Металлический фонд человечества около 10 млрд. тонн!
Представьте себе «кубик» шириной, длиной и высотой в один километр, состоящий только из металлов, главным из которых, конечно же, является железо. Затем следует алюминий, марганец, титан и другие, но не в той последовательности, как так называемые кларки (Ф.У. Кларк – крупнейший геохимик) – единицы, отражающие доли содержания химических элементов в земной коре. А в тех количествах, в которых человечество использует металлы для удовлетворения своих нужд. Вот этот огромный куб и представляет собой тот объем металлов, который оно извлекло из недр Земли за всю историю своего существования, вплоть до сегодняшнего дня. Это весь наш «металлический фонд» – более 7.5 млрд. т (по другим данным – 10 млрд. т).
Удивительный мир металлов
Один из самых глубоких карьеров по добыче медных руд – Чукикамата, находящийся в самой знойной пустыне Атакама (Чили). Глубина этого искусственного кратера свыше 900 метров (это почти размерность куба «металлического фонда» человечества). Рост этого куба, начавшийся в исторические века освоения бронзы и железа, после неоднократных ускорений, связанных с техническими успехами общества, к настоящему времени сильно замедлился и вряд ли когда-нибудь будет заметно ускорен вновь. Запасы металлов на доступных нам глубинах отработки руд (на крупнейших золоторудных месторождениях мира, например, Витватерсранд в Южно-Африканской Республике), где они производились из шахт глубиной до 3.4 километра, существенно истощены. Поэтому наука уже давно занимается проблемой замены металлических изделий на каменные, но не так, как в прошедший ранний каменный век человека, когда использовались только естественные каменные находки. В новом «каменном веке» искусственное каменное литье со временем должно заменить металлы во многих технических конструкциях – от высотных построек до шарикоподшипников и всевозможных гвоздей и игл. И даже при этом, чтобы поддержать весь наш металлический фонд в его сегодняшнем объеме, необходимо будет сохранить добычу металлов хотя бы на достигнутом уровне. Ведь использование металлических изделий со временем приводит к их негодности; они превращаются в ржавчину, окалину, пыль. Они теряются для человечества. А, следовательно, фонд должен постоянно пополняться. Ведь мы уже были вынуждены отказаться от золотых монет и других чистых изделий из ряда металлов, поскольку оно растаскивается даже просто при переходе из рук в руки в связи с недостаточной механической устойчивостью.
Своеобразен и неповторим… И значит, человечеству предстоят нелегкие решения по всему комплексу использования металлов, обладающих самыми разнообразными и удивительными свойствами, к которым мы так привыкли, что перестали их замечать. Какую только роль ни выполняют металлы! Но каждый из них своеобразен и неповторим. Для своего удобства мы поделили их на тяжелые, легкие, твердые, мягкие, тугоплавкие, термостойкие, «черные», «цветные», «редкие», благородные, рассеянные… Но при всем разнообразии наших классификаций мы в достаточной степени не учитываем их значения, в частности, как показателей уровня развития общества в зависимости от достигнутых технологий в различных производственных системах.
Немного истории В античный период жизни человечество обходилось использованием всего 19 металлов. В послесредневековье – в XVIII веке – их число приблизилось к трем десяткам. В XIX веке оно возросло до полусотни. А после открытия радиоактивности химических элементов и активной экспериментальной деятельности человека быстро перевалило за первую сотню, достигло 114. А с учетом выявленных изотопов уже превысило 340 ядерных видов, из которых 273 относятся к устойчивым – стабильным, но только 238 из них являются природными. Но открытия новых металлов, несомненно, еще впереди. Металлы составляют четыре пятых (80%) всех выявленных на сегодняшный день естественных и искусственных химических элементов, образуя семейства собственно металлов, переходных, щелочных, щелочноземельных металлов, лантаноидов, актиноидов и примыкающую к ним группу полуметаллов. Треть, в том числе все искусственные, являются радиоактивными. Как правило, это конечные члены указанных рядов.
Их распространение Наиболее распространенными в земной коре являются алюминий, кальций, железо, натрий, калий и титан. В этот ряд, несколько уступая по массовости алюминию, вклинивается полуметалл кремний. А вот многие радиоактивные металлы в природных условиях находятся в количественной категории, обозначаемой как «следы», но зачастую они бывают и вовсе не установлены. Основное количество радиоактивных металлов – это плоды научных изысканий и исследований, наглядная иллюстрация к представлению о «геохимическом переделе мира», идею которого выдвинул В.И. Вернадский. Этот передел затрагивает многие принципиальные вопросы существования биологического мира Земли, поскольку целый ряд металлов способен нанести значительный ущерб и растительному, и животному миру.
Токсичность Ряды токсичности металлов для живых организмов и растений включают комплексы элементов. От «страшной троицы» – ртути, свинца и кадмия – до железа, марганца и алюминия – для животных и человека. Кобальта, марганца и стронция – для рыб. Хрома, никеля, цинка – для растений. Сюда также входят такие металлы, как медь, олово, хром, занимающие в этих рядах различные позиции. Еще более разнообразны и своеобразны токсиканты из изотопов радиоактивных металлов, разделяющиеся на группы особо высокой токсичности – от кюрия-242 до свинца и полония с ядерными номерами, равными 210. К высокотоксичным относятся изотопы от плутония-241 до стронция-90. К среднетоксичным – от нептуния-239 до натрия-22. К малотоксичным – от цезия-136 до железа-55. Причем этот набор токсичных изотопов выборочен и затрагивает далеко не все его компоненты. Вызвав этот поток ранее не существовавшего на Земле химического вещества в виде новых элементов и ядер и используя для практических целей всю плеяду естественных природных элементов таблицы Менделеева, человек вынужден не только отслеживать всю широту их использования на практике. Он должен научиться рационально, а главное – разумно организовать управление ими. Особенно важно научиться делать это в отношении радиоактивных видов трансурановой группы, поскольку поведение этих элементов в природной среде нуждается в особо строгом контроле из-за их активного реакционного взаимодействия с представителями органического мира. С этих позиций по использованию соответствующих металлических комплексов условно можно выделить группы традиционных, композиционных и стратегических металлов.
Традиционные Во главе группы традиционных металлов, применяемых для изготовления массы технических изделий, стоит железо, доля которого и его сплавов в общем объеме использованных металлов составляет свыше 90%. Это основной конструкционный материал, представленный преимущественно в виде сталей. На смену ему приходит значительно более легкий «крылатый» алюминий, темпы использования которого резко растут, и это очевидно хорошо, учитывая, что алюминия в природе припасено в Земле существенно больше, чем железа. Сюда же относятся медь, свинец, цинк и некоторые другие, представляющие значительную часть уже накопленного металлического фонда.
Композиционные Значительно сложнее положение дел с металлами композиционной группы, включающей в свой состав комплексы цветных металлов преимущественно в виде их сплавов и легирующих добавок в традиционные металлы. Они придают последним качественно новые, «улучшающие» их свойства, особенно в отношении твердости, прочности, надежности и стойкости изделий, выполненных из них. Одним из первых подобных сплавов в истории человечества была бронза как результат сравнительно легкой (низкотемпературной) выплавки выходящих на поверхность выветренных окисленных руд, представленных смесью естественных медных минеральных компонентов с добавками олова, свинца, алюминия или любого другого легкоплавкого природного соединения. Возможно, что именно бронза явилась подсказкой природы человеку для получения искусственных сплавов металлов уже с учетом предсказуемых новых свойств. Легирующими для традиционных металлов служат добавки марганца, хрома, титана, никеля, кобальта, ванадия, вольфрама, молибдена, ниобия, редких металлов цезиевой группы и некоторых других элементов, включая полуметаллические. Все большее применение в производстве ферросплавов находит силикомарганец как основа получения сталей: на тонну железа должно приходиться около семи килограммов марганца. До 80% получаемого хрома используется для получения феррохрома, придающего свойства высокопрочного, нержавеющего, жаро– и кислотоупорного материала. Титановые добавки находят обширное применение в виде ферротитана и различных сплавов проката в связи с высокой коррозионной устойчивостью, прочностью, благоприятным сочетанием механических и технологических свойств. Близки к нему качественно феррованадиевые конструкции. Высокие механические, антикоррозионные, магнитные, термоэлектрические свойства присущи изделиям с добавками никеля. Молибден широко используется в виде присадок для сталей, придающих им вязкость, обуславливая прочность сварочных швов, удлиняя срок службы трущихся деталей. Вольфрам находит применение при производстве инструментальных режущих сталей, отчасти заменяя дорогую алмазную крошку. Он служит для покрытия головок баллистических ракет, применяется для изготовления ракетных двигателей (в виде сплавов с рением, танталом и другими редкими металлами). Во многом эти легирующие примеси – молибдена и вольфрама – конкурируют между собой в изделиях оборонного значения. Но в связи с существенной пространственной неравномерностью распространения молибден предпочтительнее используется в Америке, где имеются крупнейшие месторождения этого металла, а вольфрам – в азиатских странах. Добавки ниобия в сталь придают им одновременно и прочность, и пластичность. Такие сорта сталей практически незаменимы при прокладке трубопроводных сетей для нефти и газа, что позволяет значительно снизить аварийность при их эксплуатации, особенно в сложных динамических и климатических условиях. Композиционные металлы являются чутким показателем человеческой изобретательности, по которой можно оценивать степень инновационного положения того или иного человеческого общества и государства, их научный потенциал.
Стратегические Еще более поразительной в этом отношении является группа стратегических металлов, которые во многом определяют будущее «высокотехнологичных отраслей постиндустриальной экономики». Сюда относятся в первую очередь «малые» металлы – редкие, редкоземельные и рассеянные, металлы, способные «бросить вызов» развитию технологий будущего. Редкие металлы потому так и называются, что их доли обычно составляют менее 0,1% от их количества. А рассеянные металлы – это те, которые даже не способны образовывать свои собственные минеральные формы, а присутствуют в них только в виде изоморфных примесей к основным компонентам металлов, обладающим равными с ними размерами атомов и ионов, благодаря чему они могут замещать ячейки своих «хозяев». Для них существует так называемый «минералогический барьер». Поэтому почти все рассеянные металлы входят в состав полиметаллических (преимущественно медно-цинково-свинцовых) руд (теллур, селен, таллий, индий и др.). Некоторые извлекаются только «попутно»: из железных и урановых концентратов (соответственно, ванадий и скандий), бокситовых алюминиевых руд (галлий), из углей (германий). Они обладают уникальными свойствами, даже простое перечисление которых весьма затруднительно. Это сверхточные атомные часы (рутений), постоянные магниты (самарий), миниатюрные батареи (промитий), термисторы (рений). Это – каталитические промоторы (активизаторы) и их стабилизаторы (цезий), всевозможные датчики (иттербий), светодиоды (галлий), люминофоры (иттрий). Разнообразные оптические стекла (включая лазерные – лантан). Это стекловолоконные изделия (германий и эрбий), сверхпроводники (иттрий) и сверхпроводящие пленки (европий), интипирены пластмасс (сурьма) и «секретные сплавы» (такие как используемые для лопаток турбин у двигателей истребителей и космических ускорителей). Это и хирургические инструменты (тантал), рентгеновские фильтры (иттрий). С ними связаны и методы лечения раковых заболеваний (калифорний). И многое-многое другое, порой превосходящее самые фантастические предположения.
Индикаторы прогресса По комплексам используемых обществом металлов этой группы мы можем судить о степени прогресса технологий государств в области атомной промышленности (уран, торий, бериллий, кадмий, гафний, индий, серебро, гадолиний, полуметалл бор…). Можем свидетельствовать о характере термоядерных реакторов (литий, ниобий, бериллий, ванадий…). О мастерстве овладения солнечной энергией, индикаторами здесь служат полуметаллы – кремний, германий, бор – и металлы – теллур, галлий, кадмий, селен… О состоянии космонавтики и электроники.
В мире и в России Во всем мире идет рост металлоемкости промышленных производств, темпы их роста превалируют над ростом численности населения. Вместе с тем обеспеченность мировой промышленности запасами металлов за последние два десятка лет сократилась более чем на 35%, а еще через 10-15 лет неизбежен существенный дефицит запасов целого ряда металлов. К сожалению, в то же время в России происходит значительное упрощение структуры горно-добывающих работ и снижение добычи всех металлов, вплоть до полного исчезновения добывающих подотраслей, таких как производство лития, германия и некоторых других. Спрос на потребление редкоземельных металлов уже в 2014 году превзойдет современный в 1,6 раза, что превысит в шесть раз размеры использования их в 1990 году! В этой связи нас должно весьма настораживать, что выпуск их в Российской Федерации был некогда самым высоким в мире. Сейчас же до 90% мирового производства сосредоточено в Китае. Но мы пока еще обладаем порядка 40% от всех запасов этих элементов в мире. В начале 2013 года Гохран России известил об исчерпывании в государственных кладовых запасов чрезвычайно ценного стратегического палладия. Объемы добычи исключительно важного стратегически кобальта на 95% по договору эксклюзивно переданы Финляндии. Редкоземельные металлические ресурсы страны в настоящее время практически не реализуются. Эксплуатация главной кладовой страны по всем металлам платиновой группы – «Норникеля», включая крайне дефицитное палладиевое сырье, приближается к завершению. «Платиновая» страница русской истории, когда-то памятная тем, что в России конца XIX века производство этого валютного металла в 40 раз превышало его общую добычу во всем мире, практически стало блистательным «преданием старины»… Этот мир металлов не перестает удивлять нас своим разнообразием и великолепием. И как хорошо, что в самих названиях части металлов запечатлены славные имена выдающихся ученых мира, среди которых есть и наши соотечественники.
