В один из морозных зимних дней на петербургском складе военного обмундирования царила паника. Складской сторож, отставной солдат, доживающий свой век «при должности», обалдело привалился к штабелю ящиков и тупо глядел перед собой пустыми глазами. Даже его холеные бакенбарды и те обвисли, вытянулись грустными сосульками и сильно смахивали на банную мочалку, небрежно приклеенную к помертвевшему лицу. Неподалеку пять или шесть чиновников военного ведомства столпились вокруг открытых ящиков и, забыв про респектабельность, возбужденно размахивали руками. Да и было от чего прийти в волнение: на складе пропали... пуговицы. Да-да, блестящие оловянные солдатские пуговицы таинственным образом исчезли из ящиков. Мало того, что государству нанесен убыток, поскольку олово стоит немало, но сам факт случившегося внушал тревогу: сегодня злоумышленник похитил пуговицы, а завтра, глядишь, и оружие заберет. А этот злоумышленник оказался очень уж нахальным. Мало того, что он выгреб все пуговицы, он еще, словно в насмешку, насыпал в ящики какой-то серый порошок. Нет, это был явно опасный тип. А олух-сторож имеет наглость уверять, что караулил исправно и не допускал к дверям склада никого из посторонних. И как теперь докладывать генералу, начальнику департамента, который потребует немедленно изловить похитителя?
История не донесла до нас, как вышли чиновники из этого положения и какое наказание понес сторож. Случай с пуговицами наделал много шума, но постепенно о нем забыли. И вспомнили только почти через сто лет, когда весь мир был потрясен трагической гибелью экспедиции англичанина Роберта Скотта.
Горстка отважных пробивалась к Южному полюсу. Меховые шубы не защищали от невиданных морозов, ослепительная белизна снега резала глаза. Даже привычные ко всему северные собаки отказывались идти и ложились в снег. Тогда люди сами впрягались в нарты. Казалось, ничто не может сломить их волю. Но когда путешественники достигли наконец заветной цели, то увидели на полюсе... норвежский флаг. Всего лишь на месяц их опередил прославленный Амундсен. Измученные, разочарованные, угнетенные, путешественники повернули назад. На обратном пути экспедиция погибла, и одной из причин гибели послужило... олово. Обыкновенное олово, которым были пропаяны бидоны с керосином. На морозе олово превратилось в серый порошок, бидоны прохудились, и керосин вытек. Полярники не могли ни обогреться ночью в палатке, ни разогреть пищу. Если бы они первыми достигли самой южной точки Земли, они, возможно, выстояли бы...
Когда причины гибели экспедиции Скотта стали известны, вспомнили и историю с пуговицами. И поняли, что здесь природа продемонстрировала доселе неизвестное свойство металлов — способность их «болеть».
Сейчас мы пишем это слово в кавычках, а в то время ученые были уверены, что олово на морозе действительно заболевает. Даже название этой болезни придумали — оловянная чума. Назвали ее так недаром: болезнь действительно заразная. Достаточно мельчайшей частичке «больного» олова попасть на здоровое, и при минусовой температуре начинается «эпидемия».
В конце концов ученые разгадали эту загадку. Все дело оказалось опять-таки в кристаллической решетке. С удивлением ученые узнали, что она не имеет постоянного строения. При низкой температуре атомы олова перестраиваются в кристаллическую решетку иной симметрии, а отсюда и внешний облик металла разительно меняется.
Это явление, когда одно и то же вещество в зависимости от внешних условий (температуры, давления и др.) может менять кристаллическую решетку, а с ней и внешний облик, называется полиморфизмом. Оказалось, что полиморфизм весьма распространен в природе, и не только среди металлов. Всем известный углерод в различных условиях превращается в самое твердое вещество — алмаз, в самое мягкое вещество — графит и, наконец, просто в уголь. Что же касается металлов, то около половины их могут менять строение кристаллической решетки. Причем процесс этот протекает с различными скоростями. Например, так называемая аморфная сурьма превращается в металлическую со взрывом, если ее нагреть. Перекристаллизация происходит практически мгновенно, и при этом выделяется так много тепла, что металл распыляется.
Итак, ученые поняли, как происходят болезни металлов. Все дело в кристаллической решетке. Однако на вопрос, почему меняется решетка, ответ до сих пор не найден. Опять эти как и почему! А между тем ответ на последний вопрос даст нам еще большую власть над металлами. Ведь меняется не только их внешний вид, меняются и физические свойства — сопротивление электрическому току, термическое расширение, магнитная проницаемость и др. Значит, постигнув механизм превращений кристаллической решетки, мы сможем создавать сплавы с заранее заданными физическими свойствами, предназначенными для той или иной узко специализированной цели: магнитные, жаропрочные, кислотоупорные, трансформаторные и т. д. и т. д.
Так что, как видите, оловянная чума — вовсе не болезнь, а просто одно из многих свойств металлов. Но вот другое свойство, гораздо более неприятное, иначе как болезнью не назовешь. Причем болезнью страшной, бескомпромиссной. Речь идет о коррозии, или, попросту говоря, о ржавлении.
Ежегодно во всем мире производится более пятисот миллионов тонн стали. Огромное количество! Но — увы! — едва ли не четверть этого количества, около ста двадцати пяти миллионов тонн, ежегодно погибает. Гибнет от коррозии. Ржавеют и выходят из строя машины и механизмы. Пропадает не только сам металл, пропадает труд людей, затраченный на создание изделий. А сколько еще труда приходится затратить, чтобы заменить изъеденные коррозией детали новыми! Порой мы испытываем большое неудобство, когда, чтобы попасть домой, приходится перебираться по хлипким дощечкам через свежевырытые траншеи. Однако не стоит винить строителей: если они во время не сменят проржавевшие водопроводные или газовые трубы, тепловую магистраль или телефонный кабель с испорченной изоляцией, то нам будет еще хуже. Взломать асфальт, вырыть траншею, заменить трубу — это стоит немалых денег. И, однако, эти затраты не идут ни в какое сравнение, скажем, с затратами на смену проржавевшей обшивки днища океанского теплохода. Вот почему борьба с коррозией — одна из первоочередных задач науки о металлах.
Мы хорошо знаем, как ржавеет железо. Для этого его достаточно намочить в воде или просто подержать на открытом воздухе. Многие думают, что медь, алюминий, олово и другие применяемые в обиходе металлы в обычных условиях не окисляются. Это совершенно неправильно. Коррозии подвергаются абсолютно все металлы, но только все по-разному...
Однако прежде всего надо сказать, что же такое коррозия. Так вот, коррозия — это разъедание металла в силу различных причин. Наиболее распространенный вид коррозии — химическое соединение металла с различными веществами: кислотами, газами, солями, а особенно с кислородом воздуха. И наиболее активно эти химические реакции протекают во влажной атмосфере.
Мы рассказывали о Делийской колонне, которая вот уже полторы тысячи лет стоит в жарком и влажном климате Индии и на ней нет ни одного пятнышка ржавчины. И объяснили это тем, что колонна сделана из чистейшего, почти без примесей, железа. «Почти» потому, что получить абсолютный по чистоте металл, как мы знаем, невозможно. Но почему не ржавеет чистое железо?
Дело в том, что оно тоже окисляется, только по-особому. Чистое железо мгновенно вступает в химическую реакцию с кислородом воздуха, и на его поверхности образуется тончайшая, не более половины микрона, пленка окисла. Несмотря на столь мизерную толщину, она очень прочна и надежно «отсекает» железо от внешней среды, не пропуская к нему ни кислород, ни воду, ни кислоты, ни другие химически активные вещества; вроде слоя эмали, который мы употребляем для надежной защиты стальной посуды от внешних воздействий. Вот почему чистое железо и сохраняется удивительно долго. Так же корродируют и многие цветные металлы: медь, алюминий, свинец и другие. Поэтому нам и кажется, что они вовсе не окисляются. Но соскребите с алюминия ножом защитную пленку хотя бы в одном месте — и при особо неблагоприятных условиях он разрушится полностью.
Ну, а обычное техническое железо, сталь, чугун — почему же они ржавеют очень активно и могут буквально рассыпаться в прах? Ответ кажется несколько необычным: потому, что они не чистые металлы, а сплавы, содержащие, кроме железа, углерод и некоторые другие вещества. Если продолжить сравнение с эмалированной кастрюлей, можно было бы сказать, что вкрапления посторонних веществ в железе — это дырки в эмали, через которые проникают воздух, вода, кислоты и т. д. На самом деле картина гораздо сложнее. Дело в том, что вкрапления посторонних веществ образуют с железом... множество гальванических элементов.
Вспомним, что нам рассказывали на уроках о гальванических элементах. В стеклянный или керамический сосуд наливают электролит (например, раствор кислоты) и опускают туда две пластинки из разных металлов, скажем из меди и цинка. Гальванический элемент готов. Если сверху соединить пластинки проволокой, то по ней потечет электрический ток.
Что же происходит? Кислота окисляет оба металла, растворяет их. Это означает, что атомы металлов превращаются в положительно заряженные ионы, которые переходят в раствор. А отнятые у них электроны остаются на пластинках. Значит, на обеих пластинках будет накапливаться отрицательный заряд. Но цинк химически более активен, чем медь, его растворение идет энергичнее. Поэтому цинковая пластинка заряжается сильнее.
Когда мы соединим пластинки проволокой, излишек электронов потечет с цинка на медь. Это и будет электрический ток. Но вот вопрос: а не прекратится ли этот ток, когда все «лишние» электроны с цинковой пластинки перебегут на медную? Нет, ток не прекращается. Напротив, «лишние» электроны, притекающие на медную пластинку, останавливают растворение меди, сами переходят в раствор и превращают положительно заряженные ионы водорода в атомы. Вот почему при работе гальванического элемента около медной пластинки на поверхности электролита лопаются пузырьки — это выделяется водород.
Как видим, в нашем гальваническом элементе разрушается только цинк — более активный металл. Медная же пластинка остается нетронутой. То же самое происходит и при коррозии железа, которое гораздо активнее углерода и других примесей. Оно отдает свои электроны, а примеси, как медь в гальваническом элементе, остаются нетронутыми. Поэтому железо и разрушается, образуя в конечном счете ржавчину.
Могут спросить: а где же в таком случае электролит? Ведь без него гальванический элемент не будет работать. Увы, он везде! Электролитом могут служить не только кислоты, но и растворы солей, которые всегда имеются в морской, речной и даже дождевой воде. А в окружающем нас воздухе всегда есть и влага, и мельчайшие кристаллики солей, и окислы углерода и азота. В воздухе же промышленных центров присутствует и сернистый газ, образующийся при сжигании угля и нефти, которые почти всегда содержат серу. Значит, любая капля влаги — росы, дождя, тумана — превращается в раствор, пусть слабенький, угольной, азотной, а часто и сернистой кислот, различных солей. Так что, как видите, мы буквально окружены электролитом. Вот почему в сухом воздухе железо не ржавеет, а чуть только влажность повышается, то приходится ломать голову, как уберечь металл от гибели.
В самом деле — как? Вам уже, очевидно, пришло в голову наиболее простое средство: избегать соединений разных металлов, особенно в конструкциях, которые должны работать в электролитической среде, например в морской воде. Но, прежде чем инженеры до этого додумались, произошло немало смешных, а порой и трагических случаев.
В начале нашего века из нью-йоркского порта вышла в открытый океан красавица яхта. Ее владелец, американский миллионер, не пожалел денег, чтобы «удивить» свет: корпус яхты был сделан из очень дорогого в то время алюминия, листы которого скреплялись медными заклепками. Это было так красиво: сверкающий серебристым блеском корабль, усеянный золотистыми головками заклепок! Однако недолго наслаждался владелец новой яхты. Через несколько дней, когда в океане поднялось легкое волнение, обшивка корпуса вдруг начала расходиться, и яхта быстро пошла ко дну. Команда едва успела спустить на воду шлюпки, которые... также были из алюминия с медью. К счастью, незадачливых мореплавателей подобрало проходившее мимо судно.
Вам, разумеется, ясно, что произошло. Каждая медная заклепка в морской воде образовала с алюминием гальваническую пару. Алюминий — более активный металл, чем медь, поэтому он разрушался, пока в конце концов вокруг каждой заклепки не образовалась дыра...
Примечательно, что эта история не единична. Пока ученые не раскрыли механизм коррозии, погибло или быстро пришло в негодность немало судов, не говоря уже о «сухопутных» механизмах. Да и в наше время инженеры далеко не всегда учитывают электролитические процессы, возникающие при соприкосновении различных металлов и строят машины, механизмы и сооружения, где свариваются, скрепляются, спаиваются между собой два, три, а то и более металлов. Впрочем, сейчас это не так страшно: с коррозией научились бороться достаточно широко. Применяют и старинные способы, и самые новые.
Наиболее часто применяемый способ — защита поверхности металла слоем непроницаемого для воздуха и воды покрытия. Для этого уже в глубокой древности железные изделия золотили, серебрили, покрывали цинком, оловом или просто окрашивали красками. Применяют эти способы и сейчас. Так, консервные банки покрывают оловом: оно не разъедается органическими кислотами, которые всегда есть в консервах, и совершенно безвредно для здоровья. Автомобильные кузова окрашиваются специальными лаками, которые не только защищают от коррозии, но и придают автомобилям нарядный вид. Декоративные же части машин (бамперы, решетки, дверные ручки и прочее) хромируют или никелируют: осаждают на поверхности железа тонкий слой нержавеющих металлов — хрома или никеля. Но эти металлы действуют не только «снаружи». Если ввести их в жидкую сталь, она становится нержавеющей и может сохраняться сотни лет. Именно из хромоникелевой стали изготовлена всем известная скульптура Мухиной «Рабочий и колхозница», возвышающаяся возле ВДНХ СССР.
Однако нержавеющие стали обходятся дорого, и изготовлять из них простые, или, как говорят машиностроители, неответственные изделия — нерационально. А защита металлов от коррозии с помощью красок и лаков также в ряде случаев себя не оправдывает. В самом деле, достаточно поцарапать лак на кузове автомобиля, и в этом месте сталь начинает ржаветь. И если вовремя этого не заметить, ржавчина проест металл насквозь. Так оно, кстати, и бывает сплошь да рядом; и не только с автомобилями, но и с множеством других металлических изделий. Так что дешевое на первый взгляд окрашивание металла оборачивается большими убытками народному хозяйству. Что же делать?
А нельзя ли найти вещества, которые замедляют химические реакции, приводящие к коррозии? Такой вопрос задали себе ученые-металловеды и, представьте, нашли эти вещества. Они называются ингибиторами (от латинского слова «ингибире» — тормозить, задерживать). Хорошо задерживает ржавление, например, хромат калия. Но самым сильным ингибитором оказался технеций.
История этого металла заслуживает того, чтобы о ней рассказать подробно. Еще в 1870 году Д. И. Менделеев предсказал его существование. Однако долгие поиски ни к чему не привели: технеция на Земле уже не было. Дело в том, что этот металл радиоактивен и давным-давно успел полностью распасться. И только в 1937 году ученые создали его заново в атомном реакторе. Он и название свое получил из-за того, что был создан техническим путем. Сейчас основная «профессия» технеция — борьба с коррозией железных изделий. Совсем небольшое количество его вводят в жидкую сталь — и изделия из нее ржавеют в десятки раз медленнее обычных.
Самое интересное то, что никто не знает, как действуют ингибиторы, почему они задерживают ржавление. Не исключено, что, выяснив механизм этого процесса, мы сможем навсегда избавиться от коррозии — самого страшного врага металлов.
А пока ученые придумывают все новые и новые способы борьбы с этим врагом. Вот, например, очень интересный способ — защита с помощью протектора. Это опять-таки латинское слово, означающее «покровитель». Чтобы понять сущность этого способа, вспомним снова наш гальванический элемент. В нем разрушался только цинк, как более активный металл. Но если бы мы опустили в электролит рядом с цинковой пластинкой еще одну, из более активного металла, например из алюминия, то цинк оставался бы нетронутым. Разрушался бы только алюминий.
Вот это и есть протекторная защита — поместить рядом с основным металлом другой, более активный. Так, например, защищают эстакады морских нефтепромыслов, газо- и нефтепроводы и многое другое. Причем большого количества протектора вовсе не требуется. Достаточно разместить его около железа совсем немного, и железо будет в безопасности, пока протектор полностью не разрушится.
Определенные успехи в борьбе с коррозией есть, только этот коварный враг так просто не сдается. Несколько лет назад выяснилась новая опасность: микробиологическая коррозия. Оказалось, что некоторые микроорганизмы выделяют вещества, которые способны разъедать многие металлы. Да еще как разъедать! Из общего количества металлов, гибнущих от различных видов коррозии, 25 процентов приходится на долю коррозии микробиологической. Правда, распространена она неравномерно — в основном в странах с жарким и влажным климатом. Но уж там-то микробы «едят» вовсю! Недаром для этих стран многие изделия изготавливаются в специальном тропическом исполнении.
А недавно японские ученые сообщили, что микроорганизмы поселяются даже в теплоотводящих трубах ядерных реакторов. Радиоактивные излучения им не страшны, а в теплых влажных трубах они отлично размножаются, благо «пища», что называется, под рукой.
Как видите, от микробов страдают не только живые существа, но даже и металлы!
Борьба с коррозией — одна из важнейших задач науки о металлах. Многое пока в этой болезни металлов неясно, поэтому «лекарства» приходится искать чуть ли не ощупью, каждое вырывать у природы в упорной борьбе. Но с каждым новым опытом чуть-чуть расширяются горизонты познанного, еще одна крупица знания ложится в копилку. И придет день, когда человек навсегда прогонит эту страшную эпидемию, как прогнал он многие человеческие болезни.
