Информационный материал для уроков технологии по теме «Металлы». Работа №18038

Информационный материал для уроков технологии по теме «Металлы»

Подготовил: Максименко Сергей Евгеньевич, учитель технологии ГБОУ «Школа № 851» города Москвы

Очень часто многие дети задают вопрос: «Откуда и как на нашей планете возникли металлы?» Ученые всего мира к единому мнению по данному вопросу не пришли. Но основной версией возникновения всех веществ, в том числе и металлов, пока остается «Теория большого взрыва».

История возникновения металлов удивительна. Рассмотрим ее на примере НИКЕЛЯ.
Этот металл ждал своего рождения миллионы лет, а своего имени - миллиарды. Большая часть его на земле скрыта от человека, потому что долгое время не могли найти ему применение. Однако, сегодня мы им расплачиваемся, благодаря ему летаем, производим аккумуляторы и музыкальные инструменты, используем в медицине, хотя и зовем его чертом.

Если писать историю атомов никеля, то надо начинать с Большого взрыва. Тогда, более 13 миллиардов лет назад, появилась наша Вселенная, со всеми веществами в ней. Впрочем, вещество тогда было «так себе»: очень горячее и очень простое. В период первичного нуклеосинтеза образовались только атомы водорода и гелия (совсем немножко - лития). Зато все было сделано в предельно сжатые сроки - какие-то две-три минуты - и весь набор для изготовления никеля готов. Потом пришлось ждать.

Через 30-40 миллионов лет после Большого взрыва во Вселенной зажглись первые звезды и запустили первые термоядерные реакции - начался синтез новых элементов. Впрочем, никель тогда еще все равно не получался. Изначально в звездах синтезируются только легкие элементы типа углерода, азота и кислорода. Чтобы появились такие металлы, как наш герой, звезда должна погибнуть. Причем далеко не каждая звезда. Например, у нашего Солнца нет шансов родить никель. Оно живет долго, десять миллиардов лет, и заканчивает свой путь более-менее спокойно: сбрасывает оболочку и превращается в белого карлика.
Чтобы появились тяжелые металлы, нужен взрыв тяжелой звезды. Звёзды, массы которых намного больше Солнца. После того как в них выгорает термоядерное топливо, звёзды заканчивают свою жизнь взрывом. Перед этим светило колапсирует - резко сжимается. В этот момент температура и плотность настолько высоки (миллиарды градусов и миллиард граммов на кубический сантиметр), что тяжелые ядра атомов могут преодолеть электростатическое отталкивание и слиться в еще более тяжелое ядро. В обычных условиях такого произойти не может, ведь чем тяжелее ядро, тем больше его положительный заряд. Чем больше заряд, тем сильнее эти ядра отталкиваются друг от друга и тем тяжелее свести их на такое расстояние, на котором возможен термоядерный синтез. Так что только во время взрыва сверхновых звёзд два ядра кремния, с 14 протонами каждый, могут слиться в один атом никеля, с 28 протонами.

Кстати, есть доля лукавства в утверждении, что у таких звёзд, как Солнце, не получиться произвести на свет никель. Некоторые желтые карлики, судя по всему, вносят в общую копилку Вселенной небольшое количество никеля. Каким образом? Как уже говорилось, в конце жизни солнцеподобные звезды, коих во Вселенной большинство, превращаются в белых карликов - очень плотные объекты. Их массы подобны солнечной, однако они гораздо меньше. Термоядерные реакции в них уже не идут. У этих звезд есть ограничение по массе: белый карлик теоретически не может быть тяжелее 1,44 массы Солнца. Это называется ПРЕДЕЛОМ ЧАНДРАСЕКАРА. Но если белый карлик рождается в двойной системе, где вторая звезда - гигант, то на карлика начинает перетекать вещество с большой звезды. И когда масса белого карлика превышает заветную величину - происходит вспышка сверхновой звезды типа Ia. И в результате этой вспышки образуется тяжелые металлы, вплоть до урана.

Другое дело, что такие процессы начались несколько позже - через миллиарды лет после Большого взрыва. Таким образом, чтобы американцы могли получать на сдачу пятицентовые "никели", умерли многие и многие звезды. Впрочем, до вспышки сверхновой звезды, до медно-никелевых сплавов еще далеко.

Что происходит после вспышек сверхновых звёзд? Долгое время ничего. Атомы разлетаются по Вселенной: какие-то остаются в газовой фазе, какие-то соединяются и образуют частички космической пыли. Гравитация собирает все это в огромные газопылевые облака. Некоторые из них мы даже можем видеть - это красивейшие туманности Конская голова, Столпы творения…То, что стало Солнечной системой, более пяти миллиардов лет назад было таким же облаком.

Однако, потом произошло нечто. Прошла ударная волна от вспыхнувшей где-то рядом сверхновой звезды. В результате получился протопланетный диск, в центре которого загорелось Солнце, а вокруг него частички пыли начали слипаться, постепенно образуя планеты. В составе протоземли были разные вещества, но основную массу составляли силикаты и металлы, в основном железо и никель. Молодая планета была настолько горячая, что металлы расплавились и, будучи более тяжелыми, чем силикаты, погрузились внутрь. Так наша планета получила мантию и металлическое ядро. Это случилось около полумиллиарда лет после ее образования. Специалисты называют это железной катастрофой, хотя правильнее было бы назвать ее железно-никелевой.

Польза от этой катастрофы была: Земля обрела магнитное поле. Но и вред тоже - основная часть никеля оказалась спрятана в центре планеты. Если все мировые запасы этого металла оценивают в 75 миллионов тонн, то в ядре Земли никеля намного порядков больше. Но увы, имеем то, что имеем, а именно: часть атомов, соединившихся с медью и серой в виде сульфидных медно- никелевых руд, и часть в виде окисленных никелевых руд. Но до их открытия еще оставалось несколько миллиардов лет.

Теперь перенесемся на четыре миллиарда лет вперед, в Саксонию XVII века, к горнякам, добывавшим МЕДЬ. Иногда медная руда, которую поднимали на поверхность, выглядела точно так же, как и обычно, но из нее почему-то не получалось выплавить ни грамма меди. И вообще ничего не получалось, разве что стекловарам отдать, чтобы стекло в зеленый цвет окрасить. Тогда шахтеры говорили, что это балуется маленький озорной дух шахт Старый Ник. Вообще, слово Nikolaus означало двуличного человека или бездельника. Но для шахтеров nickel было в первую очередь ругательством, ведь Старый Ник шалил, крал медь из руды, - это означало, что день прошел впустую. Такая руда в итоге стало называться купферникелем - "медным демоном", "медным дьяволом", и прошло еще полтораста лет, прежде чем из нее удалось что-то получить. Победить Старого Ника сумел молодой барон АКСЕЛЬ ФРЕДЕРИК КРОНШТЕДТ, ученик великого Георга Брандта, первооткрывателя КОБАЛЬТА.

Кронштедт сумел получить из купферникеля, который сейчас называют красным никелевым колчеданом, зеленый оксид никеля (он окрашивал стекло), а затем и сам никель. "Купферникель-руда, которая содержит наибольшее количество…описанного полуметалла,- писал 29-летний Кронштедт,- поэтому я дал ему то же имя… назвал его никелем». Коллеги, впрочем, не поверили в открытие и продолжали считать выделенный металл смесью, к примеру, меди с мышьяком и серой.

Отдельно выступали астрологи, указывая, что все планеты, закреплены за металлами, уже закончились и что теперь делать? Кронштедт стоял на своем. В том же 1751 году он открыл минерал ТУНГСТЕН и попытался получить из него новый металл. Этот спор продолжался долго, а прожил Кронштедт очень мало. Он умер в 1765 году в возрасте 43 лет, не дождавшись признания своего открытия. В 1775 году во французской Энциклопедии, составленной Дидро и Д*Аламбером, про никель можно было прочитать: "Кажется, что еще должны быть проведены дальнейшие опыты, чтобы убедить нас, есть ли этот королек "никеля", о котором говорит г. Кронштедт, особый полуметалл, или его скорее следует считать соединением железа, мышьяка, висмута, кобальта и даже меди с серой". В общем, пришлось ждать работ Торберна Улафа Бергмана, автора первых буквенных символов химических элементов, который смог получить еще более чистый никель, чем Кронштедт, и описать его свойства.

Наверное, стоит упомянуть великого Жозефа Луи Пруста, сформулировавшего закон постоянства состава. Главным аргументом в пользу самостоятельности никеля стало для французского химика то, что раствор никелевого купороса имеет сладкий вкус, а медного, с виду очень похожего, - весьма неприятный. Однако, применения новому металлу все равно не находилось. В вышедшей в самом конце XVIII века книге У. Николсона "Основания химии" говорилось следующее: «Это металлическое вещество не нашло какого-либо применения, и внимание химиков, которые его исследовали, было в основном направлено на получение его в чистом виде, что, однако, до сих пор не сделано".

И вот, наконец, в 1804 году немецкий химик Иеремия Рихтер получил чистейший никель - металл с серебристым блеском, «не меркнущим» на воздухе. Он легко обрабатывался и мог противостоять агрессивным средам. Не металл- прелесть! Но одно дело - лабораторные опыты - и совсем другое - массовое производство: то, что получили на заводе, было совсем не похоже на никель Рихтера. Это нечто не ковалось и было очень хрупким. Не сразу удалось понять, что виной тому крошечные примеси серы. Еще позже стало понятно, как от них избавиться. И с тех пор никель начал свое триумфальное шествие по планете: кроме ювелиров, на никель быстро обратили внимание те, кто делал деньги. Если в XVII-XIX веках большая часть крупной разменной монеты была серебряной, то уже в начале XX века многие страны начали переходить на никелевые сплавы. В США, к примеру, пятицентовая монета до сих пор называется nickel. Монеты объединённой Европы тоже без этого металла не обходятся. Да и российские 1, 2 и 5 рублей, хотя и делают из стали, все равно покрывают никелем - для улучшения внешнего вида и повышения коррозийной стойкости.