Металлы в жизни человека

Роль металлов в развитии и становлении технической культуры человечества исключительно велика. Твердость, пластичность, ковкость, сделали их незаменимым материалом для изготовления орудий труда и производства. Исторически сложившиеся названия <<бронзовый век>>, <<железный век>> говорят о сильном влиянии металлов и их сплавов на все направления развития производства. Позже были открыты электрические и магнитные свойства металлов и наступил <<век электричества>>, а затем - <<век электроники>>. Близкие перспективы электроники - это полная автоматизация производства, создание <<мыслящих>> машин, роботов, успешное завоевание космоса.

В нашей повседневной практике мы ежеминутно встречаемся с металлами. Мы нажимаем кнопку выключателя, и электроны начинают бег по металлическим проводникам, попадая в металлические детали лампочки, или плитки, или электромотора. Электроны пришли в движение потому, что где-то на электростанции работает генератор, в котором металлический ротор вращается в магнитном поле, усиленном за счет удивительных свойств металла - железа. Выглянув на улицу, мы видим сотни автомашин, каждая из которых сделана из металла. Мы видим стальные мосты, стальные рельсы, мачты электропередач, трамваи и, наконец, самолеты, в конструкциях которых использованы алюминий, железо, медь, хром, ванадий и титан. Везде металлы!

Ну а в нас самих содержатся ли они? Есть ли металлы в клетках растений, животных, человека? Конечно, речь идет не о металлах в свободном состоянии, но ведь металлы легко переходят в ионное состояние, образуя соли. Есть ли они в клетках? Если да, то зачем и что они там делают? Случайные ли это примеси или необходимые составные части живого вещества?

В этом проекте мы попробуем ответить на поставленные вопросы. Бионеорганическая химия, к области которой они относятся, - молодая наука. Она еще далеко не все знает о биологической роли металлов. Но все-таки знает многое. Но как раз потому, что наука эта молода, перед ней открываются неизведанные просторы, на которых можно сделать открытия. Может быть, прославиться, но самое главное - принести пользу своей стране.

Металлы и их сплавы - одни из главных конструкционных материалов современной цивилизации. Это определяется прежде всего их высокой прочностью, однородностью и непроницаемостью для жидкостей и газов. Кроме того, меняя рецептуру сплавов, можно менять их свойства в очень широких пределах.

Электротехнические материалы

Металлы используются как в качестве хороших проводников электричества (медь, алюминий), так и в качестве материалов с повышенным сопротивлением для резисторов и электронагревательных элементов (нихром и т. п. ).

Инструментальные материалы

Металлы и их сплавы широко применяются для изготовления инструментов (их рабочей части). В основном это инструментальные стали и твёрдые сплавы. В качестве инструментальных материалов применяются также алмаз, нитрид бора, керамика.

Развитие магнитного материаловедения

В глубокой древности, более двух тысяч лет назад, греки и китайцы знали о свойстве магнитного железняка (горной породы магнетита) притягивать железные предметы. Древние люди знали также о том, что намагниченный стерженек магнетита, подвешенный на нити (прообраз компаса), ориентируется по меридиану, т. е. в направлении север - юг. Применение магнитного компаса в кораблевождении сыграло большую роль в открытии новых земель и стран и, в частности, 500 лет назад в открытии Колумбом Америки.

Однако большое значение магнитных материалов для технического прогресса человечество ощутило только в середине XIX века после открытия Фарадеем закона электромагнитной индукции, когда стало возможным конструирование и производство электрогенераторов, моторов, трансформаторов и других аппаратов и приборов для электротехники и техники средств связи.

Важной деталью всех перечисленных машин и аппаратов является магнитный сердечник - концентратор магнитного потока. Долгое время в качестве сердечника служило "мягкое" железо, несколько позднее стали применять сплавы никель-железо, так называемые пермаллои (от англ. alloy - сплав), обладающие лучшими магнитными параметрами.

Кроме "мягких" магнитных материалов, производились "магнитожесткие" магнитные материалы для изготовления постоянных магнитов (автономных источников магнитного поля, не требующих электроэнергии). Эти постоянные магниты применяли в электроизмерительных приборах и других аппаратах. Для изготовления постоянных магнитов долгое время использовали углеродистое железо и железокобальтовые сплавы.

В наше время трудно назвать какую-либо отрасль техники, в которой в той или иной форме не применялись бы магнитные материалы. Развитие радио- и электротехники, ядерной и космической техники требует магнитных материалов с совершенно новыми свойствами. Поэтому неудивительно, что в разных странах мира, в том числе и в России, интенсивно ведутся экспериментальные и теоретические исследования по физике магнитоупорядоченных веществ (ферромагнитных и ферримагнитных), на базе которых создаются новые, более совершенные магнитные материалы.

Основа современного магнитного материаловедения - по-прежнему металлы группы железа (Fe, Ni, Co); из них изготовляют различные металлические и диэлектрические оксиды (соединения Fe и других металлов с кислородом, называемые ферритами) магнитные материалы. Задача физики магнетизма - разработать пути дальнейшего изыскания новых магнитных материалов и усовершенствование уже применяемых. Однако эту задачу невозможно решить на основе использования только металлов группы железа.

В 60-е годы наметилась тенденция создания магнитных материалов на основе металлов, входящих в группу лантаноидов: Gd, Tb, Dy , Ho, Er , Sm, Eu и других, обычно называемых редкоземельными. Редкоземельными они называются потому, что рассеяны в земной коре и нужна специальная технология извлечения их из породы. Раньше практически не было возможности исследовать их магнитные свойства. Ситуация резко изменилась в послевоенные годы, когда для выделения редкоземельных элементов из породы стало возможным использование технологии, разработанной для разделения изотопов урана и применяемой в атомной промышленности. Стоимость редкоземельных металлов резко снизилась, и начались интенсивные работы по исследованию их магнитных свойств. Главным условием успеха стало то, что были разработаны методы выращивания монокристаллов этих металлов достаточно больших размеров. Именно монокристаллы стали использовать для того, чтобы определить основные магнитные константы, на основе которых можно оценить возможности тех или иных редкоземельных металлов и их сплавов в качестве магнитных материалов для применения в технике. В результате проведенных исследовательских работ за рубежом и в нашей стране были найдены редкоземельные материалы, обладающие огромной магнитной энергией, пригодные для изготовления очень мощных постоянных магнитов, сплавов и соединений, имеющих высокие ("гигантские") магнитострикции, т. е. изменяющие свои размеры при намагничивании (от латин. strictio - сжатие, натягивание) и др. Все эти материалы представляют большой интерес для современной техники.

Прежде чем рассказать о редкоземельных магнитных материалах и их свойствах, необходимо объяснить, в чем заключается явление магнитного упорядочения и какими величинами оно характеризуется.

Некоторые сведения из физики магнитоупорядоченных веществ

Магнетизм таких веществ определяется магнитными свойствами атомов так называемых переходных элементов, входящих в эти вещества. Переходными они называются потому, что в их атомах некоторые из электронных оболочек (d- и f-оболочки) не полностью "заселены" электронами; как мы увидим дальше, в этом и состоит причина сильного магнетизма подобных атомов.

Магнетизм атома характеризуют магнитным моментом Мат, который создается электронами атома. Электроны участвуют в создании Мат двояко. Во-первых, каждый электрон, вращаясь вокруг ядра, образует микроскопический замкнутый ток, который обладает магнитным моментом; величина его равна произведению указанного микроскопического тока на площадь орбиты электрона. Этот магнитный момент называется орбитальным, обозначается Морб и изображается в виде вектора, направленного перпендикулярно площади орбиты. Во-вторых, каждый электрон обладает своеобразным собственным моментом (согласно выводам квантовой механики), его называют спиновым и обозначают Мсп. В одноэлектронном атоме Морб и Мсп после векторного сложения дают атомный магнитный момент Мат.

В многоэлектронном атоме дело обстоит сложнее. Электронный остов атома состоит из оболочек, которые обозначаются символами s, p, d и f. В первой из них, ближайшей к атомному ядру s-оболочке, содержится два электрона со спинами, направленными антипараллельно, во второй, р-оболочке, шесть электронов со спинами. В результате в s- и р-оболочках возникает компенсация электронных спиновых моментов и они не имеют магнитного момента. (Сказанное можно отнести и к орбитальным магнитным моментам: они компенсируют друг друга. ) В следующих, более удаленных от ядра d- и f-оболочках при полном заполнении электронами должно содержаться соответственно 10 и 14 электронов. Но, оказывается, эти оболочки, как правило, полностью не заполняются. Видно, что в d-оболочке до полного заполнения не хватает двух электронов, а в f-оболочке - пяти электронов. Поэтому в атомах с незаполненными d- и f-оболочками возникают значительные по величине Мат. Как следует, наибольший спиновый магнитный момент d-оболочки возникает тогда, когда все пять электронов имеют Мсп , направленные в одну сторону, а противоположных им по направлению магнитных моментов нет. В f-оболочках однонаправленных Мсп имеется семь. Отсюда ясно, что атомы с незаполненной f-оболочкой могут обладать большим магнетизмом, чем атомы с незаполненной d-оболочкой, так как в первых "однонаправленных" спиновых моментов - семь, а во вторых - пять. Элементы, имеющие атомы с незаполненной f-оболочкой, - это редкоземельные элементы, главными представителями которых являются неодим (Nd), самарий (Sm), европий (Eu), гадолиний (Gd), тербий (Tb), диспрозий (Dy), гольмий (Ho), тулий (Tm).

До сих пор мы рассматривали магнитные свойства атомов с незаполненными d- и f-оболочками вне кристаллической решетки. При "помещении" в кристаллическую решетку их магнитные свойства, как правило, изменяются. Дело в том, что электрические поля кристалла, воздействуя на электронные орбиты, как бы закрепляют их, в результате орбитальный момент подавляется. Это явление принято называть "замораживанием" Морб ; оно очень характерно для атомов группы Fe, так что магнетизм кристаллов, в которые входят эти атомы, почти полностью обусловлен спиновыми магнитными моментами. Напротив, в кристаллах редкоземельных веществ "замораживание" Морб ничтожно мало и магнетизм обусловлен и спиновыми, и орбитальными моментами, т. е. магнетизм редкоземельных кристаллов сильнее, чем у тех, в которые входят атомы группы Fe. Причина того, что электрические поля в редкоземельных кристаллах мало влияют на Морб , состоит в том, что f-оболочка в редкоземельных атомах лежит в глубине атома, сверху лежат другие электронные оболочки, которые экранируют действие электрических полей на f-оболочку.

В очень большом числе кристаллов, содержащих атомы переходных элементов, возникает явление магнитного упорядочения - самопроизвольная ориентация атомных магнитных моментов Мат (самопроизвольная в том смысле, что эта ориентация происходит без участия внешнего магнитного поля Н, но под действием эффективного поля, создаваемого кристаллической решеткой). Если магнитные моменты Мат ориентируются параллельно друг другу, возникает ферромагнетизм; если они располагаются антипараллельно друг другу, то возникает антиферромагнетизм (коллинеарный - векторы, лежащие на одной прямой). Довольно часто наблюдается неколлинеарный антиферромагнетизм. В силу особых свойств симметрии кристаллов, в которых он возникает, моменты Мат повернуты на некоторый малый угол; такая структура должна давать малый магнитный момент - DМ. Это явление получило название "слабого" ферромагнетизма.

Данное явление возникает в так называемых редкоземельных ортоферритах - оксидах, имеющих формулу RFeO3 , где R - редкоземельный элемент. Есть редкоземельные оксиды, обладающие более сложной формулой R3Fe5O12 , называемые ферритами-гранатами, в которых возникает нескомпенсированный антиферромагнетизм, получивший название ферримагнетизм (от слова "феррит"). Кристаллическую решетку этих веществ (и антиферромагнетиков) можно представить как бы из двух вставленных друг в друга подрешеток 1 и 2. В подрешетку 1 входят атомы редкоземельных элементов, магнитные моменты Мат которых направлены вверх, а в подрешетке железа 2 моменты Мат направлены вниз, при этом, естественно, Мат редкоземельных и атомов железа различны. Это приводит к нескомпенсированному антиферромагнетизму (подрешетки 1 и 2 магнитно не гасят друг друга), т. е. к ферримагнетизму. Такое вещество имеет намагниченность, сравнимую с намагниченностью обычных ферромагнетиков. Намагниченность I - это магнитный момент образца М, отнесенный к его объему V, или, что то же, число однонаправленных моментов Мат в 1 см[3] образца. Намагниченность I и напряженность магнитного поля Н в настоящее время чаще всего измеряют в единицах гауссовой системы. В ней I измеряется в гауссах (Гс), а Н - в эрстедах (Э). В международной системе СИ I и Н измеряют в А/м.

Для ферромагнетиков характерна, как и для ферримагнетиков, нелинейная зависимость намагниченности I от магнитного поля Н (создаваемого соленоидом или электромагнитом), магнитный гистерезис - отставание изменения I от Н (от греч. hysteresis - запаздывание), возникающий при циклическом изменении Н. Характеристиками ферро- и ферримагнетика являются также: Is - намагниченность насыщения; она достигается в поле Нs , при котором ветвь кривой намагничивания приобретает горизонтальный ход, Ir - остаточная намагниченность, которая возникает в образце после выключения поля Н, и коэрцитивная сила Нc (от латин. coercitio - задерживание). Чем больше Нc , тем "прочнее" материал удерживает остаточную намагниченность.

Возникает вопрос: что это за эффективное поле в кристаллической решетке, которое приводит к явлению магнитного упорядочения? Это так называемое "обменное" поле. Оно возникает между соседними магнитными атомами в результате взаимодействия их d-электронов (в случае металлов и соединений группы Fe) и f-электронов (в случае редкоземельных веществ). Однако это не простое электростатическое (кулоновское) взаимодействие электронов; в механизме его принимают участие не только электрические заряды, но и спиновые моменты электронов. Это квантовое электростатическое взаимодействие. Обменным его назвали потому, что в процессе взаимодействия электроны соседних атомов как бы обмениваются местами. Величину обменной энергии данного ферро- или ферримагнетика можно оценить по величине температуры, при которой магнитное упорядочение разрушается тепловым движением. Эта температура называется точкой Кюри (TС) по имени французского ученого, открывшего ее.

Обменное взаимодействие существует и между электронами в d- и f-оболочках, т. е. внутри атома; в результате этого внутриатомного обменного взаимодействия спиновые магнитные моменты в этих оболочках ориентируются параллельно друг другу.

В кристалле магнитоупорядоченного вещества существует и магнитное взаимодействие; оно по величине обычно меньше обменного, но играет весьма существенную роль, так как обусловливает явление магнитной анизотропии, магнитострикции и разбиение ферро- и ферримагнетиков на магнитные домены (области с однонаправленным Мат). Все эти явления "участвуют" в формировании свойств технических магнитных материалов.

1. 6. Редкоземельные магнитные материалы и их применение

Ниже приведено несколько примеров эффективного использования магнитных редкоземельных металлов, их сплавов и оксидных соединений в технике.

1. Материалы с огромной магнитной энергией анизотропии для изготовления постоянных магнитов. Эти материалы обладают очень большой по сравнению с соответствующими материалами на основе группы Fe энергией магнитной анизотропии. Она состоит в том, что существует неравноценность энергии намагничивания по осям кристалла. Например, в гексагональном кристалле металла диспрозия Dy ось легкого намагничивания (вдоль которой энергия намагничивания мала) лежит в направлении, перпендикулярном к гексагональной оси с, а вдоль оси с кристалла намагничивание происходит с трудом; магнитное насыщение достигается при приложении большого поля Н (с - ось трудного намагничивания). Магнитоанизотропные свойства кристаллов характеризуются константой магнитной анизотропии К l , величина которой пропорциональна разности энергий намагничивания кристалла в направлении трудного и легкого намагничивания. Большие энергии магнитной анизотропии, свойственные редкоземельным веществам, играют решающую роль при создании материалов для постоянных магнитов. Соединения SmCo5 , NdCo5 благодаря высоким К l и Is при соответствующей технологической обработке позволяют получить рекордные для подобных материалов коэрцитивные силы (до 104 Э) и огромные магнитные энергии для постоянных магнитов (произведение НcIs ~ 106 Гс Э), что на два порядка больше, чем соответствующие энергии для магнитов из металлов группы Fe. Это, в свою очередь, дает возможность изготовлять магниты в несколько десятков раз сильнее, чем магниты на основе металлов группы Fe; они получили широкое применение там, где требуется создавать сильные магнитные поля при минимальном весе и габаритах: магниты для миниатюрных электромоторов, в магнитофокусирующих системах электронных микроскопов, в мощных электронных лампах магнетронах.

2. Материалы с высоким магнитным насыщением. Эти материалы необходимы для изготовления сердечников электромагнитов и других устройств для получения сильного магнитного поля. До сих пор для этой цели используются Fe и некоторые Fe-Co-сплавы, обладающие достаточно высокими намагниченностями насыщения Is. На основе редкоземельных элементов можно приготовить материал, у которого Is гораздо больше. Редкоземельные атомы имеют большие величины Мат. Причина - отсутствие "замораживания" орбитального момента в кристаллах, а также то, что в f-оболочках, ответственных в этих атомах за магнетизм, в создании Мат могут участвовать семь спиновых магнитных моментов, тогда как в атомах группы Fe таких моментов пять. Благодаря этому обстоятельству многие редкоземельные металлы (Gd, Dy , Tb, Er , Eu) имеют величины Is (при 0 К) более высокие, чем Fe и Fe-Co-сплавы. Например, Dy имеет величину Is в 1,7 раза большую, чем Is для Fe (для Dy при 0 К величина Is = 3000 Гс, тогда как для Fe она при той же температуре равна 1720 Гс). Однако использование таких металлов, как Dy , Ho, Er , в поликристаллическом состоянии практически невозможно, так как поле магнитного насыщения Hs для них необычайно велико (~ 106 Э). Причина этого - существование в них громадной энергии магнитной анизотропии.

Недавно был найден способ уменьшить энергию анизотропии путем сплавления Dy с Er или Ho с Er. Дело в том, что Er и Dy имеют разные знаки констант К l (в Dy К l положительна, в Er - отрицательна), поэтому в указанных сплавах происходит частичная компенсация сил магнитной анизотропии, тогда намагниченность Is достигается в приемлемых полях (Н = 5 " 104 Э). Такие сплавы применяются для изготовления сердечников сверхпроводящих электромагнитов.

Для ряда целей важно иметь материалы с высоким насыщением и одновременно обладающие диэлектрическими или полупроводниковыми свойствами (для снижения энергетических потерь на вихревые токи). Таким материалом может служить ферромагнитный оксид европия (EuO). Оказалось, что у него величина Is значительно выше, чем у ферритов, которые обычно используются для указанных целей.

Недостаток редкоземельных магнитных материалов с высоким магнитным насыщением - низкотемпературный интервал их применения, так как у них точки Кюри низки.

3. Материалы для создания эффективных запоминающих устройств ЭВМ. Возникновение доменов в магнитоупорядоченных веществах есть результат конкуренции энергии обменного и магнитного взаимодействий. Обменные силы стремятся удержать магнитные моменты атомов в параллельном положении, а магнитные - в антипараллельном. В результате этого ферро- и ферримагнетики разбиваются на малые области с определенными направлениями намагниченности. В тонких пластинках феррита-граната гадолиния Gd3Fe5O12 (с малыми добавками Ga и Al) существуют хорошие условия для возникновения очень маленьких (несколько микрон) магнитных доменов, называемых цилиндрическими или пузырьковыми. Домены при наложении локальных неоднородных магнитных полей, например, создаваемых маленькими магнитиками или маленькими проволочными витками с током, могут быстро в этой пластинке передвигаться. Это явление в настоящее время используется для создания нового типа элементов памяти в электронно-вычислительных машинах.

Недавно был обнаружен интересный факт: редкоземельные сплавы Gd-Fe и Tb-Fe (в виде напыленных пленок) представляют собой атомно-разупорядоченные структуры, т. е. они аморфны и в то же время в них сохраняется ферримагнитное упорядочение. Эти сплавы обладают, кроме того, большой магнитной анизотропией, такое сочетание свойств способствует образованию в них очень маленьких цилиндрических доменов. Аморфные редкоземельные ферримагнитные пленки удобно использовать для магнитооптической и магнитозвуковой записи, так как в них нет кристаллитных зерен и, следовательно, не происходят резкие перемещения доменной границы при намагничивании, поэтому соотношение между сигналом и шумом в них лучше, чем в поликристаллическом образце того же сплава.

4. Материалы с гигантской магнитострикцией. Магнитострикция - изменение длины образца магнитоупорядоченного вещества при его намагничивании - обычно оценивается безразмерной величиной: l = Dl / l, где l - длина образца, Dl - удлинение образца в магнитном поле. Магнитострикция в кристалле создает магнитоупругую (добавочную) анизотропию, которая (как и К l) оказывает сильное влияние на ход кривой намагничивания. Металлы Tb, Dy, Ho, Er и ферриты-гранаты этих металлов (например, Tb3Fe5O12) при низких температурах имеют необычайно высокие эффекты магнитострикции, на два - три порядка больше, чем магнитострикция в металлах, сплавах и ферритах группы Fe (при 100 К для Tb l = 5,3 " 10- 3, для Dy l = 8,0 " 10- 3, для Ni при той же температуре l = 4,0 " 10- 5). Установлено, что такие гигантские магнитострикции могут быть получены и при комнатных температурах путем использования ферримагнитных соединений: DyFe2 , HoFe2 , DyFe3 и др. Точки Кюри этих соединений, поскольку в них входят атомы Fe, выше комнатной температуры. При этом здесь, как и в случае редкоземельных материалов высокого магнитного насыщения, необходимо принять меры к снижению "вредного" влияния огромной магнитной анизотропии, т. е. уменьшить величину поля насыщения Нs. После решения этой задачи редкоземельные материалы будут перспективны для создания различных технических устройств, например для получения ультразвука большой мощности, конструирования приборов, позволяющих с помощью магнитного поля управлять различными контактными и автоматическими устройствами.

5. Прозрачные ферро- и ферримагнетики. Редкоземельные ортоферриты и ферриты-гранаты, а также соединения EuO, EuSe являются прозрачными магнитоупорядоченными веществами в видимой и в ближней инфракрасной областях спектра. Кроме того, редкоземельные ортоферриты имеют гигантские величины вращения плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея). Эти вещества - перспективные материалы для модуляторов света и других оптических устройств, в частности для управления лазерным лучом с помощью переменного магнитного поля.

Большая величина угла Фарадея у редкоземельных ортоферритов позволяет получать очень контрастные картины доменной структуры. Так, в пластинах ортоферрита тулия, вырезанных перпендикулярно оптической оси, наблюдается строго периодическая полосовая доменная структура. Она представляет собой дифракционную фазовую решетку для света. С помощью такой решетки можно наблюдать дифракцию луча лазера. Накладывая магнитное поле и изменяя температуру, можно уменьшать период доменной структуры и тем самым изменять положение дифракционных максимумов.

Смещение дифракционной картины под влиянием поля можно использовать для сканирования светового луча, в частности, в устройствах записи и считывания оптической информации.

2. Металлы в технике. Ракетные металлы

Благодаря таким свойствам, как прочность, твёрдость, пластичность, коррозионная стойкость, жаропрочность, высокая электрическая проводимость и многое др. , металлы играют громадную роль в современной технике, причём число металлов, находящих применение, постоянно растет. Характерно, что до начала 20 в. многие важнейшие металлы - Al, V, W, Mo, Ti, U, Zr и др. - либо не производились вообще, либо выпускались в очень ограниченных масштабах; такие металлы, как Be, Nb, Ta, начали сравнительно широко использоваться лишь накануне 2-й мировой войны 1939 - 45. В 70-х гг. 20 в. в промышленности применяются практически все металлы, встречающиеся в природе.

Все металлы и образованные из них сплавы делят на чёрные (к ним относят железо и сплавы на его основе; на их долю приходится около 95% производимой в мире металлопродукции) и цветные, или, точнее, нежелезные (все остальные металлы и сплавы). Большое число нежелезных металлов и широкий диапазон их свойств не позволяют классифицировать их по какому-либо единому признаку. В технике принята условная классификация, по которой эти металлы разделены на несколько групп по различным признакам (физическим и химическим свойствам, характеру залегания в земной коре), специфичным для той или иной группы: лёгкие металлы (например, Al, Mg), тяжёлые металлы (Cu, Pb и др. ), тугоплавкие металлы (W, Mo и др. ), благородные металлы (Au, Pt и др. ), рассеянные металлы (Ga, In, TI), редкоземельные металлы (Sc, Y, La и лантаноиды), радиоактивные металлы (Ra, U и др. ). Металлы, которые производят и используют в ограниченных масштабах, называются редкими металлами. К ним относят все рассеянные, редкоземельные и радиоактивные металлы, большую часть тугоплавких и некоторые лёгкие металлы.

Большая способность металлов к образованию многочисленных соединений разного типа, к различным фазовым превращениям создаёт благоприятные условия для получения разнообразных сплавов, характеризующихся требуемым сочетанием полезных свойств. Число используемых в технике сплавов превысило уже 10 тыс. Значение сплавов как конструкционных материалов, электротехнических материалов, материалов с особыми физическими свойствами непрерывно возрастает. В то же время в связи с развитием полупроводниковой и ядерной техники расширяется производство ряда особо чистых металлов (чистотой например, 99,9999% и выше).

Применение того или иного металла (или сплава) в значительной мере определяется практической ценностью его свойств; однако существенное значение имеют и др. обстоятельства, в первую очередь природные запасы металла, доступность и рентабельность его добычи. Из наиболее ценных и важных для современной техники металлов лишь немногие содержатся в земной коре в больших количествах: Al (8,8%), Fe (4,65%) Mg (2,1%), Ti (0,63%). Природные ресурсы ряда весьма важных металлов измеряются сотыми долями процента (например, Cu, Mn, Cr, V, Zr) и даже тысячными долями (например, Zn, Sn, Pb, Ni, Co, Nb). Некоторые ценные металлы присутствуют в земной коре в ещё меньших количествах. Так, содержание урана - важнейшего источника ядерной энергии - оценивается в 0,0003%, вольфрама, являющегося основой твёрдых сплавов, - 0,0001% и т. д. Особенно бедна природа благородными и т. н. редкими металлами.

Многообразие металлов предопределяет большое число способов их получения и обработки. Взаимосвязь состава, строения и свойств металлов и сплавов, а также закономерности их изменения в результате теплового, химического или механического воздействия изучает металловедение.

2. 1 Алюминий

"Крылатый металл", любимец авиаконструкторов. Чистый алюминий втрое легче стали, очень пластичен, но не очень прочен.

Чтобы он стал хорошим конструкционным материалом, из него приходится делать сплавы. Исторически первым был дуралюмин (дюралюминий, дюраль, как мы его чаще всего зовем) - такое имя дала сплаву немецкая фирма, впервые его предложившая в 1909 году (от названия города Дюрен). Этот сплав, кроме алюминия, содержит небольшие количества меди и марганца, резко повышающие его прочность и жесткость. Но есть у дюраля и недостатки: его нельзя сваривать и сложно штамповать (нужна термообработка). Полную прочность он набирает со временем, этот процесс назвали <<старением>>, а после термообработки состаривать сплав нужно заново. Поэтому детали из него соединяют клепкой и болтами.

В ракете он годится только на "сухие" отсеки - клепаная конструкция не гарантирует герметичности под давлением. Сплавы, содержащие магний (обычно не больше 6%), можно деформировать и сваривать. Именно их больше всего на ракете Р-7 межконтинентальная баллистическая ракета с отделяющейся головной частью массой 3 т и дальностью полёта 8 тыс. км. Она была первой в мире межконтинентальной баллистической ракетой) (в частности, из них изготовлены все баки).

В последней четверти XX века прогресс в металлургии привел к появлению алюминий-литиевых сплавов. Если до этого добавки в алюминий были направлены только на увеличение прочности, то литий позволял сделать сплав заметно более легким. Из алюминий-литиевого сплава был сделан бак для водорода ракеты "Энергия", из него же делают сейчас и баки "Шаттлов".

Наконец, самый экзотический материал на основе алюминия - боралюминиевый композит, где алюминию отведена та же роль, что и эпоксидной смоле в стеклопластике: он удерживает вместе высокопрочные волокна бора. Из него сделана ферма между баками последней модификации разгонного блока "ДМ-SL", задействованного в проекте "Морской старт".

2. 2 Железо

Незаменимый элемент любых инженерных конструкций. Железо в виде разнообразных высокопрочных нержавеющих сталей - второй по применению металл в ракетах.

Везде, где нагрузка не распределена по большой конструкции, а сосредоточена в точке или нескольких точках, сталь выигрывает у алюминия.

Сталь жестче - конструкция из стали, размеры которой не должны "плыть" под нагрузкой, получается почти всегда компактнее и иногда даже легче алюминиевой. Сталь гораздо лучше переносит вибрацию, более терпима к нагреву, сталь дешевле, за исключением самых экзотических сортов, сталь, в конце концов, нужна для стартового сооружения, без которого ракета - ну, сами понимаете.

Но и баки ракеты могут быть стальными. Первая американская межконтинентальная ракета Atlas использовала баки именно из тонкостенной нержавеющей стали. Для того чтобы стальная ракета выиграла у алюминиевой, многое пришлось радикально изменить. Толщина стенок баков у двигательного отсека достигала 1,27 миллиметра (1/20 дюйма), выше использовались более тонкие листы, и у самого верха керосинового бака толщина составляла всего 0,254 миллиметра (0,01 дюйма). А водородный разгонный блок Centaur, сделанный по такому же принципу, имеет стенку толщиной всего лишь с лезвие бритвы - 0,127 миллиметра!

Столь тонкая стенка сомнется даже под собственной тяжестью, поэтому форму она держит исключительно за счет внутреннего давления: с момента изготовления баки герметизируются, надуваются и хранятся при повышенном внутреннем давлении.

В процессе изготовления стенки подпираются специальными держателями изнутри. Самая сложная стадия этого процесса - приварка днища к цилиндрической части. Ее обязательно нужно было выполнить за один проход, в результате ее в течение шестнадцати часов делали несколько бригад сварщиков, по две пары каждая; бригады сменяли друг друга через четыре часа. При этом одна из двух пар работала внутри бака.

Нелегкая, что и говорить, работа. Но зато на этой ракете американец Джон Гленн впервые вышел на орбиту. Да и дальше у нее была славная и долгая история, а блок Centaur летает и по сей день. У "Фау-2", между прочим, корпус тоже был стальным - от стали полностью отказались только на ракете Р-5, там стальной корпус оказался ненужным благодаря отделяющейся головной части.

Какой же металл можно поставить на третье место "по ракетности"? Ответ может показаться очевидным. Титан? Оказывается, вовсе нет.

2. 3 Медь

Основной металл электро- и тепловой техники. Ну разве не странно? Довольно тяжелый, не слишком прочный, по сравнению со сталью - легкоплавкий, мягкий, по сравнению с алюминием - дорогой, но тем не менее незаменимый металл.

Все дело в чудовищной теплопроводности меди - она больше в десять раз по сравнению с дешевой сталью и в сорок раз по сравнению с дорогой нержавейкой. Алюминий тоже проигрывает меди по теплопроводности, а заодно и по температуре плавления. А нужна эта бешеная теплопроводность в самом сердце ракеты - в ее двигателе. Из меди делают внутреннюю стенку ракетного двигателя, ту, которая сдерживает трехтысячеградусный жар ракетного сердца. Чтобы стенка не расплавилась, ее делают составной - наружная, стальная, держит механические нагрузки, а внутренняя, медная, принимает на себя тепло.

В тоненьком зазоре между стенками идет поток горючего, направляющегося из бака в двигатель, и тут-то выясняется, что медь выигрывает у стали: дело в том, что температуры плавления отличаются на какую-то треть, а вот теплопроводность - в десятки раз. Так что стальная стенка прогорит раньше медной. Красивый "медный" цвет сопел двигателей Р-7 хорошо виден на всех фотографиях и в телерепортажах о вывозе ракет на старт.

В двигателях ракеты Р-7 внутренняя, "огневая", стенка сделана не из чистой меди, а из хромистой бронзы, содержащей всего 0,8% хрома. Это несколько снижает теплопроводность, но одновременно повышает максимальную рабочую температуру (жаростойкость) и облегчает жизнь технологам - чистая медь очень вязкая, ее тяжело обрабатывать резанием, а на внутренней рубашке нужно выфрезеровать ребра, которыми она прикрепляется к наружной. Толщина оставшейся бронзовой стенки - всего миллиметр, такой же толщины и ребра, а расстояние между ними - около 4 миллиметров.

Чем меньше тяга двигателя, тем хуже условия охлаждения - расход топлива меньше, а относительная поверхность соответственно больше. Поэтому на двигателях малой тяги, применяемых на космических аппаратах, приходится использовать для охлаждения не только горючее, но и окислитель - азотную кислоту или оксид азота(IV). В таких случаях медную стенку для защиты нужно покрывать хромом с той стороны, где течет кислота. Но и с этим приходится смиряться, поскольку двигатель с медной огневой стенкой эффективнее.

Справедливости ради скажем, что двигатели со стальной внутренней стенкой тоже существуют, но их параметры, к сожалению, значительно хуже. И дело не только в мощности или тяге, нет, основной параметр совершенства двигателя - удельный импульс - в этом случае становится меньше на четверть, если не на треть. У "средних" двигателей он составляет 220 секунд, у хороших - 300 секунд, а у самых-пресамых "крутых и навороченных", тех, которых на "Шаттле" три штуки сзади, - 440 секунд. Правда, этим двигатели с медной стенкой обязаны не столько совершенству конструкции, сколько жидкому водороду. Керосиновый двигатель даже теоретически таким сделать невозможно. Однако медные сплавы позволили "выжать" из ракетного топлива до 98% его теоретической эффективности.

2. 4 Серебро

Драгоценный металл, известный человечеству с древности. Металл, без которого не обойтись нигде. Как гвоздь, которого не оказалось в кузнице в известном стихотворении, он держит на себе все.

Именно он связывает медь со сталью в жидкостном ракетном двигателе, и в этом, пожалуй, проявляется его мистическая сущность. Ни один из других конструкционных материалов не имеет никакого отношения к мистике - мистический шлейф веками тянется исключительно за этим металлом. И так было в течение всей истории его использования человеком, существенно более долгой, чем у меди или железа. Что уж говорить об алюминии, который был открыт только в девятнадцатом столетии, а стал относительно дешевым и того позже - в двадцатом.

За все годы человеческой цивилизации у этого необыкновенного металла было огромное количество применений и разнообразных профессий. Ему приписывали множество уникальных свойств, люди использовали его не только в своей технической и научной деятельности, но и в магии. К примеру, долгое время считалось, что "его боится всевозможная нечисть".

Главным недостатком этого металла была дороговизна, из-за чего его всегда приходилось расходовать экономно, точнее, разумно - так, как требовало очередное применение, которое ему придумывали неугомонные люди. Рано или поздно ему находили те или иные заменители, которые с течением времени с большим или меньшим успехом вытесняли его.

Вы уже наверняка догадались, что все вышесказанное относится к серебру. Со времен ГИРДа (Группа Изучения Реактивного Движения) и до сих пор единственным способом соединения частей камеры сгорания ракетных двигателей остается пайка серебряными припоями в вакуумной печи или в инертном газе. Попытки найти бессеребряные припои для этой цели ни к чему пока не привели. В отдельных узких областях эту задачку иногда удается решить - например, холодильники сейчас чинят с помощью медно-фосфорного припоя, - но в ЖРД (Жи́дкостный раке́тный дви́гатель) замены серебру нет. В камере сгорания большого ЖРД его содержание достигает сотен граммов, а иногда доходит до килограмма.

Драгоценным металлом серебро называют скорее по многотысячелетней привычке, есть металлы, которые не считаются драгоценными, но стоят намного дороже серебра. Взять хотя бы бериллий. Этот металл втрое дороже серебра, но и он находит применение в космических аппаратах (правда, не в ракетах). Главным образом он получил известность благодаря способности замедлять и отражать нейтроны в ядерных реакторах. В качестве конструкционного материала его стали использовать позже.

Конечно, невозможно перечислить все металлы, которые можно назвать гордым именем "крылатые", да и нет в этом нужды. Монополия металлов, существовавшая в начале 1950-х годов, давно уже нарушена стекло и углепластиками. Дороговизна этих материалов замедляет их распространение в одноразовых ракетах, а вот в самолетах они внедряются гораздо шире. Углепластиковые обтекатели, прикрывающие полезную нагрузку, и углепластиковые сопла двигателей верхних ступеней уже существуют и постепенно начинают составлять конкуренцию металлическим деталям.

Но с металлами, как известно из истории, люди работают уже приблизительно десять тысяч лет, и не так-то просто найти равноценную замену этим материалам.

2. 5 Титан и титановые сплавы

Самый модный металл космического века.

Вопреки широко распространенному мнению, титан не очень широко применяется в ракетной технике - из титановых сплавов в основном делают газовые баллоны высокого давления (особенно для гелия). Титановые сплавы становятся прочнее, если поместить их в баки с жидким кислородом или жидким водородом, в результате это позволяет снизить их массу. На космическом корабле ТКС (<<Транспортный корабль снабжения>>), который, правда, так ни разу и не полетел с космонавтами, привод стыковочных механизмов был пневматическим, воздух для него хранился в нескольких 36-литровых шар-баллонах из титана с рабочим давлением 330 атмосфер. Каждый такой баллон весил 19 килограммов. Это почти впятеро легче, чем стандартный сварочный баллон такой же вместимости, но рассчитанный на вдвое меньшее давление!

3. Металлы в живых организмах

Биологическая роль

Токсическое действие избытка металла

Дефицит лития в организме человека приводит к психическим расстройствам

Вызывает общую заторможенность, нарушение дыхания и сердечного ритма, слабость, сонливость, потерю аппетита, жажду, расстройство зрения, дерматит лица и рук.

Ионы калия регулируют белковый и углеводный обмен, влияют на процесс фотосинтеза и рост растений. Необходим для нормального функционирования всех мышц, особенно сердечной, способствует выделению избыточного натрия, избавляя организм от лишней воды и устраняя отеки.

Вызывает усиление двигательной активности, учащение сердечного ритма, нарушение углеводного, жирового и белкового обмена.

Ионы натрия поддерживают у животных и человека нормальную возбудимость мышечных клеток, участвуют в сохранении кислотно-основного баланса в организме, в регуляции сердечной деятельности, удерживают воду в организме.

Приводит к нарушению водного баланса, сгущению крови, вызывает дисфункцию почек, общее нарушение обмена веществ.

Соли магния оказывают антисептическое и сосудорасширяющее действие, понижают артериальное давление и содержание холестерина в крови, оказывают успокаивающее действие на НС, играют большую роль в профилактике и лечении рака, благотворно действуют на органы пищеварения.

Приводит к нарушению минерального обмена.

Кальций

Ионы кальция необходимы для процессов кроветворения, обмена веществ, для уменьшения проницаемости сосудов, нормального роста скелета, благотворно влияют на состояние НС, оказывают противовоспалительное действие.

При избытке кальция возникает цистит. Если кальций попадает в организм в виде цементной пыли, то страдают органы дыхания, у детей снижается возбудимость НС, обонятельного анализатора.

Стронций

Оказывает влияние на процессы костеобразования.

Поражаются костная ткань, печень, кровь, наблюдаются повышенная ломкость костей, выпадение волос.

Алюминий

Содержится в легких, печени, костях, головном мозге, действует на пищеварительные ферменты и НС.

Приводит к нарушению минерального обмена.

Входит в состав крови и мышечной ткани, является катализатором многих реакций, входит в состав инсулина, участвует в белковом обмене.

Мутаген и онкоген. Вызывает заболевания костно-мышечной системы.

- Снижает активность пищеварительных ферментов, нарушает функцию поджелудочной железы, углеводный обмен, поражает почки и тормозит рост костей, увеличивает опасность переломов костей.

- Поражает ЦНС, сосредотачивается в почках, нарушая их деятельность, также накапливается в клетках мозга и слизистой оболочке рта.

- Поражает костную ткань, костный мозг и печень, НС, приводит к хрупкости костей за счет вытеснения из них кальция.

Поражает периферическую НС, ЖКТ и почки. Накапливается в волосах, костях, почках, мышцах. Характерный признак отравления таллием - выпадение волос.

Влияние недостатка и избытка ионов металлов на состояние растений и животных.

Влияние металла (иона) на состояние организмов недостаточна избыточна

Развитие особых форм растений

У животных - мышечные боли, слабость. У растений - торможение образования хлорофилла

У человека - гипертония. У растений - развитие приспособленности к обитанию в условиях высокой солености.

Кальций

У животных - костное заболевание

Применяют при отравлении магнием

У растений - мраморность листьев

У человека - паралич дыхания

Алюминий

Развитие особых форм растений. У человека - снижение умственных способностей, невриты

Марганец

У растений - хлороз. У птиц - нарушения развития крыльев

Нарушения развития растений. В высоких степенях окисления сильно токсичен

У растений - хлороз, замедление образования хлорофилла

В больших количествах токсично для животных и растений

У животных - анемия

В повышенной концентрации токсична для животных и растений

Заболевания растений

Токсичен для животных и растений

Молибден

Заболевания бобовых растений

При избытке в почвах - заболевания скота

4. Металлы и человек

4. 1 Взаимодействие золота с Землей и человеком

Золото - это не простой металл. Он не только красив, но и обладает магическими свойствами. Оттенки его могут быть от бело-желтого до оранжевого.

Золото - редкий металл. Оно находится глубоко в недрах Земли и тесно связано с нею. Золото красиво, легко обрабатывается, не поддается коррозии - в чем заключается самая большая его ценность. Практически - это вечный элемент, рожденный землею.

При смешивании его с другими металлами, он не меняет своих свойств, входя в другие металлы, но при этом не впускает их в свою структуру. Мы хотим сказать, что этот металл никогда не меняет своей формулы, меняет только количественные размеры своего присутствия. Поэтому золото легко выделить из любого вещества. Золото не переходит из одного состояния в другое, и даже находясь в теле человека, (а оно есть в любом человеке, только в космически малых размерах) остается, все-таки, золотой частичкой.

Это металл, обладающий несравнимой ни с чем большой магической силой. Он буквально завораживает людей своим внутренним притяжением. В нем вся сила Земли.

И он больше любого магнита притягивает к Земле то, что в человеке не имеет веса - его душу. Человек, поклоняющийся золоту, привязан ко всему земному, плотскому, он перестает духовно мыслить. Его душа черствеет и, если у него много золота (денег), он забывает о том, что жизнь на земле не вечна, а человек приходит в школу Земли, в воплощение, не для того, чтобы прожигать свою жизнь попусту, удлиняя круг бесконечных воплощений. Такие люди, если даже и верят в Бога, то по привычке, на всякий случай, не вдумываясь в смысл существования этой веры на земле.

Золото дает человеку силу, раскованность, свободу. Делает жизнь его интересней и, тем не менее, в конечном итоге, все "приедается" и человек начинает опускаться. Очень часто наступает депрессия, болезнь. Начинается другой этап - борьба с болезнями, погоня за лекарствами - все большая забота о теле. Золото не дает человеку устремленности, не открывает глаза на НЕЧТО не видимое, но прекрасное и настолько многогранное, что всегда бесконечно интересное. Конечно же, имеется ввиду осознание человеком Духовного мира в СЕБЕ и в ВСЕЛЕННОЙ.

Но если золото не превалирует над душой человека, а помогает духовному росту, то оно открывает все двери в практическом познании Земли и Космоса. Люди, имеющие много золота, но не привязанные к нему, идут по жизни легко, помогая другим, но при этом не беднеют, а, наоборот, становятся богаче и духовно, и материально, таким людям богатство не мешает. Золото гармонизирует человека с Землею, но не с Космосом, в этом его сходство с камнями черного цвета. В кольце (на любом пальце) оно укрепляет положение человека в обществе, стабилизирует его любовь. (Недаром обручальное кольцо - золотое. ) Из золота изготовляют и носят любые украшения, в любых количествах. Сочетается с камнями всего спектра, кроме зеленых и зелено-голубых, за редким исключением.

4. 2 Лечебные свойства

Золото помогает сохранить человеку здоровье, но его лечебные свойства выражены слабо. Использовать его можно при заболеваниях мочеполовой сферы, гормональных расстройствах, при желудочно-кишечных заболеваниях, при болях в суставах, крестце, радикулите прикладывать к больному месту. Пить суточный настой, свободно, по одному стакану в день. Неделю пить, неделю отдыхать, до получения желаемого результата. Хороший амулет.

4. 3 Взаимодействие серебра с Землей и человеком

Серебро является также редким металлом, но оно не дает такое "заземление" человеку, как золото, хотя так же и не связывает человека с Космосом. Ценность серебра в том, что оно является великим чистильщиком и изделия из него, в отличие от золотых, обладают дезинфицирующим свойством. Но у него есть большой недостаток - быстро окисляется, вступая во взаимодействие с кислородом воздуха. И поэтому люди не делают посуду из чистого серебра и меньше, чем золото, используют его в украшениях. Хотя изделия из серебра по красоте своей ничуть не уступают царю металлов.

Серебро по отношению к человеку нейтрально. Оно является прекрасным амулетом, но не аккумулирует и не передает человеку никакой энергии, зато оно прекрасно подчеркивает красоту любого камня, в то же время само как бы оставаясь в тени. Воздействие серебра на человека очень мягкое. Многие люди любят серебро. Изделия из серебра могут быть самые разнообразные. Кольцо лучше всего носить на указательном пальце. Влияние этого металла на человека в украшениях очень слабое, но, именно поэтому, оно дает свободно камню проявить свои свойства. Серебро лучше всего носить в сочетании с камнями.

4. 4 Лечебные свойства

Металл не так прост, как может показаться из моих слов. Это великий целитель. Изделия из серебра лечебны. Если настоять воду 24-48 часов на серебре и пить ее, то можно победить даже дизентерийную палочку. Кроме того, настоянная таким образом вода лечит желудок, гонит лямблии из печени, лечит воспаление печени и желчного пузыря, всего желудочно-кишечного тракта. Можно сделать промывание кишечника серебряной водой, можно просто пить каждый день воду, настоянную на серебре, она будет очищать весь организм. Если у вас появился синяк, вы можете сделать не свинцовую, а серебряную примочку (настой 48 часов) синяк рассосется в течение суток. Если у вас воспалились вены на ногах, такая же примочка поможет вам снять боль и жжение, а длительное пользование (в течение недели) даже восстановит, уберет, частично, деформацию кровеносных сосудов. Можно настаивать серебро с определенным камнем, для получения двойного эффекта.

4. 5 Медь

Медь - это более распространенный металл. Из нее так же можно делать различные изделия, но, к сожалению, она быстро поддается окислению и поэтому не очень ценится людьми. Мы советуем вам обратить на медь более пристальное внимание, так как она находится в гармоничной связи с Землею, а самое главное, имеет способность гармонизировать человека с земной природой. Медь обладает свойством, которого нет у других металлов. Она не реагирует на электромагнитные бури, предшествующие изменениям атмосферного давления при смене погоды. Колебания электромагнитных силовых линий влияют на состояние человека, вызывая у него обострение различных болезней, в том числе, влияя на его кровеносную систему (давление). Взаимодействуя с биополем человека, медь защищает его от воздействия электромагнитных бурь. То есть, человек начинает меньше реагировать на изменения атмосферного давления. Это удивительное свойство меди было правильно замечено человеком и используется сейчас, при лечении гипертонии и гипотонии, но его можно использовать и при других заболеваниях, обострение которых связано с погодными изменениями. Для этого необходимо носить на левой руке медный браслет. Он должен обязательно соприкасаться с телом человека в запястье, но не стягивать руку. Другие украшения из меди ничего для здоровья не дают. Медь, как и серебро, является нейтральным металлом. Сплавы меди с другими металлами могут обладать целебными свойствами.

5. Тяжелые металлы в воде и в организме человека

5. 1 Железо

Это широко распространенный минерал. Именно железо придает воде неприятный бурый цвет, однозначно ухудшает органолептические качества воды. Чай или кофе, приготовленные из этой воды, имеют характерный металлический, вяжущий, "железистый" привкус. В ряде районов Московской области в водопроводной воде отмечена большая концентрация железа, что приводит к заболеваниям печени, крови и вызывает аллергические реакции. Так, жители г. Железнодорожного текущую из крана жидкость назвали весьма оригинально: "наш железный коктейль". Употребляя такую воду, вскоре станешь настоящим "железным дровосеком"!

5. 2 Свинец

Во многих домах старой постройки до сих пор нередко используются свинцовые водопроводные трубы - они очень долговечные. Там, где свинцовых труб нет, зачастую был использован свинцовый припой. Ведь свинец опасен даже в небольших количествах! Он ухудшает репродуктивную функцию, ослабляет центральную нервную систему и может вызывать проблемы с поведенческим и эмоционально-психическим развитием у детей, так как детский организм усваивает гораздо больший процент свинца, чем организм взрослого человека. У людей старшего возраста свинец повышает кровяное давление и ухудшает слух. Повышенное содержание свинца в организме вызывает анемию (малокровие), почечную недостаточность и умственную отсталocть. Свинец откладывается в костях, приводит к изменениям в центральной нервной системе (полиневриты, церебральный артериосклероз), крови (снижение гемоглобина, уменьшение числа эритроцитов), желудочно-кишечном тракте (спастический хронический колит), а также к нарушению обмена веществ, многих ферментов и гормонов.

5. 3 Алюминий

Алюминий парализует нервную и иммунные системы, способствует развитию болезни Альцгеймера. Ученые подозревают, что алюминий накапливается в долгоживущих клетках, таких как нервные клетки, и действует на них как нейротоксин, вызывая дегенеративные повреждения в мозге. Уничтожающе он действует на детский организм. Алюминий попадает в организм, главным образом, с продуктами питания, а также с питьевой содой, солью, витаминами и даже с зубной пастой. Основные источники алюминия - это промышленные предприятия, посуда и бытовые приборы. В упомянутых выше "Санитарных нормах РФ" допускается содержание свинца и алюминия соответственно в 3-10 раз больше, чем это предусмотрено в стандартах ВОЗ. При этом необходимо учитывать, что свинец и алюминий относятся к классу "высокоопасных веществ".

5. 4 Другие металлы

Повышение концентрации меди в питьевой воде вызывает поражение слизистых оболочек почек и печени; никеля поражения кожи; цинка - почек. Кадмий - это элементарный генетический ЯД, сильно разрушающий структуры ДНК, также он поражает почки и кости. Мышьяк широко распространен в окружающей среде и поступает из таких источников как вода, воздух, пища, табачный дым и пестициды. В настоящее время медицинской наукой установлено, что мышьяк разрушает пищеварительный тракт и легкие, поражает центральную нервную систему, вызывая воспалительные заболевания - полиневриты. А что можно сказать о таком весьма распространенном загрязнителе как ртуть (это разбитые люминесцентные лампы, отходы аккумуляторного производства и металлургии)? Если этот металл проникает в организм достаточно длительное время, то это приводит человека к страшной болезни - миастении (потеря проведения нервно-мышечных импульсов), заболеваниям почек и печени.

6. Источники поступления тяжёлых металлов в окружающую среду

Источники поступления тяжелых металлов делятся на природные (выветривание горных пород и минералов, эрозийные процессы, вулканическая деятельность) и техногенные (добыча и переработка полезных ископаемых, сжигание топлива, движение транспорта, деятельность сельского хозяйства). Часть техногенных выбросов, поступающих в природную среду в виде тонких аэрозолей, переносится на значительные расстояния и вызывает глобальное загрязнение.

Тяжелые металлы накапливаются в почве, особенно в верхних гумусовых горизонтах, и медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии и дефляции - выдувании почв.

Период полуудаления или удаления половины от начальной концентрации составляет продолжительное время: для цинка - от 70 до 510 лет, для кадмия - от 13 до 110 лет, для меди - от 310 до 1500 лет и для свинца - от 740 до 5900 лет.

Из всех вредных и токсичных веществ, регулярно попадающих в организм человека, 70% поступает из пищи, 20% - из воздуха, 10% - из воды. Металлы могут попадать из воздуха в виде мельчайших частичек, образующихся при сгорании угля, нефти, торфа и другого горючего, а также из дымов и выбросов плавильных печей и различных производств, связанных с обработкой металлов. По этой причине сейчас в воздухе Земли таких металлов, как золото, кадмий, свинец, олово, селен, теллур, имеется в тысячу раз больше, чем было в естественных условиях. Кроме того, в атмосфере находятся образовавшиеся летучие металлоорганические соединения в виде паров. Один из основных источников токсичных загрязнений является автотранспорт. Кроме оксидов азота, углерода и серы автомобили выбрасывают в атмосферу соли свинца. Свинец - давно известен своим токсичным действием на организм человека. Отравление свинцом проявляется неспецифическими симптомами: вначале повышенная возбудимость и бессонница, позже утомляемость и депрессия. Более поздние симптомы заключаются в расстройстве функции нервной системы и в поражении головного мозга. Свинец, также как и другие тяжелые металлы, кадмий, ртуть, отрицательно влияет на глазную сетчатку и ухудшает зрение. Кадмий может вызвать нарушение ферментного обмена, разрушение нервной и костно-мышечной системы. Кроме прямого токсичного действия ионы металлов, например железа и марганца, следы которых есть и в атмосфере, ускоряют реакцию окисления диоксида серы до триоксида и образование серной кислоты, которая выпадает в виде кислотных дождей.

Загрязнение металлами водной сферы особенно возросло с индустриализацией. В природных (грунтовых, поверхностных) водах присутствуют тяжелые металлы, попадающие туда при выветривании пород. Концентрация их в обычных условиях не велика. К тому же минеральные процессы связаны с естественными биологическими, а это уравновешивает присутствие тяжелых металлов. Другое дело - антропогенные источники попадания ионом металлов в воды при добыче нефти, угля, руды, а еще с промышленными отходами. Даже такие безобидные, казалось бы, гигиенические препараты, как моющие средства, и то могут быть источником ионов цинка и селена. А это уже два из приведенных выше токсичных металлов. Много загрязнений токсичными металлами вносится в воды и с сельскохозяйственными стоками. Тяжелые металлы присутствуют в виде коллоидных частичек в смеси с органическими и неорганическими веществами. Одной из форм таких токсичных металлов являются различные формы алкильных соединений ртути и таллия. Сейчас известно, что существуют в воде такие алкильные соединения мышьяка, олова, свинца, селена, кадмия. Такие вещества способны образовывать высокотоксичные органические соединения, вредные для всего живого даже в нанограммовых количествах. Примером может служить случай облысения детей в г. Черновцы, связанного с отравлением промышленными отходами органических производств таллия. Образование различных соединений металлов с органическими веществами приводят часто к новым ранее не известным явлениям. Например, оказалось, что диметилртуть - довольно летучее металлоорганическое соединение обнаружено в воздухе. Это вещество в свою очередь может подвергаться дальнейшим химическим реакциям (например, под воздействием ультрафиолетового излучения) и распадаться, а продукты распада - выпадают в виде ртутных дождей. В гидросферу ежегодно попадает тысячи тонн летучей и растворимой ртути. Загрязнение речной воды сказывается и в пищевых цепях. Потребление человеком рыбы, даже при концентрации в ней ртути 0,8-1,6 мг/кг приводит к отложению в волосах металла до 50 мг/кг, при этом начинают проявляться признаки отравления. Содержание ртути в волосах более 300 мг/кг угрожает жизни человека. Ртуть может попадать и через мясо животных, если почву на которой они пасутся, удобряли компостом из городских отстойников.

Металлы очень легко накапливаются в почве, но как тяжело удаляются: период полуудаления из почвы цинка - до 500 лет, свинца - до нескольких тысяч лет. Особенны, опасны загрязнения изотопами металлов, которые к тому же являются радиоактивными. Так изотопы стронция откладываются в костях, цезий - в мышцах. После Чернобыльской катастрофы большие площади заражены не только на Украине, но даже в Мордовии. Радиоактивные изотопы, накапливаясь в почве, попадают затем в растения, а вместе с растительной пищей попадают в организм человека.

Заключение

Вот и завершилась наша работа над проектом. В процессе поиска и обработки информации по указанной теме каждый выявил для себя много полезных сведений о металлах, будь то будущий ученый или просто интересующийся человек.

Теперь каждому из нас стала видна эта, на первый взгляд неуловимая, мысль о том, что все взаимосвязано между собой, даже такие понятия, как химия и физика, химия и архитектура, химия и сельское хозяйство, химия и космос, химия и медицина.