяющие хрусталь, как сахар, превращались подчас в символ неразгаданных сил природы. Великий художник немецкого Возрождения Альбрехт Дюрер жил в XVI в. в Нюренберге и был сыном златокузнеца. И сыном своего века - века мыслителей и творцов. С детства постиг Дюрер тайны отцовского мастерства. С детства стремился и к постижению тайны гармонии мира как живописец, рисовальщик, гравер.

На знаменитой гравюре Дюрера "Меланхолия" изображен крылатый гений в состоянии углубленного созерцания. Художник словно пытается запечатлеть невыразимое: движение мысли вслед за истиной, то близкой, то снова ускользающей. Фигура гения окружена массой символических предметов: тут и знаки быстротекущего времени - песочные часы и колокол, возвещающий конец усилий, и атрибуты труда - рубанок, пила, клещи, циркуль и линейка, и символы непостижимости мира - округлость шара, "магический квадрат" - образ неразрешимой математической задачи и, наконец, четко очерченный кристалл. Но что это - геометрическая абстракция или реальный кристалл реального минерала? Профессора Ленинградского горного института Д. П. Григорьев и И. И. Шафрановский, измерив углы точно начерченного художником кристалла, доказали, что изображен подлинный кристалл флюорита - минерала, который Дюрер, конечно же, часто видел в мастерской отца и наверняка применял и сам при травлении металлических досок для гравюр. Но и для него флюорит был прекрасным рудным цветком, овеянным ореолом тайны, естественным воплощением еще неразгаданных загадок мироздания.

Сегодня мы знаем о флюорите немало. Известен не только его состав, но и мельчайшие примеси. Нередко они служат геологам сигналом о том или ином рудном минерале, который сопровождается флюоритом. Изучена кристаллическая структура минерала, а ведь именно ею объясняется, например, такое свойство флюорита, как весьма совершенная спайность в четырех направлениях, из-за которой он раскалывается на правильные октаэдры. Мы знаем и причину разнообразных окрасок минерала^*, а также причину особого физического явления флюоресценции - свечения под действием солнечных лучей, которое и название получило по флюориту.

^* (Подробнее о флюорите как о поделочном камне см.: Здорик Т. Б. Приоткрой малахитовую шкатулку. М., 1979, с, 123-132.)

Не обходится без флюорита - минерала, содержащего фтор, и техника наших дней. И сейчас плавиковый шпат помогает извлекать металл из руды. И сейчас он применяется в травлении стекла или металла. Флюорит и по сей день - основной вид сырья для получения плавиковой (фтористоводородной) кислоты и ее соединений.

Но новая техника требует все больше новых материалов. Раньше о таких конструкторы и не мечтали! Сейчас ученые создали соединения фтора и углерода - фторуглероды. Про эти вещества говорят, что у них "алмазное сердце" и "шкура носорога". "Броня" из фторуглерода защищает двигатели космических ракет от специальных, часто очень едких горючих веществ.

Но поглядите вокруг себя! Любите вы спеть песню, а потом послушать, как повторит ваш голос магнитофонная лента? Тогда вам особенно интересно узнать, что магнитофонная лента делается из фторопласта, а для изготовления фторопласта нужен флюорит. Фторорганические вещества отличаются уникальной химической стойкостью и механической прочностью. Не приходилось ли вам увидеть такое чудо: знойный июльский денек, и вдруг мимо цветущих лип летит с трамплина лыжник? Летит и легко приземляется у подножия горы. Только эта "летняя" гора покрыта не снегом, а скользкими фторопластовыми пластинками. Наши продукты питания хранятся в холодильнике, а холод в нем поддерживает фреон - тоже фторорганическое соединение.

А кристаллы флюорита? Нужны и они. Есть тайна и у кристаллов. В темноте, когда нет лучей видимого света, предметы все-таки светятся, только мы этого не ощущаем, не видим. Они испускают и отражают тепловые инфракрасные лучи, недоступные нашему глазу. Но приборы с оптическими линзами из флюорита "видят" и чутко "чувствуют" их. Они позволяют фотографировать в темноте. Это особенно важно для астрономов, чтобы изучать "погасшие звезды". А летчикам и морякам подобные приборы помогают прокладывать путь в полной темноте и в тумане.

Флюорит - спайный выколок

Для получения многочисленных сплавов цветной металлургии флюорит необходим сегодня по-прежнему, но все же не стоит забывать, что и медь, и латунь, и разнообразные бронзы вошли в обиход до того, как человечество разгадало секрет рудного цветка, ставшего первым флюсом металлургии.

А вот с алюминием все обстояло по-другому. Как вы помните, первые крупинки элементарного металлического алюминия - "серебра из глины" были получены датчанином Г. Х. Эрстедом (1825 г.) и немцем Ф. Велером (1827 г.). Открытие металла состоялось, но размеры этих "слитков" были с булавочную головку. С. К. Девиль демонстрировал на Всемирной выставке в Париже в 1855 г. уже настоящий слиток массой в несколько килограммов. Однако стоил 1 кг алюминия 1000 марок - в 5 раз дороже серебра! И только через 60 лет, когда почти одновременно американский студент Ч. Холл и французский инженер П. Эру, независимо друг от друга, изобрели современный способ производства алюминия путем электролиза криолитно-глиноземного расплава, алюминий превратился в металл индустрии и техники.

Именно минерал криолит дал алюминию крылья, сделав его первым металлом авиации и машиностроения. Каков же собой этот криолит? И что это за соединение?

Криолит - довольно редкий минерал. В его состав, как и в состав флюорита, входит всемогущий фтор, собственно и облегчающий электролиз и снижающий температуру расплава, а значит, и расход энергии и стоимость металла. Состав минерала выражается формулой Na₃AlF₆. В названии криолита отражен его внешний облик - оно образовано от греческих слов "криос" - лед и "литое" - камень: очень уж похож этот минерал на нетающий лед. Пластинчатые агрегаты и особенно сплошные массы криолита и вправду почти не отличимы от него: легкий леденистый блеск, белый, редко коричневатый цвет, неровный излом, маленькая твердость, хрупкость - все его внешние признаки подчеркивают такое сходство. Но еще больше - легкоплавкость. Его можно расплавить в пламени свечи. Возникает этот минерал в малораспространенных щелочных породах пегматитах и гранитах, богатых натрием. Самое известное месторождение криолита - Ивигтут в Западной Гренландии. В СССР месторождения этого минерала имеются в Ильменских горах на Урале, в Туве и в Читинской области. Однако в природе этого минерала очень мало, и ученым пришлось создать синтетический криолит. Основное сырье в этом процессе - широко распространенный фторид кальция, рудный цветок флюорит. Значит, и в процессе получения алюминия флюорит - важный компонент, помогающий получить металл из руд алюминия.

Спайность во флюорите

И наконец, нельзя не упомянуть о главном плавне черной металлургии - об известняке. Вы помните, что для получения . чугуна в домну загружается шихта, состоящая из железной руды, кокса и известняка. Из руды в чугун попадает железо, кокс насыщает его углеродом и создает необходимую для плавки температуру. А зачем же известняк? В доменном процессе именно известняк играет роль плавня, т. е. вещества, снижающего температуру плавления руды и выносящего в шлаке вредные примеси, в первую очередь серу. Известняк не минерал, это мономинеральная горная порода, т. е. порода, сложенная одним минералом - кальцитом, углекислым кальцием CaCO₃. Подобно кварцу, кальцит необычайно многоликий минерал. В известняке кальцит осадочного происхождения.

Множество различных живых существ обитают в водах Мирового океана и населяли его когда-то. Это и фораминеферы с их удивительными ажурными фонариками, и морские губки с острыми шипами - спикулами, и кораллы, и морские лилии, и всевозможные моллюски. Углекислый кальций для своих скелетов и своих домиков они извлекают прямо из воды. И затем, погибая, вносят свой посильный вклад в миллионы тонн карбонатной массы, осаждающейся на дне океанов и морей ежегодно. Гигантские горные хребты и высочайшие вершины - это всего лишь остатки известняковых толщ, отложившихся в древних морях Мирового океана. Состоят эти толщи из микроскопических зернышек кальцита.

Двойник флюорита

Температура и давление превращают осадочные породы - известняки - в толщи красивых зернистых мраморов, которые состоят главным образом из кальцита. Но на этом роль кальцита не кончается. Углекислые растворы, словно гидравлические "лифты", выносят из недр Земли ионы металлов - сульфиды цинка, свинца, сурьмы, ртути в рудных жилах часто сопровождаются крупными и эффектными кристаллами кальцита. Здесь в пустотах рудных жил возникают самые красивые и разнообразные по форме кристаллы кальцита. Впрочем, наиболее совершенный по структуре и самый прозрачный кальцит - исландский шпат - кристаллизуется в альпийских жилах и в миндалинах лав и туфов. В нем сочетаются все идеальные свойства минерала кальцита: бесцветность, прозрачность, перламутровый блеск, прекрасная спайность и двупреломление. Бесцветность и прозрачность в пояснениях не нуждаются (можно только добавить, что бывают и нежно-голубые, и светло-розовые, и красивые чайно-желтые кристаллы исландского шпата). Совершенная спайность - это общее свойство кальцитов, в том числе, естественно, и менее прозрачных: крупнокристаллические кальциты всегда раскладываются по ромбоэдру на аккуратные пространственные "ромбики". А вот с таким свойством, как двупреломление, мы еще не встречались. Это свойство просто завораживает любого новичка. (Давайте здесь для простоты договоримся называть длинное выражение выколок по спайности просто "кристалл", но не забудем, что это разные вещи!) Теперь проведем на бумаге жирную линию и сверху положим "кристалл" кальцита. Чудеса! Линии уже две. И обе словно немного парят выше бумаги, где-то внутри кристалла. Теперь повернем, и что это? Одна осталась на своем месте, зато другая сдвинулась и перемещается вслед за кристаллом. Вот она слилась с нижней, вот вслед за дальнейшим поворотом снова отделилась и разместилась уже с другой стороны.

Криолит

Из-за наличия у этого бесцветного и прозрачного минерала двупреломления стало возможным создание микроскопов для изучения вещества в поляризованном свете.

Изучение вещества в поляризованном свете - один из важных методов минералогии и родственной ей петрографии, науки о горных породах, позволяющий детально определить их оптические свойства.

Не случайно в разговоре о минеральных флюсах - флюорите и слагающем известняк кальците - мы вспомнили и об их удивительных оптических свойствах и красоте их облика. Минералы многогранны не только буквально. Многогранны, многообразны и их свойства, и именно от человека зависит разумное хозяйское использование этих свойств.