Дьявольские камни

Подумайте, запах какого вещества ассоциировался у людей самых различных культур с запахом существ, не желавших человеку добра или, позднее, с распространением авраамистических религий, с запахом нечистой силы.

Одно из соединений, родственное «рубинам» из условия задачи, называется в том числе и «дурацким золотом».

И «рубины», и бледно-желтый порошок представляют собой бинарные (состоящие только из двух химических элементов) соединения. Валентность элементов, образующих и «рубины», и бледно-желтый порошок, одинакова.

Задолго до появления монотеистических религий человечество ассоциировало силы зла с «запахом серы». На самом деле этот запах — не запах серы как таковой, сера как раз не имеет запаха. В общебытовом смысле запахом серы называют или удушающе-едкий запах сернистого газа (SO₂), образующегося при горении серы и некоторых серосодержащих соединений на воздухе, или отвратительный запах продуктов гниения биомассы — сероводорода (H₂S) или меркаптанов, или тиолов (формула метилмеркаптана — СН₃SН, его добавляют в бытовой газ, чтобы вовремя почуять утечку). С этими запахами человек познакомился, вероятно, еще в доисторические времена. И, поскольку самородная сера встречается у жерл вулканов, она считалась творением сверхчеловеческих существ из мира духов или подземных богов.

«Золотом дураков» называют дисульфид железа — пирит (FeS₂; рис. 1), некоторые кристаллические формы которого напоминают золотые чешуйки. Само название говорит о том, что были случаи, когда незадачливый кладоискатель принимал кристаллики пирита за золото, но, пытаясь сплавить эти «чешуйки» в один слиток золота, на выходе получал то же, что и герой задачи, — жилище, наполненное сернистым газом, и бесполезный порошок на жаровне.

Рис. 1. Пирит. Изображение с сайта mycrystalpedia.wordpress.com

Это происходит из-за того, что сульфидные минералы, к которым относится и пирит, реагируют с кислородом воздуха. В металлургии этот процесс называется обжигом. При обжиге входящая в состав минерала сульфидная сера окисляется до сернистого газа, а металл, в зависимости от его активности, образует либо оксид, либо (реже — для металлов с низкой химической активностью) металл. Так, при 400°C обжиг пирита протекает в соответствии со следующим уравнением:

4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂.

Обжиг сульфида менее активного серебра идет с образованием серебра:

Ag₂S + O₂ = 2Ag + SO₂.

Таким образом, найденные Манцем рубины представляют собой сульфид. А поскольку, согласно подсказке к задаче, продуктом их невольного обжига было бинарное соединение, это сульфид металла с достаточной активностью. Упомянутое в подсказке равенство значения валентностей всех элементов, образующих сульфид и оксид металла, позволяет сделать вывод о том, что эта валентность равна двум (другое значение валентности кислород в оксидах не принимает) и записать формулы «рубинов» и порошка — MeS и MeO соответственно (где Me — это металл). Обжиг сульфида MeS должен протекать в соответствии со следующим уравнением:

2MeS + 3O₂ = 2MeO + 2SO₂.

Обозначим атомную массу металла через «М», тогда молекулярная масса сульфида будет М + 32, а молекулярная масса образующегося оксида М + 16. Допущение о 100-процентной чистоте и исходного, и конечного вещества позволяет говорить о том, что сульфид металла полностью превратился в оксид металла и соотношение масс веществ до и после обжига равно соотношению молекулярных масс сульфида и оксида:

\[ \dfrac{M+32}{M+16}=1{,}197 \]

Решая это уравнение, получаем М = 65,4, что соответствует цинку. Тогда уравнение сгорания «рубинов» Манца будет такое:

2ZnS + 3O₂ = 2ZnO + 2SO₂.

В другой ситуации можно было бы сказать, что углекопу повезло: хотя он и не нашел рубинов, он обнаружил достаточно редкую форму сульфида цинка — сфалерит; рис. 2), известный как «рубиновая обманка».

Рис. 2. «Звезда Астурии» (163,4 карата) — самый большой известный ограненный сфалерит, выставленный в Кантональном геологическом музее Лозанны, Швейцария. Фото с сайта gemsociety.org

Рубиновая обманка похожа на рубины, однако, как видно по картинке, человек имевший дело, в отличие от Манца, с настоящими рубинами, вряд ли смог бы спутать с ними даже рубиновую обманку (разве что при плохом освещении и без инструментов). Рубины гораздо тверже сфалерита, их твердость по шкале Мооса составляет 9 единиц, а твердость сфалерита — 3,5–4 единицы. По этой причине сфалерит не используется в ювелирном деле, но эксклюзивные ограненные сфалериты ценятся коллекционерами.

И упомянутый в подсказке к задаче пирит (золотая обманка), и зашифрованный в ней сфалерит (цинковая обманка) относятся к веществам, которые образуют сульфидные минералы, давно известные как «обманки».

Дело даже не в том, что пирит можно было принять за золото, а цинковую обманку — за красные или желтые драгоценные камни. Всё же такую ошибку могли совершить только люди, не имевшие навыков работы с золотом или драгоценными камнями: даже в Средние века алхимик, ювелир или рудокоп без особого труда могли бы различить золото и пирит или отличить рубин от сфалерита.

Термин «обманки» был введен самими рудокопами в Средние века. Обманки — группа минералов, обладающих полуметаллическим блеском и другими признаками (цвет, плотность), присущими как рудам металлов, так и минералам, не считавшимися в то время металлическими рудами.

Дело в том, что в те времена, когда разрабатывалось и имело практическое применение не более десятка металлов («Семь металлов создал свет по числу семи планет»; см. Металлы алхимиков, «Химия и жизнь» №2, 2013), рудокопы часто принимали эти минералы за руды известных в то время металлов. Но поскольку знакомые людям в те времена металлы из этих руд и минералов получить было нельзя, минералы получили название «обманок». В настоящее время сохранились такие названия минералов, как цинковая обманка (сфалерит; основной компонент — ZnS), кадмиевая обманка (гринокит; основной компонент — CdS). К обманкам относится также минерал роговая обманка, железистые разновидности которой обладают сильным полуметаллическим блеском, но не являются рудой (основной компонент — Ca₂(Mg,Fe,Al)₅(Al,Si)₈O₂₂(OH)₂); содержание железа в ней слишком мало для практической разработки).

Истинная ценность металлов, содержащихся в обманках и некоторых других минералах и рудах, стала выявляться даже с момента их открытия, а с началомпрактического использования. Так, мастерам горного дела Старого Света мешала тугоплавкая платина (характерно, что слово platina переводится с испанского как «серебришко», «маленькое серебро»). Платину, извлекаемую в Новом Свете при разработках серебра, топили в реках и морях. Было время, когда платину использовали для изготовления фальшивых серебряных монет, а дороже золота она стала только в ХХ веке с развитием промышленной органической химии, когда выяснилось, что платина — прекрасный катализатор.

Кобальт и никель, ценящиеся сейчас уж точно больше железа и тоже широко применяющиеся в катализе и при изготовлении сплавов железа, получили свои названия в честь отрицательных фольклорных персонажей германских рудокопов — кобольдов (от нем. Kobold — «домовой», «гном») и злого горного духа (Nickel — в переводе с немецкого «озорник»). По-настоящему ценным вольфрам (от нем. Wolf Rahm «волчья пена») стал с изобретением вольфрамовой нити накаливания для электрических ламп, а до этого и кобальт, и никель, и вольфрам воспринимались металлургами как шлаки, примеси к железу. И всё это только из-за того, что долгое время температуры плавильных печей просто не хватало для плавления этих металлов.

Ну и в завершение — и пирит, и сфалерит, и некоторые другие сульфидные минералы, внешне похожие на золото или драгоценные камни, всё же ценились выше простого угля — как камни поделочные или полудрагоценные. В Европе в XVII веке пирит иногда использовали в качестве недорогой имитации бриллианта. Он не считался какой-нибудь низкосортной драгоценностью и довольно широко использовался в серебряных и золотых украшениях, а также в комбинации с обычной сталью. В наше время пирит также известен и как ювелирный материал. Иногда его по старинке называют марказитом или капельным серебром.

Сам по себе сфалерит, как уже было сказано, не применяется в ювелирных изделиях из-за хрупкости и низкой твердости, однако в качестве поделочного камня используются полосчатые агрегаты, в которых сфалерит переслаивается с кварцем, магнетитом, галенитом или халькопиритом, — так называемая «бурундучная руда». Тем не менее прозрачные, ярко окрашенные кристаллы сфалерита — рубиновая и медовая обманки — встречаются нечасто и ценятся высоко, поэтому, возможно, продав камушки знакомому ученику ювелира, Манц смог бы поправить свое материальное положение (но не разбогатеть, как после продажи аналогичного количества настоящих рубинов).