Занимательно о железе

В земле

Относительно происхождения планеты Земля высказываются различные гипотезы, согласно которым первоначально химические элементы были распределены в массе Земли более или менее равномерно. В ходе длительного и постепенного развития, связанного с изменением температурных условий на Земле, произошло перераспределение химических элементов.

Химическим составом Земли, законами распространенности и распределения в ней химических элементов, способов сочетания и миграции атомов в ходе природных процессов занимается геохимия. О строении, составе и свойствах Земли имеются лишь предположительные сведения, так как непосредственному наблюдателю доступна лишь самая верхняя часть земной коры.

Достижения науки еще в XVII–XVIII веках позволили с помощью сейсмических методов определить массу и среднюю плотность Земли: 5,5 г/см³. Однако плотность наиболее тяжелых пород на поверхности Земли не превышает 3,3 г/см³, поэтому возникло предположение, что плотность Земли повышается при увеличении глубины.

Находки железных метеоритов и популярные в прошлом теории о происхождении Земли из горячего вещества Солнца привели многих ученых к мысли о концентрации железа в центре Земли. Высказывания французского геолога Дебре (1866 год) о железном ядре Земли вскоре получили поддержку специалистов по изучению колебаний земной коры — сейсмологов.

Гипотеза о железном ядре Земли была развита в начале XX века в трудах немецкого сейсмолога Вихерта. По его мнению, существование железного ядра позволяет объяснить тот факт, что средняя плотность Земли 5,5 г/см³ больше средней плотности горных пород, встречающихся у земной поверхности (2,8 г/см³). Это представление подтверждается большим содержанием металлического железа в метеоритах. Из этой гипотезы следует, что внутреннее ядро Земли состоит из затвердевшего железа вследствие роста давления при сравнительно меньшем градиенте температуры в ядре.

Если предположить, что поверхность внутреннего ядра разделяет твердое и расплавленное железо, то современные данные о фазовой диаграмме железа при высоких давлениях позволяют узнать температуру внутри ядра, что очень важно для изучения распределения температур в недрах Земли. Эксперименты с ударным сжатием железоникелевого сплава подтвердили вывод теории конечных деформаций о том, что плотность чистого железа при давлениях, соответствующих земному ядру, приблизительно на 8% больше плотности ядра. Почти наверняка в ядре в качестве примеси присутствует металлический никель. Но его добавление не понижает плотность [1] .

1

Стейси Ф. Физика Земли. М.: Мир, 1972, с. 120.

Австралийский исследователь в области физики твердой Земли Стейси считает, что средняя плотность Земли и внутреннее ее строение, по данным сейсмологии, хорошо согласуются с допущением, что Земля обладает жидким железным ядром с плотностью при нулевом давлении 7 г/см³, окруженным твердой мантией из силикатов с плотностью 3,3 г/см³.

Подтверждением этому может служить находка казахстанских геологов — обломков темной породы, найденных на земной поверхности. После комплексного исследования находки геологи пришли к выводу, что эти куски породы находились в очень давние времена глубоко в недрах планеты. Образцы резко отличаются от окружающих горных пород. В них, например, выявлено повышенное содержание железа, магния, кальция, хрома, титана.

Ученые Академии наук Казахской ССР полагают, что более 1 миллиарда лет назад эта порода являлась частью древних геологических образований. Она претерпела глубокие изменения под действием огромного давления, превышающего 1000 МПа, и высоких температур: 600–750°С.

Почему уникальные обломки оказались на земной поверхности? Ответ дает характер геологического строения районов, где они найдены. В тех местах расположены очень давние разломы земной коры, достигающие верхней мантии. В процессе бурного тектонического движения блоков земной коры и были вынесены к поверхности горные породы, залегавшие на глубине в десятки километров.

По современным представлениям, в 16-километровой толще земной коры содержится 4,5% железа. В следующем слое, лежащем под земной корой, железа находится втрое больше; центр земного шара состоит из железа с примесью никеля и кобальта. В среднем же земной шар состоит на 34,6% из железа. В составе Земли железо преобладает как по массе, так и по числу атомов. Оно является важнейшей составляющей частью в строении нашей планеты.

Использовав поверхностные скопления минерального сырья, человек вынужден будет обратить внимание на сырье, более бедное по содержанию железа. Уже теперь приходится иметь дело с месторождениями, расположенными в тяжелых горно-геологических условиях.

В наше время используются традиционные способы добычи руды — подземные или открытые. При такой добыче, по данным академика Н.В. Мельникова, теряется до 25% сырья.

В этих условиях особую практическую ценность имеют предлагаемые химиками способы прямого извлечения металлов из руд на месте их залегания под землей. Металлы и другие вещества, которые собираются извлечь из руд, переводятся под землей в химический раствор, в жидкое или газообразное состояние. Предлагается это делать с помощью выщелачивания, растворения, расплавления, возгонки. Образующиеся в результате этих процессов так называемые продуктивные растворы извлекаются на поверхность и перерабатываются.

Геотехнология, или бесшахтные методы добычи некоторых полезных ископаемых, уже используются в нескольких странах: химические, физико-химические, биохимические, микробиологические методы добычи полезных ископаемых на месте их залегания. СССР является родиной технологии почти всех способов бесшахтной добычи минерального сырья.

Известно, что железо есть не только в руде. Окислы его — важнейшая составная часть многих минералов, образующих земную кору. Железо входит в состав не менее трехсот минералов. В перспективе по мере использования более бедных руд придется, очевидно, обратить внимание на такие горные породы, как базальт, гнейс, сиенит, диабаз, которые содержат до 12% железа. Когда развитие техники позволит осуществить комплексную переработку горных пород с полным извлечением всех или большинства металлов, тогда процессы полиметаллургии станут экономически выгодны.

Посмотрите, что содержится в базальте: 10–15% оксида и диоксида железа, 42–52% оксида кремния, 6–20% оксида магния, 10–12% оксида алюминия, 1–3% оксида титана. А если их извлечение сочетать с производством каменного литья и получение сталебазальта?

Академик Д.И. Щербаков считал, что, когда на Земле будут исчерпаны запасы железных руд, наступит век базальтовой металлургии.

В космосе

Немецкие ученые Бунзен и Кирхгоф методом спектрального анализа с расстояния в несколько километров определили химический состав праздничного фейерверка. Этот метод был использован и для исследования космоса: в 1859–1860 годах по линиям спектра в атмосфере Солнца обнаружили содержание нескольких элементов — натрия, кальция, магния и других.

Уже в первые годы развития спектроскопии ученые сопоставили теоретические сведения о химическом составе небесных тел с анализом метеоритов — этих единственных в те времена образцов космического вещества на Земле. Исследование метеоритов значительно обогатило наши представления о телах космического происхождения.

Сейчас во всем мире зарегистрировано свыше 2 тысяч метеоритов, в коллекции АН СССР находится около 400 отечественных и зарубежных метеоритов.

Все метеориты подразделяются на три основных класса: железные, железокаменные и каменные. В среднем из 16 упавших метеоритов один железный. Железный метеорит содержит 91% железа, до 8,5% никеля и другие элементы. Метеориты двух следующих классов имеют от 1 до 50% железа. Масса метеоритов от долей граммов до десятков тонн.