Дмитрий Калюжный - Другая история науки. От Аристотеля до Ньютона
Ртуть = Hg
Документальные сведения о знакомстве древних с ртутью относятся ко времени возникновения Византии. В Лейденском и Стокгольмском папирусах описано применение ртути в различных целях в частности, для изготовления амальгам, подцвечивания металлов, ртутного золочения.
Почему же ртуть была открыта позже свинца и олова? Дело в том, что в обычных условиях ртуть – жидкость, а человеку прежде всего нужны были твердые металлы, из которых можно сделать какую-нибудь полезную вещь. Кроме того, в отличие от свинца и олова, точки кипения которых соответственно 1740 и 2270 °C, ртуть кипит уже при 357 °C. Следовательно, при случайном восстановлении из природных соединений она чаще всего незаметно улетучивалась. А в самородном виде ртуть встречается чрезвычайно редко.
А как она могла быть открыта? Сульфид ртути – киноварь, всем хорошо известная красная краска. В Египте и Греции ее называли хюдор скифакон – скифская вода. По аналогии с ал купрумом, металлом с Кипра, скифская вода – это вода из Скифии. Конечно, скифы привозили не жидкую ртуть, а только киноварь. А брали они ее в одном из крупнейших в Европе месторождений, оно известно сейчас как Никитовское и находится около Артемовска в Донбассе. На глубине 20 метров от поверхности там найдены ходы, проделанные людьми, единственным орудием производства которых были молоты из камня, и такие молоты обнаружены в древних забоях. Так что добыча киновари была актуальной уже в каменном веке.
Получение ртути из киновари описано Теофрастом, как полагают, в IV веке до н. э.: оказывается, ртуть можно получить, растирая киноварь с уксусом медным пестом в медной ступе.
Превращению эпизодических встреч с ртутью в постоянное знакомство с ней способствовало широкое распространение купелирования. Зная, что расплавленным свинцом можно извлекать и концентрировать золото, как было не испробовать, не обладает ли таким же свойством жидкий металл из киновари? Оказалось – обладает. Впрочем, в силу редкости киновари, а значит и ртути, ртутное амальгамирование золота сначала использовали лишь для повторного извлечения металла.
Олово и оловянная бронза = Sn
Оловянная бронза, то есть медь, в которой основным легирующим элементом было олово, постепенно стала вытеснять медно-мышьяковые сплавы. Появление оловянной бронзы ознаменовало начало новой эпохи в истории человечества, которая определена как бронзовый век. Медно-оловянные предметы находят в памятниках бронзового века на огромном пространстве всего Старого света.
Присадка олова к меди, начиная с минимальных долей процента, улучшает ее литейные качества, но изменяет пластичность сплава. Бронзы, содержащие до 5 % олова, допускают ковку и волочение вхолодную, при большем же содержании олова такая обработка возможна только вгорячую. С повышением содержания олова хрупкость бронзы увеличивается; бронзы, содержащие до 30 % олова, дробятся под молотком.
Небольшая добавка олова к меди незначительно понижает ее точку плавления, например медь с 5 % олова плавится при 1050 °C, с 10 % – при 1005 °C, с 15 % – при 960 °C. В древности из-за дороговизны олова, которое в большинстве стран было привозным и доставлялось нерегулярно, плавильщики заменяли его полностью или частично другими легирующими металлами: мышьяком, сурьмой, свинцом, никелем, а позднее и цинком. Поэтому состав древних оловянных бронз разнороден. Повышенные примеси металлов, кроме олова, объясняются также химическим составом медных руд, использованных плавильщиками, и в некоторых случаях переплавкой с медью лома бронзовых изделий.
Однако распространение оловянной бронзы ставит немало проблем. Неизвестно происхождение олова – как входившего в состав древней бронзы, так и использовавшегося самостоятельно. Последовательность открытия оловянной бронзы и олова также остается пока невыясненной. Можно было бы предположить, что до получения оловянной бронзы человек научился выплавлять олово из его руды, касситерита (SnO2), тем более, что процесс выплавки не представлял трудностей, ведь температура плавления олова лишь 232 °C. Однако повсюду оловянные предметы появились либо одновременно с бронзовыми, либо позднее их.
В Европе медного века фактически не было – изделия из меди встречаются редко, однако изделия из бронзы появляются здесь внезапно и распространяются повсеместно. Это необъяснимо, как и то, что даже первые бронзовые изделия показывают высокое мастерство их создателей, возникшее без предварительных этапов. И в Юго-Восточной Азии искусство отливки появляется внезапно, словно занесенное извне.
Не говорят ли эти сообщения о том, что люди не всегда учились искусству выплавки и обработки металлов, а получали его в готовом виде? Так, искусство бронзы могло быть отработано в Египте и отсюда попало к народам всего мира. Точно так же произошло и с железом, но в этом случае, наоборот, оно было «занесено» в Египет.
Это подтверждает и поразительное сходство различных предметов, оружия из бронзы, обнаруженных археологами на территории всей Европы. Изделия до такой степени похожи друг на друга, что закрадывается подозрение, будто все они изготовлены в одной мастерской.
Сама выплавка олова из его природной двуокиси (касситерита) с древесным углем довольно проста, и выплавленный металл может быть добавлен к меди для получения бронзы. Другой вариант возможного получения бронзы – совместная плавка медных руд, предварительно смешанных с касситеритом (чистый касситерит содержит почти 80 % Sn). Следует, однако, учитывать, что совместная выплавка меди и олова в больших масштабах требовала доставки оловянных руд к местам, где находились источники меди. То есть это стало возможным только после развития средств передвижения.
Многие соображения относительно возможных источников олова в древности зачастую исходят из ошибочных и путаных сведений об олове в трудах древних и средневековых авторов. Месторождения олова по сравнению с другими металлами очень редки. Хоть и предполагалось, что установление источников олова в регионах, где расцветала металлургия, не представит затруднений, на самом деле эта проблема остается нерешенной до сих пор.
Источники олова искали в тех районах, где обнаружено много древних медно-оловянных предметов, например в Иране и на Кавказе. Однако, судя по современным геологическим исследованиям, в Иране месторождения оловянных руд отсутствуют. Металлогеническими и геохимическими методами была также установлена невероятность залегания в пределах Кавказа промышленных оловянных руд, как по запасам, так и по содержанию олова. На письменные сообщения разных авторов рассчитывать нельзя, так как свинец и олово не различали до позднего Средневековья.
Большинство известных в мире месторождений касситерита находится в Малайзии, Индонезии, Китае, Боливии, на Британских островах (на Корнуэлле), в Саксонии, Богемии, Нигерии. При этом довольно часто отмечается Богемия как один из центров снабжения оловом бронзовой металлургии. Но месторождения олова там слишком глубоко залегают в гранитах, вряд ли они были доступны древнему рудокопу.
Есть еще одна загадка. Во многих европейских языках нет различия между свинцом и оловом. По-польски олув – это свинец. И по-литовски и на языке пруссов свинец тоже называли оловом – алвас, алвис. Вся средневековая Европа путала свинец и олово, вернее и то и другое считали свинцом, только олово – белым свинцом (плюмбум альбум), а свинец – черным свинцом (плюмбум нигрум). Но для изготовления оловянной бронзы надо уметь их различать. Это еще одно указание на привнесенность бронзы в Европу.
Железо = Fe
Золото, серебро, медь удавалось расплавить уже в первых гончарных горнах, а железо – нет: температура его плавления 1539 °C, а горн с мехами давал не более 1100 °C. Возможность же расплавить металл означала замену тяжелой и трудоемкой ковки гораздо более производительным литьем, позволяла легко и быстро изготовлять инструменты и оружие любой формы.
Как и в отношении ряда других металлов, освоение человечеством железа могло идти (и шло) двумя путями: использование природного металлического железа и химическое превращение железной руды. Природное металлическое железо встречается на поверхности Земли как самородное и как метеоритное. Самородное можно найти в виде мелких листочков и чешуек, вкрапленных в горные породы, в частности в базальты. Нередко оно образует также кусочки, а иногда и сплошные массы довольно значительных размеров. В частности, описаны железобазальтовые монолиты в сотни тонн.
Самородное железо всегда содержит заметные количества никеля. Различают два типа такого железа: аварит (содержание никеля до 2,8 %) и джозефинит (50 % и более никеля). Самородное железо ковко и тягуче, так что в принципе оно могло бы быть использовано человеком, если бы не исключительно редкие находки его масс, доступных механическому ручному переделу.
