Металлы и древесный уголь

Первые металлы, получен ые из руд в нагревательных печах,- золото и серебро - не применялись для изготовления орудий труда. Эти металлы использовались лишь для выделки украшений и сосудов: чаш, кубков, бокалов. Изучение плавления металлов позволило развить представление о "земле", которая ведет себя совершенно по-иному при нагреве, чем различные виды глины. Глины, по своей природе мягкие и формующиеся, в огне становились твердыми. Другие "земли" (в основном загрязненные примесями) были хрупкими, но при нагреве становились жидкими - возникал расплав. Расплавленная очищенная "земля" (образовавшийся чистый металл или очень часто сплав золота и серебра) легко приобретала форму изделия, а после охлаждения становилась твердой, как камень.

Уже около 3000 лет до нашей эры искусство плавления металлов было известно в Египте, Вавилоне, Персии, Индии, Китае. Так огонь приобрел еще одно важное значение как орудие труда. Огонь использовали не только для получения металлических "земель", но и для разрушения скал, освещения рудников и шахт.

В результате многовекового опыта работы с печами для обжига люди научились подбирать и использовать горючие и огнеупорные материалы, а также создали устройства для подачи воздуха в печи. Древесный уголь и кузнечные мехи были "волшебным средством", позволившим уже в древности создать основы металлургической техники, которая вплоть до конца XVIII в. в принципе мало изменилась (за исключением объемов производства). Результатом вначале разрозненных, а затем систематических наблюдений за горением различных видов древесины в открытых, полуоткрытых или закрытых печах было создание способов получения древесного угля. Только использование древесного угля позволило достичь высоких температур, с помощью которых оказалось возможным расплавить медь, олово и свинец. Древесный уголь люди смогли получить лишь после осознания роли воздуха при горении и при достижении довольно высокого уровня развития техники обжига. Наблюдения показали, что в процессе получения древесного угля образуются и другие продукты. Из них наибольшее значение для развивающейся техники того времени имели смола и вар. Они использовались для пропитки древесины при постройке судов, а также для обработки природных волокон при изготовлении водонепроницаемой одежды.

Получение металлов из руды и древесного угля в яме. Воздух вдувается кузнечными мехами

Дальнейшее развитие способов воздействия огня на вещество привело к становлению металлургии меди и особенно бронзы. Это в свою очередь оказало громадное влияние на всю историю человечества.

Медь, из которой изготовляли сосуды и украшения, была практически непригодной для изготовления инструментов и оружия. Ее можно было использовать для этих целей, лишь предварительно соединив в довольно твердом сплаве с мышьяком (как это делали, например, в Древнем Египте). Достижение высоких температур и изучение расплавов "земель" привели людей в дальнейшем к использованию других металлов: олова, свинца, ртути и железа. Металлурги древности, установившие, что из определенной смеси меди и олова (жители Вавилона вместо олова использовали свинец) можно изготовить сплав по пластичности и твердости не хуже сплава меди с мышь ком, по своей наблюдательности вряд ли уступали С. Томасу или Г. Бессемеру - реформаторам металлургии XIX в. В металлургии бронзы воплотились с наибольшей силой знания о свойствах металлов, накопленные ранее при развитии металлургии золота и серебра. Это в первую очередь знания и дивидуальных свойств золота и серебра, а также представления об изменении свойств при смешении этих металлов.

Добыча металла в Древнем Египте. В неглубокую яму укладывали слоями руду и древесный уголь. Смесь поджигали и покрывали глиняной пластиной. При помощи кузнечных мехов в яму вдували воздух

В исторической науке выделяют даже специальные периоды, связанные с преобладанием в жизни человеческого общества определенного материала,- "каменный век" и "бронзовый век". Правда, такое выделение периодов довольно несовершенно, поскольку оно связано лишь с использованием одного вида сырья. С таким же правом можно было бы говорить о "масляном веке": так же как в наши дни, в древности использование нефти оказало громадное влияние на развитие ремесел. В древнем мире широкое применение бронзы стимулировало совершенствование техники металлургии цветных металлов: использование древесного угля, мехов для подачи воздуха и иных технических устройств. И все-таки весьма спорно целую эпоху развития человечества характеризовать лишь по использованию одного из видов сырья, потому что сырье не может в значительной степени определять развитие техники на протяжении громадной исторической эпохи. Категории типа "каменный век", "бронзовый век" и т. д. надо применять очень осмотрительно. Так, например, в "каменном веке" действительно из наиболее твердых и острых камней изготовляли особые орудия труда - для обработки веществ ударом и резанием. При этом ни в коем случае не следует забывать, что в "каменном веке" большое значение как сырье для изготовления орудий труда имели также дерево, кость и, конечно, различные виды глины. Учитывая влияние бронзы на переход от "каменного века" к "эпохе маталлов", многие историки назвали первый этап этого периода "бронзовым веком". Но предпосылки для создания металлургии были заложены в гораздо большей мере не распространением бронзы, а начавшимся незадолго до этого широким применением огня в качестве средства труда. С помощью нагревания люди сумели получить все известные в то время металлы.

Бронза заменила камень как основной материал для изготовления орудий труда, оружия и предметов обихода.

Эта замена означала переход к более высокой производительности труда. Даже само изготовление бронзовых инструментов по сравнению с выделкой каменных приспособлений требовало более квалифицированного труда. "Прибавочный продукт" при этом возрастал, а труд людей становился более производительным. Это время ознаменовалось распадом первобытнообщинного строя и возникновением в некоторых районах Земли рабовладельческих государств, которые укреплялись и расширяли свои границы. Однако в других частях мира, как, например, в Северной и Центральной Европе, "бронзовый век" (1900-650 гг. до н. э.) прошел под знаком первобытнообщинных отношений.

Какие же все-таки преимущества несло применение бронзы? Многие виды посуды, орудий труда и оружия из бронзы, несмотря на использование более сложной техники, можно было изготовить гораздо легче и быстрее, чем аналогичные изделия из камня. Еще одним преимуществом бронзы перед камнем оказалась ее менее трудоемкая механическая обработка: из бронзы легко получались изделия разной формы. Применение бронзы позволило также изготавливать предметы, которые просто невозможно было сделать из камня,- щипцы, лампы, мечи, шлемы. И наконец, большим преимуществом бронзы оказалась возможность ее многократного использования; например, если кремневый топор раскалывался, то его выбрасывали, а сломанный топор из бронзы можно было переплавить, отлить заново и наточить. Но даже в "бронзовый век" камень не был совсем забыт как сырье для изготовления орудий труда: бронза была \ дорога и не так прочна, чтобы повсеместно заменить камень. Только после широкого распространения железа отпала необходимость использовать камень и бронзу для изготовления разнообразных изделий.

Однако не следует забывать, что потребности человечества в сырье в различные исторические эпохи не могли быть полностью удовлетворены использованием только камня, бронзы или даже железа. Эти потребности всегда были значительно шире; для различных целей применялись самые разнообразные материалы. Так, для возведения жилищ и иных строений (например, мельниц) вплоть до наших дней важнейшими материалами были отнюдь не металлы, а дерево, камень, песок, известь; для выделки кожи нужны зола и дубильные вещества; для изготовления текстильных изделий - протрава и краски. При получении стекла незаменимы древесный уголь, песок и сода. Древесина вплоть до начала XX в. вообще использовалась как универсальное сырье - как топливо, как материал для изготовления инструментов, машин, транспортных средств (вагонов, судов), для производства древесного угля, получения смолы, вара, поташа. Широкое применение нашла древесина также при строительстве жилищ, мостов и других сооружений.

История развития производства (даже рассмотренная с точки зрения проблемы важнейшего сырья) определяется в очень небольшой степени тем, что один основной вид сырья вытесняет другой в различные исторические эпохи. Главным условием развития производства во все времена является постоянное повышение качества и увеличение количества важнейших видов сырья.

Железо, полученное металлургами древности, еще не могло по своим свойствам превзойти бронзу: оно было недостаточно твердым. Это объяснялось низким уровнем металлургии. С помощью применявшихся в то время простых кузнечных мехов нельзя было нагреть железо до 1500° С - температуры его плавления. Поэтому металл не полностью отделялся от шлака. Лишь примерно в 1000-х гг. до н. э. в таких разобщенных районах, как Индия, Армения, Месопотамия, Египет, были разработаны методы выплавки железа, оказавшие определяющее влияние на развитие металлургической техники. Они основывались на следующем наблюдении: железо становится более твердым при его повторном нагревании в печи с горящим древесным углем и может быть превращено в ковкую сталь. Этот процесс получения стали почти не изменился до появления в конце XVIII в. метода пудлингования.

После разработки способов получения стали уже за десять веков до нашей эры оказалось возможным получить орудия труда очень высокого качества. С тех пор резко выросла потребность в железе. Развитие металлургии железа стимулировало совершенствование конструкции печей для его выплавки. Совершенствовались и методы выплавки других металлов, а также их сплавов; среди них медь, олово, свинец и их сплавы - бронзы и латуни. (Латунь - сплав меди с цинком, часто с его кремнекислой солью - галмеем.) Свинец, например, применялся при отливке ядер для пращей, изготовления досок для письма, грузил, монет, украшений, а также для разделения благородных металлов. Кроме того, в дальнейшем свинец шел на изготовление красок, таких, как свинцовые белила, сурик, которые хорошо защищают поверхности различных веществ от разрушающего действия влаги. Например, древние греки уже во времена Геродота^* красили корпуса кораблей суриком. Краски получали и из других металлов и минералов, например смальты, яри-медянки, железной охры, киновари, аурипигмента, реальгара. Для нерастворимых в воде минеральных красителей в качестве связующего использовались масла.

^* (Геродот (490-480 - 425 до н. э.) - древнегреческий историк; за полноту и систематизацию сведений об истории Древней Греции, Персии, Египта его называли "отцом истории".- Прим. перев.)

По свидетельству Плиния^*, ртуть очищали, продавливая ее через кожу. Диоскорид^** упоминает об очистке ртути путем перегонки. В древности были известны металлические ртуть и киноварь (сульфид ртути). Киноварь применялась как пигмент при получении красителей и изготовлении украшений, а также как сырье для выделения металла. В отличие от золота или меди ртуть не служила материалом для изготовления изделий, а применялась лишь для амальгамирования.

^* (Имеется в виду Плиний Старший (ок. 24-79 н. э.) - знаменитый древнеримский писатель и ученый, автор "Естественной истории" - энциклопедии естественнонаучных знаний античности (в 37 томах).- Прим. перев.)

^** (Диоскорид Педаний (I в. н. э.) - древнеримский врач (по национальности грек). Основное сочинение - "О лекарственных средствах", где систематизированы сведения о всех известных тогда веществах, употреблявшихся как медикаменты.- Прим. перев.)

В течение всего рассмотренного нами периода развития человеческого общества люди знали о существовании лишь семи металлов, широко используемых в различных областях человеческой практики: золота, серебра, меди, олова, свинца, ртути, железа. Некоторые сведения имелись тогда и об использовании соединений цинка. Цинк в металлическом состоянии был получен лишь в XVI в. Однако соединения этого металла (например, галмей) довольно широко применялись еще за 500 лет до н. э., особенно для получения латуни.

До нашей эры были известны и некоторые другие сплавы. Наиболее широко использовался сплав, состоящий из трех частей золота и одной части серебра. Древние египтяне называли его "аземом", а древние греки - "электроном" и считали индивидуальным металлом.

Итак, возникновение металлургии позволило человечеству практически овладеть двумя важнейшими химическими процессами: обжигом - окислением металла и обратным превращением - восстановлением оксида в металл. "Методически этим были заложены основы практической металлургии, или выплавки металлов из руд,- писал П. Вальден. Так эмпирически было открыто принципиально важное для химии положение об обратимости процесса, или реакции; однако для научного осмысления этого положения потребовалось длительное развитие химии - в течение нескольких тысячелетий. Это произошло лишь в конце XVIII в." [4, с. 6].