Химия человека. Как железо помогает нам дышать, калий – видеть, и другие секреты периодической таблицы - Анья Рёйне

Я спокойно лежу, а вот моя кровать движется. Завтра у меня встреча в Бергене. Сегодня вечером меня убаюкают звуки и движение поезда – так же как и поколения живших до меня людей. Благодаря подобным путешествиям на поездах я чувствую себя частью долгой истории. Задолго до появления машин и самолетов железная дорога перевозила людей и товары с места на место и из города в город.

И поезда, и железнодорожные пути сделаны из железа, самого важного для нашей цивилизации металла[74]. Первые металлы, которыми стали пользоваться люди – золото, медь и бронза (сплав меди и олова), – слишком мягкие, чтобы в большинстве случаев стать заменой каменным и деревянным инструментам. Использование железа произвело революцию и в военном деле, и в земледелии. Почувствуйте разницу: вспахать землю деревянным плугом – или железным. Благодаря железным инструментам стало проще обрабатывать землю, строить дороги, рубить и резать дерево. В сочетании с железным оружием, таким как наконечники стрел и мечи, этот металл мог подарить значительные преимущества тем, кто освоил его раньше соседей[75].

Железо не только играет важную для нашего общества роль. Оно является важнейшим элементом транспортной системы нашего тела. В теле взрослого человека около четырех граммов атомов железа[76] – этого хватит на гвоздь средних размеров, – и железо в организме необходимо нам для решения жизненно важной задачи.

Чтобы жить, мне необходимо дышать. Кислород нужен всем клеткам моего тела. Когда я делаю вдох, в мои легкие попадает кислород, однако надо каким-то образом доставить его всем клеткам. И тут в игру вступает железо. В отличие от золота, предпочитающего держать свои электроны при себе, железо – щедрое, оно охотно отдаст пару своих электронов. Поэтому между железом и кислородом возникает тесная дружба: кислород жаждет принять дополнительные электроны от других элементов.

В моих легких – там, где кровь встречается с воздухом, – кислород пользуется шансом соединиться с атомами железа, связанными с молекулами крови. Таким образом кислород перемещается с кровью по телу. В моих клетках есть и другие молекулы – они уговаривают железо и кислород снова расстаться, и дальше железо в одиночестве идет по кровеносным сосудам к сердцу, где его перегонят обратно в легкие за новой порцией кислорода. Без железа в крови было бы совершенно не важно, сколько я вдыхаю, ведь я не могла бы воспользоваться кислородом, который с таким усердием вдохнула в легкие. Вот почему я должна принимать препараты железа в течение нескольких недель каждый раз, когда выступаю донором и сдаю пол-литра своей крови. Новые клетки крови тело производит с легкостью, а вот вырабатывать железо оно не умеет.

Если железо отдало электроны кислороду, для того чтобы вновь отделить друг от друга эти химические элементы, потребуется много энергии. Прошло немало времени, прежде чем люди узнали, как разрушить эту связь и возвращать атомам железа их электроны, а это необходимо для того, чтобы металл стал пригодным для изготовления оружия и инструментов.

Три с половиной тысячи лет назад египетского фараона Тутанхамона похоронили с железным кинжалом. Долгое время происхождение кинжала и других очень древних железных предметов, обнаруженных не только в Египте, но и в других уголках мира, оставалось большой тайной. Ведь технологии, необходимые для производства железа, из которого сделаны эти предметы, появились примерно на тысячу лет позже[77].

Разгадка обнаружилась за пределами нашей планеты. Металл кинжала Тутанхамона не с Земли.

По космосу летает множество мелких и крупных астероидов: они состоят из железа с примесью никеля и не подвергаются воздействию воды или кислорода. Поэтому железо в них не ржавеет и способно навечно сохранить металлический блеск. Порой астероиды падают на Землю в виде метеоритов – их подбирают и превращают в кинжалы и другие предметы. Таким и было первое железо, оказавшееся в распоряжении людей. Вероятно, все подобные древние предметы сделаны из метеоритного железа[78].

На Земле крайне мало мест, где природное железо не образует соединений с другими элементами и встречается в металлической форме. Одно из таких месторождений находится в Гренландии – там содержащая железо лава пробилась сквозь земную кору очень-очень давно[79]. Продвигаясь наверх, лава прошла слой угля – остатки доисторических растений, состоящие почти исключительно из углерода. Углерод обладает полезным свойством: он отдает свои электроны еще активнее, чем железо. В результате, когда связанные атомы железа и кислорода, содержащиеся в кипящей горячей лаве, вступают в реакцию с имеющимся в угле углеродом, углерод передает атомам железа свои дополнительные электроны. Углерод и кислород, образовав диоксид углерода, уходят в атмосферу, а железо остается в виде слоя металла – для нас это готовое сырье.

Здесь и кроется ключ к производству металлического железа – до того как шагнуть в железный век, людям приходилось его искать. Железа вокруг нас много (оно составляет около 4 % земной коры), но практически все оно образует связи с кислородом. Железную руду превращают в металл, смешивая с углем и нагревая до тех пор, пока уголь не загорится. Углерод из горящего угля вступает в реакцию с железной рудой, отдает электроны и крадет кислород – остается железо в металлической форме[80].

Когда люди начали изготавливать железо, выросла и потребность в древесине. Когда древесину нагревают в закрытых ямах, куда не поступает кислород, она превращается в уголь, пригодный для производства железа. Из-за этого значительно возросла нагрузка на близлежащие леса – типичный, но неблагоприятный побочный эффект. Сегодня для производства железа используют ископаемый уголь. Его извлекают из земли, так что необходимость рубить деревья для выполнения этой задачи отпала. Угольные шахты поспособствовали спасению многих лесов мира от участи оказаться в углежогной яме. И параллельно углерод, выпускаемый в атмосферу во время сжигания ископаемого угля, нагревает нашу планету. При производстве каждой тонны железа образуется примерно полтонны диоксида углерода[81]: углерод берется из угля, а кислород – из железной руды. В долгосрочной перспективе это представляет еще большую угрозу лесам и экосистемам, чем вырубка в прежние времена.