Тест ко Дню металлурга: знаете ли вы удивительные свойства металлов?

Правильный ответ - из-за защитной оксидной плёнки. Свежая поверхность алюминия очень быстро реагирует с кислородом, но продукт реакции - плотный слой оксида алюминия Al₂O₃ - прочно связан с металлом и закрывает его от окружающей среды. При комнатной температуре естественная плёнка имеет толщину всего в несколько нанометров, но уже существенно замедляет дальнейшее окисление. Такое самопроизвольное образование защитного слоя называется пассивацией. Если плёнку слегка поцарапать, открывшийся алюминий на воздухе быстро окисляется, и защита восстанавливается. В промышленности её можно искусственно утолщить методом анодирования: это повышает стойкость к коррозии и износу, а пористую наружную часть покрытия можно окрашивать. Поэтому утверждение, что обычный цельный кусок алюминия бурно реагирует с водой, неточно: именно пассивная плёнка обычно препятствует такой реакции. Высокую реакционную способность легче наблюдать у мелкодисперсного порошка, при разрушении плёнки или в средах, способных её растворять. Специальный лак не является обязательной причиной стойкости алюминия, а свинец для этого не добавляют. Защитная плёнка устойчива не в любых условиях. Сильнокислые и особенно щелочные среды могут разрушать оксид алюминия, после чего коррозия металла заметно ускоряется. Поэтому пассивация хорошо объясняет поведение алюминия в обычной среде, но не делает его абсолютно неуязвимым.

Правильный ответ - осмий. Справочная плотность осмия при комнатной температуре составляет около 22,59 грамма на кубический сантиметр. Куб со стороной 10 сантиметров имеет объём 1000 кубических сантиметров, поэтому его расчётная масса равна примерно 22 590 граммам, или 22,6 килограмма. Ближайший соперник осмия - иридий, плотность которого составляет приблизительно 22,56 грамма на кубический сантиметр. Разница очень мала, а исторически результаты измерений и расчётов менялись, поэтому в старых справочных таблицах самым плотным элементом иногда называли иридий. Современные справочные значения Королевского химического общества ставят осмий немного выше. Осмий - редкий, твёрдый и хрупкий металл платиновой группы. Его практическое применение ограничено не только редкостью, но и опасностью летучего тетраоксида осмия, который образуется при окислении и чрезвычайно токсичен. Платина и вольфрам тоже очень плотные металлы, но заметно уступают осмию.

Правильный ответ - галлий. Его температура плавления составляет примерно 29,76 °C, поэтому небольшой кусочек может расплавиться от тепла человеческой ладони. При этом температура кипения галлия очень высока - свыше 2200 °C, так что он остаётся жидким в необычно широком диапазоне температур. При контакте жидкого галлия с алюминием может возникнуть жидкометаллическое охрупчивание. Атомы галлия проникают преимущественно вдоль границ кристаллических зёрен алюминия и уменьшают сцепление между ними. Материал быстро теряет пластичность и прочность, а под нагрузкой начинает растрескиваться и распадаться. Речь идёт не о проникновении «между молекулами»: металлический алюминий состоит из атомов, объединённых металлической связью, и имеет поликристаллическую структуру. Цезий тоже имеет очень низкую температуру плавления, но он чрезвычайно активно реагирует с воздухом и водой и не подходит для безопасной демонстрации. Характерное сочетание температуры около 29,8 °C и способности охрупчивать алюминий указывает именно на галлий. Для быстрого развития процесса галлий должен добраться до самого металла. Естественная оксидная плёнка алюминия может мешать контакту, поэтому особенно опасны царапины, повреждения покрытия и места, где жидкий галлий уже проник к поверхности алюминия.

Правильный ответ - алюминий. Сегодня он окружает нас повсюду, но в середине XIX века получение чистого алюминия было чрезвычайно сложным. Металл не встречается в природе в свободном виде, а его прочная связь с кислородом в оксидах мешала использовать обычные методы восстановления. Поэтому небольшие образцы алюминия воспринимались как технологическая редкость. В 1854 году французский химик Анри Этьен Сент-Клер Девиль усовершенствовал химический способ получения алюминия, заменив дорогой калий натрием. Производство всё равно оставалось маломасштабным и дорогостоящим. Наполеон III поддерживал работы Девиля и заказывал алюминиевый столовый сервиз. В популярных исторических пересказах говорится, что такую посуду подавали особо важным гостям, однако надёжнее подтверждён сам факт существования императорского сервиза и особого статуса алюминия как дорогой технической редкости. Около 1855 года по желанию Наполеона III алюминиевый слиток был передан Майклу Фарадею. На Всемирной выставке 1855 года в Париже алюминий представили широкой публике как один из символов технического прогресса. Положение изменилось после появления электролитического процесса Холла - Эру в 1886 году и процесса Байера для получения чистого глинозёма. Цена алюминия резко упала, и бывший престижный металл стал массовым конструкционным материалом.

Правильный ответ - висмут. Большинство металлов при переходе из жидкого состояния в твёрдое уменьшается в объёме, но висмут ведёт себя иначе: при затвердевании он расширяется примерно на 3,3%. Его твёрдая кристаллическая структура занимает больше объёма, чем расплав, поэтому твёрдый висмут может плавать на жидком - аналогично льду на воде. Это свойство полезно в литейных сплавах. Добавка висмута способна частично или полностью компенсировать усадку других компонентов, благодаря чему металл лучше воспроизводит мелкие детали формы. Такие сплавы применяли в типографском наборе, точном литье и моделях. Многие висмутовые сплавы также имеют сравнительно низкую температуру плавления и используются в плавких предохранителях, противопожарных устройствах и специальных припоях. Расширение при кристаллизации не означает, что любой сплав висмута обязательно увеличится в размере: результат зависит от состава. Однако именно висмут среди предложенных металлов известен этим аномальным свойством и используется для уменьшения литейной усадки. Справочные данные указывают расширение чистого висмута при затвердевании примерно на 3,32% от объёма твёрдой фазы при температуре плавления. Именно разница плотностей твёрдого и жидкого висмута лежит в основе необычного сравнения со льдом и водой.

Правильный ответ - алюминий. Американец Чарльз Мартин Холл и француз Поль Эру независимо друг от друга в 1886 году разработали почти одинаковый электролитический способ получения алюминия. Поэтому технология получила двойное название - процесс Холла - Эру. Учёным было всего 22 и 23 года соответственно. В процессе оксид алюминия, или глинозём, растворяют в расплавленном криолите и пропускают через расплав электрический ток. Ионы алюминия восстанавливаются на катоде, а жидкий металл собирается на дне электролизёра. Криолит позволяет вести процесс примерно при 950 °C, тогда как температура плавления чистого оксида алюминия превышает 2000 °C. Углеродные аноды постепенно расходуются, образуя в основном углекислый газ. Холл и Эру не открыли сам алюминий: металл был получен раньше. Их заслуга состояла в создании экономически пригодного способа массового производства. В сочетании с разработанным позднее процессом Байера для очистки глинозёма эта технология сформировала современную алюминиевую промышленность. Процесс Холла - Эру остаётся основным промышленным способом получения первичного алюминия и сегодня. Он требует большого количества электроэнергии, поэтому доступность дешёвой генерации исторически сильно влияла на размещение алюминиевых заводов.

Правильный ответ - золото начнёт растворяться в ртути, образуя амальгаму. Амальгамами называют сплавы ртути с другими металлами. Ртуть хорошо смачивает золото, проникает в его поверхностный слой и образует серебристо-серую золотортутную фазу. Именно это свойство столетиями использовали для извлечения мелких частиц золота из измельчённой руды. Кольцо не обязано мгновенно и бесследно исчезнуть. Скорость и глубина изменения зависят от количества ртути, времени контакта, температуры и состава ювелирного сплава. Сначала поверхность потеряет привычный золотой цвет, затем изделие может деформироваться и стать хрупким; при избытке ртути значительная часть золота действительно перейдёт в амальгаму. Для восстановления украшения требуется профессиональная очистка и переработка. Проводить такой опыт нельзя: ртуть и особенно её пары токсичны, а загрязнение легко распространяется по помещению. Ртуть не остаётся безучастной плёнкой на поверхности, а простое потемнение из-за окисления не описывает образование амальгамы и потерю прочности изделием. Особенно опасно пытаться нагревать образовавшуюся амальгаму: при нагревании ртуть испаряется, а её пары могут вызвать тяжёлое отравление. Повреждённое украшение следует изолировать и передать специалистам, не пытаясь очищать его дома.

Правильный ответ - для окисления излишка углерода и других примесей. В чугуне содержится больше углерода, чем требуется стали, а также присутствуют кремний, марганец и другие элементы. Кислород воздуха реагирует с ними: углерод преимущественно уходит в виде оксидов углерода, а оксиды кремния и марганца переходят в шлак. Окислительные реакции выделяют много тепла. Благодаря этому металл остаётся расплавленным без дополнительного топлива, хотя через конвертер проходит большой объём сравнительно холодного воздуха. После завершения продувки состав расплава корректировали добавками, чтобы получить сталь с нужным содержанием углерода и марганца. Запатентованный Генри Бессемером в 1850-х годах процесс резко ускорил и удешевил массовое производство стали. У раннего кислого варианта был важный недостаток: он плохо удалял фосфор. Позднее появилась основная футеровка, позволившая перерабатывать фосфористые чугуны. Воздух не насыщал расплав углеродом и не предназначался прежде всего для его охлаждения или намагничивания. Главной особенностью конвертера было то, что теплота окисления примесей поддерживала высокую температуру расплава. Это позволило получать большие партии стали гораздо быстрее прежних способов, хотя позднее бессемеровский процесс уступил место более управляемым технологиям.

Правильный ответ - углеродные нанотрубки. В 2006 году группа исследователей опубликовала в журнале Nature результаты изучения образца подлинной дамасской сабли XVII века. С помощью просвечивающей электронной микроскопии авторы сообщили, что обнаружили в стали углеродные нанотрубки, а также нанопроволоки цементита - карбида железа Fe₃C. Исследователи предположили, что такая микроструктура могла быть связана с характерным волнистым рисунком и механическими свойствами высокоуглеродистой тигельной стали, из которой изготавливали знаменитые клинки. Древние мастера, разумеется, не знали терминов нанотехнологии: структуры могли возникать самопроизвольно в результате состава исходного сырья и многократных циклов нагрева, ковки и охлаждения. Важно не преувеличивать вывод работы. Исследовался конкретный образец, а присутствие нанотрубок не считается единственным и окончательно доказанным «секретом» всей дамасской стали. На рисунок и свойства клинков влияли содержание углерода, частицы цементита, примеси и режим обработки. Поэтому вопрос спрашивает именно о сообщении авторов статьи 2006 года. В самой статье использована осторожная формулировка: найденная микроструктура могла помочь понять происхождение характерных полос в этой сверхвысокоуглеродистой стали. Поэтому корректно говорить об обнаружении, заявленном авторами для исследованного клинка, а не о едином рецепте всех дамасских сабель.

Правильный ответ - олово. При температуре ниже 13,2 °C металлическое белое олово, или β-олово, термодинамически способно переходить в серое α-олово. Новая кристаллическая форма имеет меньшую плотность, увеличивается в объёме и постепенно превращает изделие в хрупкую серую массу. Это явление называют оловянной чумой, или оловянной болезнью. Особенно быстро превращение идёт при более сильном охлаждении и наличии зародышей серого олова. Однако история о массово рассыпавшихся пуговицах Великой армии считается недоказанной легендой. В воспоминаниях участников похода такой проблемы не зафиксировано; пуговицы могли быть латунными, костяными или изготовленными из оловянных сплавов. Примеси сурьмы, висмута и других элементов заметно подавляют переход, а чистому олову для серьёзного разрушения обычно требуется продолжительное воздействие холода. Таким образом, сама оловянная чума - реальное физическое явление, а её решающая роль в катастрофе армии Наполеона исторически не подтверждена. Легенда относится именно к олову, но превращать её в доказанную причину поражения нельзя: для этого нет надёжных свидетельств участников похода, а состав и материал пуговиц в разных частях армии различались.