Олово - "твердый", но... мягкий (история, свойства и применение металла)
Гибель экспедиции
В 1910 году английский полярный исследователь капитан Роберт Скотт снарядил экспедицию, целью которой было добраться до Южного полюса, где в то время еще не ступала нога человека. Много трудных месяцев продвигались отважные путешественники по снежным пустыням антарктического материка, оставляя на своем пути небольшие склады с продуктами и керосином ― запасы на обратную дорогу.
В начале 1912 года экспедиция, наконец, достигла Южного полюса, но к своему великому разочарованию Скотт обнаружил там записку: выяснилось, что на месяц раньше здесь побывал норвежский путешественник Руаль Амундсен. Но главная беда поджидала Скотта на обратном пути. На первом же складе не оказалось керосина: жестянки, в которых он хранился, стояли пустые. Уставшие, продрогшие и голодные люди не могли согреться, им не на чем было приготовить пищу. С трудом добрались они до следующего склада, но и там их встретили пустые банки: весь керосин вытек. Будучи не в силах сопротивляться полярной стуже и страшным буранам, разразившимся в это время в Антарктиде, Роберт Скотт и его друзья вскоре погибли.
"Оловянная чума"
В чем же крылась причина таинственного исчезновения керосина? Почему тщательно продуманная экспедиция окончилась так трагически? Какую ошибку допустил капитан Скотт?
Причина оказалась простой. Жестяные банки с керосином были запаяны оловом. Должно быть, путешественники не знали, что на морозе олово «заболевает»: блестящий белый металл сначала превращается в тускло-серый, а затем рассыпается в порошок. Это явление, называемое «оловянной чумой», и сыграло роковую роль в судьбе экспедиции.
А ведь подверженность олова «заболеванию» на холоде была известна задолго до описанных событий. Еще в средние века обладатели оловянной посуды замечали, что ча морозе она покрывается «язвами», которые постепенно разрастаются, и в конце концов посуда превращается в порошок. Причем стоило «простудившейся» оловянной тарелке прикоснуться к «здоровой», как та вскоре тоже начинала покрываться серыми пятнами и рассыпалась.
Шутки русской зимы. Пропажа пуговиц
В конце прошлого века из Голландии в Россию был отправлен железнодорожный состав, груженный брусками олова. Когда в Москве вагоны открыли, в них обнаружили серый ни на что не пригодный порошок ― русская зима сыграла с получателями олова злую шутку.
Приблизительно в эти же годы в Сибирь направилась хорошо снаряженная экспедиция. Казалось, все было предусмотрено, чтобы сибирские морозы не помешали ее успешной работе. Но одну оплошность путешественники все же допустили: они взяли с собой оловянную посуду, которая вскоре вышла из строя. Пришлось вырезать ложки и миски из дерева. Лишь тогда экспедиция смогла продолжить свой путь.
В самом начале XX века в Петербурге на складе военного оборудования произошла скандальная история: во время ревизии к ужасу интенданта выяснилось, что оловянные пуговицы для солдатских мундиров тсчезли, а ящики, в которых они хранились, доверху заполнены серым порошком. И хотя на складе был лютый холод, горе-интенданту стало жарко. Еще бы: его, конечно, заподозрят в краже, а это ничего, кроме каторжных работ, не сулит. Спасло бедолагу заключение химической лаборатории, куда ревизоры направили содержимое ящиков: «Присланное вами для анализа вещество, несомненно, олово. Очевидно, в данном случае имело место явление, известное в химии под названием „оловянная чума"».
Во всем виноваты ведьмы
Какие же процессы лежат в основе этих превращений олова? В средние века невежественные церковники считали что «оловянная чума» вызывается наговорами ведьмы, и поэтому многие ни в чем не повинные женщины были сожжены на «очистительных» кострах. С развитием науки нелепость таких утверждений становилась очевидной, но найти истинную причину «оловянной чумы» ученые еще долго не могли.
Атомы располагаются посвободней
Лишь после того, как на помощь металловедам пришел рентгеновский анализ, позволивший заглянуть внутрь металлов и определить их кристаллическое строение, удалось полностью реабилитировать «ведьм» и дать подлинно научное объяснение этому загадочному явлению. Оказалось, что олово (как, впрочем, и другие металлы) может иметь различнее кристаллические формы. При комнатной и более высокой температуре самой устойчивой модификацией (разновидностью) является белое олово ― вязкий, пластичный металл. При температуре ниже 13°С кристаллическая решетка олова перестраивается так, чтобы атомы расположились в пространстве менее плотно. Образующаяся при этом новая модификация ― серое олово ― уже теряет свойства металла и становится полупроводником. Внутренние напряжения, которые возникают в местах контакта разных кристаллических решеток, приводят к тому, что материал трескается и рассыпается в порошок. Одна модификация переходит в другую тем скорее, чем ниже окружающая температура. При - 33°С скорость этого превращения достигает максимума. Вот почему сильные морозы так быстро и безжалостно расправляются с оловянными изделиями.
"Вакцина" против "чумы"
Но ведь олово широко применяют для пайки радиоэлектронной (особенно полупроводниковой) аппаратуры, для полуды проводов и различных деталей, вместе с которыми оно попадает и в Арктику, и в Антарктиду, и в другие холодные места нашей планеты. Значит, все эти приборы, в которых использовано олово, быстро выходят из строя? Разумеется, нет. Ученые научились делать олову «прививки», обеспечивающие металлу иммунитет против «оловянной чумы». Подходящей для этой цели «вакциной» служит, например, висмут. Атомы висмута, поставляя дополнительные электроны в решетку олова, стабилизируют его состояние, что полностью исключает возможность «заболевания».
"Оловянный крик"
Чистое олово обладает очень любопытным свойством: при изгибе прутков или пластинок этого металла слышен легкий треск ― «оловянный крик». Этот характерный звук возникает вследствие взаимного трения кристаллов олова при их смещении и деформации. Сплавы же олова с другими металлами в подобных ситуациях, как говорится, «держат язык за зубами».
Конкурентов нет
Почти половина всего добываемого в мире олова расходуется сегодня на производство белой жести, используемой главным образом для изготовления консервных банок. Здесь в полной мере проявляются ценные качества металла: его химическая устойчивость по отношению к кислороду, воде, органическим кислотам и, вместе с тем, полная безвредность его солей для человеческого организма. Олово прекрасно справляется с этой своей ролью и практически не знает конкурентов. Не случайно его называют «металлом консервной банки». Благодаря тончайшему слою олова, покрывающему жесть, люди имеют возможность подолгу хранить миллионы тонн мяса, рыбы, фруктов, овощей, молочных продуктов. Прежде для нанесения оловянного покрытия применяли горячий способ, при котором очищенный и обезжиренный лист железа погружали в расплавленное олово. Если же надо было полудить еще одну сторону листа, ее очищали, нагревали и натирали оловом. Сейчас этот способ уже сдан в архив, а на смену ему пришло лужение в гальванических ваннах.
Рано или поздно каждая консервная банка попадает на мусорную свалку, но олову (а в одной банке его примерно полграмма) не грозит быть здесь навеки погребенным: человек заботится о том, чтобы извлечь ценный металл и вновь использовать для своих нужд. Отделить олово от жести несложно: ведь олово легко растворяется в щелочах, а из щелочного раствора его извлекают при помощи электрического тока. Для этой цели пользуются и другим свойством олова: оно «охотно» вступает во взаимодействие с хлором. Если над старой банкой пропустить струю сухого хлора, образуется летучее хлорное олово, извлечь из которого олово уже не представляет труда.
Судьба оловянного солдатика
Олово ― сравнительно легкоплавкий металл. Помните, как в сказке Ганса Христиана Андерсена мгновенно растаял в огне стойкий оловянный солдатик, когда злой мальчик бросил его в печку? Легкоплавкость олова обусловила широкое применение этого металла в качестве основного компонента припоев.
Интересно отметить, что сплав олова (16%) с висмутом (52%) и свинцом (32%) может расплавиться даже в кипятке: температура плавления этого сплава всего 95°С, в то время как его составляющие плавятся при значительно более высокой температуре: олово ― при 232°С, висмут ― при 271°С, а свинец ― при 327°С. Еще более охотно переходят в жидкое состояние сплавы, в которых олово служит добавкой к галлию и индию: известен, например, сплав, плавящийся уже при 10,6°С. Сплавы такого типа применяют в электротехнике как предохранители.
Олово входит также в состав различных бронз, типографских сплавов, баббитов (подшипниковых сплавов, обладающих способностью хорошо сопротивляться истиранию).
Широко используют в технике и химические соединения олова. Хлористое и хлорное олово, например, служит протравой при крашении хлопка и шелка. Натуральный шелк очень легок и плохо прокрашивается; при обработке же его растворами соединений олова на поверхности шелковых волокон откладывается гидрат двуокиси олова (в количестве, иногда вдвое превышающем вес самой ткани), и волокно приобретает способность удерживать на своей поверхности краситель.
Для придания фарфору и стеклу красных оттенков применяют так называемый кассиев пурпур, образующийся при действии хлористого олова на раствор хлористого золота. В качестве золотистой краски может служить двусернистое олово ― «сусальное золото».
Сусальное золото
В военной деле хлорным оловом пользовались для создания дымовых завес: это вещество легко взаимодействует с водой, образуя густой дым из двуокиси олова.
Стекло фирмы "Форд мотор"
Дефицитность олова заставляет ученых и инженеров постоянно искать ему заменители. В то же время олово находит все новые области применения. Американская фирма «Форд мотор» не так давно построила завод, на котором применен любопытный метод производства непрерывной ленты оконного стекла шириной 2,5 метра. Расплавленное стекло из печи попадает в длинную 53-метровую ванну и здесь растекается по слою жидкого олова. Поскольку металлический расплав имеет идеально гладкую поверхность, стекло, остывая и затвердевая на нем, тоже становится совершенно гладким. Такое стекло не нуждается в шлифовке и полировке, что существенно сокращает производственные расходы.
Необычное стекло, которое служит своеобразной «ловушкой» для солнца, создали советские ученые. Выглядит оно совсем как простое, но отличается от него тем, что покрыто тончайшей пленкой двуокиси олова. Эта невидимая для глаза пленка беспрепятственно пропускает солнечные лучи, но очень «бдительно следит» за тем, чтобы тепло «не переходило границу» в обратном направлении. Такое стекло ― находка для овощеводов: в нагретой солнцем за день теплице ночью сохранится почти та же температура, в то время как через обычное стекло тепловые калории одна за другой к утру без труда проскользнут наружу. В новых теплицах растения чувствуют себя уютно, даже если на улице стоит десятиградусный мороз. Стекло с оловянным покрытием пригодится для различных солнечных нагревателей и других устройств, где энергия дневного светила превращается в тепло.
Провал "банковской операции"
Биография олова будет неполной, если не рассказать об одной почти детективной истории со счастливым концом, в которой этот металл сыграл далеко не последнюю роль.
...Вторая мировая война подходила к концу. Понимая, что ближайшее будущее не сулит ничего приятного, правители «независимого» Словацкого государства, сфабрикованного Гитлером в 1939 году на территории Чехословакии, задумали кое-что припрятать на черный день. Проще всего, как им казалось, было запустить руки в золотой фонд, созданный трудом словацкого народа. Однако группа патриотов, занимавших ответственные банковские посты, решила не допустить этого. Часть золота была тайно переведена в швейцарский банк и блокирована там до конца войны в пользу Чехословацкой Республики. Другую часть удалось переправить партизанам. Но часть золота все же оставалась еще в сейфах Братиславского банка.
Один из главарей марионеточного правительства по секрету сообщил немецкому послу в Братиславе о ценностях, хранящихся в бронированных подвалах, и попросил выделить солдат для «банковской операции» по изъятию золота. Пришлось, правда, брать третьим компаньоном еще и генерала войск СС, но зато в успешном проведении грабежа можно было не сомневаться.
Эсэсовцы окружили здание банка, и офицер, угрожая служащим расстрелом, приказал сдать ценности. Через несколько минут ящики с золотом перекочевали из сейфов в эсэсовские грузовики. Дельцы радостно потирали руки, не подозревая, что в ящиках хранятся слитки «золота», предусмотрительно изготовленные директором Монетного двора из... олова. А служащие банка еще раз проверили замки на тайниках, где хранилось настоящее золото, и стали с нетерпением дожидаться освобождения своей страны от гитлеровских войск.
С. Венецкий "Твердый, но... мягкий" / Рассказы о металлах
В 1910 году английский полярный исследователь капитан Роберт Скотт снарядил экспедицию, целью которой было добраться до Южного полюса, где в то время еще не ступала нога человека. Много трудных месяцев продвигались отважные путешественники по снежным пустыням антарктического материка, оставляя на своем пути небольшие склады с продуктами и керосином ― запасы на обратную дорогу.
В начале 1912 года экспедиция, наконец, достигла Южного полюса, но к своему великому разочарованию Скотт обнаружил там записку: выяснилось, что на месяц раньше здесь побывал норвежский путешественник Руаль Амундсен. Но главная беда поджидала Скотта на обратном пути. На первом же складе не оказалось керосина: жестянки, в которых он хранился, стояли пустые. Уставшие, продрогшие и голодные люди не могли согреться, им не на чем было приготовить пищу. С трудом добрались они до следующего склада, но и там их встретили пустые банки: весь керосин вытек. Будучи не в силах сопротивляться полярной стуже и страшным буранам, разразившимся в это время в Антарктиде, Роберт Скотт и его друзья вскоре погибли.
"Оловянная чума"
В чем же крылась причина таинственного исчезновения керосина? Почему тщательно продуманная экспедиция окончилась так трагически? Какую ошибку допустил капитан Скотт?
Причина оказалась простой. Жестяные банки с керосином были запаяны оловом. Должно быть, путешественники не знали, что на морозе олово «заболевает»: блестящий белый металл сначала превращается в тускло-серый, а затем рассыпается в порошок. Это явление, называемое «оловянной чумой», и сыграло роковую роль в судьбе экспедиции.
А ведь подверженность олова «заболеванию» на холоде была известна задолго до описанных событий. Еще в средние века обладатели оловянной посуды замечали, что ча морозе она покрывается «язвами», которые постепенно разрастаются, и в конце концов посуда превращается в порошок. Причем стоило «простудившейся» оловянной тарелке прикоснуться к «здоровой», как та вскоре тоже начинала покрываться серыми пятнами и рассыпалась.
Шутки русской зимы. Пропажа пуговиц
В конце прошлого века из Голландии в Россию был отправлен железнодорожный состав, груженный брусками олова. Когда в Москве вагоны открыли, в них обнаружили серый ни на что не пригодный порошок ― русская зима сыграла с получателями олова злую шутку.
Приблизительно в эти же годы в Сибирь направилась хорошо снаряженная экспедиция. Казалось, все было предусмотрено, чтобы сибирские морозы не помешали ее успешной работе. Но одну оплошность путешественники все же допустили: они взяли с собой оловянную посуду, которая вскоре вышла из строя. Пришлось вырезать ложки и миски из дерева. Лишь тогда экспедиция смогла продолжить свой путь.
В самом начале XX века в Петербурге на складе военного оборудования произошла скандальная история: во время ревизии к ужасу интенданта выяснилось, что оловянные пуговицы для солдатских мундиров тсчезли, а ящики, в которых они хранились, доверху заполнены серым порошком. И хотя на складе был лютый холод, горе-интенданту стало жарко. Еще бы: его, конечно, заподозрят в краже, а это ничего, кроме каторжных работ, не сулит. Спасло бедолагу заключение химической лаборатории, куда ревизоры направили содержимое ящиков: «Присланное вами для анализа вещество, несомненно, олово. Очевидно, в данном случае имело место явление, известное в химии под названием „оловянная чума"».
Во всем виноваты ведьмы
Какие же процессы лежат в основе этих превращений олова? В средние века невежественные церковники считали что «оловянная чума» вызывается наговорами ведьмы, и поэтому многие ни в чем не повинные женщины были сожжены на «очистительных» кострах. С развитием науки нелепость таких утверждений становилась очевидной, но найти истинную причину «оловянной чумы» ученые еще долго не могли.
Атомы располагаются посвободней
Лишь после того, как на помощь металловедам пришел рентгеновский анализ, позволивший заглянуть внутрь металлов и определить их кристаллическое строение, удалось полностью реабилитировать «ведьм» и дать подлинно научное объяснение этому загадочному явлению. Оказалось, что олово (как, впрочем, и другие металлы) может иметь различнее кристаллические формы. При комнатной и более высокой температуре самой устойчивой модификацией (разновидностью) является белое олово ― вязкий, пластичный металл. При температуре ниже 13°С кристаллическая решетка олова перестраивается так, чтобы атомы расположились в пространстве менее плотно. Образующаяся при этом новая модификация ― серое олово ― уже теряет свойства металла и становится полупроводником. Внутренние напряжения, которые возникают в местах контакта разных кристаллических решеток, приводят к тому, что материал трескается и рассыпается в порошок. Одна модификация переходит в другую тем скорее, чем ниже окружающая температура. При - 33°С скорость этого превращения достигает максимума. Вот почему сильные морозы так быстро и безжалостно расправляются с оловянными изделиями.
"Вакцина" против "чумы"
Но ведь олово широко применяют для пайки радиоэлектронной (особенно полупроводниковой) аппаратуры, для полуды проводов и различных деталей, вместе с которыми оно попадает и в Арктику, и в Антарктиду, и в другие холодные места нашей планеты. Значит, все эти приборы, в которых использовано олово, быстро выходят из строя? Разумеется, нет. Ученые научились делать олову «прививки», обеспечивающие металлу иммунитет против «оловянной чумы». Подходящей для этой цели «вакциной» служит, например, висмут. Атомы висмута, поставляя дополнительные электроны в решетку олова, стабилизируют его состояние, что полностью исключает возможность «заболевания».
"Оловянный крик"
Чистое олово обладает очень любопытным свойством: при изгибе прутков или пластинок этого металла слышен легкий треск ― «оловянный крик». Этот характерный звук возникает вследствие взаимного трения кристаллов олова при их смещении и деформации. Сплавы же олова с другими металлами в подобных ситуациях, как говорится, «держат язык за зубами».
Конкурентов нет
Почти половина всего добываемого в мире олова расходуется сегодня на производство белой жести, используемой главным образом для изготовления консервных банок. Здесь в полной мере проявляются ценные качества металла: его химическая устойчивость по отношению к кислороду, воде, органическим кислотам и, вместе с тем, полная безвредность его солей для человеческого организма. Олово прекрасно справляется с этой своей ролью и практически не знает конкурентов. Не случайно его называют «металлом консервной банки». Благодаря тончайшему слою олова, покрывающему жесть, люди имеют возможность подолгу хранить миллионы тонн мяса, рыбы, фруктов, овощей, молочных продуктов. Прежде для нанесения оловянного покрытия применяли горячий способ, при котором очищенный и обезжиренный лист железа погружали в расплавленное олово. Если же надо было полудить еще одну сторону листа, ее очищали, нагревали и натирали оловом. Сейчас этот способ уже сдан в архив, а на смену ему пришло лужение в гальванических ваннах.
Рано или поздно каждая консервная банка попадает на мусорную свалку, но олову (а в одной банке его примерно полграмма) не грозит быть здесь навеки погребенным: человек заботится о том, чтобы извлечь ценный металл и вновь использовать для своих нужд. Отделить олово от жести несложно: ведь олово легко растворяется в щелочах, а из щелочного раствора его извлекают при помощи электрического тока. Для этой цели пользуются и другим свойством олова: оно «охотно» вступает во взаимодействие с хлором. Если над старой банкой пропустить струю сухого хлора, образуется летучее хлорное олово, извлечь из которого олово уже не представляет труда.
Судьба оловянного солдатика
Олово ― сравнительно легкоплавкий металл. Помните, как в сказке Ганса Христиана Андерсена мгновенно растаял в огне стойкий оловянный солдатик, когда злой мальчик бросил его в печку? Легкоплавкость олова обусловила широкое применение этого металла в качестве основного компонента припоев.
Интересно отметить, что сплав олова (16%) с висмутом (52%) и свинцом (32%) может расплавиться даже в кипятке: температура плавления этого сплава всего 95°С, в то время как его составляющие плавятся при значительно более высокой температуре: олово ― при 232°С, висмут ― при 271°С, а свинец ― при 327°С. Еще более охотно переходят в жидкое состояние сплавы, в которых олово служит добавкой к галлию и индию: известен, например, сплав, плавящийся уже при 10,6°С. Сплавы такого типа применяют в электротехнике как предохранители.
Олово входит также в состав различных бронз, типографских сплавов, баббитов (подшипниковых сплавов, обладающих способностью хорошо сопротивляться истиранию).
Широко используют в технике и химические соединения олова. Хлористое и хлорное олово, например, служит протравой при крашении хлопка и шелка. Натуральный шелк очень легок и плохо прокрашивается; при обработке же его растворами соединений олова на поверхности шелковых волокон откладывается гидрат двуокиси олова (в количестве, иногда вдвое превышающем вес самой ткани), и волокно приобретает способность удерживать на своей поверхности краситель.
Для придания фарфору и стеклу красных оттенков применяют так называемый кассиев пурпур, образующийся при действии хлористого олова на раствор хлористого золота. В качестве золотистой краски может служить двусернистое олово ― «сусальное золото».
Сусальное золото
В военной деле хлорным оловом пользовались для создания дымовых завес: это вещество легко взаимодействует с водой, образуя густой дым из двуокиси олова.
Стекло фирмы "Форд мотор"
Дефицитность олова заставляет ученых и инженеров постоянно искать ему заменители. В то же время олово находит все новые области применения. Американская фирма «Форд мотор» не так давно построила завод, на котором применен любопытный метод производства непрерывной ленты оконного стекла шириной 2,5 метра. Расплавленное стекло из печи попадает в длинную 53-метровую ванну и здесь растекается по слою жидкого олова. Поскольку металлический расплав имеет идеально гладкую поверхность, стекло, остывая и затвердевая на нем, тоже становится совершенно гладким. Такое стекло не нуждается в шлифовке и полировке, что существенно сокращает производственные расходы.
Необычное стекло, которое служит своеобразной «ловушкой» для солнца, создали советские ученые. Выглядит оно совсем как простое, но отличается от него тем, что покрыто тончайшей пленкой двуокиси олова. Эта невидимая для глаза пленка беспрепятственно пропускает солнечные лучи, но очень «бдительно следит» за тем, чтобы тепло «не переходило границу» в обратном направлении. Такое стекло ― находка для овощеводов: в нагретой солнцем за день теплице ночью сохранится почти та же температура, в то время как через обычное стекло тепловые калории одна за другой к утру без труда проскользнут наружу. В новых теплицах растения чувствуют себя уютно, даже если на улице стоит десятиградусный мороз. Стекло с оловянным покрытием пригодится для различных солнечных нагревателей и других устройств, где энергия дневного светила превращается в тепло.
Провал "банковской операции"
Биография олова будет неполной, если не рассказать об одной почти детективной истории со счастливым концом, в которой этот металл сыграл далеко не последнюю роль.
...Вторая мировая война подходила к концу. Понимая, что ближайшее будущее не сулит ничего приятного, правители «независимого» Словацкого государства, сфабрикованного Гитлером в 1939 году на территории Чехословакии, задумали кое-что припрятать на черный день. Проще всего, как им казалось, было запустить руки в золотой фонд, созданный трудом словацкого народа. Однако группа патриотов, занимавших ответственные банковские посты, решила не допустить этого. Часть золота была тайно переведена в швейцарский банк и блокирована там до конца войны в пользу Чехословацкой Республики. Другую часть удалось переправить партизанам. Но часть золота все же оставалась еще в сейфах Братиславского банка.
Один из главарей марионеточного правительства по секрету сообщил немецкому послу в Братиславе о ценностях, хранящихся в бронированных подвалах, и попросил выделить солдат для «банковской операции» по изъятию золота. Пришлось, правда, брать третьим компаньоном еще и генерала войск СС, но зато в успешном проведении грабежа можно было не сомневаться.
Эсэсовцы окружили здание банка, и офицер, угрожая служащим расстрелом, приказал сдать ценности. Через несколько минут ящики с золотом перекочевали из сейфов в эсэсовские грузовики. Дельцы радостно потирали руки, не подозревая, что в ящиках хранятся слитки «золота», предусмотрительно изготовленные директором Монетного двора из... олова. А служащие банка еще раз проверили замки на тайниках, где хранилось настоящее золото, и стали с нетерпением дожидаться освобождения своей страны от гитлеровских войск.
С. Венецкий "Твердый, но... мягкий" / Рассказы о металлах