Когда и как люди научились обрабатывать железо. Медь: Древнейший металл человечества. Современные технологии обработки

Первыми металлами, с которыми люди научились обращаться, стали медь и золото. Причиной этому послужил тот факт, что и медь, и золото встречаются в природе не только в рудах, но и в чистом виде. Люди находили целые самородки золота и куски меди и при помощи молотка придавали им нужную форму. Причем металлы эти не нужно было даже плавить. И хотя нам до сих пор неизвестно точно, когда люди научились использовать металлы, но ученые могут поручиться за то, что человек впервые применил медь примерно в пятом тысячелетии, а золото - не позже четвертого тысячелетия до нашей эры.

Приблизительно в третьем тысячелетии до нашей эры люди открыли некоторые из наиболее важных свойств металлов. К тому времени человек уже познакомился с серебром и свинцом, но чаще всего использовал по-прежнему медь, главным образом из-за прочности, да и, пожалуй, еще потому, что медь встречалась в изобилии.

Начав работать с металлами, люди научились придавать им нужные формы и делать из них посуду, инструменты, оружие. Но как только человек познакомился с металлами, он не мог не обратить внимание на их полезные свойства. Если металл нагреть, он становится мягче, а если потом вновь остудить, он снова твердеет. Человек научился лить, варить и плавить металлы. Помимо этого, люди узнали, как можно добывать металлы из руд, ведь те значительно чаще встречаются в природе, чем самородки.

Позднее человек открыл олово, а научившись смешивать, плавить медь и олово, начал делать бронзу. В период с 3500 до примерно 1200 года до нашей эры бронза стала основным материалом, из которого изготавливали оружие и орудия труда. Этот период человеческой истории называется бронзовым веком.

Находя упавшие на нашу Землю метеориты, люди узнали о железе - причем задолго до того, как они научились получать его из земных руд. Приблизительно в 1200 году до нашей эры человек перешагнул и этот барьер - научился плавить железо. Умение это быстро распространилось по всему миру. Железо заменило медь практически во всех областях. Это стало началом следующего, железного века. Кстати, во времена могущества Римской империи людям были известны золото, медь, серебро, олово, железо, свинец и ртуть.

Когда впервые начали применять металл?

Около 6000 лет назад человек жил в каменном веке. Он назван так потому, что основная часть орудий труда и охоты была сделана из камня. Человек еще не научился делать их из металла.

Вероятнее всего, первыми металлами, которые человек начал использовать, были медь и золото. Причина в том, что эти металлы в природе существовали как в чистом виде, так и в составе руды. Человек находил самородки меди и золота и мог придавать им различную форму без плавления. Мы не можем сказать точно, когда человек открыл для себя эти металлы, но известно, что медь начали использовать на рубеже пятого тысячелетия до нашей эры. Незадолго до наступления четвертого тысячелетия до нашей эры начали использовать и золото.

К третьему тысячелетию до нашей эры человек уже многому научился в работе с металлом.

К этому времени были также обнаружены серебро и свинец, но тем не менее в большинстве случаев медь была наиболее часто используемым металлом в силу своей прочности и распространенности.

Сначала человек научился выковывать из металла полезные ему вещи — посуду, инструменты и оружие. В процессе ковки металла он обнаружил процесс закаливания, плавки, литья и выплавки. Он также научился получать медь из руды, которой было больше, чем самородков. Позднее человек обнаружил олово и научился смешивать его с медью — получалась более твердая бронза. Приблизительно с 3500 по 1200 год до нашей эры бронза была самым важным материалом для изготовления инструментов и оружия. Этот период назван бронзовым веком.

Человек узнал о существовании железа, находя метеориты задолго до того, как он открыл, как выплавлять его из руды. К 1200 году до нашей эры человек научился обрабатывать железо, и его навыки передавались из поколения в поколение. Железо во многом заменило бронзу. Это было началом железного века.

Ко времени появления Римской империи человеку были известны семь металлов: золото, медь, серебро, свинец, олово, железо и ртуть.

Когда появились первые пилы?

Историки же относят появление пилы к бронзовому веку, когда люди научились обрабатывать металл. Возможно это и так. Главным вопросом, было строительство кораблей. Все первые корабли были деревянными. Чтобы построить корабль - нужны доски. И только доски. Из круглых стволов корабль построить невозможно. Топором из ствола доску не вытешешь, а если и вытешешь, то это очень трудоемкий процесс. Но, как мы знаем, корабли были сильно распространены в Древней Греции. Они, их флот, стал основой древнегреческой колонизации всего Средиземноморья. Греки строили много кораблей, значит, было нужно много досок. Стало быть, пилы тогда были. В Древней Греции уже вполне пользовались железным и стальным инструментом. Раз мечи и топоры были, стало быть, могли быть и пилы.

Вопрос - какие? Скорее всего, это были пилы типа ножовок, то есть просто длинные зазубренные ножи. И как вариант их развития - пилы двуручные, для разделки объёмных стволов. Как выглядели старинные лесопилки можно увидеть на старинных рисунках или в исторических фильмах. Один мужик сверху, один снизу, посередине бревно, а они его пилят. Процесс трудоемкий и однообразный. Естественно, любой однообразный процесс легче автоматизировать, и так появились первые механические лесопилки, приводившиеся в движение силой воды. Потом, очевидно, силой пара.

Но самое интересное в этом деле - появление циркулярной или дисковой пилы. В деле распила, изобретение циркулярной пилы это явление такое же важное по значимости, как изобретение колеса! Точных сведений о том, когда и где впервые появилась дисковая пила тоже нет. Однако можно предположить, что это средние века, средние или позднее средневековье, когда был настоящий взрыв всевозможных механических изобретений. Вплоть до того, как появились ручные ленточнопильные станки.

Следующим шагом в развитии «пильного» дела стала обработка металлов с помощью пил. Этому способствовали появление сверхпрочных металлов и сплавов, а также технологии закрепления алмазных резцов и абразивов на режущих поверхностях пил. Такими пилами уже давно пилят рельсы, режут другие массивные металлические объемы. Есть и большие станки, которые делают эти процессы.

Как люди обрабатывали металлы?

Первые металлы, которые люди научились добывать и обрабатывать, были золото медь и бронза. Металлообработка осуществлялась ударными инструментами, так называемым холодным способом гибки. Для получения многих видов металлов использовали сыродутные печи. Для того, чтобы придать деталям правильную форму, древние мастера долгим упорным трудом шлифовали камнем заготовку. После чего был придуман новый метод - литье. Разъемные и неразъемные формы вырезались из дерева или камня, затем в них заливался сплав, после чего металл остывал, получалось готовое изделие.

Для изготовления фигурных изделий, использовали закрытую форму, для этого из воска вылепливали модель изделия, затем ее покрывали глиной и помещали в печь, где воск плавился, а глина повторяла точную модель. В пустоту заливали металл, после полного остывания, форма разбивалась и мастера получали изделие сложной формы.

Со временем были постигнуты новые способы работы с металлом, такие как пайка и сварка, ковка и литье.

Сегодня, появились новые технологии, которые позволяют обрабатывать металл намного быстрее. Механообработка осуществляется на токарных станках, которая позволяет получить готовое изделие с высокой точностью.

Токарная обработка является самым популярным способом. Она производится на специальных металлорежущих станках, которые настраиваются на выполнение работ из заданного вида металла. Токарные станки, на автоматическом и полуавтоматическом режиме, используют для серийного производства изделий с вращающейся формой тела.

Для металлообработки используют также станки с числовым программным управлением. Эти станки полностью автоматизированы, и основная цель оператора состоит в контроле работы, наладки оборудования, установки заготовки и снятии готового изделия.

Фрезерные работы представляет собой механический процесс по обработке металлов на универсальных фрезерных станках, требующий наличие опытного специалиста с глубокими знаниями в области металловедения и методах обработки металлов.

Для выполнения фрезерных работ высокого качества, важно использовать высокоточное оборудование. Степень фрезеровки напрямую зависит от эффективности и производительности. Поэтому неточности и погрешности в этом деле просто недопустимы.

Источники: otvet.mail.ru, potomy.ru, esperanto-plus.ru, operator-cnc.ru, www.protochka.su

“Семь металлов создал свет по числу семи планет” — в этих немудреных стишках был заключен один из важнейших постулатов средневековой алхимии . В древности и в средние века и было известно лишь семь металлов и столько же небесных тел (Солнце, Луна и пять планет, не считая Земли). По мнению тогдашних светил науки, не увидеть в этом глубочайшую философскую закономерность могли только глупцы да невежды. Стройная алхимическая теория гласила, что золото представлено на небесах Солнцем, серебро — это типичная Луна, медь, несомненно, связана родственными узами с Венерой, железо олицетворяется Марсом, ртуть соответствует Меркурию, олово — Юпитеру, свинец — Сатурну. До XVII века металлы и обозначались в литературе соответствующими символами.

Рисунок 1 - Алхимические знаки металлов и планет

В настоящее время известно более 80 металлов, большинство которых используется в технике.

С 1814 г. по предложению шведского химика Берцелиуса для обозначения металлов используются буквенные знаки.

Первым металлом, который человек научился обрабатывать, было золото. Самые древние вещи из этого металла изготовлены в Египте примерно 8 тыс. лет назад. В Европе 6 тыс. лет тому назад первыми начали изготовлять из золота и бронзы ювелирные украшения и оружие фракийцы , жившие на территории от Дуная до Днепра.

Историки выделяют три этапа в развитии человечества: каменный век, бронзовый и железный.

В 3 тыс.до н.э. люди начали широко применять в своей хозяйственной деятельности металлы. Переход от каменных орудий к металлическим имел колоссальное значение в истории человечества. Пожалуй, никакое другое открытие не привело к таким значительным общественным сдвигам.

Первым металлом, получившим широкое распространение, была медь (рисунок 2).

Рисунок 2 - Карта-схема территориально-хронологического распространения металлов в Евразии и Северной Африке

На карте хорошо видно расположение древнейших находок металлических изделий. Почти все известные артефакты, относящиеся к периоду с конца IX по VI тыс. до н.э. (т.е. до того, как в Месопотамии широко распространилась культура типа Урук), происходят всего из трех десятков памятников, рассеянных по обширной территории в 1 млн. км 2 . Отсюда извлечено около 230 мелких образцов, причем 2/3 из них принадлежат двум поселениям докерамического неолита — Чайоню и Ашикли.

Постоянно разыскивая необходимые им камни, наши предки, надо думать, уже в древности обратили внимание на красновато-зеленые или зеленовато-серые куски самородной меди. В обрывах берегов и скал им попадались медный колчедан, медный блеск и красная медная руда (куприт). Поначалу люди использовали их как обыкновенные камни и обрабатывали соответствующим способом. Вскоре они открыли, что при обработке меди ударами каменного молотка ее твердость значительно возрастает, и она делается пригодной для изготовления инструментов. Таким образом, вошли в употребление приемы холодной обработки металла или примитивной ковки.

Затем было сделано другое важное открытие — кусок самородной меди или поверхностной породы, содержавшей металл, попадая в огонь костра, обнаруживал новые, не свойственные камню особенности: от сильного нагрева металл расплавлялся и, остывая, приобретал новую форму. Если форму делали искусственно, то получалось необходимое человеку изделие. Это свойство меди древние мастера использовали сначала для отливки украшений, а потом и для производства медных орудий труда. Так зародилась металлургия. Плавку стали осуществлять в специальных высокотемпературных печах, представлявших собой несколько измененную конструкцию хорошо известных людям гончарных печей (рисунок 3).

Рисунок 3 - Плавка металла в Древнем Египте (дутьё подаётся мехами, сшитыми из шкур животных)

В Юго-Восточной Анатолии археологи открыли очень древнее поселение докерамического неолита Чайоню Тепеси (рисунок 4), которое поразило неожиданной сложностью каменной архитектуры. Ученые обнаружили среди руин около сотни мелких кусочков меди, а также множество осколков медного минерала — малахита, некоторые из них были обработаны в виде бусин.

Рисунок 4 - Поселение Чайоню Тепеси в Восточной Анатолии: IX-VIII тысячелетия до н.э. Здесь был обнаружен древнейший металл планеты

Вообще говоря, медь — мягкий металл, сильно уступающий в твердости камню. Но медные инструменты можно было быстро и легко затачивать. (По наблюдениям С.А. Семенова, при замене каменного топора на медный, скорость рубки увеличивалась примерно в три раза.) Спрос на металлические инструменты стал быстро расти.

Люди начали настоящую «охоту» за медной рудой. Оказалось, что она встречается далеко не везде. В тех местах, где обнаруживались богатые залежи меди, возникала их интенсивная разработка, появлялось рудное и шахтное дело. Как показывают открытия археологов, уже в древности процесс добычи руды был поставлен с большим размахом. Например, вблизи Зальцбурга, где добыча меди началась около 1600 году до Р.Х., шахты достигали глубины 100 м, а общая длина отходящих от каждой шахты штреков составляла несколько километров.

Древним рудокопам приходилось решать все те задачи, которые стоят и перед современными шахтерами: укрепление сводов, вентиляция, освещение, подъем на гора добытой руды. Штольни укрепляли деревянными подпорками. Добытую руду плавили неподалеку в невысоких глиняных печах с толстыми стенками. Подобные центры металлургии существовали и в других местах (рисунки 5,6).

Рисунок 5 - Древние рудники

Рисунок 6 - Орудия древних рудокопов

В конце 3 тыс.до н.э. древние мастера начали использовать свойства сплавов, первым из которых стала бронза. На открытие бронзы людей должна была натолкнуть случайность, неизбежная при массовом производстве меди. Некоторые сорта медных руд содержат незначительную (до 2%) примесь олова. Выплавляя такую руду, мастера заметили, что медь, полученная из нее, намного тверже обычной. Оловянная руда могла попасть в медеплавильные печи и по другой причине. Как бы то ни было, наблюдения за свойствами руд привели к освоению значения олова, которое и стали добавлять к меди, образуя искусственный сплав — бронзу. При нагревании с оловом медь плавилась лучше и легче подвергалась отливке, так как становилась более текучей. Бронзовые инструменты были тверже медных, хорошо и легко затачивались. Металлургия бронзы позволила в несколько раз повысить производительность труда во всех отраслях человеческой деятельности (рисунок 7).

Само производство инструментов намного упростилось: вместо того, чтобы долгим и упорным трудом оббивать и шлифовать камень, люди наполняли готовые формы жидким металлом и получали результаты, которые и во сне не снились их предшественникам. Техника литья постепенно совершенствовалась. Сначала отливку производили в открытых глиняных или песчаных формах, представлявших собой просто углубление. Их сменили открытые формы, вырезанные из камня, которые можно было использовать многократно. Однако большим недостатком открытых форм было то, что в них получались только плоские изделия. Для отливки изделий сложной формы они не годились. Выход был найден, когда изобрели закрытые разъемные формы. Перед литьем две половинки формы крепко соединялись между собой. Затем через отверстие заливалась расплавленная бронза. Когда металл остывал и затвердевал, форму разбирали и получали готовое изделие.

Рисунок 7 - Бронзовые инструменты

Такой способ позволял отливать изделия сложной формы, но он не годился для фигурного литья. Но и это затруднение было преодолено, когда изобрели закрытую форму. При этом способе литья сначала лепилась из воска точная модель будущего изделия. Затем ее обмазывали глиной и обжигали в печи.

Воск плавился и испарялся, а глина принимала точный слепок модели. В образовавшуюся таким образом пустоту заливали бронзу. Когда она остывала, форму разбивали. Благодаря всем этим операциям мастера получили возможность отливать даже пустотелые предметы очень сложной формы. Постепенно были открыты новые технические приемы работы с металлами, такие как волочение, клепка, пайка и сварка, дополнявшие уже известные ковку и литье (рисунок 8).

Рисунок 8 - Золотая шляпа кельтского жреца

Пожалуй, самую крупную отливку из металла удалось сделать японским мастерам. Было это 1200 лет назад. Весит она 437 т и представляет собой Будду в позе умиротворения. Высота скульптуры вместе с пьедесталом — 22 м. Длина одной руки — 5м. На раскрытой ладони могли бы свободно танцевать четыре человека. Добавим, что знаменитая древнегреческая статуя — Колосс Родосский — высотой 36 м весила 12 т. Отлита она была в III в. до н. э.

С развитием металлургии бронзовые изделия, повсюду стала вытеснять каменные. Но не нужно думать, что это произошло очень быстро. Руды цветных металлов имелись далеко не везде. Причем олово встречалось гораздо реже, чем медь. Металлы приходилось транспортировать на далекие расстояния. Стоимость металлических инструментов оставалась высокой. Все это мешало их широкому распространению. Бронза не могла до конца заменить каменные инструменты. Это оказалось под силу только железу.

Кроме меди и бронзы широко использовались и другие металлы.

Древнейшими изделиями из свинца считаются найденные в Малой Азии при раскопках Чатал-Хююка бусы и подвески и обнаруженные в Ярым-Тепе (Северная Месопотамия) печати и фигурки. Эти находки датируются VI тыс. до н. К тому же времени относятся и первые железные раритеты, представляющие собой небольшие крицы, найденные в Чатал-Хююке. Старейшие серебряные изделия обнаружены на территории Ирана и Анатолии. В Иране их нашли в местечке Тепе-Сиалк: это пуговицы, датируемые началом V тыс. до н. В Анатолии, в Бейджесултане, найдено серебряное кольцо, датируемое концом того же тысячелетия.

В доисторические времена золото получали из россыпей путем промывки. Оно выходило в виде песка и самородков. Затем начали применять рафинирование золота (удаление примесей, отделение серебра), во второй половине 2-го тысячелетия до н.э. В 13-14 веках научились применять азотную кислоту для разделения золота и серебра. А в 19 веке был развит процесс амальгамации (хоть он и был известен в древности, но нет доказательств, что его использовали для добычи золота из песков и руд).

Серебро добывали из галенита, вместе со свинцом. Затем, через столетия, их начали выплавлять совместно (примерно к 3-му тысячелетию до н.э. в Малой Азии), а широкое распространение это получило еще спустя 1500-2000 лет.

Около 640 г. до н. э. начали чеканить монеты в Малой Азии, а около 575 г. до н. э. — в Афинах. По сути дела, это начало штамповочного производства.

Олово когда-то давно выплавляли в простых шахтных печах, после чего делалась его очистка специальными окислительными процессами. Сейчас в металлургии олово получают путем переработки руд по сложным комплексным схемам.

Ну, а ртуть производили путем обжига руды в кучах, при котором она конденсировалась на холодных предметах. Затем уже появились керамические сосуды (реторты), на смену которым пришли железные. А с ростом спроса на ртуть ее стали получать в специальных печах.

Железо было известно в Китае уже в 2357 г. до н. э., а в Египте — в 2800 г. до н. э., хотя еще в 1600 г. до н. э. на железо смотрели как на диковинку. “Железный век” в Европе начался приблизительно за 1000 лет до н. э., когда в государства Средиземноморья проникло от скифов Причерноморья искусство выплавки железа.

Использование железа началось намного раньше, чем его производство. Иногда находили куски серовато-черного металла, который, перекованный в кинжал или наконечник копья, давал оружие более прочное и пластичное, чем бронза, и дольше держал острое лезвие. Затруднение состояло в том, что этот металл находили только случайно. Теперь мы можем сказать, что это было метеоритное железо. Поскольку железные метеориты представляют собой железоникелевый сплав, можно предположить, что качество отдельных уникальных кинжалов, например, могло соперничать с современным ширпотребом. Однако, та же уникальность, приводила к тому, что такое оружие оказывалось не на поле боя, а в сокровищнице очередного правителя.

Железные орудия решительно расширили практические возможности человека. Стало возможным, например, строить рубленные из брёвен дома — ведь железный топор валил дерево уже не в три, как медный, а в 10 раз быстрее, чем каменный. Широкое распространение получило и строительство из тесаного камня. Он, естественно, употреблялся и в эпоху бронзы, но большой расход сравнительно мягкого и дорогого металла решительно ограничивал такие эксперименты. Значительно расширились также и возможности земледельцев.

Впервые железо научились обрабатывать народы Анатолии. Древнегреческая традиция считала открывателем железа народ халибов, для которых в литературе использовалось устойчивое выражение «отец железа», и само название народа происходит именно от греческого слова Χ?λυβας («железо»).

«Железная революция» началась на рубеже I тысячелетия до н. э. в Ассирии. С VIII века до н. э сварное железо быстро стало распространяться в Европе, в III веке до н. э. вытеснило бронзу в Галлии, во II веке новой эры появилось в Германии, а в VI веке нашей эры уже широко употреблялось в Скандинавии и в племенах, проживающих на территории будущей Руси. В Японии железный век наступил только в VIII веке нашей эры.

Вначале получали только маленькие партии железа, и в течение нескольких столетий оно стоило порой в сорок раз дороже серебра. Торговля железом восстановила процветание Ассирии. Открылся путь для новых завоеваний (рисунок 9).

Рисунок 9 - Печь для выплавки железа у древних персов

Увидеть же железо жидким металлурги смогли только в XIX веке, однако, ещё на заре железной металлургии — в начале I тысячелетия до новой эры — индийские мастера сумели решить проблему получения упругой стали без расплавления железа. Такую сталь называли булатом, но из-за сложности изготовления и отсутствия необходимых материалов в большей части мира эта сталь так и осталась индийским секретом на долгое время.

Более технологичный путь получения упругой стали, при котором не требовались ни особо чистая руда, ни графит, ни специальные печи, был найден в Китае во II веке нашей эры. Сталь перековывали очень много раз, при каждой ковке складывая заготовку вдвое, в результате чего получался отличный оружейный материал, называемый дамаском, из которого, в частности, делались знаменитые японские катаны.

Тема «Металлы в древности» выбрана нами не случайно. Сейчас мы не представляем нашей жизни без металлов. Мы используем металлы и их сплавы - как 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.

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.).

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.

Число 7 часто встречается в разных мистических учениях и даже просто в быту: 7 цветов радуги, 7 металлов древности, 7 планет, 7 дней недели, 7 нот.

Остановимся на 7 металлах древности – меди, серебре, золоте, олове, свинце, ртути, железе, а также некоторых сплавах на основе их.

Древние философы отождествляли различные металлы с костями божеств. В частности, египтяне рассматривали железо, как кости Марса, магнит - как кости Гора. Свинец, по их мнению, являлся скелетом Сатурна, а медь, соответственно, - Венеры. Ртуть древние философы относили к скелету Меркурия, золото–Солнца, серебро–Луны, сурьму–Земли.

С давних времен человек верил, что планеты влияют на функции человеческого тела.

Считалось, что с помощью металлов можно бороться с вредными влияниями звезд.

С древних веков лекари использовали металлы. Но любимым средством лечения у них являлись все же травы. Лечение порошкообразными минералами, принимаемыми вовнутрь, стали использовать только в средние века. Чаще использование металлов в древние времена, в этой связи, заключалось в ношении или использовании их в качестве талисманов, наряду с каменными талисманами. Элифас Леви, описывая волшебника в его облачении, говорит о том, что:

«В воскресенье (день Солнца) он держал в руках золотой жезл, украшенный рубином или хризолитом; в понедельник (день Луны) он носил три нитки – жемчуга, хрусталя и селенита; во вторник (день Марса) он имел стальной жезл и кольцо из того же металла; в среду (день Меркурия) он носил ожерелье из жемчуга или стеклянных шариков с ртутью и кольцо с агатом; в четверг (день Юпитера) он имел резиновый жезл и кольцо с имеральдом или сапфиром; в пятницу (день Венеры) он имел медный жезл, бирюзовое кольцо и корону с бериллами; в субботу (день Сатурна) он имел жезл из оникса, а также кольцо из этого камня, и на шее цепь из олова».

Когда же развилась астрология, то семь известных тогда металлов стали сопоставлять с семью планетами, что символизировало связь между металлами и небесными телами и небесное происхождение металлов.

Каждый металл выступал в роли посредника между богами и земными явлениями, поэтому их связывали со знаками планет: золото - с Солнцем, серебро - с Луной, медь - с Венерой, железо - с Марсом, свинец - с Сатурном, олово - с Юпитером и ртуть - с Меркурием. Такое сопоставление стало обычным более 2000 лет назад и постоянно встречается в литературе вплоть до XIX века.

Очевидно, что человек познакомился сначала с теми металлами, которые встречались в природе в самородном состоянии. Это - золото, серебро, медь, метеоритное железо. C остальными металлами – по мере того, как он научился получать их из соединений восстановительной плавкой.

Работая над проектом, мы узнали, что первые металлические орудия труда, после каменных, человек стал использовать еще за несколько тысячелетий до нашей эры. Они изготовлялись из самородной меди и, поэтому, были медными. Самородная же медь в природе встречается довольно часто. Обработку же медных самородков древний человек осуществлял сначала с помощью камней (т. е. , фактически, использовал холодную ковку металлов для получения изделий из них). Почему это стало возможным? На этот наш вопрос мы нашли для себя ответ. Медь - достаточно мягкий металл.

В теоретической части проекта «Металлы древности» мы предлагаем ответы и на другие вопросы, которые у нас возникли в ходе нашей работы:

Почему первым металлом, который стал использовать в своей жизни человек, была медь?

(мы уже ответили на него, см. выше)

Почему медь не смогла вытеснить полностью каменные орудия труда? В каком историческом прошлом появились «металлические века» - медный, бронзовый и железный? Почему на смену медному веку пришел бронзовый век, а его сменил железный? Какие новые свойства металлов и сплавов открывал для себя человек, которые и давали ему возможность изготавливать более совершенные орудия труда, оружие, предметы быта? Зачем человек использовал талисманы? Как и какие предметы старины человек использовал в своей повседневной жизни? О какой пользе или вреде могла идти речь, когда «древними металлами» пытались лечиться? Как получали или добывали металлы в древние времена? C чем связано происхождение названия древних металлов?

В практической же части своей работы мы решили исследовать:

Какие свойства металлов или сплавов предметов старины обеспечили сохранность их до наших дней?

Почему степень сохранности у изделий разная?

C целью решения практических задач мы: 1) провели химический эксперимент на определение химической активности металлов древности и химической стойкости их к некоторым химическим и атмосферным воздействиям; 2) сделали соответствующие выводы.

2. 1 МЕДЬ. МЕДНЫЙ ВЕК

Символ Cu происходит от латинского cyproum (позднее, Cuprum), так как на Кипре (Cyprus) находились медные рудники древних римлян.

Чистая медь - тягучий вязкий металл светло - розового цвета, легко пpокатываемый в тонкие листы. Она очень хорошо проводит тепло и электрический ток, уступая в этом отношении только серебру. В сухом воздухе медь почти не изменяется, так как образующаяся на её поверхности тончайшая плёнка оксидов придает меди более тёмный цвет и также служит хорошей защитой от дальнейшего окисления. Но в присутствии влаги и диоксида углерода поверхность меди покрывается зеленоватым налётом гидpоксокаpбоната меди - (CuOH)2CO3.

Медь широко используется в промышленности из - за высокой теплопроводимости, высокой электропроводимости, ковкости, хороших литейных качеств, большого сопротивления на разрыв, химической стойкости

Медь – первый металл, который впервые стал использовать человек в древности за несколько тысячелетий до нашей эры. Первые медные орудия изготовлялись из самородной меди, которая встречается в природе довольно часто, т. к. медь малоактивный металл. Самый крупный самородок меди был найден на территории США, он имел массу 420 т.

Но в виду того, что медь – мягкий металл, медь в древности не смогла вытеснить полностью каменные орудия труда. Лишь когда человек научился плавить медь и изобрел бронзу (сплав меди с оловом), металл заменил камень.

Широкое использование меди началось в IV тыc до н. э.

Считают, что медь начали использовать около 5000 до н. э. В природе медь изредка встречается в виде металла. Из медных самородков, возможно, с помощью каменных топоров, были изготовлены первые металлические орудия труда. У индейцев, живших на его берегах оз. Верхнее (Сев. Америка), где есть очень чистая самородная медь, способы ее холодной обработки были известны до времен Колумба.

Медный век - переходная эпоха между неолитом и бронзовым веком. Он характеризуется появлением первых орудий из меди при широком использовании каменных. Для южных районов Поволжья 4 тыс. до н. э. , для лесных - 3 тыс. до н. э. В лесных районах Поволжья основным промыслом остается рыболовство и охота, на юге - специализированная загонная охота на лошадей сменяется их разведением и земледелием. Около 3500 до н. э. на Ближнем Востоке медь научились извлекать из руд, ее получали восстановлением углем. Медные рудники были и в Древнем Египте. Известно, что глыбы для знаменитой пирамиды Хеопса обрабатывали медным инструментом.

В Южной Месопотамии древнейшим металлическим предметом явился наконечник копья, найденный в Уре, в слоях, относящихся к IV тысячелетию до н. э. Химический анализ установил, что в нем содержится 99,69% Сu, 0,16% As, 0,12% Zn и 0,01% Fe. На Кавказе и в Закавказье металл начали использовать с первой половины IV тысячелетия до н. э. Это была медь, которую получали металлургической плавкой окисленных медных руд, порой совместно с мышьяковыми минералами.

Еще позднее металл стали использовать в Центральной Европе, во всяком случае не ранее III тысячелетия до н. э. Плоский медный топорик примитивной формы, найденный в Горне Лефантовце в Западной Словакии, датируется приблизительно серединой III тысячелетия до н. э. По данным спектрального анализа, топорик изготовлен из меди, содержащей примеси мышьяка (0,10%), сурьмы (0,35%) и незначительного количества других металлов, что говорит о том, что медь, из которой изготовлен топорик, была не самородного происхождения, а вернее всего, была получена восстановительной плавкой малахитовых руд.

Предки древних славян, жившие в бассейне Дона и в Приднепровье, применяли медь для изготовления оружия, украшений и предметов домашнего обихода. Русское слово «медь», по мнению некоторых исследователей, произошло от слова «мида», которое у древних племен, населявших Восточную Европу, обозначало металл вообще.

ЛЕЧЕБНЫЕ СВОЙСТВА МЕДИ

Лечебные свойства меди известны очень давно. Древние считали, что лечебный эффект меди связан с её обезболивающем жаропонижающим антибактериальным и противовоспалительным свойствами. Ещё Авиценна и Гален описывали медь, как лекарственное средство, а Аристотель, указывая на общеукрепляющее действие меди на организм, предпочитал засыпать с медным шариком в руке. Царица Клеопатра носила тончайшие медные браслеты, предпочитая их золотым и серебряным, хорошо зная медицину и алхимию. В медных доспехах античные воины меньше уставали, а их раны меньше гноились и быстрее заживали. Была подмечена и широко использовалась в Древнем мире способность меди положительно влиять на «мужскую силу».

Кочующие народности использовали в быту медную посуду, которая оберегала их от инфекционных заболеваний, а цыгане носили медный обруч на голове в тех же целях. Исторический факт: эпидемия холеры и чумы обходила стороной людей, работающих с медью или живущих недалеко от медных рудников. Не случайно раньше дверные ручки в больницах делали из меди, дабы исключить передачу заразы от инфекционных больных к здоровым людям.

В детстве прикладывая по совету бабушки медный пятак на шишку, мы уменьшали боль и воспаление, хотя в 5-ти копеечной монете, выпущенной в советское время, содержание меди было невелико.

В наши дни применение медных изделий широко распространено. В Средней Азии носят медные изделия и практически не болеют ревматизмом. В Египте и Сирии медные изделия носят даже дети. Во Франции с помощью меди лечат расстройства слуха. В США медные браслеты носят как средства от артрита. В китайской медицине используются аппликации медных дисков на активные точки. А в Непале медь считают священным металлом

2. 2 Бронза. Бронзовый век

К 3000 до н. э. в Индии, Месопотамии и Греции для выплавки более твердой бронзы в медь стали добавлять олово. Открытие бронзы могло произойти случайно, однако ее преимущества по сравнению с чистой медью быстро вывели этот сплав на первое место.

Так начался «бронзовый век».

Бронзовый век характеризуется распространением металлургии бронзы, бронзовых орудий и оружии на Ближнем Востоке, Китае, Южной Америке и др.

Слово «бронза» почти одинаково звучит на многих европейских языках. Его происхождение связывают с названием небольшого итальянского порта на берегу Адриатического моря – Бриндизи. Именно через этот порт доставляли бронзу в Европу в старину, и в древнем Риме этот сплав называли «эс бриндиси» – медь из Бриндизи.

Изделия из бронзы были у ассирийцев, египтян, индусов и других народов древности. Однако цельные бронзовые статуи древние мастера научились отливать не раньше 5 в. до н. э. Около 290 до н. э. Харесом в честь бога солнца Гелиоса был создан Колосс Родосский. Он имел высоту 32 м и стоял над входом во внутреннюю гавань древнего порта острова Родоса в восточной части Эгейского моря это гигантская бронзовая статуя.

Почему же медный век сменился бронзовым?

Бронза обладает большей прочностью и износостойкостью, чем медь; хорошей пластичностью, стойкостью к коррозии, хорошими литейными качествами

Бронзы и латуни в современном мире

По химическому составу различают латуни простые и сложные, а по структуре - однофазные и двухфазные. Простые латуни легируются одним компонентом: цинком.

Латуни с более низким содержанием цинка (томпаки и полутомпаки) уступают латуням Л68 и Л70 в пластичности, но превосходят их в электро- и теплопроводности.

Оловянные бронзы

Бронзы превосходят латуни в прочности и сопротивлении коррозии (особенно в морской воде).

Оловянистые бронзы – имеют высокие литейные свойства. Недостаток отливок из оловянных бронз - их значительная микропористость. Поэтому для работы при повышенных давлениях используют алюминиевыми бронзами.

Из-за высокой стоимости олова чаще используют бронзы, в которых часть олова замене цинком (или свинцом).

Алюминиевые бронзы

Эти бронзы все более широко заменяют латуни и оловянные бронзы.

Их используют для листов и штамповки со значительной деформацией. Они более прочные и упругие, не образуют пористости, что обеспечивает получение более плотных отливок. Литейные свойства улучшаются введением в эти бронзы небольших количеств фосфора. Все алюминиевые бронзы, как и оловянные, хорошо устойчивы против коррозии в морской воде и во влажной тропической атмосфере, поэтому их используют в судостроении, авиации, и т. д. В виде лент, листов, проволоки их применяют для упругих элементов, в частности для токоведущих пружин.

Кремнистые бронзы

Эти бронзы применяют для арматуры и труб, работающих в щелочных (в том числе сточных) средах.

Бериллиевые бронзы

Бериллиевые бронзы сочетают очень высокую прочность (до 120 кгс/мм2) и коррозионную стойкость с повышенной электропроводностью. Однако эти бронзы из-за высокой стоимости бериллия используют лишь для особо ответственных случаях в изделиях небольшого сечения в виде лент, проволоки для пружин, мембран, сильфонов и контактах в электрических машинах, аппаратах и приборах.

2. 3 Золото. Серебро

Наряду с медными самородками, внимание человека в новом каменном веке привлекали также и самородки золота и серебра. Люди добывают золото с незапамятных времен. C золотом человечество столкнулось уже в V тысячелетии до н. э. в эпоху неолита благодаря его распространению в самородном виде. По предположению археологов, начало системной добыче было положено на Ближнем Востоке, откуда золотые украшения поставлялись, в частности, в Египет. Именно в Египте в гробнице королевы Зер и одной из королев Пу – Аби Ур в Шумерской цивилизации были найдены первые золотые украшения, датируемые III тысячелетием до н. э.

В древности основными центрами добычи благородных металла был Верхний Египет, Нубия, Испания, Колхида (Кавказ); имеются сведения о добыче и в Центральной и Южной Америке, в Азии (Индия, Алтай, Казахстан, Китай). На территории России золото добывали уже во 2 – 3 тысячелетии до н. э.

Из россыпей металлы извлекали промывкой песка на шкурах животных с подстриженной шерстью (для улавливания крупинок золота), а также при помощи примитивных желобов, лотков и ковшей. Из руд металлы добывали нагреванием породы до растрескивания с последующими дроблением глыб в каменных ступах, истиранием жерновами и промывкой. Разделение по крупности проводили на ситах. В Древнем Египте был известен способ разделения сплавов золота и серебра кислотами, выделение золота и серебра из свинцового сплава купелированием, извлечение золота путем амальгамирования ртутью, или сбор частиц с помощью жировой поверхности (Древняя Греция). Купелирование осуществляли в глиняных тиглях, куда добавляли свинец, поваренную соль, олово и отруби.

В XI-VI веках до н. э. серебро добывали в Испании в долинах рек Тахо, Дуэро, Миньо и Гуадьяро. В VI-IV веках до н. э. начались разработки коренных и россыпных месторождений золота в Трансильвании и Западных Карпатах.

Добычу золота в Средние века осуществляли перемалыванием золотоносной руды в муку. Ее перемешивали в специальных бочках, на дне которых находилась ртуть. Ртуть смачивала и частично растворяла золото с образованием амальгамы (амальгамирование). Ее отделяли от остальной породы и разлагали нагреванием. Ртуть при этом улетучивалась, а золото оставалось в перегонном аппарате

В новое время золото стали извлекать путем цианирования руд,

Геохимия золота

Для золота характерна самородная форма. Среди других его форм стоит отметить электрум, сплав золота с серебром, который обладает зеленоватым оттенком и относительно легко разрушается при переносе водой. В горных породах золото обычно рассеяно на атомарном уровне. В месторождениях оно зачастую заключено в сульфиды и арсениды.

Золото в быту

Золото наряду с медью было одним из первых металлов, использованных человеком в быту

Высокая пластичность золота и серебра широко применялась, особенно, в Египте в виде листового металла – фольги, для покрытия изделий из меди и даже из дерева. Покрытие золотом изделий из меди спасало их от коррозии

Амулет « Бог Солнца». Культ Солнца встречается во всех древних религиях. Его энергия ассоциируется с жизнью и процветанием. Животворящие лучи помогают произрастанию плодов, которыми питается весь мир. У кельтов это могучее светило ассоциировалось с мужским оплодотворяющим символом. Талисман Солнца помогает ощутить всю полноту жизни, обрести уверенность в себе и восстановить душевные силы. Охраняет от жизненных невзгод, физической и духовной слабости.

Из серебра делали предметы украшения - бусы, кольца, перстни, фурнитуру для одежды, вазы, сосуды, амулеты и др.

Уже в новом времени золото и серебро использовались в качестве денег. Главный валютный металл и по сей день – золото.

Серебро, после насыщения рынка, фактически утратило эту функцию.

Золото является важнейшим элементом современной мировой финансовой системы, поскольку данный металл не подвержен коррозии, имеет много сфер технического применения, а запасы его невелики. Золото практически не терялось в процессе исторических катаклизмов, а лишь накапливалось и переплавлялось. В настоящее время мировые банковские резервы золота оцениваются в 32 тыс. тонн

Чистое золото мягкий пластичный металл жёлтого цвета. Красноватый оттенок некоторым изделиям из золота, например, монетам, придают примеси других металлов, в частности меди.

Важнейшей характеристикой ювелирных изделий является их проба, характеризующая содержание в них золота. Состав таких сплавов выражается пробой, которая указывает число весовых частей золота в 1000 частей сплава(в российской практике). Проба химически чистого золота соответствует 999. 9 пробе его ещё называют "банковским" золотом, так как из такого золота изготавливают слитки.

В России принято считать началом золотодобычи 21 мая (1 июня) 1745 г. , когда Ерофей Марков, нашедший золото на Урале, объявил о своем открытии в Канцелярии Главного правления заводов в Екатеринбурге. За всю историю человечеством добыто около 140 тыс. т золота.

Серебро - элемент побочной подгруппы первой группы, пятого периода Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 47. Обозначается символом Ag (лат. Argentum)

Открытие серебра. Добыча

Финикияне открыли месторождения серебра (серебряных руд) в Испании, Армении, Сардинии и на Кипре. Серебро из серебряных руд было в соединении с мышьяком, серой, хлором, а также и в виде самородного серебра. Самородный металл, конечно, стал известен раньше, чем его научились извлекать из соединений. Самородное серебро иногда встречается в виде очень больших масс: самым крупным самородком серебра считается самородок, который весил 13,5т. Серебро встречается также в метеоритах и содержится в морской воде. В виде самородков серебро встречается редко. Этот факт, а также менее заметный цвет (самородки серебра обычно покрыты черным налетом сульфида) послужили более позднему открытию самородного серебра человеком. Это объясняло большую редкость и большую ценность серебра поначалу. Но потом произошло второе открытие серебраПроводя очистку золота расплавленным свинцом, в некоторых случаях вместо более яркого, чем природное золото, получали металл более тусклый. Но зато его было больше, чем исходного металла, который хотели очистить. Это бледное золото вошло в обиход с третьего тысячелетия до новой эры. Греки называли его электроном, римляне – электрумом, а египтяне – асем. В настоящее время можно применять термин электрум для обозначения сплава серебра с золотом. Эти сплавы золота с серебром долгое время считали особым металлом. В древнем Египте, куда серебро привозили из Сирии, оно служило для изготовления украшений и чеканки монет. В Европу этот металл попал позже (приблизительно за 1000 лет до н. э.) и применялся для тех же целей. Предполагалось, что серебро представляет собой продукт превращения металлов на пути их «трансмутации» в золото. За 2500 лет до нашей эры в Древнем Египте носили украшения и чеканили монеты из серебра, считая, что оно дороже золота. В X веке было показано, что между серебром и медью существует аналогия, и медь рассматривалась как серебро, окрашенное в красный цвет. В 1250 г. Винсент Бове высказал предположение, что серебро образуется из ртути при действии серы. В средние века "кобалдом" называли руды, которые служили для получения металла со свойствами, отличными от уже известного серебра. Позднее было показано, что из этих минералов добывается сплав серебро-кобальт, и различие в свойствах определялось присутствием кобальта. В XVI в. Парацельс получил хлорид серебра из элементов, а Бойль определил его состав. Шееле изучал действие света на хлорид серебра, а открытие фотографии привлекло внимание и к другим галогенидам серебра. В 1663 г. Глазер предложил нитрат серебра в качестве прижигающего средства. С конца XIX в. комплексные цианиды серебра используются в гальванопластике. Используется при чеканке монет, наград - орденов и медалей.

Галогениды серебра и нитрат серебра используются в фотографии, так как обладают высокой светочувствительностью.

Из-за высочайшей электропроводности и стойкости к окислению применяется: в электротехнике и электронике как покрытие ответственных контактов; в СВЧ технике как покрытие внутренней поверхности волноводов.

Используется как покрытие для зеркал с высокой отражающей способностью (в обычных зеркалах используется алюминий).

Часто используется как катализатор в реакциях окисления, например при производстве формальдегида из метанола.

Используется как дезинфицирующее вещество, в основном для обеззараживания воды. Некоторое время назад для лечения простуды использовали раствор протаргол и колларгол, которые представляли собой коллоидное серебро.

Одной из важных сфер использования серебра являлась алхимия, тесно связанная с медициной. Уже за 3 тыс. лет до н. э. в Китае, Персии и Египте были известны лечебные свойства самородного серебра. Древние египтяне, например, прикладывали серебряную пластину к ранам, добиваясь их быстрого заживления. О способности этого металла долгое время сохранять воду пригодной для питья также знали с древних времен. Например, персидский царь Кир в военных походах перевозил воду только в серебряных сосудах. Знаменитый средневековый врач Парацельс лечил некоторые болезни "лунным" камнем азотнокислым серебром (ляпис). Этим средством в медицине пользуются и поныне.

Развитие фармакологии и химии, появление множества новых природных и синтетических лекарственных форм не уменьшили внимания современных медиков к этому металлу. В наши годы оно продолжает широко использоваться в индийской фармакологии (для изготовления традиционных в Индии аурведических препаратов). Аюрведа (Ayurveda) это древний способ диагностики заболеваний и лечения, малоизвестный за пределами Индии. Более 500 млн человек в Индии принимают такие препараты, поэтому очевидно, что потребление серебра в фармаколо-гии страны очень велико. Сравнительно недавно современные исследования клеток организма на содержание серебра привели к заключению, что оно повышено в клетках мозга. Таким образом, сделан вывод, что серебро является металлом необходимым для жизнедеятельности человеческого организма и что открытые пять тысячелетий назад лечебные свойства серебра не утратили своей актуальности и в настоящее время.

Мелкораздробленное серебро широко применяется для обеззараживания воды. Вода, настоянная на порошке серебра (как правило, применяют посеребренный песок) или профильтрованная через такой песок, почти полностью обеззараживается. Серебро в виде ионов активно взаимодействует с различными другими ионами и молекулами. Малые концентрации полезны, так как серебро уничтожает многие болезнетворные бактерии. Установлено также, что ионы серебра в малых концентрациях способствуют повышению общей сопротивляемости организма к инфекционным заболеваниям. Развивая это направление использования, в довершение к зубным пастам, защитным карандашам, керамическим плиткам, покрытым серебром, в Японии даже стали изготавливать ладан, который содержит ионизированное серебро и при сжигании высвобождает ионы, убивающие бактерии. На этом свойстве серебра основано действие таких лекарственных препаратов, как протаргол, колларгол и др. , представляющих собой коллоидные формы серебра и способствующих излечению гнойных поражений глаз.

2. 4 Железо. Железный век

Желе́зо – элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 26. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum) Простое вещество железо -ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро коррозирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе. Железо обладает особым свойством - магнетизмом.

В природе железо редко встречается в чистом виде. Чаще всего оно встречается в составе железо-никелевых метеоритов. По распространённость в земной коре железо занимает 4-е место после O, Si, Al (4,65 %). Считается также, что железо составляет бо́льшую часть земного ядра.

Железо в древности

Первые железные орудия, найденные в Карпато – Дунайско-Понтийском регионе, который относится к ХII веку до н. э.

Железо как инструментальный материал известно с древнейших времён, самые древние изделия из железа, найденные при археологических раскопках, датируются IV тыс. до н. э. и относятся к древнешумерской и древнеегипетской цивилизациям. Это наконечники для стрел и украшения из метеоритного железа, то есть, сплава железа и никеля (содержание последнего колеблется от 5 до 30 %), из которого состоят метеориты. От их небесного происхождения идёт, видимо, одно из наименований железа в греческом языке: "сидер" (а на латыни это слово значит "звездный")

Изделия из железа, полученного искусственно, известны со времени расселения арийских племён из Европы в Азию и острова Средиземного моря (4-3 тысячелетие до н. э.). Самый древний железный инструмент из известных - стальное долото, найденное в каменной кладке пирамиды фараона Хуфу в Египте (построена около 2550 года до н. э.).

Но использование железа началось намного раньше, чем его производство. Иногда находили куски серовато-черного металла, который, перекованный в кинжал или наконечник копья, давал оружие более прочное и пластичное, чем бронза, и дольше держал острое лезвие. Затруднение состояло в том, что этот металл находили только случайно. Теперь мы можем сказать, что это было метеоритное железо. Поскольку железные метеориты представляют собой железоникелевый сплав, можно предположить, что качество отдельных уникальных кинжалов, например, могло соперничать с современным ширпотребом. Однако, та же уникальность, приводила к тому, что такое оружие оказывалось не на поле боя, а в сокровищнице очередного правителя.

Природное металлическое железо неземного происхождения - метеоритное железо использовалось на заре «железного века». Путь химического же превращения железной руды - требовал освоения достаточно высоких температур. Для восстановления железа из его окислов окисью углерода, что и происходит в обычном металлургическом процессе, достаточна температура лишь несколько выше 700 oС - такую температуру дает даже лагерный костер. Однако железо, получающееся таким путем, представляет собой спеченную массу, состоящую из металла, его карбидов, окислов и силикатов; при ковке оно рассыпается. Чтобы практически реализовать возможности процесса восстановления с целью получения железа, пригодного для переработки, необходимы были три условия: 1) введение окислов железа в зону нагревания в условиях восстановления; 2) достижение температуры, при которой получается металл, пригодный для механической переработки; 3) открытие действия добавок - флюсов, облегчающих отделение примесей в виде шлаков, что обеспечивает получение ковкого металла при не слишком высоких температурах.

Первым шагом в зарождающейся чёрной металлургии было получение железа путём восстановления его из окиси. Руда перемешивалась с древесным углем и закладывалась в печь. При высокой температуре, создаваемой горением угля, углерод начинал соединяться не только с атмосферным кислородом, но и с тем, который был связан с атомами железа.

FeO + C = Fe + CO

FeO+CO = Fe + CO2

После выгорания угля в печи оставалась так называемая крица - комок веществ с примесью восстановленного железа. Крицу потом снова разогревали и подвергали обработке ковкой, выколачивая железо из шлака. Долгое время в металлургии железа именно ковка была основным элементом технологического процесса, причём, с приданием изделию формы она было связана в последнюю очередь. Ковкой получался сам материал.

«Железный век»

Железный век сменил бронзовый век в основном в начале 1 –го тыс. до н. э

Железный век сменил бронзовый век в основном в начале 1 –го тыс. до н. э. Это произошло по следующим причинам: 1) железо имеет большую распространенность в природе, чем медь, олово и свинец; 2) его сплавы обладают хорошей пластичностью, ковкостью; 3) большей прочностью, чем бронза; 4) хорошей устойчивостью к воздействию окружающей среды; 5) человек освоил основной способ производства (восстановительную плавку) железа и его сплавов. Все это вместе взятое и стало предпосылкой к замене бронзового века на железный.

Железный век продолжается и по настоящее время.

На самом деле железом обычно называют его сплавы с малым содержанием примесей (до 0,8%), которые сохраняют мягкость и пластичность чистого металла. Но на практике чаще применяются сплавы железа с углеродом: сталь (до 2% углерода) и чугун (более 2% углерода), а так же нержавеющая сталь (легированная) сталь с добавками легирующих металлов (хром, марганец, никельи др.). Совокупность специфических свойств железа и его сплавов делают его «металлом № 1» по важности для человека.

Применение железа дало мощный стимул развитию производства и тем самым ускорило общественное развитие. В железном веке у большинства народов Евразии происходило разложение первобытнообщинного строя и переход к классовому обществу.

Прогресс не стоял на месте: первым устройством для получения железа из руды была одноразовая сыродутная. При огромном количестве недостатков, долгое время это был единственный способ получить металл из руды

Более высокую ступень в развитии чёрной металлургии представляли собой постоянные высокие печи называемые в Европе штукофенами. Это действительно была высокая печь - с четырёх-метровой трубой для усиления тяги. Мехи штукофена качались уже несколькими людьми, а иногда и водяным двигателем. Штукофен имел дверцы, через которые раз в сутки извлекалась крица Изобретены штукофены были в Индии в начале первого тысячелетия до новой эры. В начале нашей эры они попали в Китай, а в VII веке вместе с «арабскими» цифрами арабы заимствовали из Индии и эту технологию. В конце ХШ века штукофены стали появляться в Германии и Чехии (а ещё до того были на юге Испании) и в течение следующего века распространились по всей Европе.

Производительность штукофена была несравненно выше, чем сыродутной печи - в день он давал до 250 кг железа, а температура плавления в нем оказывалась достаточна для науглероживания части железа до состояния чугуна. Однако штукофенный чугун при остановке печи застывал на её дне, смешиваясь со шлаками, а очищать металл от шлаков умели тогда только ковкой, но как раз ей-то чугун и не поддавался. Его приходилось выбрасывать.

Следующим этапом в развитии металлургии стало появление доменных печей. Их используют и сейчас. За счёт увеличения размера, предварительного подогрева воздуха и механического дутья, в такой печи все железо из руды превращалось в чугун, который расплавлялся и периодически выпускался наружу. Производство стало непрерывным - печь работала круглосуточно и не остывала. За день она выдавала до полутора тонн чугуна. Перегнать же чугун в железо в горнах было значительно проще, чем выколачивать его из крицы, хотя ковка все равно требовалась - но теперь уже выколачивали шлаки из железа, а не железо из шлаков

Применение железа в древности

Самой первой формой организации производства железных изделий были кузнецы - любители. Обычные крестьяне, которые в свободное от обработки земли время промышляли таким ремеслом. Кузнец этого сорта сам находил «руду» (ржавое болото или красный песок), сам выжигал уголь, сам выплавлял железо, сам ковал, сам обрабатывал изделие.

Умение мастера на данном этапе закономерно было ограничено выковыванием изделий самой простой формы. Инструментарий же его состоял из мехов, каменных молота и наковальни и точильного камня. Железные орудия производились с помощью каменных.

Если удобные для разработки залежи руды имелись поблизости, то и целая деревня могла заниматься производством железа, но такое было возможным только при наличии устойчивой возможности выгодного сбыта продукции, чего практически не могло быть в условиях варварства.

Если же, допустим, на племя из 1000 человек имелся десяток производителей железа, каждый из которых за год соорудил бы пару-тройку сыродутных печей, то их трудами обеспечивалась концентрация железных изделий всего порядка 200 граммов на душу населения. И не в год, а вообще. Цифра эта, конечно, очень приблизительная, но факт тот, что, производя железо таким способом, никогда не удавалось за его счёт полностью покрыть все потребности в самом простом оружии и самых необходимых орудиях труда. Из камня продолжали изготавливаться топоры, из дерева - гвозди и плуги. Металлические доспехи оставались недоступными даже для вождей.

Роль железа в современном мире

21 век – век полимеров, но эпоха железа еще не завершена.

В современном мире существует множество видов полимеров превосходящих железо по легкости, пластичности и коррозионной стойкости, но при этом сильно уступают железу по прочности, поэтому еще рано говорить о железе в прошедшем времени.

Железо сыграло большую роль в развитии человеческого общества и не потеряло своего значения и в настоящее время. Сплавы железа – чугун, сталь являются основой современной индустрии.

ГЛАВА III ВЫВОДЫ ПО ТЕОРЕТИЧЕСКИМ ИССЛЕДОВАНИЯМ

В своих теоретических исследованиях мы пришли к следующим выводам:

Главный вывод

Смена «металлических веков» была связана с открытием для человека новых металлов и сплавов с улучшенными качествами по сравнению с предыдущими металлами и сплавами (причем, металлов - достаточно распространенных в природе); освоением способов их добычи или получения, а также освоением способов литья и ковки изделий из новых металлов и сплавов. Смена материалов для труда и производства влияло и влияет на технический прогресс в обществе. Роль химии при этом всегда была и остается - значительной.

Выводы по «векам» (подтверждающие главный вывод)

1. Медный век. Медь – первый металл, который впервые стал использовать человек в древности за несколько тысячелетий до нашей эры (4-3 тыс. до н. э.). Общее содержание меди в земной коре сравнительно невелико (0,01 вес %), однако она чаще, чем другие металлы, встречается в самородном состоянии, причем самородки меди достигают значительной величины.

Этим, а также сравнительной лёгкостью обработки меди объясняется то, что она ранее других металлов была использована человеком.

Медь – мягкий металл. Поэтому в древности медь не смогла вытеснить каменные орудия труда. Лишь, когда человек научился плавить медь и изобрел бронзу (сплав меди с оловом), - металл заменил камень.

Древние считали, что лечебный эффект меди связан с её антибактериальными и противовоспалительными свойствами. В медных доспехах у античных воинов раны меньше гноились и быстрее заживали.

2. Бронзовый век длился с конца 4 – нач. 1-го тыс. до н. э. Распространилась металлургия бронзы, бронзовых орудий и оружия (Ближний Восток, Китай, Ю. Америка и др.). Бронза – сплав на основе меди (в древности это медь + олово, реже - медь + свинец. Бронза обладала большей прочностью, чем медь; хорошей пластичностью, большей стойкостью к коррозии, хорошими литейными качествами. Поэтому медный век и сменился бронзовым.

3. Железный век. В очень давние времена железные изделия изготавливались из метеоритного железа, из «небесного камня». Метеоритное железо легко поддавалось обработке. Из него делали лишь украшения и простейшие орудия. Древним людям была недоступна плавка железа - получение его из соединений. Поэтому железный век в Египте начался лишь с XII в.

до н. э. , а в других странах еще позднее - в нач. 1-го тыс. до н. э.

Железный век наступил с распространением металлургии железа и изготовлением орудий и оружия. По распространенности металлов в природе железо занимает 2-ое место после алюминия. В чистом виде железо с наступлением железного века практически уже не иcпользовалось. В быту железными часто называли и называют стальные или чугунные изделия (сплавы железа с углеродом и др. элементами).

Хорошая пластичность, ковкость железа и его сплавов, а также особая прочность изделий из них привели к смене бронзового века на железный, который продолжается и по настоящее время.

Сплавы железа – чугун, сталь являются основой современной индустрии.

Железо необходимо для жизнедеятельности организмов. Оно входит в состав гемоглобина.

Древние считали, что железо находится под влиянием Марса. C помощью металлического талисмана, сделанного из железа, они пытались излечивать анемичных людей: талисман должен был отвести вредное влияние Марса, его энергию, и привести в норму содержание железа в крови.

4. Золото и серебро известны человеку также с древних времен. Эти металлы характеризуются мягкостью, ковкостью, очень хорошей пластичностью, тягучестью. Золото и серебро, поэтому, легко обрабатываются. Изделия из этих металлов датируются 5 – 1 тыс. до н. э. Красивый цвет,

«магический» блеск, высокая плотность, легкость, высокая устойчивость к атмосферным воздействиям давно оценены человеком.

Но золото и серебро - малораспространенные металлы в природе. Поэтому, уже с древних времен из них, в основном, делали украшения и бытовые предметы.

Зато со временем, золото (и, в меньшей степени, серебро) стало мерилом материальных ценностей, стало использоваться в качестве обмена на товар, а впоследствии - стало денежным эквивалентом и, таким образом, - «королем металлов».

С древних времен использовались и лечебные свойства серебра и золота: антисептические свойства серебряной воды; а для лечения кожных заболеваний – использовались свойства серебра, золота и меди.

ГЛАВА III НАШИ ПРАКТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

3. 1 Химический эксперимент

«Отношение « металлов древности» к некоторым химическим воздействиям»

На вопросы - «какие свойства металлов или сплавов предметов старины обеспечили сохранность их до наших дней?» и «почему степень сохранности у разных предметов разная?» мы попытались дать ответ, прибегнув к химическому эксперименту.

Сначала мы выдвинули такие гипотезы: 1 – изделия старины сохранились до наших времен, т. к. металлы или сплавы, из которых они сделаны, обладают малой химич еской активностью; 2 - степень сохранности изделий зависит от: а) коррозионной стойкости материалов к воздействиям окружающей среды (коррозионная стойкость же зависит, в первую очередь, от химической активности металлов и сплавов); б) времени воздействия раличных факторов (включая «химический фактор») на изделия или – возраста изделия.

Мы провели такой химический эксперимент

Суть его состоит в следующем: мы рассмотрели отношение металлов древности и их некоторых сплавов к таким реагентам и природным веществам, как: кислород воздуха (при обычных условиях и температурных воздействиях); влажный воздух; вода – дистиллированная, водопроводная, природная; растворы кислот и щелочей.

Важно, что все они являются главными разрушителями (или подобием этих разрушителей) для металлов и сплавов в природе. Мы провели соответствующие реакции и получили результаты, подтверждающие правильность наших предположений (гипотез).

Выводы по практическим исследованиям

Химический эксперимент, разработанный и выполненный нами, показал, что

Химическая активность исследуемых металлов и сплавов (фактически «металлов древности») - низкая

Коррозионная стойкость к химическим воздействиям – высокая.

Результаты эксперимента представлены в таблице

Делаем вывод, что данные характеристики материалов могут быть определяющими в том, что изделия старины сохранились до нашего времени

Проверена реакция металлов и сплавов на длительность химического воздействия лабораторных и природных реагентов (на протяжении 2-х месяцев)

Эксперимент показал: разрушение металлов и сплавов усиливается со временем

Эксперимент также подтвердил наше предположение, что химическая активность исследуемых материалов сравнительно низкая; различия в их химической активности все же имеются

Приблизительно четыре тысячелетия до н.э., в городе Шумер было сделано новое открытие: если камни определенного вида долго плавить на высокой температуре, из них начнет вытекать чистый металл! Медь стала первым металлом, который научился выплавлять человек.

Но, к сожалению, не известно, как именно была открыта медь. Можно предположить, что она была открыта случайно. Скорее всего, гончар захотел добавить узор на керамическую посуду и стал плавить многоцветный камень, который оказался медной рудой. Вскоре выяснилось, что при сильном нагревании из руды вытекает жидкая медь. Люди сначала не поняли, что это, и что с этим металлом можно делать. Оказалось, что можно придавать жидкой меди нужную форму, и, когда она застынет, такой и останется.

Спустя пару лет после открытия были созданы медеплавильные печи, а также придуман литейный процесс.

Мастера заранее выбирали форму для керамического сосуда, куда заливали жидкую медь. Когда медь застывала, она принимала форму внутренней оболочки сосуда.

После открытия способа выплавки литья меди была создана производственная линия, которая состояла из ряда последовательных процессов. Так как медь в самородном виде редко встречается, людям пришлось учиться добывать медную руду.

Чтобы из рудников достать медную руду, требовалось разделить ее на отдельные куски. И для этого разделывания люди тоже выработали особую технологию. На огромных глыбах горной породы разжигали костры, через некоторое время заливали огонь холодной водой, вследствие чего камень трескался. В получившуюся трещину вбивали клинья. Когда клинья уже оказывались в камне, их тоже поливали водой. Так клинья были из дерева, они разбухали и камень раскалывался.

Полученную руду плавили. Оказалось, что те гончарные печи, которые существовали раньше, для этого процесса имели малую мощность. Поэтому после многих экспериментов в Шумере местные мастера научились делать специальные печи с дутьем. Эти печи топились углем и обеспечивали высокий нагрев.

Расскажем, что такое дутье. Так литейщики поначалу подавали воздух в печь по специальным воздуходувным трубкам, надувая их с помощью собственных легких. Задача облегчилась к III тысячелетию до н.э., когда мастера стали использовать меха из шкур животных. Для дутья меха сшивали наподобие гармошки.

Выплавленную медь затем заливали в формы, из которых получались определенные изделия.

Литейный процесс обеспечивали не только специальные печи с высоким нагревом, но и плавильные емкости - тигли. Также нужны были формы, куда заливали расплавленный металл.

Формы делали из глины или камня, и состояли они из нескольких частей. Соединяли их перед заливкой расплавленной меди, и разъединяли после остывания, когда нужно было освободить готовую отливку.

Шумерские мастера - металурги пользовались различными способами обработки металлических заготовок: и горячей, и холодной ковкой, а также холодной обработкой инструментами. Изделия из меди мастера гравировали и украшали инструктациями, - так появились художественные приемы.

Медеплавильное производство и последующая обработка полученной меди требовали участия различных мастеров на разных этапах процесса. Одни из них занимались разработкой руды, другие выплавляли породу, третьи осваивали литье или ковку. К тому же месторождения медной руды часто находились далеко от тех мест, где в них нуждались, поэтому появилась работа и для специальных перевозчиков.

Так технический прогресс развивал хозяйственные отношения внутри государства. И наоборот, хозяйственные отношения стимулировали технический прогресс.

ОТКРЫТИЕ МЕТАЛЛОВ

В новокаменном веке людям уже не хватало хорошего кремня для изготовления орудий. Поэтому им приходилось даже пробивать шахты глубиной до восьми метров и добывать кремень под землей. Этот труд тяжел и опасен. При раскопках одной из таких шахт археологи нашли останки мастера и его сына, погибших при обвале.

Первобытные умельцы искали новые виды камня, пригодные для изготовления орудий. Иногда им попадались зеленоватые твердые камешки. Их бросали в костры, чтобы расколоть. Но удивительные камни не лопались, а плавились в сильном огне. Костер угасал, а они вновь отвердевали. Из золы доставали блестящие оранжевые кусочки меди .

Орудия труда медного века. Известный ученый С.А.Семенов провел опыт. Были изготовлены точные копии древних топоров - каменного и медного. Сосну толщиной в 25 см удалось срубить каменным топором за 15 минут, а медным - всего лишь за 5 минут. Опыт повторили много раз с тем же результатом.

Медь - это металл . Она гораздо удобнее камня. От неловкого удара каменный топор или нож ломались, а медные только гнулись. Сломанное каменное орудие оставалось только выбросить. Согнутую медную вещь можно выпрямить и переплавить в новую. Обломки расплавляли и заливали в заранее приготовленную глиняную форму. Когда медь застывала, из формы вынимали готовое изделие. Это было удобно. В единственной форме можно было отлить сколько угодно одинаковых вещей. Медные орудия труда оказались гораздо лучше каменных и костяных. Медные иглы служили дольше и лучше костяных. Лезвие медного ножа оттачивали очень остро. Стали даже изготавливать такие предметы, которых никак нельзя сделать из камня: ножницы, клещи, молотки, пилы.

Внимание: дополнительное задание для самых трудолюбивых, любознательных и сообразительных: опишите по схеме как выплавляли изделие из меди.

Чертеж печи для выплавки меди. Первобытные плавильщики за работой. Рисунки современных художников.

Меди на Земле немного. Поэтому люди берегли каждый грамм металла. Малочисленные медные орудия, разумеется, не смогли до конца вытеснить каменные. По-прежнему из крепкого камня делали ножи, наконечники стрел. Но главную работу выполняли все-таки орудиями из меди.

Орудия труда добытчиков медной руды. Находки археологов.

Еще меньше было других металлов, которые также открыли наши предки - золота, серебра, свинца . Вдобавок эти металлы очень тяжелы и мягки. Поэтому они не годятся для изготовления орудий труда.

ТРУДИТЬСЯ СТАЛО ЛЕГЧЕ

Медные орудия труда. Найдены археологами у р. Дунай

Труд людей давал гораздо больше результатов, чем прежде. Медными топорами вырубали кустарники и деревья, серпами выкашивали камыш и тростник. Освобождали большие участки земли. На них устраивали новые поля. Мотыгами с медными наконечниками их обрабатывали быстро и тщательно. Потом мотыги начали делать большими. Такую мотыгу тянул человек, а другой нажимал на нее, чтобы она рыхлила почву. Так появилось новое орудие труда - соха . Потом в соху стали впрягать
быков. Землю уже не просто рыхлили, ее пахали . А когда к сохе прикрепили острые медные наконечники, она стала плугом . Сила быков, тяжесть сох и плугов, острота медных серпов сберегали силы земледельцев.

Соха. Рисунок современного художника

С. А. Семенов и его помощники обрабатывали поля одинакового размера точными копиями древних мотыг и плугов. Оказалось, что обработать поле с помощью плуга и быка можно в пятьдесят раз быстрее, чем мотыгой! Поля разрастались, урожаи повышались. Голод уже меньше угрожал общинам.

Гробницы медного века на Кавказе

1. 2.3.

1.Гробница медного века в Португалии. Фотография 2.Дом-поселок на озере. Медный век. Рисунок ученого-археолога 3.Здесь стоял поселок медного века. Аэрофотосъемку (что это такое?) провели английские ученые

Новыми инструментами стало гораздо легче и быстрее строить удобные хижины и повозки . Толстые бревна распиливали пилами на гибкие и прочные доски. Из досок научились делать большие ладьи , приспособленные не только к плаваниям по рекам, но и в море.

Ладья. Рисунок современного художника.
Повозка медного века. Восстановлена сотрудниками музея

РАЗДЕЛЕНИЕ ТРУДА

Поселок на озере. Медный век. Рисунок ученого-археолога

Открытие и использование металлов очень изменило жизнь наших первобытных предков. Раньше главными работницами на полях были женщины с мотыгами в руках. Но с тяжелыми сохами и плугами они, конечно, не могли совладать. Их заменили мужчины. Так главное занятие - земледелие - стало мужским . Общинникам был нужен скот для того, чтобы запрягать в сохи и повозки. Они старались разводить больше быков и лошадей, а если не хватало корма, подкармливали скот соломой с полей. Однако и обрабатывать поле, и ухаживать стадами было трудно. Поэтому одни общины стали заниматься только скотоводством, а другие - только земледелием. Так произошло разделение труда, и земледельцы отделились от скотоводов .
1.2.
1.Курган медного века. Англия 2.Здесь стоял поселок медного века. Аэрофотосъемку (что это такое?) провели английские ученые

Общины земледельцев строили поселки у рек и озер. Там жили на одном месте десяток лет. Поля истощались и переставали давать богатые урожаи. Тогда люди переселялись и строили хижины на новом месте, расчищали и вспахивали новые поля.

Аллея каменных столбов. Англия

Общины скотоводов кочевали в поисках свежей травы воды для стад. Пастухи жили в легких разборных жилищах: шатрах и юртах. Пастухи пригоняли соседям скот, привозили шерсть и кожи. Земледельцы давали взамен зерно, мед, овощи. Поначалу кочевники и землепашцы относились друг к другу дружелюбно, но потом между ними начала вспыхивать вражда. Ведь земледельцам нужны поля для посевов, а скотоводам требуются пастбища для скота. Споры из-за земель учащались.

Предметы из погребения медного века. 0бнаружены советскими археологами на Кавказе

Схема владений родовой общины. Объясните ее