Kể chuyện về kim loại

Mn - Bạn đường muôn thuở của sắt

Nếu bạn đã đi tàu điện ngầm Maxcơva thì hẳn phải chú ý đến một trong những ga đẹp nhất của nó – ga Maiacôpxki. Các cột trụ của cung điện ngầm này được trang điểm những đường viền thanh tú bằng hồng thạch (rođonit) – một khoáng vật chứa mangan. Màu hồng dịu dàng (rođon theo tiếng Hy Lạp có nghĩa là hoa hồng) và tính dễ gia công đã làm cho loại đá này trở thành vật liệu trang trí và ốp tường tuyệt đẹp. Những sản phẩm bằng hồng thạch đang được cất giữ tại Bảo tàng Ermitagiơ, trong đại giáo đường Petropaplôpxcơ và nhiều nhà bảo tàng khác ở Liên Xô. Ở Uran có rất nhiều vỉa hồng thạch rất lớn, và người ta đã tìm thấy một tảng nặng 47 tấn. Không có một nơi nào khác trên trái đất có những khối hồng thạch lớn như ở Uran. Quả là hồng thạch của Uran có vẻ đẹp mà không loại đá nào sánh kịp.

Tuy thế, khoáng vật công nghiệp chủ yếu chứa mangan lại không phải là hồng thạch, mà là huyền thạch (piroluzit) – đó là mangan oxit. Từ thời xa xưa, con người đã biết đến thứ khoáng vật màu đen này.

Ngay từ thế kỷ I, Plini Bố – nhà viết sử kiêm nhà vạn vật học La Mã cổ đại (đã tử nạn trong trận phun trào của núi lửa Vezuvi năm 79 sau công nguyên) đã nói đến khả năng kỳ diệu của thứ bột đen (piroluzit nghiền nhỏ) làm cho thủy tinh trở nên trong suốt. Về sau, thời trung cổ, nhà bác học kiêm kỹ sư người Italia là Vannocho Biringucho (Vannuccio Biriguccio) (1480 – 1539) đã viết trong tác phẩm bách khoa của mình về ngành mỏ và luyện kim nhan đề “Hỏa thuật học”, xuất bản năm 1540: “… piroluzit có màu nâu thẫm;… nếu thêm vào nó những chất có dạng thủy tinh thì nó nhuộm các chất này thành màu tím rất đẹp. Những người nấu thủy tinh lão luyện đã dùng nó để nhuộm thủy tinh thành màu tím đẹp tuyệt trần: những người thợ gốm lành nghề cũng dùng nó để vẽ lên những đường vân hoa tím trên bát đĩa. Ngoài ra, piroluzit còn có một tính chất đặc biệt: khi nấu chảy với thủy tinh lỏng, nó làm cho thủy tinh trong sạch và biến từ màu lục hoặc màu vàng thành màu trắng”.

Mãi về sau, tên gọi “piroluzit” mới được đặt cho khoáng vật này, còn ở thời bấy giờ, vì nó có khả năng làm cho thủy tinh mất màu, nên người ta gọi nó là “xà phòng cho thủy tinh” hay “mangan” ( theo tiếng Hy Lạp “manganese” nghĩa là làm sạch). Nó còn có một tên khác nữa là “magezi đen”, bởi vì, từ thời cổ xưa, người ta khai thác piroluzit ở tiểu Á, gần thành phố Mangnesia; xin nói thêm rằng “magezi trắng” hoặc “magezi anba” tức là magie oxit, cũng được khai thác ở đó.

Lịch sử hóa học đã coi nhà hóa học Thụy Điển Iuhan Gotlip Han (Juhan Gotlib Gahn) là người phát hiện ra mangan với tư cách là một kim loại (năm 1774). Tuy nhiên, có cơ sở để cho rằng, Ignati Gotfrit Caim (Ignatius Gotfrid Kaim) – người đã từng mô tả mangan trong bản luận văn của mình xuất bản ở Viên vào năm 1770, là người đầu tiên nhận được những hạt mangan kim loại. Caim đã không tiến hành các cuộc khảo cứu đến cùng, vì thế mà đa số các nhà hóa học thời đó không biết đến các công trình này của ông. Mặc dầu vậy, trong một cuốn từ điển hóa học, phát minh của Caim đã được nhắc đến: “Khi đốt nóng những hỗn hợp gồm một phần piroluzit dạng bột và hai phần một chất trợ dung màu đen, Caim đã thu nhận được một thứ kim loại giòn có màu trắng xanh ở dạng tinh thể với vô số các mặt lấp lánh có hình dạng khác nhau, mà mặt gãy của nó thì óng ánh đủ mọi màu từ xanh đến vàng”.

Nhà bác học Thụy Điển Torbern Bergman đã làm những thí nghiệm tiếp theo để tìm hiểu về mangan. Ông viết: “ Khoáng vật mà người ta gọi là magezi đen là một thứ đất mới, không nên nhầm lẫn với vôi nung, cũng không nên lẫn lộn với magezi anba”. Nhưng ông cũng không tách được mangan ra khỏi piroluzit.

Carl Vinhem Selơ (Karl Wilhelm Scheele) – một nhà hóa học Thụy Điển nổi tiếng, bạn của Bergman, đã tiếp tục nghiên cứu khoáng vật này. Đầu năm 1774, ông đã trình bày trước Viện hàn lâm khoa học Thụy Điển một bản báo cáo về piroluzit và các tính chất của nó, trong đó ông đã thông báo về việc ông phát hiện ra khí clo. Selơ đã khẳng định rằng, trong thành phần của piroluzit còn có một nguyên tố nữa, khác hẳn với các nguyên tố người ta đã biết thời bấy giờ. Nhưng ông cũng không thu được nguyên tố này.

Việc mà Bergman và Selơ không thể làm được thì Han đã hoàn thành. Tháng 5 năm 1774, Selơ đã gửi cho Han một ít piroluzit đã tinh lọc cùng với mấy dòng chữ như sau: “ Tôi nóng lòng mong đợi tin tức về việc piroluzit thuần khiết này sẽ dẫn đến kết quả gì sau khi anh cho nó vào “hỏa ngục” của mình, và tôi hy vọng rằng, anh sẽ gửi cho tôi một hạt kim loại nhỏ càng nhanh càng tốt”.

Han vốn nổi tiếng giữa các nhà hóa học với tư cách một nhà thực nghiệm điêu luyện, nhất là khi công việc liên quan đến các thí nghiệm về luyện kim. Trong chiếc nồi nung mà thành bên trong của nó được phủ một lớp bụi ướt, ông bỏ vào một hỗn hợp gồm piroluzit tán nhỏ và dầu, còn bên trên thì phủ bột than gỗ. Bây giờ đến lượt “hỏa ngục” ra tay. Sau khi nung rất nóng hỗn hợp này một giờ thì phát hiện được một hạt trong nồi nung. Chính hạt này đã làm cho Han nổi danh trên thế giới, còn gia đình các kim loại thì có thêm một thành viên mới – đó là mangan.

Tuy nhiên, nguyên tố này không được xếp vào hàng các kim loại ngay. Sở dĩ như vậy là vì hồi cuối thế kỷ XVIII vẫn còn văng vẳng dư âm những quan niệm cổ xưa của các nhà giả kim thuật, mà thực chất của chúng chung quy lại là một định đề rõ ràng và ngắn gọn: “Có bảy kim loại tạo nên thế giới, ứng với bảy hành tinh”. Hồi đó, số kim loại mà con người biết đến cũng bằng đúng bảy thiên thể “đang hoạt động” (mặt trời, mặt trăng, và năm hành tinh không kể trái đất). Hẳn là mọi việc sẽ rất tốt đẹp nếu như không có thêm kim loại nào nữa; còn nếu xuất hiện những hành tinh mới thì mọi việc sẽ tồi tệ hơn hẳn (mãi đến năm 1781 mới phát hiện ra hành tinh tiếp theo của hệ mặt trời). Để cho lý thuyết hoàn chỉnh ấy không bị méo mó do sự thiếu hụt các thiên thể, một loạt nguyên tố mới được khám phá có “rắp tâm” giành vai trò kim loại đã bị liệt vào hàng “nửa kim loại”.

Thuật ngữ này đã được lưu lại trong khoa học cả sau này nữa, khi mà người ta đã biết rõ rằng, thiên văn học và hóa học không bị ràng buộc với nhau bởi những mối dây bền chặt đến mức như các nhà giả kim thuật đã nghĩ. Trong một thời gian dài, nhiều nhà bác học đã dùng thuật ngữ “nửa kim loại” để gọi những chất có mật độ, màu sắc và vẻ bề ngoài tỏ ra giống kim loại, nhưng không có tính dẻo cao là thuộc tính vốn có ở vàng, bạc, đồng, sắt, chì, thiếc – những nguyên tố mà “thành danh” kim loại của chúng là điều không còn phải nghi ngờ gì nữa. Chẳng hạn, người ta đã liệt thủy ngân, antimon, bitmut, kẽm, coban vào hàng “nửa kim loại”. Một trong những nguyên tố cuối cùng không được liệt vào hàng kim loại là mangan. Thế là cuối tháng 6 năm 1774, tức là chẳng bao lâu sau khi khám phá ra nguyên tố này, Selơ đã gửi cho Han một bức thư, trong đó ông cảm ơn Han đã gửi cho hạt mangan và chia sẻ ý nghĩ của mình: “…tôi cho rằng cái viên mà anh thu được từ piroluzit là một thứ nửa kim loại khác hẳn với các nửa kim loại đã biết từ trước và có mối quan hệ gần gũi với sắt”. Nhưng dần dần, các nhà hóa học đã từ bỏ cái thuật ngữ khá mơ hồ ấy, và mangan xứng đáng được chiếm giữ một vị trí trong dãy các kim loại.

Ở nước Nga trong mấy chục năm đầu thế kỷ XIX, người ta đã bắt đầu thu được mangan dưới dạng hợp kim với sắt, tức là feromangan. Năm 1825, “Tạp chí mỏ” đã nói đến việc sử dụng mangan để luyện thép. Kể từ lúc đó, số phận của nguyên tố này gắn bó chặt chẽ với ngành luyện kim là ngành mà hiện nay tiêu thụ chủ yếu quặng mangan.

Trong tác phẩm nổi tiếng “Bàn về thép bulat” (thép bulat là loại thép cacbon có cấu trúc đặc biệt, có vân hoa trên bề mặt, có độ cứng và độ đàn hồi cao, dùng để làm bảo kiếm rất sắc. Ở Tây Âu, người ta gọi là thép Đamat (Damascus steel, hoặc acier đe Damas) vì nó được dùng ở Xyri rất sớm (N.D.)) xuất bản năm 1841, nhà luyện kim lỗi lạc người Nga là P.P. Anoxôp đã mô tả các loại thép có hàm lượng mangan khác nhau. Để đưa mangan vào thép, Anoxôp đã dùng feromangan mà ông thu được trong nồi nung. Từ năm 1876, các lò cao tại vùng hạ lưu sông Taghin đã bắt đầu nấu luyện feromangan theo phương thức công nghiệp.

Năm1882 đã trở thành một cái mốc trong lịch sử của mangan, khi mà nhà luyện kim người Anh tên là Rôbe Hatfin (Robert Hadfield) nấu luyện thép với hàm lượng mangan cao (gần 13%). Từ năm 1878 Hatfin đã bắt tay vào nghiên cứu các hợp kim của sắt với các nguyên tố khác, đặc biệt là với mangan. Sau đó bốn năm, nhà luyện kim trẻ tuổi của xứ Sepfin này đã ghi trong nhật ký của mình như sau: “ Tôi đã bắt đầu những thí nghiệm này vì quan tâm đến việc sản xuất một loại thép vừa cứng, đồng thời lại vừa dai. Các thí nghiệm đã dẫn đến một kết quả đáng chú ý, rất quan trọng và đủ sức làm thay đổi các quan điểm hiện hành của các nhà luyện kim đối với các hợp kim của sắt”.

Năm 1883, Hatfin đã được cấp bằng phát minh đầu tiên của nước Anh về thép mangan sản xuất bằng cách pha feromangan giàu mangan vào sắt. Trong những năm tiếp theo, Hatfin tiếp tục nghiên cứu những vấn đề liên quan với thép mangan. Năm 1883, các tác phẩm của ông “Bàn về mangan và việc sử dụng nó trong ngành luyện kim”, “Bàn về một số tính chất mới phát hiện được của sắt và mangan” và “bàn về thép mangan” đã ra đời. Các công trình nghiên cứu này đã cho biết rằng, nếu được tôi trong nước thì loại thép mangan này có thêm những tính chất mới, rất bổ ích. Hatfin còn nhận được hàng loạt bằng phát minh nữa liên quan với việc nhiệt luyện thép mangan, và đến năm 1901 thì ông được trao bằng phát minh về kết cấu của lò dùng để nung thép mangan trước khi tôi,

Thép của Hatfin đã nhanh chóng được các nhà luyện kim và các nhà chế tạo máy thừa nhận. Nhờ có tính chịu mòn cao nên người ta đã bắt đầu sử dụng nó để chế tạo các chi tiết bị mài mòn dưới áp lực riêng khá lớn trong quá trình vận hành, như ghi ghép ray, hàm máy nghiền, bi trong các máy nghiền bi, mắt xích v. v… Điều đáng ngạc nhiên hơn cả là dưới tác động của tải trọng, thép này càng ngày càng cứng thêm. Nguyên nhân của hiện tượng kỳ lạ này như sau. Sau khi đúc, lượng cacbua dư thừa trong thép mangan (lượng cacbua này làm giảm độ bền của thép) sẽ phân tán ở ranh giới các hạt. Vì vậy, thép phải được tôi để cho các phần tử cacbua ở ranh giới các hạt hòa tan trong kim loại. Khi các chi tiết máy làm việc, do sự biến cứng nguội (dưới tác động của tải trọng), cacbon tách ra ở lớp bề mặt – đó chính là lý do khiến độ cứng của thép tăng lên. Không lấy gì làm lạ khi các hãng chuyên sản xuất tủ sắt và khóa rất ưa chuộng thép của Hatfin.

Gang mangan cũng có tính chất tự tăng độ bền. Chẳng hạn, những máy xúc được lắp các ổ trục làm bằng thứ gang đó có thể làm việc liên tục không phải sửa chữa trong thời gian dài gấp đôi so với những máy xúc cũng như vậy nhưng được lắp các ổ trục bằng đồng đỏ.

Trong ngành luyện kim, mangan được sử dụng rộng rãi để khử oxi và khử lưu huỳnh cho thép. Với vai trò nguyên tố điều chất, nó có mặt trong thép làm lò xo, thép làm ống dẫn dầu mỏ và khí đốt, thép không nhiễm từ. Cũng chẳng cần phải liệt kê hết các loại thép chứa mangan, bởi vì nguyên tố do Han phát hiện ra, dù nhiều hoặc ít, hầu như có mặt trong tất cả các loại thép và gang. Không phải ngẫu nhiên mà người ta gọi chính nó là bạn đường muôn thủa của sắt. Mà đúng là trong hệ thống tuần hoàn các nguyên tố, chúng chiếm các ô kề nhau số 25 và số 26 (thậm chí, mangan cùng với sắt còn xông cả vào … răng cá mập, nhưng chuyện đó sẽ nói ở đoạn sau)

Năm 1917, sau khi các nhà bác học Nga X. F. Giemchugiơnưi và V. K. Petrasevich phát hiện ra rằng, chỉ một lượng nhỏ đồng (gần 3,5%) cũng đủ làm cho mangan có tính dẻo, các nhà luyện kim bắt đầu quan tâm đến các hợp kim mangan.

Trong kỹ thuật hiện đại, người ta đã sử dụng nhiều loại manganin – đó là hợp kim mangan, đồng và niken có điện trở cao mà trên thực tế coi như không phụ thuộc vào nhiệt độ. Nguyên lý làm việc của các áp kế điện dựa trên khả năng thay đổi điện trở của manganin tùy theo áp suất mà hợp kim phải chịu đựng. Trong trường hợp phải đo áp suất, chẳng hạn, đến vài chục ngàn atmôtfe, thì không thể sử dụng các áp kế thông thường được, bởi vì dưới áp suất lớn như vậy, chất lỏng hoặc chất khí sẽ nổ tung qua thành ống áp kế, dù ống bền đến mấy chăng nữa. Còn áp kế điện thì giải quyết nhiệm vụ này rất có kết quả: đo điện trở của manganin đang chịu áp suất cần xác định, có thể căn cứ vào mối tương quan đã biết để xác định áp suất với bất kỳ độ chính xác nào.

Các hợp kim manganin còn có một tính chất rất quý nữa là tính chống rung, tức là khả năng hấp thụ năng lượng dao động. Nếu một người gàn dở nào đó định đúc một cái chuông bằng manganin thì với cái chuông đó, chắc hẳn anh ta không thể triệu tập nổi một cuộc họp khóm phố: đáng lẽ phải là tiếng chuông cấp báo ngân vang thì chuông manganin chỉ phát ra những tiếng rè rè cụt ngủn.

Nhưng nếu sự im lặng là một nhược điểm rất rõ đối với cái chuông, thì đối với bánh xe tàu hỏa hoặc tàu điện, đối với những chỗ tiếp nối các đoạn ray và nhiều chi tiết khác phát ra tiếng kêu, đức tính biết “giữ mồm giữ miệng”, không phát ra tiếng kêu chẳng cần thiết cho ai, lại là một ưu điểm nổi bật. Trong các xưởng gia công kim loại bằng phương pháp rèn và dập, nhờ các hợp kim “câm” mà có thể giảm hẳn những tiếng ồn ào có hại trong sản xuất. Các hợp kim chứa 70 % mangan và 30% đồng là có khả năng kìm giữ tiếng ồn tốt nhất.

Một điều thú vị là đồng đỏ mangan, tức là hợp kim của đồng và mangan, có thể nhiễm từ mặc dầu các thành phần đều tách riêng ra thì đều không thể hiện các tính chất từ.

Trong những năm gần đây, các hợp kim có “trí nhớ” đã nổi tiếng rộng rãi (về hợp kim nitinon nổi tiếng nhất trong số này sẽ được kể trong mục “Con quỷ đồng” viết về niken). Số hợp kim như vậy mỗi năm một tăng. Chẳng hạn, các nhà hóa học đã nghiên cứu được một hợp kim trên nền mangan (có pha thêm đồng), mà về khả năng nhớ lại hình dạng trước kia của mình thì nó chẳng thua kém nitinon nổi tiếng. Hợp kim này chế tạo đơn giản, dễ gia công và nhất định sẽ tìm được nhiều lĩnh vực sử dụng rất thú vị.

Mangan có có mặt trong một hợp kim đặc biệt khác do các nhà khoa học Ba Lan chế tạo ra: tùy theo điện áp của dòng điện, nó có thể biểu hiện hoặc là tính chất từ, hoặc là tính chất bán dẫn. Hợp kim “hai mặt” như vây sẽ tìm được nhiều công việc đa dạng trong nhiều thiết bị và khí cụ điện tử.

Các hợp kim mangan đã có dịp đi vào vũ trụ: trong tiến trình cuộc thực nghiệm công nghệ học “Phản lực” được thực hiện năm 1976 trên trạm quỹ đạo “Chào mừng – 5”, que hàn bằng mangan – niken đã được các nhà du hành vũ trụ Borit Volưnôp và Vitali Giolobôp dùng để hàn nối các mẫu ống làm bằng thép không gỉ. Sau đó, các cuộc thử nghiệm trên trái đất đã chứng tỏ rằng, chất lượng của mối hàn thật tuyệt vời: chỗ tiếp nối đủ sức chịu đựng khoảng 500 atmotphe. Cuộc thí nghiệm này có ý nghĩa thực tiễn rất quan trọng, bởi vì phương pháp hàn các chi tiết dạng ống được coi là một trong những phương pháp có triển vọng để trong tương lai không xa tiến hành công tác lắp ráp trong khoảng không vũ trụ.

Các nhà chế tạo ô tô luôn muốn làm cho động cơ có công suất lớn nhưng lại tiêu hao ít nhiên liệu nhất. Để giải quyết hai nhiệm vụ này ngay cùng một lúc, cần phải nâng cao tỷ số nén trong xi lanh, nhưng làm như vậy thì hay xảy ra sự kích nổ làm cho động cơ chóng hỏng. Thế là phải kêu gọi sự giúp đỡ của các chất chống kích nổ – đó là những chất đặc biệt để pha thêm vào nguyên liệu: ở đây, đảm nhiệm xuất sắc vai trò này là các hợp chất của chì. Tuy vậy, tính độc của các hợp chất chì đã trở thành điều mà ai cũng biết. Dù muốn hay không muốn rồi cũng phải tìm chất khác thay thế chúng. Sau nhiều năm tìm tòi nghiên cứu, các nhà bác học đã tìm được những chất chống kích nổ mới – đó là các hợp chất hữu cơ cơ bản của mangan. Thì ra các chất vô hại có cái tên “đơn giản” này (chẳng hạn, tributilstannocyclopentadieniltricarbonil – mangan) không thua kém các bậc tiền bối họ nhà chì về khả năng chống kích nổ.

Suốt một thời gian dài, để điều chế nitơ siêu tinh khiết, người ta phải dùng các kim loại đắt tiền như platin và palađi làm chất xúc tác. Tại Viện Hóa học vô cơ và Điện hóa học thuộc Viện hàm lâm khoa học Gruzia, các nhà nghiên cứu đã đề xuất một phương pháp, trong đó, mangan đóng vai trò chất xúc tác rất công hiệu. Nhà máy sợi tổng hợp ở Rustavi (Gruzia) đã chế tạo được thiết bị điều chế nitơ hoàn toàn vô trùng từ không khí; thứ nitơ này rất cần thiết để sản xuất sợi capron.

Ngay từ thời thơ ấu, chúng ta đã làm quen với một hợp chất của mangan – đó là kali pecmanganat, hay gọi một cách đơn giản là “thuốc tím”: với tư cách là thuốc diệt trùng, nó được dùng để rửa vết thương, súc miệng, bôi vết bỏng. Trong các phòng thí nghiệm hóa học, hợp chất này được sử dụng rộng rãi trong phép phân tích định lượng – đó là phép định lượng bằng pecmanganat. Giống như nhiều nguyên tố khác, mangan hết sức cần thiết cho sự phát triển bình thường của cơ thể động vật và thực vật. Thông thường, hàm lượng mangan trong cơ thể động vật và thực vật không vượt quá vài chục phần triệu nhưng một số đại biểu của thực vật và động vật lại tỏ ra rất chuộng nguyên tố này. Chẳng hạn, trong cơ thể kiến lửa có đến 0,05 % mangan; các loại nấm gỉ (gây bệnh gỉ cây), rong lươn, củ ấu còn giàu mangan hơn nữa. Trong một số loài vi khuẩn, hàm lượng mangan lên đến vài phần trăm. Trong máu người có 0,002 – 0,003 % mangan. Nhu cầu về mangan của cơ thể chúng ta trong một ngày đêm chừng 3 – 8 miligam. Khi loại trừ mangan ra khỏi khẩu phần thức ăn của những con chuột thí nghiệm thì chúng mất khả năng sinh sản, nhưng chỉ cần bổ sung mangan clorua vào thức ăn thì chúng lại có khả năng sinh con đẻ cái.

Trên bờ các hòn đảo Nhật Bản có khá nhiều trại nuôi trai lấy ngọc nhân tạo. Như các nhà bác học đã khẳng định, màu của ngọc trai phụ thuộc vào thành phần hóa học của nước nơi trai sinh sống. Ngọc trai màu phớt hồng thường được ưa chuộng nhất. Để cho sản phẩm của các loài thân mền làm ra có màu sắc đúng như vậy, chỉ cần tăng thêm hàm lượng mangan trong nước. Nếu pha thêm các nguyên tố khác thì sẽ sản sinh được ngạc trai có đủ mọi màu sắc: xanh da trời, xanh lá cây, vàng da cam, màu tím hoa cà.

Vì đang nói đến thực vật và động vật nên phải nhớ đến các loài cá, mà cụ thể là con cá mập đã nhắc đến ở trên. Các nhà bác học đã nghiên cứu những chiếc răng của con cá biển hung dữ này vốn đã nằm dưới đáy đại dương vài ngàn năm. Chiếc răng vẫn nguyên vẹn nhưng bị bao bọc bởi các hợp chất của sắt và mangan. Các hợp chất ấy được lấy từ đâu?

Ngay từ thế kỷ trước, chính xác hơn là vào năm 1876, ròng rã suốt ba năm trời, chiếc thuyền buồm ba cột của nước Anh tên là “Challenger” đã rà khắp đáy biển và đại dương với những mục đích khoa học. Trong số những “chiến lợi phẩm” thu được, nó đã chở về nước Anh những vật thể hình quả thông đầy bí ẩn, có màu thẫm lấy được từ những nơi khác nhau trên đáy biển. Bởi vì mangan là thành phần chính của những “quả thông” này nên người ta gọi chúng là những “chồi mangan”, hay diễn đạt một cách khoa học là những kết hạch sắt – mangan. Các cuộc thám hiểm tiếp theo đã cho biết rằng, những khối tích tụ vẫn yên vị ở nhiều nơi dưới đáy đại dương. Tuy nhiên, cho đến giữa thế kỷ XX vẫn chưa ai tỏ ra đặc biệt quan tâm đến chúng. Và chỉ trong những năm gần đây, do sự thiếu hụt tương đối quặng mangan nên những của cải ngầm dưới nước đã thu hút được sự chú ý của các nhà bác học. Các vùng có nhiều kết hạch đã được khảo sát kỹ lưỡng – kết quả thật quá sức tưởng tượng. Theo dự tính ban đầu (có thể mạnh dạn nói thêm rằng, đó là những dự tính quá khiêm tốn), chỉ riêng ở Thái Bình Dương cũng đã tích tụ được hàng trăm tỷ tấn ( !) quặng sắt – mangan tuyệt vời. Mà đúng là quặng: hàm lượng mangan trong đó đạt đến 50 %, còn sắt – 27 %. (Tinh quặng của một số kết hạch chứa 98 % mangan đioxit và có thể sử dụng ngay mà không cần chế biến gì nữa, chẳng hạn, vào việc sản xuất pin).

Đại Tây Dương cũng chứa nhiều tài nguyên không kém. Cách đây chưa lâu lắm, đoàn thám hiểm gồm các nhà khoa học Xô – viết trên chiếc tàu “Hiệp sĩ” đã phát hiện được những kết hạch sắt – mangan ở đáy Ân Độ Dương. Kết quả tính toán cho thấy rằng, cả đại dương này cũng không nghèo hơn các “bạn hữu” của mình.

Theo giả định của các nhà hải dương học, các kết hạch xuất hiện do sự tập trung các chất khoáng có trong các dung dịch nước xung quanh một vật thể nào đó. Một số nhà bác học cho rằng, ở đây nếu không có sự tham gia của các vi khuẩn dưới biển – “các nhà tuyển khoáng tế vi”, thì mọi việc cũng không xong. Các nhà sinh học ở Lêningrat đã phát hiện ra loài vi khuẩn “sản sinh ra kim loại” mà trước đây chưa ai biết, có khả năng “khai thác” và tích tụ mangan từ nước biển. Trong những điều kiện của phòng thí nghiệm, “các nhà luyện kim dưới nước” đã bộc lộ năng lực làm việc tuyệt vời: sau 2 – 3 tuần làm việc, chúng đã tạo nên những kết hạch mangan có độ lớn bằng đầu que diêm. Nếu chú ý rằng, bản thân những “người lao động” này cũng rất khó nhìn thấy dưới kính hiển vi, thì chúng ta không thể thừa nhận năng suất như vậy là rất cao.

Các nhà khoa học của một trường đại học tổng hợp trên đảo Hawaii (Mỹ) chuyên nghiên cứu việc nuôi cá bột ở các vùng nước ven biển đã thu được những kết quả rất bất ngờ. Để bảo đảm chỗ ở cho cá bột, họ đã tạo nên những dải đá ngầm nhân tạo ở vùng gần bờ bằng cách ném một số ô tô cũ xuống biển. Các chuyên gia nghề cá đã vô cùng kinh ngạc khi họ tiến hành kiểm tra trại cá của mình sau nửa năm: thì ra tất cả các ô tô đều được bao bọc bởi những “tràng hoa” gồm những vụn quặng mangan có chọn lọc. Các nhà bác học đã không nuôi cấy mangan từ nước biển đó sao?

Nhưng hãy trở lại với những kết hạch của chúng ta. Hình dáng của chúng khiến ta nghĩ đến những củ khoai tây. Mầu sắc của chúng thay đổi từ nâu đến đen tùy thuộc vào hàm lượng sắt hoặc mangan có trong đó. Nếu hàm lượng của mangan lớn thì chúng có màu đen tuyền.

Thông thường, các kết hạch có kích thước từ dưới 1 milimet đến 10 – 15 xentimet. Nhưng đôi khi cũng gặp các kết hạch có kích thước rất lớn. Nhà bảo tàng của viện hải dương học Xcrip (ở Mỹ) còn giữ một kết hạch có khối lượng 57 kilogam tìm được ở vùng đảo ở Hawaii. Lớn hơn nữa là một kết hạch tình cờ vướng phải các vòng cáp điện thoại ngầm dưới biển khi người ta kéo lên để sửa chữa: nó cân nặng 146 kilogam. Tiếc thay, mẫu kết hạch có một không hai đó đã không trở thành vật trưng bày trong nhà bảo tàng, vì sau khi xem xét và phác họa lại, do sự ngộ nhận nên người ta đã ném nó xuống biển. Tuy vậy, kết hạch sắt – mangan dài đến một mét rưỡi do tàu “Hiệp sĩ” vớt được ở Thái Bình Dương đã phá vỡ tất cả mọi kỷ lục: tảng này nặng gần một tấn.

Những thí nghiệm nhằm đề ra quy trình công nghệ tách lấy sắt và mangan ra khỏi kết hạch đã mang lại những kết quả ban đầu. Một kỷ niệm chương độc đáo đã được trao cho hàng loạt các nhà bác học từng có cống hiến to lớn vào việc chinh phục đại dương: vật liệu làm kỷ niêm chương đó là kim loại tinh luyện được từ các kết hạch mà người ta lấy lên từ đáy đại dương ở độ sâu gần năm kilomet.

Nhiều nước đã thực sự quan tâm đến vấn đề khai thác các kho tàng đại dương. Hiện nay người ta đang chế tạo những tàu ngầm chuyên dụng, máy kéo lội nước, máy xúc đặt trên phao và các thiết bị khác để khai thác các kho báu từ đáy đại dương. Công nghiệp khai khoáng đại dương sẽ có những thế mạnh không thể chối cãi được đối với công nghiệp mỏ trên cạn, vì nó không đòi hỏi phải xây dựng đường xá và hệ thống đường ống như ở trên cạn. Tàu bè có thể đưa người và thiết bị tới bất cứ nơi nào trên đại dương và có thể vận chuyển khoáng sản khai thác được theo bất kỳ hành trình cần thiết nào. Chẳng hạn, các công trình sư Hà Lan đã đề xuất dự án thiết kế máy xúc tự động có bánh xích, hoạt động dưới nước, dùng để khai thác quặng mangan và các quặng khác ở đáy biển; “người thợ mỏ tự động” này có thể làm việc ở độ sâu 5 kilomet. Tất cả các cơ cấu của nó đều chạy bằng điện. Người ta dự định dùng máy quay truyền hình để vận hành loại máy này, nó cho phép người điều khiển cứ ngồi trên tàu chở quặng đại dương mà chỉ huy việc khai thác dưới “rốn biển”. Guồng xoắn của máy xúc sẽ bới quặng và đưa quặng vào gầu máy xúc.

Liên Xô cũng đang triển khai công tác nghiên cứu khoa học và thiết kế chế tạo đồng bộ nhằm khai thác tài nguyên dưới biển. Năm 1983, chiếc tàu kiểu mới mang tên “ Nhà địa chất biển” đã rời giá lắp ráp của nhà máy đóng tàu biển Đen ở thành phố Nicolaepxcơ. Tàu này là một phòng thí nghiệm lưu động trên mặt nước rất lớn, nó sẽ tiến hành việc tìm kiếm kết hạch sắt – mangan. Trên thực tế, tàu “ Nhà địa chất biển” sẽ có thể lấy mẫu đất đá dưới đáy biển ở bất cứ độ sâu nào.

Hàng năm, có hàng trăm đoàn thám hiểm đi ra các biển và đại dương bao trùm hơn 70 % bề mặt của trái đất. Không còn quá xa nữa, sẽ đến lúc bắt đầu công cuộc khai thác các nguồn dự trữ của đại dương theo quy mô công nghiệp, còn bây giờ thì các nhà địa chất và những người thợ mỏ vẫn bận rộn với việc khai thác lòng đất.

Về hàm lượng trong vỏ trái đất thì mangan không thua kém nhiều nguyên tố hóa học. Các nhà địa chất đã xác định rằng, hầu hết các mỏ mangan đều có tuổi xấp xỉ như nhau. Theo ý kiến của nhiều nhà bác học thì điều đó nói lên nguồn gốc vũ trụ trong các khối tích tụ mangan. Có một giả thuyết cho rằng, khoảng hai tỷ năm trước đây, một đám bụi thiên thạch giàu mangan đã rơi xuống bề mặt của trái đất; chính nó đã tạo thành các mỏ của nguyên tố này trên lục địa cũng như dưới đáy các biển và đại dương.

Quặng mangan có ở nhiều nước, những về trữ lượng mangan thì không có nước nào cạnh tranh nổi với Liên Xô. Mỏ mangan ở Chiatura (thuộc nước Cộng hòa Xã hội chủ nghĩa Xô – viết Gruzia) của Liên Xô là một trong những mỏ lớn nhất trên thế giới. Một thực tế đặc trưng là hàng năm, nước của con sông nhỏ Cvirila (một nhánh của sông Rioni) chảy ở vùng này mang ra biển Đen hơn một trăm ngàn tấn mangan.

Từ những năm 70 của thế kỷ XIX đã bắt đầu khai thác quặng ở Chiatura theo kiểu công nghiệp. Sau đó ít lâu, ở nước Nga, một mỏ lớn nữa ở vùng Nicopôn đã bắt đầu cung cấp mangan. Dù điều đó lạ lùng đi nữa nhưng nước nga thời Nga hoàng vẫn “không cần” kim loại này: chẳng hạn, hầu như toàn bộ quặng mangan khai thác được trong năm 1913 đều bán ra nước ngoài. Trong những năm vệ quốc vĩ đại, các mỏ mangan ở Uran, ở Kazăcxtan, Xibia đã được đưa vào khai thác. Hiện nay, Liên Xô đứng hàng đầu thế giới về sản lượng loại quặng quý báu này.

Các nhà máy hợp kim sắt là nơi tiêu thụ chủ yếu quặng mangan. Ở đây, nhờ các quá trình công nghệ khác nhau mà người ta sản xuất được các loại hợp kim của mangan (với sắt, với silic) hoặc mangan kim loại ở dạng thuần khiết. Con đường mangan đi vào xưởng luyện thép còn tiếp tục.

Nếu bạn đã đi tàu điện ngầm Maxcơva thì hẳn phải chú ý đến một trong những ga đẹp nhất của nó – ga Maiacôpxki. Các cột trụ của cung điện ngầm này được trang điểm những đường viền thanh tú bằng hồng thạch (rođonit) – một khoáng vật chứa mangan. Màu hồng dịu dàng (rođon theo tiếng Hy Lạp có nghĩa là hoa hồng) và tính dễ gia công đã làm cho loại đá này trở thành vật liệu trang trí và ốp tường tuyệt đẹp. Những sản phẩm bằng hồng thạch đang được cất giữ tại Bảo tàng Ermitagiơ, trong đại giáo đường Petropaplôpxcơ và nhiều nhà bảo tàng khác ở Liên Xô. Ở Uran có rất nhiều vỉa hồng thạch rất lớn, và người ta đã tìm thấy một tảng nặng 47 tấn. Không có một nơi nào khác trên trái đất có những khối hồng thạch lớn như ở Uran. Quả là hồng thạch của Uran có vẻ đẹp mà không loại đá nào sánh kịp.

Tuy thế, khoáng vật công nghiệp chủ yếu chứa mangan lại không phải là hồng thạch, mà là huyền thạch (piroluzit) – đó là mangan oxit. Từ thời xa xưa, con người đã biết đến thứ khoáng vật màu đen này.

Ngay từ thế kỷ I, Plini Bố – nhà viết sử kiêm nhà vạn vật học La Mã cổ đại (đã tử nạn trong trận phun trào của núi lửa Vezuvi năm 79 sau công nguyên) đã nói đến khả năng kỳ diệu của thứ bột đen (piroluzit nghiền nhỏ) làm cho thủy tinh trở nên trong suốt. Về sau, thời trung cổ, nhà bác học kiêm kỹ sư người Italia là Vannocho Biringucho (Vannuccio Biriguccio) (1480 – 1539) đã viết trong tác phẩm bách khoa của mình về ngành mỏ và luyện kim nhan đề “Hỏa thuật học”, xuất bản năm 1540: “… piroluzit có màu nâu thẫm;… nếu thêm vào nó những chất có dạng thủy tinh thì nó nhuộm các chất này thành màu tím rất đẹp. Những người nấu thủy tinh lão luyện đã dùng nó để nhuộm thủy tinh thành màu tím đẹp tuyệt trần: những người thợ gốm lành nghề cũng dùng nó để vẽ lên những đường vân hoa tím trên bát đĩa. Ngoài ra, piroluzit còn có một tính chất đặc biệt: khi nấu chảy với thủy tinh lỏng, nó làm cho thủy tinh trong sạch và biến từ màu lục hoặc màu vàng thành màu trắng”.

Mãi về sau, tên gọi “piroluzit” mới được đặt cho khoáng vật này, còn ở thời bấy giờ, vì nó có khả năng làm cho thủy tinh mất màu, nên người ta gọi nó là “xà phòng cho thủy tinh” hay “mangan” ( theo tiếng Hy Lạp “manganese” nghĩa là làm sạch). Nó còn có một tên khác nữa là “magezi đen”, bởi vì, từ thời cổ xưa, người ta khai thác piroluzit ở tiểu Á, gần thành phố Mangnesia; xin nói thêm rằng “magezi trắng” hoặc “magezi anba” tức là magie oxit, cũng được khai thác ở đó.

Lịch sử hóa học đã coi nhà hóa học Thụy Điển Iuhan Gotlip Han (Juhan Gotlib Gahn) là người phát hiện ra mangan với tư cách là một kim loại (năm 1774). Tuy nhiên, có cơ sở để cho rằng, Ignati Gotfrit Caim (Ignatius Gotfrid Kaim) – người đã từng mô tả mangan trong bản luận văn của mình xuất bản ở Viên vào năm 1770, là người đầu tiên nhận được những hạt mangan kim loại. Caim đã không tiến hành các cuộc khảo cứu đến cùng, vì thế mà đa số các nhà hóa học thời đó không biết đến các công trình này của ông. Mặc dầu vậy, trong một cuốn từ điển hóa học, phát minh của Caim đã được nhắc đến: “Khi đốt nóng những hỗn hợp gồm một phần piroluzit dạng bột và hai phần một chất trợ dung màu đen, Caim đã thu nhận được một thứ kim loại giòn có màu trắng xanh ở dạng tinh thể với vô số các mặt lấp lánh có hình dạng khác nhau, mà mặt gãy của nó thì óng ánh đủ mọi màu từ xanh đến vàng”.

Nhà bác học Thụy Điển Torbern Bergman đã làm những thí nghiệm tiếp theo để tìm hiểu về mangan. Ông viết: “ Khoáng vật mà người ta gọi là magezi đen là một thứ đất mới, không nên nhầm lẫn với vôi nung, cũng không nên lẫn lộn với magezi anba”. Nhưng ông cũng không tách được mangan ra khỏi piroluzit.

Carl Vinhem Selơ (Karl Wilhelm Scheele) – một nhà hóa học Thụy Điển nổi tiếng, bạn của Bergman, đã tiếp tục nghiên cứu khoáng vật này. Đầu năm 1774, ông đã trình bày trước Viện hàn lâm khoa học Thụy Điển một bản báo cáo về piroluzit và các tính chất của nó, trong đó ông đã thông báo về việc ông phát hiện ra khí clo. Selơ đã khẳng định rằng, trong thành phần của piroluzit còn có một nguyên tố nữa, khác hẳn với các nguyên tố người ta đã biết thời bấy giờ. Nhưng ông cũng không thu được nguyên tố này.

Việc mà Bergman và Selơ không thể làm được thì Han đã hoàn thành. Tháng 5 năm 1774, Selơ đã gửi cho Han một ít piroluzit đã tinh lọc cùng với mấy dòng chữ như sau: “ Tôi nóng lòng mong đợi tin tức về việc piroluzit thuần khiết này sẽ dẫn đến kết quả gì sau khi anh cho nó vào “hỏa ngục” của mình, và tôi hy vọng rằng, anh sẽ gửi cho tôi một hạt kim loại nhỏ càng nhanh càng tốt”.

Han vốn nổi tiếng giữa các nhà hóa học với tư cách một nhà thực nghiệm điêu luyện, nhất là khi công việc liên quan đến các thí nghiệm về luyện kim. Trong chiếc nồi nung mà thành bên trong của nó được phủ một lớp bụi ướt, ông bỏ vào một hỗn hợp gồm piroluzit tán nhỏ và dầu, còn bên trên thì phủ bột than gỗ. Bây giờ đến lượt “hỏa ngục” ra tay. Sau khi nung rất nóng hỗn hợp này một giờ thì phát hiện được một hạt trong nồi nung. Chính hạt này đã làm cho Han nổi danh trên thế giới, còn gia đình các kim loại thì có thêm một thành viên mới – đó là mangan.

Tuy nhiên, nguyên tố này không được xếp vào hàng các kim loại ngay. Sở dĩ như vậy là vì hồi cuối thế kỷ XVIII vẫn còn văng vẳng dư âm những quan niệm cổ xưa của các nhà giả kim thuật, mà thực chất của chúng chung quy lại là một định đề rõ ràng và ngắn gọn: “Có bảy kim loại tạo nên thế giới, ứng với bảy hành tinh”. Hồi đó, số kim loại mà con người biết đến cũng bằng đúng bảy thiên thể “đang hoạt động” (mặt trời, mặt trăng, và năm hành tinh không kể trái đất). Hẳn là mọi việc sẽ rất tốt đẹp nếu như không có thêm kim loại nào nữa; còn nếu xuất hiện những hành tinh mới thì mọi việc sẽ tồi tệ hơn hẳn (mãi đến năm 1781 mới phát hiện ra hành tinh tiếp theo của hệ mặt trời). Để cho lý thuyết hoàn chỉnh ấy không bị méo mó do sự thiếu hụt các thiên thể, một loạt nguyên tố mới được khám phá có “rắp tâm” giành vai trò kim loại đã bị liệt vào hàng “nửa kim loại”.

Thuật ngữ này đã được lưu lại trong khoa học cả sau này nữa, khi mà người ta đã biết rõ rằng, thiên văn học và hóa học không bị ràng buộc với nhau bởi những mối dây bền chặt đến mức như các nhà giả kim thuật đã nghĩ. Trong một thời gian dài, nhiều nhà bác học đã dùng thuật ngữ “nửa kim loại” để gọi những chất có mật độ, màu sắc và vẻ bề ngoài tỏ ra giống kim loại, nhưng không có tính dẻo cao là thuộc tính vốn có ở vàng, bạc, đồng, sắt, chì, thiếc – những nguyên tố mà “thành danh” kim loại của chúng là điều không còn phải nghi ngờ gì nữa. Chẳng hạn, người ta đã liệt thủy ngân, antimon, bitmut, kẽm, coban vào hàng “nửa kim loại”. Một trong những nguyên tố cuối cùng không được liệt vào hàng kim loại là mangan. Thế là cuối tháng 6 năm 1774, tức là chẳng bao lâu sau khi khám phá ra nguyên tố này, Selơ đã gửi cho Han một bức thư, trong đó ông cảm ơn Han đã gửi cho hạt mangan và chia sẻ ý nghĩ của mình: “…tôi cho rằng cái viên mà anh thu được từ piroluzit là một thứ nửa kim loại khác hẳn với các nửa kim loại đã biết từ trước và có mối quan hệ gần gũi với sắt”. Nhưng dần dần, các nhà hóa học đã từ bỏ cái thuật ngữ khá mơ hồ ấy, và mangan xứng đáng được chiếm giữ một vị trí trong dãy các kim loại.

Ở nước Nga trong mấy chục năm đầu thế kỷ XIX, người ta đã bắt đầu thu được mangan dưới dạng hợp kim với sắt, tức là feromangan. Năm 1825, “Tạp chí mỏ” đã nói đến việc sử dụng mangan để luyện thép. Kể từ lúc đó, số phận của nguyên tố này gắn bó chặt chẽ với ngành luyện kim là ngành mà hiện nay tiêu thụ chủ yếu quặng mangan.

Trong tác phẩm nổi tiếng “Bàn về thép bulat” (thép bulat là loại thép cacbon có cấu trúc đặc biệt, có vân hoa trên bề mặt, có độ cứng và độ đàn hồi cao, dùng để làm bảo kiếm rất sắc. Ở Tây Âu, người ta gọi là thép Đamat (Damascus steel, hoặc acier đe Damas) vì nó được dùng ở Xyri rất sớm (N.D.)) xuất bản năm 1841, nhà luyện kim lỗi lạc người Nga là P.P. Anoxôp đã mô tả các loại thép có hàm lượng mangan khác nhau. Để đưa mangan vào thép, Anoxôp đã dùng feromangan mà ông thu được trong nồi nung. Từ năm 1876, các lò cao tại vùng hạ lưu sông Taghin đã bắt đầu nấu luyện feromangan theo phương thức công nghiệp.

Năm1882 đã trở thành một cái mốc trong lịch sử của mangan, khi mà nhà luyện kim người Anh tên là Rôbe Hatfin (Robert Hadfield) nấu luyện thép với hàm lượng mangan cao (gần 13%). Từ năm 1878 Hatfin đã bắt tay vào nghiên cứu các hợp kim của sắt với các nguyên tố khác, đặc biệt là với mangan. Sau đó bốn năm, nhà luyện kim trẻ tuổi của xứ Sepfin này đã ghi trong nhật ký của mình như sau: “ Tôi đã bắt đầu những thí nghiệm này vì quan tâm đến việc sản xuất một loại thép vừa cứng, đồng thời lại vừa dai. Các thí nghiệm đã dẫn đến một kết quả đáng chú ý, rất quan trọng và đủ sức làm thay đổi các quan điểm hiện hành của các nhà luyện kim đối với các hợp kim của sắt”.

Năm 1883, Hatfin đã được cấp bằng phát minh đầu tiên của nước Anh về thép mangan sản xuất bằng cách pha feromangan giàu mangan vào sắt. Trong những năm tiếp theo, Hatfin tiếp tục nghiên cứu những vấn đề liên quan với thép mangan. Năm 1883, các tác phẩm của ông “Bàn về mangan và việc sử dụng nó trong ngành luyện kim”, “Bàn về một số tính chất mới phát hiện được của sắt và mangan” và “bàn về thép mangan” đã ra đời. Các công trình nghiên cứu này đã cho biết rằng, nếu được tôi trong nước thì loại thép mangan này có thêm những tính chất mới, rất bổ ích. Hatfin còn nhận được hàng loạt bằng phát minh nữa liên quan với việc nhiệt luyện thép mangan, và đến năm 1901 thì ông được trao bằng phát minh về kết cấu của lò dùng để nung thép mangan trước khi tôi,

Thép của Hatfin đã nhanh chóng được các nhà luyện kim và các nhà chế tạo máy thừa nhận. Nhờ có tính chịu mòn cao nên người ta đã bắt đầu sử dụng nó để chế tạo các chi tiết bị mài mòn dưới áp lực riêng khá lớn trong quá trình vận hành, như ghi ghép ray, hàm máy nghiền, bi trong các máy nghiền bi, mắt xích v. v… Điều đáng ngạc nhiên hơn cả là dưới tác động của tải trọng, thép này càng ngày càng cứng thêm. Nguyên nhân của hiện tượng kỳ lạ này như sau. Sau khi đúc, lượng cacbua dư thừa trong thép mangan (lượng cacbua này làm giảm độ bền của thép) sẽ phân tán ở ranh giới các hạt. Vì vậy, thép phải được tôi để cho các phần tử cacbua ở ranh giới các hạt hòa tan trong kim loại. Khi các chi tiết máy làm việc, do sự biến cứng nguội (dưới tác động của tải trọng), cacbon tách ra ở lớp bề mặt – đó chính là lý do khiến độ cứng của thép tăng lên. Không lấy gì làm lạ khi các hãng chuyên sản xuất tủ sắt và khóa rất ưa chuộng thép của Hatfin.

Gang mangan cũng có tính chất tự tăng độ bền. Chẳng hạn, những máy xúc được lắp các ổ trục làm bằng thứ gang đó có thể làm việc liên tục không phải sửa chữa trong thời gian dài gấp đôi so với những máy xúc cũng như vậy nhưng được lắp các ổ trục bằng đồng đỏ.

Trong ngành luyện kim, mangan được sử dụng rộng rãi để khử oxi và khử lưu huỳnh cho thép. Với vai trò nguyên tố điều chất, nó có mặt trong thép làm lò xo, thép làm ống dẫn dầu mỏ và khí đốt, thép không nhiễm từ. Cũng chẳng cần phải liệt kê hết các loại thép chứa mangan, bởi vì nguyên tố do Han phát hiện ra, dù nhiều hoặc ít, hầu như có mặt trong tất cả các loại thép và gang. Không phải ngẫu nhiên mà người ta gọi chính nó là bạn đường muôn thủa của sắt. Mà đúng là trong hệ thống tuần hoàn các nguyên tố, chúng chiếm các ô kề nhau số 25 và số 26 (thậm chí, mangan cùng với sắt còn xông cả vào … răng cá mập, nhưng chuyện đó sẽ nói ở đoạn sau)

Năm 1917, sau khi các nhà bác học Nga X. F. Giemchugiơnưi và V. K. Petrasevich phát hiện ra rằng, chỉ một lượng nhỏ đồng (gần 3,5%) cũng đủ làm cho mangan có tính dẻo, các nhà luyện kim bắt đầu quan tâm đến các hợp kim mangan.

Trong kỹ thuật hiện đại, người ta đã sử dụng nhiều loại manganin – đó là hợp kim mangan, đồng và niken có điện trở cao mà trên thực tế coi như không phụ thuộc vào nhiệt độ. Nguyên lý làm việc của các áp kế điện dựa trên khả năng thay đổi điện trở của manganin tùy theo áp suất mà hợp kim phải chịu đựng. Trong trường hợp phải đo áp suất, chẳng hạn, đến vài chục ngàn atmôtfe, thì không thể sử dụng các áp kế thông thường được, bởi vì dưới áp suất lớn như vậy, chất lỏng hoặc chất khí sẽ nổ tung qua thành ống áp kế, dù ống bền đến mấy chăng nữa. Còn áp kế điện thì giải quyết nhiệm vụ này rất có kết quả: đo điện trở của manganin đang chịu áp suất cần xác định, có thể căn cứ vào mối tương quan đã biết để xác định áp suất với bất kỳ độ chính xác nào.

Các hợp kim manganin còn có một tính chất rất quý nữa là tính chống rung, tức là khả năng hấp thụ năng lượng dao động. Nếu một người gàn dở nào đó định đúc một cái chuông bằng manganin thì với cái chuông đó, chắc hẳn anh ta không thể triệu tập nổi một cuộc họp khóm phố: đáng lẽ phải là tiếng chuông cấp báo ngân vang thì chuông manganin chỉ phát ra những tiếng rè rè cụt ngủn.

Nhưng nếu sự im lặng là một nhược điểm rất rõ đối với cái chuông, thì đối với bánh xe tàu hỏa hoặc tàu điện, đối với những chỗ tiếp nối các đoạn ray và nhiều chi tiết khác phát ra tiếng kêu, đức tính biết “giữ mồm giữ miệng”, không phát ra tiếng kêu chẳng cần thiết cho ai, lại là một ưu điểm nổi bật. Trong các xưởng gia công kim loại bằng phương pháp rèn và dập, nhờ các hợp kim “câm” mà có thể giảm hẳn những tiếng ồn ào có hại trong sản xuất. Các hợp kim chứa 70 % mangan và 30% đồng là có khả năng kìm giữ tiếng ồn tốt nhất.

Một điều thú vị là đồng đỏ mangan, tức là hợp kim của đồng và mangan, có thể nhiễm từ mặc dầu các thành phần đều tách riêng ra thì đều không thể hiện các tính chất từ.

Trong những năm gần đây, các hợp kim có “trí nhớ” đã nổi tiếng rộng rãi (về hợp kim nitinon nổi tiếng nhất trong số này sẽ được kể trong mục “Con quỷ đồng” viết về niken). Số hợp kim như vậy mỗi năm một tăng. Chẳng hạn, các nhà hóa học đã nghiên cứu được một hợp kim trên nền mangan (có pha thêm đồng), mà về khả năng nhớ lại hình dạng trước kia của mình thì nó chẳng thua kém nitinon nổi tiếng. Hợp kim này chế tạo đơn giản, dễ gia công và nhất định sẽ tìm được nhiều lĩnh vực sử dụng rất thú vị.

Mangan có có mặt trong một hợp kim đặc biệt khác do các nhà khoa học Ba Lan chế tạo ra: tùy theo điện áp của dòng điện, nó có thể biểu hiện hoặc là tính chất từ, hoặc là tính chất bán dẫn. Hợp kim “hai mặt” như vây sẽ tìm được nhiều công việc đa dạng trong nhiều thiết bị và khí cụ điện tử.

Các hợp kim mangan đã có dịp đi vào vũ trụ: trong tiến trình cuộc thực nghiệm công nghệ học “Phản lực” được thực hiện năm 1976 trên trạm quỹ đạo “Chào mừng – 5”, que hàn bằng mangan – niken đã được các nhà du hành vũ trụ Borit Volưnôp và Vitali Giolobôp dùng để hàn nối các mẫu ống làm bằng thép không gỉ. Sau đó, các cuộc thử nghiệm trên trái đất đã chứng tỏ rằng, chất lượng của mối hàn thật tuyệt vời: chỗ tiếp nối đủ sức chịu đựng khoảng 500 atmotphe. Cuộc thí nghiệm này có ý nghĩa thực tiễn rất quan trọng, bởi vì phương pháp hàn các chi tiết dạng ống được coi là một trong những phương pháp có triển vọng để trong tương lai không xa tiến hành công tác lắp ráp trong khoảng không vũ trụ.

Các nhà chế tạo ô tô luôn muốn làm cho động cơ có công suất lớn nhưng lại tiêu hao ít nhiên liệu nhất. Để giải quyết hai nhiệm vụ này ngay cùng một lúc, cần phải nâng cao tỷ số nén trong xi lanh, nhưng làm như vậy thì hay xảy ra sự kích nổ làm cho động cơ chóng hỏng. Thế là phải kêu gọi sự giúp đỡ của các chất chống kích nổ – đó là những chất đặc biệt để pha thêm vào nguyên liệu: ở đây, đảm nhiệm xuất sắc vai trò này là các hợp chất của chì. Tuy vậy, tính độc của các hợp chất chì đã trở thành điều mà ai cũng biết. Dù muốn hay không muốn rồi cũng phải tìm chất khác thay thế chúng. Sau nhiều năm tìm tòi nghiên cứu, các nhà bác học đã tìm được những chất chống kích nổ mới – đó là các hợp chất hữu cơ cơ bản của mangan. Thì ra các chất vô hại có cái tên “đơn giản” này (chẳng hạn, tributilstannocyclopentadieniltricarbonil – mangan) không thua kém các bậc tiền bối họ nhà chì về khả năng chống kích nổ.

Suốt một thời gian dài, để điều chế nitơ siêu tinh khiết, người ta phải dùng các kim loại đắt tiền như platin và palađi làm chất xúc tác. Tại Viện Hóa học vô cơ và Điện hóa học thuộc Viện hàm lâm khoa học Gruzia, các nhà nghiên cứu đã đề xuất một phương pháp, trong đó, mangan đóng vai trò chất xúc tác rất công hiệu. Nhà máy sợi tổng hợp ở Rustavi (Gruzia) đã chế tạo được thiết bị điều chế nitơ hoàn toàn vô trùng từ không khí; thứ nitơ này rất cần thiết để sản xuất sợi capron.

Ngay từ thời thơ ấu, chúng ta đã làm quen với một hợp chất của mangan – đó là kali pecmanganat, hay gọi một cách đơn giản là “thuốc tím”: với tư cách là thuốc diệt trùng, nó được dùng để rửa vết thương, súc miệng, bôi vết bỏng. Trong các phòng thí nghiệm hóa học, hợp chất này được sử dụng rộng rãi trong phép phân tích định lượng – đó là phép định lượng bằng pecmanganat. Giống như nhiều nguyên tố khác, mangan hết sức cần thiết cho sự phát triển bình thường của cơ thể động vật và thực vật. Thông thường, hàm lượng mangan trong cơ thể động vật và thực vật không vượt quá vài chục phần triệu nhưng một số đại biểu của thực vật và động vật lại tỏ ra rất chuộng nguyên tố này. Chẳng hạn, trong cơ thể kiến lửa có đến 0,05 % mangan; các loại nấm gỉ (gây bệnh gỉ cây), rong lươn, củ ấu còn giàu mangan hơn nữa. Trong một số loài vi khuẩn, hàm lượng mangan lên đến vài phần trăm. Trong máu người có 0,002 – 0,003 % mangan. Nhu cầu về mangan của cơ thể chúng ta trong một ngày đêm chừng 3 – 8 miligam. Khi loại trừ mangan ra khỏi khẩu phần thức ăn của những con chuột thí nghiệm thì chúng mất khả năng sinh sản, nhưng chỉ cần bổ sung mangan clorua vào thức ăn thì chúng lại có khả năng sinh con đẻ cái.

Trên bờ các hòn đảo Nhật Bản có khá nhiều trại nuôi trai lấy ngọc nhân tạo. Như các nhà bác học đã khẳng định, màu của ngọc trai phụ thuộc vào thành phần hóa học của nước nơi trai sinh sống. Ngọc trai màu phớt hồng thường được ưa chuộng nhất. Để cho sản phẩm của các loài thân mền làm ra có màu sắc đúng như vậy, chỉ cần tăng thêm hàm lượng mangan trong nước. Nếu pha thêm các nguyên tố khác thì sẽ sản sinh được ngạc trai có đủ mọi màu sắc: xanh da trời, xanh lá cây, vàng da cam, màu tím hoa cà.

Vì đang nói đến thực vật và động vật nên phải nhớ đến các loài cá, mà cụ thể là con cá mập đã nhắc đến ở trên. Các nhà bác học đã nghiên cứu những chiếc răng của con cá biển hung dữ này vốn đã nằm dưới đáy đại dương vài ngàn năm. Chiếc răng vẫn nguyên vẹn nhưng bị bao bọc bởi các hợp chất của sắt và mangan. Các hợp chất ấy được lấy từ đâu?

Ngay từ thế kỷ trước, chính xác hơn là vào năm 1876, ròng rã suốt ba năm trời, chiếc thuyền buồm ba cột của nước Anh tên là “Challenger” đã rà khắp đáy biển và đại dương với những mục đích khoa học. Trong số những “chiến lợi phẩm” thu được, nó đã chở về nước Anh những vật thể hình quả thông đầy bí ẩn, có màu thẫm lấy được từ những nơi khác nhau trên đáy biển. Bởi vì mangan là thành phần chính của những “quả thông” này nên người ta gọi chúng là những “chồi mangan”, hay diễn đạt một cách khoa học là những kết hạch sắt – mangan. Các cuộc thám hiểm tiếp theo đã cho biết rằng, những khối tích tụ vẫn yên vị ở nhiều nơi dưới đáy đại dương. Tuy nhiên, cho đến giữa thế kỷ XX vẫn chưa ai tỏ ra đặc biệt quan tâm đến chúng. Và chỉ trong những năm gần đây, do sự thiếu hụt tương đối quặng mangan nên những của cải ngầm dưới nước đã thu hút được sự chú ý của các nhà bác học. Các vùng có nhiều kết hạch đã được khảo sát kỹ lưỡng – kết quả thật quá sức tưởng tượng. Theo dự tính ban đầu (có thể mạnh dạn nói thêm rằng, đó là những dự tính quá khiêm tốn), chỉ riêng ở Thái Bình Dương cũng đã tích tụ được hàng trăm tỷ tấn ( !) quặng sắt – mangan tuyệt vời. Mà đúng là quặng: hàm lượng mangan trong đó đạt đến 50 %, còn sắt – 27 %. (Tinh quặng của một số kết hạch chứa 98 % mangan đioxit và có thể sử dụng ngay mà không cần chế biến gì nữa, chẳng hạn, vào việc sản xuất pin).

Đại Tây Dương cũng chứa nhiều tài nguyên không kém. Cách đây chưa lâu lắm, đoàn thám hiểm gồm các nhà khoa học Xô – viết trên chiếc tàu “Hiệp sĩ” đã phát hiện được những kết hạch sắt – mangan ở đáy Ân Độ Dương. Kết quả tính toán cho thấy rằng, cả đại dương này cũng không nghèo hơn các “bạn hữu” của mình.

Theo giả định của các nhà hải dương học, các kết hạch xuất hiện do sự tập trung các chất khoáng có trong các dung dịch nước xung quanh một vật thể nào đó. Một số nhà bác học cho rằng, ở đây nếu không có sự tham gia của các vi khuẩn dưới biển – “các nhà tuyển khoáng tế vi”, thì mọi việc cũng không xong. Các nhà sinh học ở Lêningrat đã phát hiện ra loài vi khuẩn “sản sinh ra kim loại” mà trước đây chưa ai biết, có khả năng “khai thác” và tích tụ mangan từ nước biển. Trong những điều kiện của phòng thí nghiệm, “các nhà luyện kim dưới nước” đã bộc lộ năng lực làm việc tuyệt vời: sau 2 – 3 tuần làm việc, chúng đã tạo nên những kết hạch mangan có độ lớn bằng đầu que diêm. Nếu chú ý rằng, bản thân những “người lao động” này cũng rất khó nhìn thấy dưới kính hiển vi, thì chúng ta không thể thừa nhận năng suất như vậy là rất cao.

Các nhà khoa học của một trường đại học tổng hợp trên đảo Hawaii (Mỹ) chuyên nghiên cứu việc nuôi cá bột ở các vùng nước ven biển đã thu được những kết quả rất bất ngờ. Để bảo đảm chỗ ở cho cá bột, họ đã tạo nên những dải đá ngầm nhân tạo ở vùng gần bờ bằng cách ném một số ô tô cũ xuống biển. Các chuyên gia nghề cá đã vô cùng kinh ngạc khi họ tiến hành kiểm tra trại cá của mình sau nửa năm: thì ra tất cả các ô tô đều được bao bọc bởi những “tràng hoa” gồm những vụn quặng mangan có chọn lọc. Các nhà bác học đã không nuôi cấy mangan từ nước biển đó sao?

Nhưng hãy trở lại với những kết hạch của chúng ta. Hình dáng của chúng khiến ta nghĩ đến những củ khoai tây. Mầu sắc của chúng thay đổi từ nâu đến đen tùy thuộc vào hàm lượng sắt hoặc mangan có trong đó. Nếu hàm lượng của mangan lớn thì chúng có màu đen tuyền.

Thông thường, các kết hạch có kích thước từ dưới 1 milimet đến 10 – 15 xentimet. Nhưng đôi khi cũng gặp các kết hạch có kích thước rất lớn. Nhà bảo tàng của viện hải dương học Xcrip (ở Mỹ) còn giữ một kết hạch có khối lượng 57 kilogam tìm được ở vùng đảo ở Hawaii. Lớn hơn nữa là một kết hạch tình cờ vướng phải các vòng cáp điện thoại ngầm dưới biển khi người ta kéo lên để sửa chữa: nó cân nặng 146 kilogam. Tiếc thay, mẫu kết hạch có một không hai đó đã không trở thành vật trưng bày trong nhà bảo tàng, vì sau khi xem xét và phác họa lại, do sự ngộ nhận nên người ta đã ném nó xuống biển. Tuy vậy, kết hạch sắt – mangan dài đến một mét rưỡi do tàu “Hiệp sĩ” vớt được ở Thái Bình Dương đã phá vỡ tất cả mọi kỷ lục: tảng này nặng gần một tấn.

Những thí nghiệm nhằm đề ra quy trình công nghệ tách lấy sắt và mangan ra khỏi kết hạch đã mang lại những kết quả ban đầu. Một kỷ niệm chương độc đáo đã được trao cho hàng loạt các nhà bác học từng có cống hiến to lớn vào việc chinh phục đại dương: vật liệu làm kỷ niêm chương đó là kim loại tinh luyện được từ các kết hạch mà người ta lấy lên từ đáy đại dương ở độ sâu gần năm kilomet.

Nhiều nước đã thực sự quan tâm đến vấn đề khai thác các kho tàng đại dương. Hiện nay người ta đang chế tạo những tàu ngầm chuyên dụng, máy kéo lội nước, máy xúc đặt trên phao và các thiết bị khác để khai thác các kho báu từ đáy đại dương. Công nghiệp khai khoáng đại dương sẽ có những thế mạnh không thể chối cãi được đối với công nghiệp mỏ trên cạn, vì nó không đòi hỏi phải xây dựng đường xá và hệ thống đường ống như ở trên cạn. Tàu bè có thể đưa người và thiết bị tới bất cứ nơi nào trên đại dương và có thể vận chuyển khoáng sản khai thác được theo bất kỳ hành trình cần thiết nào. Chẳng hạn, các công trình sư Hà Lan đã đề xuất dự án thiết kế máy xúc tự động có bánh xích, hoạt động dưới nước, dùng để khai thác quặng mangan và các quặng khác ở đáy biển; “người thợ mỏ tự động” này có thể làm việc ở độ sâu 5 kilomet. Tất cả các cơ cấu của nó đều chạy bằng điện. Người ta dự định dùng máy quay truyền hình để vận hành loại máy này, nó cho phép người điều khiển cứ ngồi trên tàu chở quặng đại dương mà chỉ huy việc khai thác dưới “rốn biển”. Guồng xoắn của máy xúc sẽ bới quặng và đưa quặng vào gầu máy xúc.

Liên Xô cũng đang triển khai công tác nghiên cứu khoa học và thiết kế chế tạo đồng bộ nhằm khai thác tài nguyên dưới biển. Năm 1983, chiếc tàu kiểu mới mang tên “ Nhà địa chất biển” đã rời giá lắp ráp của nhà máy đóng tàu biển Đen ở thành phố Nicolaepxcơ. Tàu này là một phòng thí nghiệm lưu động trên mặt nước rất lớn, nó sẽ tiến hành việc tìm kiếm kết hạch sắt – mangan. Trên thực tế, tàu “ Nhà địa chất biển” sẽ có thể lấy mẫu đất đá dưới đáy biển ở bất cứ độ sâu nào.

Hàng năm, có hàng trăm đoàn thám hiểm đi ra các biển và đại dương bao trùm hơn 70 % bề mặt của trái đất. Không còn quá xa nữa, sẽ đến lúc bắt đầu công cuộc khai thác các nguồn dự trữ của đại dương theo quy mô công nghiệp, còn bây giờ thì các nhà địa chất và những người thợ mỏ vẫn bận rộn với việc khai thác lòng đất.

Về hàm lượng trong vỏ trái đất thì mangan không thua kém nhiều nguyên tố hóa học. Các nhà địa chất đã xác định rằng, hầu hết các mỏ mangan đều có tuổi xấp xỉ như nhau. Theo ý kiến của nhiều nhà bác học thì điều đó nói lên nguồn gốc vũ trụ trong các khối tích tụ mangan. Có một giả thuyết cho rằng, khoảng hai tỷ năm trước đây, một đám bụi thiên thạch giàu mangan đã rơi xuống bề mặt của trái đất; chính nó đã tạo thành các mỏ của nguyên tố này trên lục địa cũng như dưới đáy các biển và đại dương.

Quặng mangan có ở nhiều nước, những về trữ lượng mangan thì không có nước nào cạnh tranh nổi với Liên Xô. Mỏ mangan ở Chiatura (thuộc nước Cộng hòa Xã hội chủ nghĩa Xô – viết Gruzia) của Liên Xô là một trong những mỏ lớn nhất trên thế giới. Một thực tế đặc trưng là hàng năm, nước của con sông nhỏ Cvirila (một nhánh của sông Rioni) chảy ở vùng này mang ra biển Đen hơn một trăm ngàn tấn mangan.

Từ những năm 70 của thế kỷ XIX đã bắt đầu khai thác quặng ở Chiatura theo kiểu công nghiệp. Sau đó ít lâu, ở nước Nga, một mỏ lớn nữa ở vùng Nicopôn đã bắt đầu cung cấp mangan. Dù điều đó lạ lùng đi nữa nhưng nước nga thời Nga hoàng vẫn “không cần” kim loại này: chẳng hạn, hầu như toàn bộ quặng mangan khai thác được trong năm 1913 đều bán ra nước ngoài. Trong những năm vệ quốc vĩ đại, các mỏ mangan ở Uran, ở Kazăcxtan, Xibia đã được đưa vào khai thác. Hiện nay, Liên Xô đứng hàng đầu thế giới về sản lượng loại quặng quý báu này.

Các nhà máy hợp kim sắt là nơi tiêu thụ chủ yếu quặng mangan. Ở đây, nhờ các quá trình công nghệ khác nhau mà người ta sản xuất được các loại hợp kim của mangan (với sắt, với silic) hoặc mangan kim loại ở dạng thuần khiết. Con đường mangan đi vào xưởng luyện thép còn tiếp tục.

Đọc truyện hay đừng quên like và chia sẻ truyện tới bạn bè, để lại bình luận là cách để ủng hộ webtruyenfree. Thỉnh thoảng ấn vào q uảng c áo ngày 1-2 lần để tụi mình có kinh phí duy trì web các bạn nhé!