История развития науки о металлах презентация. "История развития химии" (урок)

• Тема: история цивилизаций – история металлов.

• Выполнили: Индриксон А., Попков П., Анискин А., Ковальков Г.

• Научный руководитель – Кудрявцева Н. В.

Цель:

• Рассказать об открытии металлов

Гипотеза:

• Возможно открытие металлов никак не повлияло на развитие цивилизаций

Медь

• История цивилизаций Древнего Египта, Древней Греции, Вавилона и других государств неразрывно связанна с историей металлов и их сплавов. Установлено, что египтяне за несколько тысячелетий до нашей эры уже умели изготавливать изделия из меди

• Иногда в очаг попадали небольшие самородки меди, которые размягчались в огне. Люди заметили, что раскаленный кусок меди меняет форму при ударе. Это свойство позволило выковывать из меди ножи, шилья и другие предметы. Затем люди научились выплавлять медь из руды. Расплавленную медь заливали в форму и получали медное изделие нужного вида.

Бронза

• Первыми людьми из древнего мира которые выплавили бронзу были египтяне.

• Они создали прочный по тем временам сплав – бронзу смешав олово и медь.

• Это позволило усовершенствовать орудия труда и победить соседей не обладавших бронзой

Железо

• Первое железо люди выплавляли из

• метеоритов, оно было очень дорогим.

• Даже победителям Олимпийских игр

• на ряду с золотыми медалями давали

• кусок железа. Железный клинок был обнаружен в гробнице Тутанхамона.

• Позднее люди научились выплавлять железо из руд, и оно стало массовым.

История алюминия.

Древний историк Плиний Старший рассказывает об интересном событии, которое произошло два тысячелетия назад. Однажды к римскому императору Тиберию пришел незнакомец. В дар императору он преподнес изготовленную им чашу из блестящего, как серебро, но чрезвычайно легкого металла. Мастер поведал, что этот никому неизвестный металл он сумел получить из глинистой земли.

• Боясь, что новый металл с его прекрасными свойствами обесценит хранившиеся в казне золото и серебро, он отрубил изобретателю голову, а его мастерскую разрушил, чтобы никому не повадно было заниматься производством «опасного» металла.

• Быль это или легенда - трудно сказать, но так или иначе «опасность» миновала и, к сожалению, надолго. Лишь в ХVI веке, то есть спустя примерно полторы тысячи лет, в историю алюминия была вписана новая страница...

• Сейчас алюминий играет большую роль

• в нашей жизни. Он является основой современного авиа- и ракетостроения.

Металлы в древности Уже в глубокой древности человеку были известны семь металлов: золото, серебро, медь, олово, свинец, железо и ртуть. Эти металлы можно назвать «доисторическими», так как они применялись человеком ещё до изобретения письменности. Очевидно, что из семи металлов человек вначале познакомился с теми, которые в природе встречаются в самородном виде. Это золото, серебро и медь. Остальные четыре металла вошли в жизнь человека после того, как он научился добывать их из руд с помощью огня.

К концу каменного века человек открыл возможность использования металлов для изготовления орудий труда. Первым таким металлом была медь. Позже появилось литьё, а потом человек стал добавлять к меди олово, делать бронзу, более долговечную, прочную, легкоплавкую. Так наступил бронзовый век.

Бронзовый век сменился железным только тогда, когда человечество смогло поднять температуру пламени в металлургических печах до 1540 С, т.е. до температуры плавления железа. Наступил железный век. Учёные предполагают, что первое железо, попавшее в руки человека, было метеоритного происхождения. Самый крупный железный метеорит нашли в Африке, он весил около 60 т.. Уже в древности из этих небесных тел, так как они были прочными и твёрдыми, изготавливались различные предметы. Современные химические анализы огромного числа метеоритов, упавших на нашу планету, показали, что в составе железных метеоритов на долю железа приходится 91%.

Примерно 90% всех используемых человеком металлов – это сплавы на основе железа. Железа выплавляется в мире очень много, примерно в 50 раз больше, чем алюминия, не говоря уже о прочих металлах. Сплавы на основе железа универсальны, технологичны, доступны. Железу ещё долго быть фундаментом цивилизации. Роль металлов в развитии человеческой цивилизации – огромна. Сейчас у металлов имеется очень серьёзный «конкурент» в виде продуктов современной химии – пластмасс, синтетических волокон, керамики, стекла. Но ещё многие и многие годы человечество будет использовать металлы, которые продолжают играть ведущую роль в развитии всех областей его жизнедеятельности.

Что такое металлургия и ее роль в обществе. Состояние и значение современной философии металлургии определяется местом данной науки в обществе, в мировоззрении, а также набором ее внутренних, исторически сформированных понятий и проблем. Металлургия является прикладной наукой. Как и всякая прикладная наука, она нацелена на разработку способов применения, полученных фундаментальной наукой знаний, объективных законов мира для удовлетворения потребностей и интересов людей. Металлургия (от греческого metallurgeo) – в первоначальном значении – искусство извлечения металлов из руд. В современном, более широком смысле, металлургия – область науки и техники и отрасль промышленности, занимающаяся извлечением металлов из руд и переработкой металлоотходов и изготовлением из полученных металлов и сплавов разнообразных металлических изделий. Сегодня металлургическое производство представляет сложный комплекс разнообразных технологий, которые можно разделить на три этапа:

1. Подготовка добытой из недр руды, с целью повышения ее технических показателей при ее дальнейшей металлургической переработке;

2. Извлечение металла из руды методами высоко – и низкотемпературной металлургии; очистка чернового металла от примесей, производство сплавов;

3. Изготовление из металлов и сплавов изделий металлургическими способами и улучшение их свойств путем термической, термомеханической, термохимической обработки.

Металлургия является основой экономического и оборонного могущества государства. Развитию этой решающей отрасли народного хозяйства отводиться должное место. Металлургическое производство возникло на заре развития человеческого общества. Человек познакомился с металлом в незапамятные времена. Металлы являются надежными помощниками человека. Вместе всегда человек и металл.

Современную жизнь без них невозможно даже представить.

Металл и сегодня является фундаментом созидания, основным материалом, которым пользуется человек. Тысячи лет назад люди научились пользоваться металлами и добывать их из природных соединений. Почти три четверти менделеевской таблицы химических элементов, из которых построено все существующее во Вселенной, составляют металлы. Десятки из них широко применяются в технике и быту. Остальные с каждым годом все глубже внедряются в практику. Еще большее распространение получили сплавы, состоящие из нескольких металлов и неметаллических элементов. Как правило, такие сплавы обладают свойствами, превосходящими свойства чистых металлов.

Металлы легко отличить от неметаллов характерным ярким серебристым или золотистым цветом, блеском их поверхности. Металлы пластичны, их куют, прокатывают, штампуют. Кроме того, металлы хорошо проводят тепло и электрический ток. Это так называемые физические свойства металлов. По химическим свойствам оксиды металлов обладают щелочными свойствами, и при соединении с водой они образуют щелочные растворы, а оксиды неметаллов имеют кислотные свойства и, соединяясь с водой, образуют кислоты.

Все это было хорошо известно еще более 200 лет тому назад во времена М. В. Ломоносова. А вот причины такого различия свойств металлов и неметаллов были найдены значительно позже, после того, как было открыто электронное строение атомов. Напомним, что электрон был открыт лишь в 1895 году.

Каждому элементу Д. И. Менделеев еще в 1869 году приписал определенный атомный номер и поместил его в периодическую систему с этим номером, ничего еще не зная об электронах.

Позже выяснилось, что номер элемента точно совпадает с числом электронов, вращающихся по нескольким орбитам. У всех металлов наружные электронные орбиты являются не­доукомплектованными. По ним вращаются, как правило, один, два, три и в редких случаях - четыре электрона. В то же время у неметаллов наружные электронные орбиты, наоборот, полностью или почти полностью укомплектованы.

Переходом наружных электронов от одних атомов к другим и было объяснено явление электрического тока. Числом электронов на наружной орбите было объяснено свойство валентности металлов. Электронное строение атомов дало ключ к объяснению таких явлений, как ферромагнетизм, полиморфизм, потенциал ионизации. Все эти вопросы получили отражение в разработанной советскими физиками теории металлического состояния.

Первые пять мест в земной коре на глубине до 1 км (по массе веществав %) занимают элементы, представленные в таблице 1.

Таблица 1 - Содержание основных элементов в земной корена глубине до 1 км (по массе веществав %) и их температура плавления (о С)

На долю алюминия, железа и всех остальных 77 металлов приходится меньше одной четвертой части массы земной коры. Парадоксально, но факт, что металл, которого больше всего в земной коре был открыт намного позже большинства других. В 1825 году датчанин Эрстед и в 1827 году немец Велер сумели получить первые крупицы этого металла и только в 1864 году французскому химику Сент-Клер Девилю удалось получить первый промышленный алюминий. Через 11 лет русский химик Н.Н. Бекетов создал более экономичный способ получения алюминия из глинозема, который применяли конца XIX века. Но полученный по этому способу алюминий был по стоимости равноценен золоту.

Сколькими металлами располагал древний человек? Наряду с золотом, серебром, медью, оловом и железом люди давно узнали свинец, ртуть и сурьму. По поводу платины мнения историков расходятся. Некоторые утверждают, что этот благородный металл обрабатывали в Египте еще в 1500 г. до н. э. Во всяком случае, достоверно известно, что индейцы в Америке давно были знакомы с платиной, и оттуда ее испанцы доставляли в Европу.

Мягкий и относительно легкодоступный свинец в древности использовали для разных целей. Известно, например, что из гнутых свинцовых листов изготовляли трубы, сваривая продольные швы и соединительные муфты. Римляне при сооружении своих знаменитых водопроводов даже ввели стандартизацию свинцовых труб по диаметру и поперечному сечению. Это упростило расчет и проектирование водопроводной сети. Древние строители также использовали свинец для закрепления каменных плит и заделки швов. Из свинца чеканили монеты, медали и печати, изготовляли грузила для рыболовной снасти и якоря для судов. На тонких свинцовых пластинках гравировали текст и, сшивая их, делали свинцовые книги. Предположительно, первые сведения о свинце происходят из Индии. Свинцовые чушки в форме кирпичей служили предметом торговли, они упоминаются и в списках товаров, которые египетские фараоны получали в качестве дани. На островах Средиземного моря, в Италии, на побережье Греции и во многих местах Западной и Центральной Европы сохранились следы античных свинцовых рудников. Римляне называли свинец и олово одним и тем же словом - «плюмбум». Правда, они различали «плюмбумальбум» (белый) и «плюмбумнигрум» (черный), но часто путали оба металла. Нередко «плюмбум» называли сплавы свинца и олова.

Гораздо меньше, чем свинец, была известна сурьма - серебристо-белый, с сильным блеском, очень хрупкий металл. В Вавилоне из нее изготовляли сосуды уже в 3000 г. до н. э. Однако гораздо шире использовали не металлическую сурьму, а ее соединения, в частности в косметике. Очевидно, сурьма служила и как легирующий элемент при выплавке сурьмянистых бронз, которые обладают превосходными литейными свойствами (хорошо заполняют форму). Много позже, в период увлечения алхимией, сурьма приобрела особое значение, прежде всего потому, что в расплавленном виде она хорошо растворяет многие другие металлы - «пожирает» их. В качестве символа этого металла алхимики выбрали волка.

Ртуть римляне называли «аргентумвивум» - живое серебро. Примерно то же означает и современное немецкое название ртути Quecksilber. Этот удивительный металл - единственный, который при нормальных температурах остается в жидком состоянии. Ртуть нетрудно получить из ее природного соединения с серой - широко известной киновари. Первое письменное упоминание о ртути принадлежит Аристотелю и относится примерно к 350 г. до н.э., но, как показывают археологические находки, она была известна много раньше. Для каких целей служил этот металл? В древности ртуть широко применяли для золочения. Золото легко растворяется в ртути и образует с ней сплав - золотую амальгаму, которую наносят на обрабатываемое изделие. Затем его нагревают, ртуть испаряется, а на изделии остается слой золота. В наше время от такого процесса огневого золочения отказались, потому что пары ртути чрезвычайно вредны для здоровья. Растворимость золота в ртути можно использовать также и при его извлечении, скажем, из золототканой одежды. Подобный процесс был положен в основу разработанного в XVI в. способа извлечения различных металлов - так называемого амальгамирования (или амальгамации): измельченную руду обрабатывают ртутью, в которой металлы растворяются; затем ртуть выпаривают, а металлы остаются в твердом виде.

Изображение, обнаруженное в гробнице фараона Мереруба (VIдинастия Древнего царства, 2315-2190гг. до н.э.) свидетельствует о том, что технология переработки металлов в Египте достигла высокого уровня еще четыре тысячелетия назад.

Бронзовое литье в Египте (около 1450 г. до н.э.). Изображение из гробницы чиновника времен XVIII династии Нового царства.

В средние века металлурги освоили добычу и переработку многих металлов: золота, серебра, меди, железа, олова, свинца, ртути и сурьмы. Помимо бронзы и стали были известны сплавы свинца и олова, а наряду с оловянистыми начали применяться сурьмянистые и мышьяковистые бронзы. Наконец, следует упомянуть и о таком давно известном к тому времени медном сплаве, как латунь. Если медь легировать цинком, то она по виду будет на­поминать золото. Латунь применялась еще во времена Гомера (VIII в. до н. э.). По-видимому, моссиноики - народ, обитавший на Черном море - первыми стали сплавлять медь с цинковой рудой, получая таким образом латунь. От них и происходит немецкое слово messing, означающее латунь. При императоре Ав­густе (63 г. до н. э.-14 г. н. э.) в Риме чеканили латунные монеты. Однако тогда еще не было известно, что латунь содержит другой металл - цинк. Европа узнала о цинке только в XVIII в. от металлурга из Фрейберга- Иоганна Фридриха Хенкеля (1675-1744). Сегодня мы знаем, что китайцам этот металл был известен раньше.

Таким образом, средневековые алхимики имели дело с 6-7 металлами. М. В. Ломоносову было известно уже 13 металлов. Когда Д.И. Менделеев (1869 г.) составил свою знаменитую периодическую систему элементов, в ней насчитывалось 92 места для элементов, но известно было лишь 63. Из этих 63 элементов 22 были неметаллами, и пять - полуметаллами, к которым отнесли мышьяк, олово, сурьму, висмут и германий. Таким образом, в 1869 году было известно уже 36 металлов. В настоящее время твердо установлено существование 117 элементов, в том числе металлов - 79. Из 117 химических элементов 89 обнаружены в природных объектах.

Второе место среди металлов в земной коре занимает широко распространенный на нашей планете металл - железо. К сожалению, железо, так же как и алюминий, и все остальные металлы не содержится в земной коре в чистом виде. Оно окислено. А оксиды железа смешаны с рядом оксидов других элементов, образующих так называемую пустую породу. Поэтому, добывая железо, приходится руду переплавлять, оксиды других металлов переводить в шлак, а железо восстанавливать из его оксида. Задача нелегкая, но, тем не менее, именно железо, а не какой-либо другой металл, стало основой технического прогресса во всем мире. Чем это объяснить?

Во-первых, распространенностью железа в природе, во-вторых, относительной легкостью восстановления его из оксидов по сравнению с другими металлами, в-третьих, малой стоимостью и. в-четвертых, удивительно широким спектром свойств, которыми обладают железные сплавы. Ученый – минералог академик А. Е. Ферсман писал: «Железо не только основа всего мира, самый главный металл окружающей нас природы, оно основа культуры и промышленности, оно орудие войны и мирного труда. И трудно во всей таблице Менделеева найти другой такой элемент, который был бы так связан с прошлым, настоящим и будущими судьбами человечества».

Археологи утверждают, что человек научился получать железо с незапамятных времен. Применение метеоритного железа - первый шаг по пути отказа от бронзы. Железо побеждает бронзу.

С этого начался переход от бронзового века к железному. Железо побеждает бронзу. Бронза, как известно, сохраняется в земле, точнее - в ее культурном слое, тысячелетия. Железо, напротив, довольно быстро возвращается в первозданное состояние - ржавление превращает его снова в своего рода руду, т.е. в соединения железа с кислородом. Тогда почему же можно говорить о применении железа в незапамятные времена? Основанием для этого служат остатки, говоря современным языком, металлургического оборудования, которым пользовались наши предки, отходы древнего «металлургического производства» в виде шлака, неиспользованное сырье в виде угля и т.д.

Ранний железный век в Центральной и Западной Европе получил название «гальштатский» по месту основных находок материальных свидетельств этого периода и продолжался сVIII поVвек до н.э. С этого времени начинается собственно железный век, практически его расцвет, когда железо в Европе стало важнейшим и наиболее распространенным металлом, применяемым в хозяйственной и военной деятельности человека. Это период с V до конца I в. до н.э.. называемый по месту основных находок. Так, в период Латонской культуры (Швейцария) были достигнуты большие успехи в развитии металлургии железа, о чем свидетельствуют их наиболее совершенные металлургические печи. Доказано, что они применяли уже печи шахтного типа и дутьевые мехи, т.е. кричные горны.

В качестве топлива использовался древесный уголь. При нагревании происходило восстановление железа из его окислов с помощью углерода топлива. На дне горна образовывалась крица - раскаленный ком железа, по структуре напоминающий губку.

Гравюра из книги Агриколы «О металлах».

Получение кричного железа в сыродутных горнах.

Его проковывали под молотом для уплотнения и выдавливания шлаков. Производительность таких сыродутных горнов была незначительной. Вес железного кома - крицы редко превышал 20-25 кг. Появление в середине XIV в. доменных печей открыло возможности для значительного увеличения выпуска металла. Демидовская металлургия знала кричное железо, домницы, а потом домны, литейный чугун, прокатное производство.

Производство железа на территории нашей страны было известно еще в доисторические времена. Археологические раскопки древних поселений в центральной части СССР, на Урале, Украине, в Белоруссии, Закавказье и в ряде других районов показывают, что наши далекие предки уже 2,5-3 тысячелетия тому назад умели получать железо из руд и изготовлять из него оружие, орудия труда и предметы домашнего обихода.

При продувке воздухом расплавленный чугун не только не охлаждается, как предполагали прежде, но, напротив, его температура возрастает настолько, что ванна остается жидкой, хотя сталь, которая образуется из чугуна благодаря продувке, имеет более высокую температуру плавления.

Доменные печи существуют и сегодня, а последние в нашей стране бессемеровские конвертеры Днепровского металлургического завода

отнюдь не владевшими теорией металлургических процессов, но умевшими тысячу лет тому назад ковать мечи из непревзойденной и сегодня булатной (дамасской) стали, готовить латы и шлемы, удивительной вязки стальные кольчуги. В XVI-XVII вв. на Руси создаются первые железоделательные заводы. Они строятся вблизи старинных русских городов - Тулы, Каширы, Серпухова, в Новгородском крае и других районах страны. Уже к концу XVII века их суммарная производительность достигает 150 тыс. пудов. В начале XVIII в. отечественная металлургия развивается еще более быстрыми темпами. Это была славная эпоха Петра I, которой отлично понимал, что для решения поставленных им задач - укрепить Русское государство, завоевать выходы к морям, «прорубить окно в Европу» - потребуется немало металла, чтобы обеспечить сооружение кораблей и производство вооружения. Однако разведанных рудных запасов и лесных ресурсов Центра России было явно недостаточно. Нужно было создать новую металлургическую базу страны. Ею явился Урал, с его богатейшими запасами высококачественной железной руды и древесноугольного топлива. При Петре I Урал становится ведущим горнометаллургическим районом России. Туда направляются специалисты с тульских и других старых заводов; привлекаются опытные заграничные мастера. Один за другим на Урале возникают крупные по тому времени железоделательные заводы - Каменский, Невьянский, Уктусский, Алапаевский и др. Одновременно продолжается расширение и строительство предприятий в центральной части страны, близ Москвы, Липецка, Воронежа, в северо - западных районах. Эти заводы впоследствии сыграли большую роль в материальном обеспечении русской армии и флота. Достаточно сказать, что только один первенец уральской металлургии - Каменский завод с 1702 по 1709 г. выпустил 854 артиллерийских орудия и свыше 27 тыс. пудов снарядов к ним. Они помогли русскому народу одержать победу в решающем сражении со шведами под Полтавой. В петровскую эпоху выдвинулось немало талантливых людей, поставивших своей целью изучить природные богатства русской земли, создать рудники, построить заводы, укрепить экономическое могущество Родины.

Усилия металлургов петровской эпохи не пропали даром. Выплавка чугуна и производство железа росли в первой четверти XVIIIв. стремительными темпами. По данным акад. С.Г. Струмилина, металлургическая промышленность России произвела в 1725 г. 1165 тыс. пудов чугуна, т.е. свыше 19 тыс. т. Производительность английских заводов не превышало в это время 17 тыс. т. Таким образом, за четверть века производство черных металлов в России увеличилось почти в восемь раз. В области черной металлургии наша страна вышла в то время на первое место в мире, оставив позади себя Англию, Францию, Германию и другие страны. Русский металл отличался высоким качеством. Это не удивительно. Ведь на Урале он выплавлялся из прекрасной руды - магнитного железняка, на чистом древесном угле, опытными металлургами. Вместе с тем он приобретал все большую популярность на мировом рынке. В 1716 г. наиболее индустриальная страна того времени - Англия ввезла первую партию русского железа - 2200 пудов. 16 лет спустя эта цифра увеличилась почти в 100 раз, а через несколько десятилетий более трети применяемых в Англии черных металлов имели клеймо русских заводов. Россия стала основным поставщиком металла для Англии, вступившей в это время на путь создания крупной машинной индустрии. «Без импортного железа, - указывает акад. С.Г. Струмилин, - промышленный переворот в Англии задержался бы, несомненно, на целые десятки лет». Конечно, оживленный заграничный спрос на русское железо и расширение отечественной промышленности, прежде всего оружейной, стимулировали дальнейшее развитие русской металлургии. В результате увеличения производства металлов уже в первой половине XVIII в. начали складываться предпосылки для разработки научных основ металлургии, вся предшествующая история которой, начиная с глубокой древности, не выходила за пределы эмпиризма. Она «была цепью непрерывных практических исканий новых способов получения металлов, передела их и производства специальных сплавов». Древние и средневековые мастера хорошо знали приемы получения и обработки железа, передаваемые из поколения в поколение. Часто эти приемы и накопленный опыт были достоянием отдельных семей или небольших групп мастеров и хранились в тайне. Все большая потребность в металлах, необходимость получать для изготовления различных изделий сплавы с разными свойствами заставили многих представителей науки XVIII века, прежде всего физиков и химиков, заняться разработкой теоретических основ металлургических процессов, постараться выяснить зависимость свойств металла от его состава, методов получения и характера обработки. Зачинателем науки о металлах на Руси по праву считается наш великий соотечественник Михаил Васильевич

Современники М.В. Ломоносова с большим интересом встретили выход в свет этого труда. В том же 1763 г. издававшийся в Петербурге журнал «Ежемесячные сочинения и известия об ученых делах» сообщал своим читателям:«...не надлежит сомневаться, чтоб книга, показывающая добывать, пробовать и выплавлять металлы, с большой охотой от российской публики не была принята». «Первые основания металлургии» были изданы огромным по тому времени тиражом - 1225 экземпляров. Книга была разослана на крупнейшие горные заводы и рудники Урала и Алтая, а также многим ученым и промышленникам и быстро приобрела широкую популярность.

«Первые основания металлургии» разделены автором на пять частей, следующих одна за другой в строгой логической последовательности. В предисловии Ломоносов четко определяет задачи металлургии, отделяя их от задач последующей обработки металлов методами ковки или другими способами, применявшимися на «железных» заводах. «Металлургии должность тут кончится ,- пишет ученый,- когда она поставит чистые металлы или полуметаллы, в дело годные». Первая часть книги посвящена описанию свойств металлов и различных минералов, находящихся в земле. Прежде всего, дается определение самого понятия «металл». Металлом, по Ломоносову, «называется светлое тело, которое ковать можно». Далее металлы разделяются на «высокие» (т. е. благородные) - золото и серебро и на «простые» - медь, олово, железо, свинец. Первые «одним огнем без помощи других материй в пепел сожечь не можно, а, напротив того, простые чрез едину оного силу в пепел обращаются ».

Ломоносов подробно характеризует свойства каждого из этих металлов (их удельный вес, ковкость, твердость и вязкость, цвет, окисляемость и др.), распространенность в природе и использование на практике. Особенно подробно он останавливается на свойствах железа, подчеркивая, что это наиболее дешевый и весьма распространенный в природе металл, хотя в отличие от других и не встречающийся в «самородном» виде.

Ученый применяет и широко распространенное теперь понятие - сталь. Он пишет о железе: «В рассуждении упругости уступают ему все металлы, которая ежели будет в нем превосходительна и с великою жестокостью совокуплена, то называется такое железо сталью ».

Ломоносов придавал большое значение изучению процессов «го­рения» (т. е. окисления) металлов и продуктов окисления. «В этом состоит его гениальное предвидение значения теплот образования окислов металлов для характеристики протекания металлургических процессов».

В заключение первой части книги приводится общая характеристика железных руд и руд цветных металлов. При этом Ломоносов подчеркивает большое разнообразие руд, встречающихся в природе,- «почти всякая земля свои особливые руды имеет » - и важность уметь ана­лизировать руды «через пробирное искусство».

Вторая часть «Первых оснований металлургии» цели­ком посвящена рудным месторождениям и их поискам. Следующие разделы целиком посвящены горнозаводской практике. Большое внимание уделяется охране труда горняков, на­чиная от описания правильной организации подземных работ и мер по их безопасности и кончая характеристикой оградительных сооружений и одежды рабочих. Ломоносов подчеркивает роль «пробирного искусства», т. е. производства анализов исходного сырья (руды) и конечных продуктов металлургического производства.

Заключительная, пятая часть «Первых оснований металлургии» посвящена основным процессам извлечения железа и цветных металлов из руд. В книге говорится о подготовке руд к плавке - их измельчении, промывке и обжиге, т. е. обо всем том, что теперь называется обога­щением исходных материалов. Эта важная часть металлургического производства, нашедшая особенно широкое применение в наши дни, освещается в трудах М.В.Ломоносова. В пятой части речь идет о плавильных печах и процессах, в них происходящих. Ломоносов подробно описывает выплавку чугуна и железа. Он приводит конструкцию доменной печи и агрегатов для переработки чугуна в железо, останавливается на характере происходящих в них процессов и на методах плавки. Книга Ломоносова хорошо иллюстрирована многочисленными схемами и чертежами, облегчающими изучение описанных в ней процессов и механических приспособлений. Ломоносовские теории остались незыблемыми и в наше время.

XVIII век вошел в историю нашей Родины как век большого подъема горнометаллургической промышленности. В этот период были заложены основы науки о металле, созданы первые технические школы - начальные, средние и высшие - для подготовки квалифицированных кадров горнозаводского дела.

Мы не случайно остановились здесь так подробно на общих законах природы, установленных М. В. Ломоносовым в его работах по металлургии и горному делу. Великому русскому ученому выпала честь создать основы современной науки о металлах. Идеи, заложенные в его классических трудах, в течение многих десятилетий развивались отечественными учеными и инженерами. Прослеживая на протяжении двух с лишним столетий историю старейшей русской научной школы - школы металлургов, мы с полным к тому основанием ставим во главу ее Михаила Васильевича Ломоносова. Его работы в области горного дела и металлургии были вызваны к жизни потребностями быстро развивающейся русской промышленности, и они хорошо послужили нашему отечеству и мировой науке. Можно добавить, что М.В.Ломоносов заложил основу многих теоретических и прикладных исследований в металлургии.

Одновременно с созданием основ науки о металлах в XVIII в. продолжала совершенствоваться техника металлургического производства. Десятки талантливых изобретателей в России и за рубежом улучшали металлургические агрегаты, повышали их производительность.

Металлургическая техника России в конце XVIII в. не уступала западноевропейской, а во многом даже превосходила ее. Уральские доменные печи, например, считались в то время крупнейшими в мире. Их высота доходила до 13 м, т.е. была почти предельной для печи, работавшей на древесном угле. Наибольший диаметр такой печи (в распаре) составлял почти 4 м, а ее недельная выработка достигала 200 - 300 т. Такая высокая производительность по свидетельству видного немецкого историка металлургии Л.Бека, была недостижимой тогда для самых больших английских домен, работавших на коксе. Размеры и производительность доменных печей того времени больше всего зависели от количества и давления воздуха, нагнетаемого в печи. Русские изобретатели XVIII в. успешно работали над совершенствованием воздуходувных устройств доменных печей. В 1743 г. крепостной мастер уральских заводчиков Демидовых Григорий Махотин предложил вдувать воздух в доменную печь не через одну, а через две фурмы. Это мероприятие улучшило работу печи и ускорило процесс плавки.

Однако этого было мало. Крупные доменные печи требовали большего давления вдуваемого в них воздуха. Эту задачу успешно решил выдающийся русский теплотехник и изобретатель Иван Иванович Ползунов (1728 - 1766). В 1765 г., за три года до английского изобретателя Смитона, он сконструировал цилиндрическую воздуходувку, заменив ею малопроизводительные меха ящичного типа.

Ширина блока px

Скопируйте этот код и вставьте себе на сайт

Подписи к слайдам:

Развитие науки «ХИМИЯ»

• Подготовила
• преподаватель химии ГБПОУ НСО НКЭиВТ
• Зырянова Т. Е.

• Этапы развития химии

• До III в. н. э.

• III -XVI в.в.

• XVII -XVIII в.в.

• 1789 – 1860 гг.

• 1860 г. –конец XIX в.

• С начала XX в. до нашего времени

• В предалхимическом периоде теоретический и практический аспекты знаний о веществе развивались относительно независимо друг от друга.
• Практические операции с веществом являлись прерогативой ремесленной химии. Начало её зарождения следует в первую очередь связывать с появлением и развитием металлургии.
• В античную эпоху были известны в чистом виде 7 металлов: медь, свинец, олово, железо, золото, серебро и ртуть, а в виде сплавов - ещё и мышьяк, цинк и висмут. Помимо металлургии, накопление практических знаний происходило и в других областях, таких как производство керамики и стекла, крашение тканей и дубление кож, изготовление лекарственных средств и косметики. Именно на основе успехов и достижений практической химии древности происходило развитие химических знаний в последующие эпохи.

• Попытки теоретического осмысления проблемы происхождения свойств вещества привели к формированию в античной греческой натурфилософии - учения об элементах-стихиях.
• Наибольшее влияние на дальнейшее развитие науки оказали учения Эмпедокла, Платона и Аристотеля.
• Согласно этим концепциям все вещества образованы сочетанием четырёх первоначал: земли, воды, воздуха и огня.
• Сами элементы при этом способны к взаимопревращениям, поскольку каждый из них, согласно Аристотелю, представляет собой одно из состояний единой первоматерии - определённое сочетание качеств.
• Положение о возможности превращения одного элемента в другой стало позднее основой алхимической идеи о возможности взаимных превращений металлов (трансмутации).
• Практически одновременно с учением об элементах-стихиях в Греции возник и атомизм, основателями которого стали Левкипп и Демокрит.

• графическое отображение взаимосвязи между элементами

• Александрийская алхимия

• Арабская алхимия

• Европейская алхимия

• Алхимический период - это время поисков философского камня, считавшегося необходимым для осуществления трансмутации металлов. Алхимическая теория, основанная на античных представлениях о четырёх элементах, была тесно переплетена с астрологией и мистикой. Наряду с химико-техническим «златоделием» эта эпоха примечательна также и созданием уникальной системы мистической философии. Алхимический период, в свою очередь, разделяется на три подпериода: александрийскую (греко-египетскую), арабскую и европейскую алхимию.

• «Хризопея Клеопатры» - изображение из алхимического трактата александрийского периода

• В Александрии произошло соединение теории (натурфилософии Платона и Аристотеля) и практических знаний о веществах, их свойствах и превращениях; из этого соединения и родилась новая наука - химия

• Само слово «химия» (и арабское al-kīmiya ) обычно считается происходящим от древнего названия Египта - Кем или Хем; изначально слово, по-видимому, должно было означать нечто вроде «египетского искусства». Иногда, термин производят от греческого χυμος - сок или χυμενσιζ - литьё.
• Основными объектами изучения александрийской химии являлись металлы. В александрийский период сформировалась традиционная металлопланетная символика алхимии, в которой каждому из семи известных тогда металлов сопоставлялась соответствующая планета: серебру - Луна, ртути - Меркурий, меди -Венера, золоту - Солнце, железу - Марс, олову - Юпитер, свинцу - Сатурн.
• Небесным покровителем химии в Александрии стал египетский бог Тот или его греческий аналог Гермес.

• Среди значительных представителей греко-египетской алхимии, имя которых дошло до наших дней, можно отметить Болоса Демокритоса, Зосима Панополита, Олимпиодора.

• Изображение прибора для перегонки из рукописи Зосима Панополита

• Зосим Панополит
• даты рождения и смерти неизвестны, вероятно, III – IV вв.
• Зосима из Панополиса – греко-египетский алхимик, работавший в Александрийской академии. Считается одним из основателей алхимии. Родился в Панополисе (ныне Акхмим, Египет). Многочисленные мистико-аллегорические сочинения Зосима пользовалось широкой известностью у александрийских, а позднее и у средневековых алхимиков.

• Теоретической основой арабской алхимии по-прежнему являлось учение Аристотеля. Однако развитие алхимической практики потребовало создания новой теории, основанной на химических свойствах веществ. Джабир ибн Хайян (Гебер) в конце VIII века разработал ртутно-серную теорию происхождения металлов - металлы образованы двумя принципами: Hg (принцип металличности) и S (принцип горючести). Для образования Au - совершенного металла, еще необходимо наличие некоторой субстанции, которую Джабир называл эликсиром (al-iksir , от греческого ξεριον, то есть «сухой»).

• Проблема трансмутации, таким образом, в рамках ртутно-серной теории свелась к задаче выделения эликсира, иначе называемого философским камнем (Lapis Philosophorum ). Эликсир, как считалось, должен был обладать ещё многими магическими свойствами - исцелять все болезни, и, возможно, давать бессмертие.
• Ртутно-серная теория составила теоретическую основу алхимии на несколько последующих столетий. В началеX века другой выдающийся алхимик - Ар-Рази (Разес), - усовершенствовал теорию, добавив к Ртути и Сере принцип твёрдости (хрупкости), или философскую Соль.

• Арабская алхимия, в отличие от александрийской, была вполне рациональна; мистические элементы в ней представляли собой скорее дань традиции. Помимо формирования основной теории алхимии, во время арабского этапа был разработан понятийный аппарат, лабораторная техника и методика эксперимента. Арабские алхимики добились несомненных практических успехов - ими выделены сурьма, мышьяк и, по-видимому, фосфор, получены уксусная кислота и разбавленные растворы минеральных кислот. Важной заслугой арабских алхимиков стало создание рациональной фармации, развившей традиции античной медицины.

• Научные воззрения арабов проникли в средневековую Европу в XIII веке. Работы арабских алхимиков были переведены на латынь, а затем и на другие европейские языки.

• Среди крупнейших алхимиков европейского этапа можно отметить Альберта Великого, Роджера Бэкона, Арнальдо де Вилланову, Раймунда Луллия,Василия Валентина. Р. Бэкон определил алхимию следующим образом: «Алхимия есть наука о том, как приготовить некий состав, или эликсир, который, если его прибавить к металлам неблагородным, превратит их в совершенные металлы».

• В Европе в мифологию и символику алхимии были внедрены элементы христианской мифологии (Петрус Бонус,Николай Фламель); в целом для европейской алхимии мистические элементы оказались значительно более характерны, нежели для арабской. Мистицизм и закрытость европейской алхимии породили значительное число мошенников от алхимии; уже Данте Алигьери в «Божественной комедии» поместил в восьмой круг Ада тех, кто «алхимией подделывал металлы». Характерной чертой европейской алхимии стало её двусмысленное положение в обществе. Как церковные, так и светские власти неоднократно запрещали занятия алхимией; в то же время алхимия процветала и в монастырях, и при королевских дворах.

• К началу XIV века европейская алхимия добилась первых значительных успехов, сумев превзойти арабов в постижении свойств вещества. В 1270 году итальянский алхимик Бонавентура, в одной попытке получения универсального растворителя получил раствор из соляной и азотной кислоты (aqua fortis ), который оказался способным растворять золото, царя металлов (отсюда и название - aqua Regis , то есть царская водка). Псевдо-Гебер - один из самых значительных средневековых европейских алхимиков, работавший в Испании в XIV веке и подписывавший свои сочинения именем Гебера, - подробно описал концентрированные минеральные кислоты (серную и азотную). Использование этих кислот в алхимической практике привело к существенному росту знаний алхимиков о веществе.

• В середине XIII века в Европе началась выделка пороха; первым его (не позже 1249 года) описал, по-видимому, Р. Бэкон (часто упоминаемого монаха Б. Шварца можно считать основоположником порохового дела в Германии). Появление огнестрельного оружия стало сильнейшим стимулом для развития алхимии и её тесного переплетения с ремесленной химией.

• Начиная с эпохи Возрождения, в связи c развитием производства всё большее значение в алхимии стало приобретать производственное и вообще практическое направление: металлургия, изготовление керамики, стекла и красок. В первой половине XVI века в алхимии выделились рациональные течения: техническая химия, начало которой положили работы В. Бирингуччо,Г. Агриколы и Б. Палисси, и ятрохимия, основателем которой стал Парацельс.

• Бирингуччо и Агрикола видели задачу алхимии в поисках способов совершенствования химической технологии; в своих трудах они стремились к максимально ясному, полному и достоверному описанию опытных данных и технологических процессов.

• Парацельс утверждал, что задача алхимии - изготовление лекарств; при этом медицина Парацельса основывалась на ртутно-серной теории. Он считал, что в здоровом организме три принципа - Ртуть, Сера и Соль, - находятся в равновесии; болезнь представляет нарушение равновесия между принципами. Для его восстановления Парацельс ввёл в практику лекарственные препараты минерального происхождения - соединения мышьяка, сурьмы, свинца, ртути и т. п., - в дополнение к традиционным растительным препаратам.

• К представителям ятрохимии (спагирикам, как называли себя последователи Парацельса) можно отнести многих известных алхимиков XVI-XVII веков: А. Либавия (рис.1), Р. Глаубера, Я. Б. Ван Гельмонта, О. Тахения.

• Техническая химия и ятрохимия непосредственно подвели к созданию химии как науки; на этом этапе были накоплены навыки экспериментальной работы и наблюдений, в частности, разработаны и усовершенствованы конструкции печей и лабораторных приборов, методы очистки веществ (кристаллизация, перегонка и др.), получены новые химические препараты.

• Главным результатом алхимического периода в целом, помимо накопления значительного запаса знаний о веществе, явилось зарождение эмпирического подхода к изучению свойств вещества. Алхимический период стал совершенно необходимым переходным этапом между натурфилософией и экспериментальным естествознанием.

• Вторая половина XVII века ознаменовалась первой научной революцией, результатом которой стало новое естествознание, целиком основанное на экспериментальных данных. Создание гелиоцентрической системы мира (Н. Коперник, И. Кеплер), новой механики (Г. Галилей), открытие вакуума и атмосферного давления (Э. Торричелли,Б. Паскаль и О. фон Герике) привели к глубокому кризису аристотелевской физической картины мира. Ф. Бэконвыдвинул тезис о том, что решающим доводом в научной дискуссии должен являться эксперимент; в философии возродились атомистические представления (Р. Декарт, П. Гассенди).

• Одним из следствий этой научной революции явилось создание новой химии, основоположником которой традиционно считается Р. Бойль. Бойль, доказав несостоятельность алхимических представлений об элементах как носителях неких качеств, поставил перед химией задачу поиска реальных химических элементов. Элементы, по Бойлю, - практически неразложимые тела, состоящие из сходных однородных корпускул, из которых составлены все сложные тела и на которые они могут быть разложены. Главной задачей химии Бойль считал изучение состава веществ и зависимости свойств вещества от его состава

• Создание теоретических представлений о составе тел, способных заменить учение Аристотеля и ртутно-серную теорию, оказалось весьма сложной задачей. В последней четверти XVII в. появились т. н. эклектические воззрения, создатели которых пытаются увязать алхимические традиции и новые представления о химических элементах (Н. Лемери, И. И. Бехер).

• Предложена немецким химиком Г. Э. Шталем. Она объясняла горючесть тел наличием в них некоего материального начала горючести - флогистона, и рассматривала горение как разложение. Обобщила широкий круг фактов, касавшихся процессов горения и обжига металлов, послужила мощным стимулом для развития количественного анализа сложных тел, без которого было бы абсолютно невозможным экспериментальное подтверждение идей о химических элементах. Она стимулировала также изучение газообразных продуктов горения в частности и газов вообще; в результате появилась пневматическая химия, основоположниками которой стали Дж. Блэк, Д. Резерфорд, Г. Кавендиш, Дж. Пристли и К. В. Шееле.

• Процесс превращения химии в науку завершился открытиями А. Л. Лавуазье. С создания им кислородной теории горения (1777 год) начался переломный этап в развитии химии, названный «химической революцией». Отказ от теории флогистона потребовал пересмотра всех основных принципов и понятий химии, изменения терминологии и номенклатуры веществ

• В 1789 году Лавуазье издал свой знаменитый учебник «Элементарный курс химии», целиком основанный на кислородной теории горения и новой химической номенклатуре. Он привёл первый в истории новой химии список химических элементов (таблицу простых тел). Критерием определения элемента он избрал опыт, и только опыт, категорически отвергая любые неэмпирические рассуждения об атомах и молекулах, само существование которых невозможно подтвердить опытным путём. Лавуазье сформулировал закон сохранения массы, создал рациональную классификацию химических соединений, основанную, во-первых, на различии в элементном составе соединений и, во-вторых, на характере их свойств.
• Химическая революция окончательно придала химии вид самостоятельной науки, занимающейся экспериментальным изучением состава тел; она завершила период становления химии, ознаменовала собой полную рационализацию химии, окончательный отказ от алхимических представлений о природе вещества и его свойств.

• Главным итогом развития химии в период количественных законов стало её превращение в точную науку, основанную не только на наблюдении, но и на измерении. Был открыт целый ряд количественных закономерностей - стехиометрические законы:
• Закон эквивалентов (И. В. Рихтер, 1791-1798)
• Закон постоянства состава (Ж. Л. Пруст, 1799-1806)
• Закон кратных отношений (Дж. Дальтон, 1803)
• Закон объёмных отношений, или закон соединения газов (Ж. Л. Гей-Люссак, 1808)
• Закон Авогадро (А. Авогадро, 1811)
• Закон удельных теплоёмкостей (П. Л. Дюлонг и А. Т. Пти, 1819)
• Закон изоморфизма (Э. Мичерлих, 1819)
• Законы электролиза (М. Фарадей, 1830-е гг.)
• Закон постоянства количества теплоты (Г. Гесс, 1840)

• Для данного периода характерно стремительное развитие науки: были созданы периодическая система элементов, теория химического строения молекул, стереохимия, химическая термодинамика и химическая кинетика; блестящих успехов достигли прикладная неорганическая химия и органический синтез. В связи с ростом объёма знаний о веществе и его свойствах началась дифференциация химии - выделение её отдельных ветвей, приобретающих черты самостоятельных наук.

• В 1869 году Д. И. Менделеев
• опубликовал первый вариант своей Периодической таблицы и сформулировал Периодический закон химических элементов. Менделеев не просто констатировал наличие взаимосвязи между атомными весами и свойствами элементов, но взял на себя смелость предсказать свойства нескольких неоткрытых ещё элементов. После того, как предсказания Менделеева блестяще подтвердились, Периодический закон стал считаться одним из фундаментальных законов природы

• ИЗОМЕРИЯ - существование соединений-изомеров (гл. обр. органических), одинаковых по составу и мол. массе, но различных по физ. и хим. св-вам. В итоге полемики Ю. Либиха и Ф. Вёлера было установлено (1823), что существуют два резко различных по св-вам в-ва состава AgCNO - циановокислое и гремучее серебро. Еще одним примером послужили винная и виноградная к-ты, после исследования к-рых И. Берцелиус в 1830 ввел термин "изомерия" и высказал предположение, что различия возникают из-за "различного распределения простых атомов в сложном атоме" (т. е. молекуле). Подлинное объяснение изомерия получила лишь во 2-й пол. 19 в. на основе теории хим. строения A. M. Бутлерова (структурная изомерия) и стереохим. учения Я. Г. Вант-Гоффа (пространственная изомерия). Структурная изомерия - результат различий в хим. строении.

• На протяжении почти всего XIX века структурные представления оказались востребованы, прежде всего, в органической химии.
• Лишь в 1893 году А. Вернер создал теорию строения комплексных соединений, которая распространила эти представления на неорганические соединения, существенно расширив понятие о валентности элементов

• В середине XIX века начала стремительно развиваться пограничная область науки - физическая химия. Начало ей положил ещё М. В. Ломоносов, дав определение и введя само наименование этой дисциплины в научный тезаурус. Предметом изучения физической химии стали химические процессы - скорость, направление, сопровождающие их тепловые явления и зависимость этих характеристик от внешних условий.

• Изучение тепловых эффектов реакций
• начал А. Л. Лавуазье, сформулировавший совместно с П. С. Лапласом первый закон термохимии. В1840 году Г. И. Гесс открыл основной закон термохимии («закон Гесса»). М. Бертло и Ю. Томсен в 1860-е годы сформулировали «принцип максимальной работы» (принцип Бертло - Томсена), позволивший предвидеть принципиальную осуществимость химического взаимодействия.

• В 1867 году К. М. Гульдберг и
• П. Вааге открыли закон действующих масс. Представляя равновесие обратимой реакции как равенство двух сил сродства, действующих в противоположных направлениях, они показали, что направление реакции определяется произведением действующих масс (концентраций) реагирующих веществ. Теоретическое рассмотрение химического равновесия выполнили
• Дж. У. Гиббс (1874-1878), Д. П. Коновалов (1881-1884) и Я. Г. Вант-Гофф (1884). Вант-Гофф сформулировал также принцип подвижного равновесия, который обобщили позже А. Л. Ле Шателье и К. Ф. Браун. Создание учения о химическом равновесии стало одним из главных достижений физической химии XIX века, имевшим значение не только для химии, но и для всего естествознания

• К.М. Гульдберг и П. Вааге

• Анри-Луи
• Ле Шателье

• Важным достижением физической химии в XIX веке стало создание учения о растворах. Существенные успехи были достигнуты в количественном описании некоторых свойств растворов (1-й и 2-й законы Ф.М. Рауля,
• осмотический закон Я. Г. Вант-Гоффа,
• теория электролитической диссоциации
• С. А. Аррениуса)

• Сва́нте А́вгуст Арре́ниус

• После открытия делимости атома и установления природы электрона как его составной части возникли реальные предпосылки
• для разработки
• теорий химической связи.
• В конце 20-х - начале 30-х годов XX века сформировались принципиально новые - квантово-механические - представления о строении атома и природе химической связи.
• Квантово-механический подход к строению атома привёл к созданию новых теорий, объясняющих образование связи между атомами.

• В 1929 году Ф. Хунд, Р. С. Малликен и Дж. Э. Леннард-Джонс заложили фундамент метода молекулярных орбиталей, основанного на представлении о полной потере индивидуальности атомов, соединившихся в молекулу. Хунд создал также современную классификацию химических связей; в 1931 году он пришёл к выводу о существовании двух основных типов химических связей - простой, или σ-связи, и π-связи.
• Э. Хюккель распространил метод МО на органические соединения, сформулировав в 1931 году правило ароматической стабильности, устанавливающее принадлежность вещества к ароматическому ряду

• Благодаря квантовой механике к 30-м годам XX века в основном был выяснен способ образования связи между атомами; кроме того, в рамках квантово-механического подхода получило корректную физическую интерпретацию менделеевское учение о периодичности. Создание надёжного теоретического фундамента привело к значительному росту возможностей прогнозирования свойств вещества. Особенностью химии в XX веке стало широкое использования физико-математического аппарата и разнообразных расчётных методов

• Подлинным переворотом в химии стало появление в XX веке большого числа новых аналитических методов, прежде всего физических и
• физико-химических (рентгеноструктурный анализ, электронная и
• колебательная спектроскопия,магнетохимия и
• масс-спектрометрия, спектроскопия ЭПР и ЯМР,хроматография и т. п.). Эти методы предоставили новые возможности для изучения состава, структуры и реакционной способности вещества.

• Отличительной чертой современной химии стало её тесное взаимодействие с другими естественными науками, в результате которого на стыке наук появились биохимия, геохимия и др. разделы. Одновременно с этим процессом интеграции интенсивно протекал и процесс дифференциации самой химии. Хотя границы между разделами химии достаточно условны, коллоидная и координационная химия, кристаллохимия и электрохимия, химия высокомолекулярных соединений и некоторые другие разделы приобрели черты самостоятельных наук.

• Закономерным следствием совершенствования химической теории в XX веке стали новые успехи практической химии - каталитический синтез аммиака, получение синтетических антибиотиков, полимерных
• материалов и т. п. Успехи химиков в деле получения вещества с желаемыми свойствами в числе прочих достижений прикладной науки к концу XX столетия привели к коренным преобразованиям в жизни человечества .

Металлы – наиболее распространенные и широко используемые материалы в производстве и в быту человека. Особенно велико значение металлов в наше время, когда большое их количество используют в машиностроительной промышленности, на транспорте, в промышленном, жилищном и дорожном строительстве, а также в других отраслях производства.

В древности и в средние века считалось, что существует только 7 металлов: золото, серебро, медь, олово, свинец, железо, ртуть. По алхимическим представлениям металлы зарождались в земных недрах под влиянием лучей планет и постепенно крайне медленно совершенствовались, превращаясь в серебро и золото. Алхимики полагали, что металлы – вещества сложные, состоящие из «начала металличности» (ртути) и «начала горючести» (серы). В начале XVIII в. получила распространение гипотеза, согласно которой металлы состоят из земли и «начала горючести» – флогистона. М.В. Ломоносов насчитывал 6 металлов (Au, Ag, Cu, Sn (олово), Fe, Pb) и определял металл как «светлое тело, которое ковать можно». В конце XVIII в. А.Л. Лавуазье опроверг гипотезу флогистона и показал, что металлы – простые вещества. В 1789 Лавуазье в руководстве по химии дал список простых веществ, в который включил все известные тогда 17 металлов (Sb, Ag, As, Bi, Co, Cu, Sn, Fe, Mn, Hg, Mo, Ni, Au, Pt, Pb, W, Zn). По мере развития методов химического исследования число известных металлов возрастало.

Согласно периодической системы Д.И. Менделеева в природе насчитывается 107 химических элементов, из которых 85 элементов – металлы и лишь 22 – неметаллы. В настоящее время периодическая система насчитывает 111 элементов.

В конце XIX – начале XX вв. получила физико-химическую основу металлургия – наука о производстве металлов из природного сырья. Тогда же началось исследование свойств металлов и их сплавов в зависимости от химического состава и строения.

Основы современного металловедения заложили выдающиеся русские ученые-металлурги Павел Петрович Аносов (1799–1851) и Дмитрий Константинович Чернов (1839–1921), впервые обосновав влияние химического состава, структуры сплава и характера его обработки на свойства металла.

П.П. Аносов разработал научные принципы получения высококачественной стали, впервые в мире в 1831 г., разрабатывая способ получения булата , изучал под микроскопом строение отполированной поверхности стали, предварительно протравленной кислотой, т.е. применял так называемый метод микроанализа.

Бул а т (от перс. пулад - сталь), булатная сталь, углеродистая литая сталь, которая благодаря особому способу изготовления отличается своеобразной структурой и видом («узором») поверхности, высокой твердостью и упругостью. Узорчатость булатной стали связана с особенностями выплавки и кристаллизации. С древнейших времен (упоминается Аристотелем) идет на изготовление холодного оружия исключительной стойкости и остроты – клинков, мечей, сабель, кинжалов и др. Булат производили в Индии (под названием вуц), в странах Средней Азии и в Иране (табан, хорасан), в Сирии (дамаск, или дамасская сталь). Впервые в Европе литой булат, аналогичный лучшим старинным восточным образцам, получен на Златоустовском заводе П.П. Аносовым .

Ан о сов Павел Петрович , русский металлург. Родился в семье секретаряБерг-коллегии, который в 1806 был назначен советником Пермского горного управления и переехал с семьей в Пермь. Вскоре родители Аносова умерли, и он воспитывался у деда, служившего механиком на Камских заводах. В 13 лет Аносов поступил в Петербургский горный кадетский корпус (будущий Горный институт), который окончил в 1817. В том же году поступил на Златоустовские казенные заводы, основанные при Петре I. Спустя 2 года написал свою первую работу «Систематическое описание горного и заводского производства Златоустовского завода». Этот труд показал не только широкий кругозор Аносова (завод включал доменные печи, передельные и кричные фабрики, рудники по добыче железной руды, плотину с установленными на ней водяными колесами и др.), но и редкое умение обобщать и анализировать фактический материал. В 1819 Аносов назначен смотрителем Оружейной фабрики, в 1824 ее управителем, в 1829 директором этой фабрики, а в 1831 одновременно и горным начальником Златоустовских заводов. На Златоустовских заводах Аносов проработал около 30 лет, дослужившись до звания генерал-майора корпуса горных инженеров. В 1847 назначен начальником Алтайских заводов, где работал до конца жизни.

В районе Златоуста Аносов вел большие работы по изысканию месторождений золота, железных руд и др., занимался совершенствованием добычи и обработки металлов. Изобрел новые золотопромывальные машины, получившие распространение на Урале. Предложил использовать паровую машину для механизации труда в золотопромышленности. Первый номер «Горного журнала» (1825) открывается трудами Аносова по геологии.

Всемирную известность приобрели работы Аносова по производству стали. В 1827 Аносов опубликовал труд «Описание нового способа закалки стали в сгущенном воздухе», спустя 10 лет - другую замечательную работу «О приготовлении литой стали». Аносов предложил новый метод получения стали, объединив процессы науглероживания и плавления металла. Наряду с этим он практически доказал, что для науглероживания железа не обязательно соприкосновение металла и угля (как это считалось). Последний может быть с большим эффектом заменен печными газами. Так впервые в мире была применена газовая цементация металла, нашедшая в настоящее время широкое распространение. В 1837 Аносов осуществил переплавку чугуна в сталь как с добавкой, так и без добавки железа.

Первым в России Аносов разработал технологию изготовления огнеупорных тиглей – основного оборудования стале- и золотоплавильного производства того времени. Это позволило в 50 раз удешевить стоимость каждого тигля, ранее ввозимого из Германии.

Оригинальными были работы Аносова по раскрытию утерянного в средние века секрета приготовления булатной стали. Опыты в течение 10 лет по сплавлению железа с кремнием, марганцем, хромом, титаном, золотом, платиной и др., а также изучение свойств получаемых сплавов позволили Аносову первым раскрыть тайну булата. Аносов обосновал влияние химического состава, структуры сплава и характера его обработки на свойства металла. Эти выводы Аносова легли в основу науки о качественных сталях. Результаты работ Аносова обобщены в классическом труде «О булатах» (1841), который был сразу переведен на немецкий и французский языки.

Аносов первым доказал, что узоры на металле отражают его кристаллическое строение и установил влияние так называемой макроструктуры металла на его механические качества. Первым Аносов применил микроскоп для исследования внутреннего строения стальных сплавов (1831), положив начало микроскопическому анализу металлов. По инициативе Аносова в 40-х гг. 19 в. предприняты успешные попытки производства литых стальных орудий, завершенные впоследствии П.М.Обуховым.

Аносов был избран член-корреспондентом Казанского университета (1844), почетным членом Харьковского университета (1846). Имени Аносова учреждены премия и стипендия (1948).

Д.К. Чернов продолжил труды П.П. Аносова. Он по праву считается основоположником металлографии – науки о строении металлов и сплавов . Его научные открытия легли в основу процессов ковки, прокатки, термической обработки стали. В 1868 Д.К. Чернов указал на существование температур, при которых сталь претерпевает превращения при нагревании и охлаждении (критические точки). Открытые Д.К. Черновым критические точки в стали явились основой для построения современной диаграммы состояния системы железо – углерод.

Черн о в Дмитрий Константинович ,русский ученый в области металлургии, металловедения, термической обработки металлов. Родился в семье фельдшера. В 1858 окончил Петербургский практический технологический институт, затем работал в механическом отделении Петербургского монетного двора. В 1859–66 преподаватель, помощник библиотекаря и хранитель музея Петербургского практического технологического института. С 1866 инженер молотового цеха Обуховского сталелитейного завода в Петербурге, в 1880–84 занимался разведкой месторождений каменной соли в Бахмутском районе (Донбасс); найденные им залежи получили промышленное значение. С 1884, по возвращении в Петербург, работал в Морском техническом комитете, с 1886 (одновременно) главный инспектор министерства путей сообщения по наблюдению за исполнением заказов на металлургических заводах. С 1889 профессор металлургии Михайловской артиллерийской академии.

В 1866–68 в результате практического изучения причин брака при изготовлении орудийных поковок, а также глубокого анализа работ своих предшественников П.П. Аносова , П.М. Обухова , А.С. Лаврова и Н.В. Калакуцкого по вопросам выплавки, разливки и ковки стальных слитков, Чернов установил зависимость структуры и свойств стали от ее горячей механической и термической обработки. Чернов открыл критические температуры, при которых в стали в результате ее нагревания или охлаждения в твердом состоянии происходят фазовые превращения, существенно изменяющие структуру и свойства металла. Эти критические температуры, определенные Черновым по цветам каления стали, были названы точками Чернова. Чернов графически изобразил влияние углерода на положение критических точек, создав первый набросок очертания важнейших линий диаграммы состояния «железо-углерод» (см. Тему 3). Результаты своего исследования, положившего начало современной металлографии, Чернов опубликовал в «Записках Русского технического общества» (1868, № 7), назвав его «Критический обзор статей г. Лаврова и Калакуцкого о стали и стальных орудиях и собственные Д.К. Чернова исследования по этому же предмету». В др. крупном научном труде «Исследования, относящиеся до структуры литых стальных болванок» (1879) Чернов изложил стройную теорию кристаллизации стального слитка. Он детально исследовал процесс зарождения и роста кристаллов (в частности, дендритных стальных кристаллов, которые иногда называются кристаллами Чернова), дал схему структурных зон слитка, развил теорию последовательной кристаллизации, всесторонне изучил дефекты литой стали и указал эффективные меры борьбы с ними. Этими исследованиями Чернов во многом способствовал превращению металлургии из ремесла в теоретически обоснованную научную дисциплину.

Большое значение для прогресса металлургии стали имели труды Чернова в области интенсификации металлургических процессов и совершенствования технологии производства. Он обосновал значение полноты раскисления стали при выплавке, целесообразность применения комплексных раскислителей, рекомендовал систему мероприятий, обеспечивающих получение плотного, беспузыристого металла. Чернов выдвинул идею перемешивания металла в процессе кристаллизации, предложив для этого вращающуюся изложницу.

Чернов многое сделал для совершенствования конвертерного способа производства литой стали. В 1872 он предложил подогревать в вагранке жидкий малокремнистый чугун, считавшийся непригодным для бессемерования, перед продувкой его в конвертере; в дальнейшем этот способ нашел распространение на русских и зарубежных заводах. Чернов применил спектроскоп для определения окончания бессемеровского процесса, одним из первых указал на целесообразность применения обогащенного кислородом воздуха для продувки жидкого чугуна в конвертере (1876). Чернов работал также над проблемой прямого получения стали из руды, минуя доменный процесс. Ему принадлежит ряд важных исследований в области артиллерийского производства: получение высококачественных стальных орудийных стволов, стальных бронебойных снарядов, изучение выгорания каналов орудий при стрельбе в результате действия пороховых газов и др. факторов. Чернов известен также рядом работ по математике, механике, авиации.

Чернов Д.К. - основоположник современного металловедения , основатель крупной научной школы русских металлургов и металловедов. Его научные открытия получили признание во всем мире. Чернов был избран почетным председателем Русского металлургического общества, почетным вице-председателем английского института железа и стали, почетным членом американского института горных инженеров и ряда др. русских и иностранных научных учреждений.

Классические труды «отца металлографии» Д.К. Чернова развивали выдающиеся русские ученые. Первое подробное описание структур железоуглеродистых сплавов было сделано А.А. Ржешотарским (1898). Дальнейшее развитие металловедение получило в работах видных советских ученых Н.И. Беляева, Н.С. Курнакова, А.А. Байкова, С.С. Штейнберга, А.А. Бочвара, Г.В. Курдюмова и др.

Современная наука о металлах развивается широким фронтом во вновь созданных научных центрах с применением электронных микроскопов и другой современной аппаратуры, с использованием достижений рентгенографии и физики твердого тела. Все это позволяет более глубоко изучить строение металлов, их сплавов и находить новые пути повышения механических и физико-химических свойств. Создаются сверхтвердые сплавы, сплавы с заранее заданными свойствами, многослойные композиции с широким спектром свойств и многие другие металлические, алмазные и керамико-металлические материалы.