Химия навсегда. О гороховом супе, опасности утреннего кофе и пробе мистера Марша

Чистое металлическое железо – не слишком полезный материал. Этот относительно мягкий металл быстро ржавеет. Но, смешав его с небольшим количеством углерода, вы получите сталь – материал, который физически изменил наш мир во многих отношениях: от небоскребов и мостов до скальпеля и бурильных установок[60]. Открытие стали – одно из чудесных природных совпадений. Для того чтобы получить железо из железной руды, первые металлурги использовали углеродсодержащие материалы в форме дров, а когда процесс был усовершенствован, дерево заменил уголь, и все это привело к тому, что небольшое количество углерода попадало в железо, в результате чего получалась эта волшебная смесь.

Углеродсодержащий материал не только дает необходимый для плавления железа жар, но является также и ключевым для реакции ингредиентом. Из главы 2 мы узнали, что металлы в природе существуют главным образом в виде положительных ионов, которым нужны электроны, чтобы стать металлами. Урану требуется мощный восстановитель – металлический кальций; но, для того чтобы сделать металлическое железо из ионов Fe2+ или Fe3+, мы можем использовать углерод:

3C + 2Fe2O3 → 3CO2 +4Fe.

Здесь мы вычисляем степень окисления, пользуясь правилом, согласно которому кислород всегда имеет заряд –2, за исключением состояния простого вещества или когда он соединяется с фтором, и видим, что железо вступает в реакцию со степенью окисления +3, а углерод в итоге получает степень +4.

Приведенная выше реакция упрощена: в пылающей литейной печи множество реакций происходит одновременно, и железо выплавляется при помощи оксида углерода (I), СО, который образуется, когда значительный избыток углерода частично окисляется кислородом воздуха. Вот с этой реакцией, тоже записанной в упрощенной форме, вы, возможно, встречались в школьной программе:

3CO + Fe2O3 → 3CO2 + 2Fe.

Когда железо плавится, оно растворяет некоторое количество углерода, а поскольку атомы углерода меньше, чем атомы железа (их размеры соотносятся примерно как бильярдный шар и мяч для гольфа[61]), они не полностью разрушают атомную структуру железа. Вместо этого, когда сплав железа с углеродом остывает и начинает твердеть, маленькие атомы углерода внедряются между атомами железа, в результате чего материал становится более жестким, но при этом более хрупким.

Можно представить это следующим образом. Без углерода у атомов железа больше свободы движения, что делает материал крепким, поскольку примененная к нему сила встречается с микроскопическими движениями атомов. Когда пустые места заняты атомами углерода, возникает гораздо большее количество взаимодействий между атомами, некоторые из которых находятся на грани обычных химических связей, и это делает материал гораздо более жестким, но в то же время более хрупким, поскольку у атомов остается меньше возможностей перемещаться так, чтобы противостоять внешнему воздействию. Или же вы можете представить себе, что в чистом металле атомы вставлены в плотное желе из электронов; когда мы добавляем туда атомы углерода, это желе частично замещается шаростержневыми соединениями между атомами углерода и железа – такие связи крепкие, но, если их разорвать, они не восстановятся.