Откуда берется олово? Главный его минерал — касситерит, содержащий до 78% олова в виде диоксида, на втором месте — оловянный колчедан Cu2FeSnS4 c 27,5% олова. Касситерит — тяжелые камни черного цвета, которые распределены по толще гранита. При разрушении гранита из-за выветривания эти камни образуют россыпи.
Считается, что именно с добычи касситерита и началась оловянная промышленность на Земле, а было это пять-шесть тысяч лет тому назад. Люди тогда уже умели промывать золото и обратили внимание на черные камни, которые так же, как и самородки желтого металла, оказывались в решете. Эти камни поначалу шли на украшения, потом кто-то додумался бросить их в костер; углерод угля соединился с кислородом касситерита, из того вытек светлый металл, благо температура плавления олова невысока — 232°С, то есть для плавки не нужно никакого горна.
Казалось бы, довольно прочный, пригодный для литья и коррозионностойкий металл должен был привлечь внимание древних ремесленников, чтобы они начали из него делать всяческую утварь, от посуды до украшений. Ан нет: древние предметы из меди, бронзы, серебра и золота известны, но оловянные массово входят в обиход после XVI века. А вот оловянистая бронза как раз и появляется в XL—XXX веках до н. э. — в тот же период, с которым связывают открытие олова. Получается, древние люди сразу догадались, что олово надо использовать не самостоятельно, а в сплаве с медью, — и на это в течение тысячелетий уходила вся добыча металла.
Происхождение химических элементов во Вселенной | Лекции по астрономии – Сергей Попов | Научпоп
Тот факт, что в древних центрах производства бронзы — в Анатолии, Балкано-Карпатах, на Донбассе и Южном Урале — месторождения олова ныне отсутствуют, смущает некоторых исследователей и любителей. Ведь сейчас месторождения касситерита находятся очень далеко от древних центров металлургии —в британском Корнуолле, Юго-Восточной Азии, в Африке и Южной Америке.
В континентальной Европе, впрочем, есть олово Богемии, но оно залегает глубоко в гранитной толще и недоступно для примитивных технологий. Шумеры прямо указывали: олово привозят из стран на восток от Междуречья. Историки выяснили, что одна такая страна была на побережье Персидского залива (впрочем, возможно, ее там и не добывали, а разгружали касситеритовую руду из Таиланда). Остальные же указанные шумерами страны находят либо в Афганистане, где есть современные месторождения, либо в Средней Азии, в долине Заревшана —в Фергане и Бухаре, где сохранились следы древнего промысла олова. В общем-то путь через горы и пустыни до Анатолии ненамного проще, чем морем из Таиланда.
Получается, что в глубокой древности, когда, кроме шумеров и египтян, никаких цивилизованных людей на планете не было вовсе, тем не менее процветала мировая международная торговля, и это странно. Есть, впрочем, альтернативная точка зрения, снимающая противоречие: россыпей касситерита в Карпатах, на Кавказе, Урале и в Причерноморье сейчас нет потому, что их все выбрали в древности.
Что такое оловянная чума? Белое олово при охлаждении ниже 13°С испытывает фазовое превращение, становясь серым оловом. Элементарная ячейка его решетки на четверть больше, чем у белого олова, оттого металл при переходе распадается в прах. Чем ниже температура, тем больше скорость превращения, а быстрее всего оно идет на тридцатиградусном морозе.
Откуда взялись химические элементы?
При низкой положительной температуре чума может распространяться медленно: сначала на изделии возникают отдельные оспинки, а через несколько лет оно разрушается. Такое случается в музеях при авариях систем отопления или небрежном хранении. Более того, соприкосновение белого олова с серым облегчает превращение — кусок металла как будто заражается. Причина в том, что новому кристаллу труднее зародиться в чуждом окружении, чем на границе с «родным».
Оловянная чума — не курьез, а причина многих трагедий. Антарктическая экспедиция Роберта Скотта погибла именно из-за нее: растрескались паянные оловянным припоем швы у канистр с горючим. Есть мнение, что французская армия в России пострадала от нее же: жгучий мороз 1812 года уничтожил оловянные пуговицы и пряжки ремней, усугубив беды оккупантов. Жертвами чумы бывали и органные трубы, и крыши домов, и даже обоз с английской посудой для двора царя Алексея Михайловича.
Один из первых научных подходов к проблеме предпринял в 1869 году академик Ю.В.Фритше, разбираясь с пострадавшими от чумы чайниками Петербургского интендантства. Он выяснил, что олово действительно разрушается из-за охлаждения, а также что разрушается отнюдь не любое олово — эффект зависит от изготовителя, вот английское олово чумой не страдает. Играет роль и режим охлаждения отливки: опытные мастера отливали олово в нагретые формы, то есть охлаждали медленно и равномерно; на больших литых блюдах, охлаждение которых идет неравномерно, и чума проявляется неравномерно. Теперь суть этих эффектов понятна: добавки легирующих элементов могут как ускорить, так и затормозить превращение, а неравномерное охлаждение способствует ликвации, то есть неравномерному их распределению по изделию.
Среди элементов, предотвращающих оловянную чуму, — свинец, сурьма, цинк. Неудивительно, что некоторые старые изделия из бронзы имеют олово-свинцовую полуду: она от мороза не пострадает, но может сказаться на здоровье. Возможно, из-за оловянной чумы в коллекциях археологических музеев нет древних оловянных предметов – они могли рассыпаться в прах из-за охлаждения.
Что такое пьютер? Это сплав, содержащий 85—99% олова, остальное — сурьма, свинец, медь, висмут. Из этого красивого ковкого сплава до сих пор делают оловянную посуду, например пивные кружки: после отливки изделие проковывают для придания дополнительной прочности. Хороший пьютер не подвержен оловянной чуме, а его массовое применение приходится на XVI век.
Как кричит олово? При сгибании стержня из чистого олова раздается хорошо слышимый хруст. Причина в том, что при его деформации образуются так называемые двойники: в большом фрагменте зерна кристаллическая решетка внезапно меняет свою ориентацию на зеркальную. Это превращение идет со скоростью, близкой к скорости звука в металле, а возможно, и со cверхзвуковой, поэтому и генерируются звуковые волны. Даже небольшое количество примесей может затруднить двойникование, поэтому оловянный сплав вроде пьютера может и не хрустеть.
Зачем нужно олово? Помимо того что олово — важнейший компонент бронзы, у него самого есть несколько крупных областей использования, каждая из которых объясняется специфическими свойствами этого металла. Олово — легкоплавкий, коррозионностойкий и совершенно не токсичный металл.
Именно поэтому он стал основой главного материала консервной промышленности — белой жести: слой олова на поверхности стали позволяет годами хранить в консервной банке продукты, не только облегчая жизнь путешественникам, но и обеспечивая стратегический запас продовольствия на случай всевозможных неприятностей природного и политического характера. А еще раньше олово в составе полуды служило для защиты пищи, которую готовили в бронзовой и латунной посуде, от растворения в ней меди.
Олово наносят на жесть электролитически. Тонкий стальной лист проходит между двумя валками, погруженными в ванну с раствором солей олова. Валки служат катодом, а два висящих по бокам оловянных бруска — анодами: они растворяются, и олово осаждается на ленте. Чтобы сделать покрытие блестящим, жесть нагревают выше точки плавления олова: оно приобретает зеркальный блеск, а заодно и формирует интерметаллиды с железом стали, что увеличивает прочность сцепления покрытия с листом. На белую жесть идет 16% олова.
Легкоплавкость, коррозионная стойкость и прочность олова сделали его незаменимым веществом для изготовления припоев — на эти нужды расходуется до 60% олова. Впрочем, это среднее значение, в каждой стране своя пропорция. Так, в РФ 60% олова идет на жесть, а 30% на припои и другие сплавы. В КНР с ее развитой электронной промышленностью на припои тратят около 80% олова.
Немалая часть олова идет на приготовление металлорганических соединений. Важнейшие из них — органические соединения олова с участием серы — служат стабилизаторами при изготовлении поливинилхлорида. А еще четырехвалентное олово в составе металлорганических соединений показало себя сильным ядом, и это свойство тоже нашло применение.
Так, в 50-х годах XX века из трибутилолова сделали краску для защиты судов от обрастателей. Она оказалась весьма дешевой и за десятилетие стала лидером. К 80-м годам выяснилось, что олово растворяется и наносит вред водным организмам — краску для судов запретили.
Но для борьбы с грибками трибутилолово используют в текстильной, бумажной промышленности, в пивоварении и в промышленных охлаждающих системах. Трифенилолово входит в состав сельскохозяйственных фунгицидов и противогрибковых красок. Соединения олова применяют для борьбы с клещами и вшами, для защиты древесины. Это еще около 16% производства олова.
Есть у него и специфическая работа. Например, интерметаллид Nb3Sn — основа современной сверхпроводниковой промышленности, из него сделаны сверхпроводящие кабели в Большом адронном коллайдере.
Что такое оловянная глазурь? С древности оксид олова используют для получения белой непрозрачной глазури на керамике из красной глины — белый цвет ей придают наночастицы оксида, и керамика становится похожей на китайский фарфор. Считается, что первыми так стали делать в аббасидском Ираке, в IX веке н. э., а затем это искусство распространилось по всему арабскому миру. Сейчас легкоплавкую оловянную глазурь используют редко, в небольших мастерских, например, при изготовлении делфтского бело-синего фарфора или итальянской майолики.
Что такое баббит? Олово, как относительно мягкий металл, прекрасно снижает силу трения. Первым этим воспользовался американец Айзек Бэббит в 1839 году. В придуманном им подшипнике скольжения сплав на основе олова или свинца — его и назвали баббитом — заливают прямо в обойму подшипника, вал же крутится в этой обойме.
Теперь чаще всего на обойму из бронзы наносят тонкий слой оловянного сплава. Подшипник с оловянным баббитом используют при высоких нагрузках на вал и больших скоростях вращения — оловянные баббиты стоят в двигателях, турбинах, насосах, компрессорах и подобных устройствах. Свинцовые баббиты выдерживают очень большие нагрузки и работают в железнодорожной технике.
Какую роль играет олово в производстве стекла? Жидкое стекло выливают в ванну с расплавленным оловом. Поверхность металла гладкая, и стекло, застывая, тоже приобретает гладкую поверхность; оно идет на изготовление стеклопакетов, и его называют флоат-стекло. Если же нанести на готовое стекло тонкий слой олова, то оно станет энергосберегающим — поток тепла через него снизится, а прозрачность не уменьшится.
Зачем олово в жидкокристаллическом дисплее? Стекло с напыленной пленкой из оксида индия и олова служит наружным (прозрачным) электродом дисплея, а также солнечной батареи. Из-за высокой цены материала исследователи ищут способы заменить его на что-то другое, при этом оказывается, что выгодна даже замена на драгметаллы — сверхтонкую пленку из золота или из нанопроволок серебра. Такая замена еще и улучшает качество изделия. Например, гибкий солнечный элемент из CuInGaSe2 с электродом из серебряных нанопроволок в диоксиде циркония обеспечивает превращение в электричество 13% энергии света, что много для такого типа батарей ( «ACS Applied Materials Interfaces» ).
Зачем олово в аккумуляторе? Из него хотят сделать анод для литиевого аккумулятора нового поколения — пригодного для массового электротранспорта, умных электросетей, способных запасать, а потом выдавать электроэнергию, и для носимой электроники.
Проблема с современным углеродным анодом в том, что у него слишком низок удельный заряд, приходящийся на единицу как веса, так и объема, — 372 и 850 мА⋅ч на грамм и на кубический сантиметр соответственно. Альтернативы — олово, кремний и германий. Олово уступает кремнию по весовой емкости — 991 против 4800 мА⋅ч, но сравнимо по объемной — 2020 против 2400 мА⋅ч.
Поэтому многие исследователи стремятся найти наилучшую формулу оловянного анода, но тут своя сложность: при насыщении ионами лития во время зарядки аккумулятора объем олова растет троекратно. Если бы олово было монолитным, такой анод моментально бы разрушился. Поэтому материаловеды идут на ухищрения : создают сложнейшие многослойные структуры из волокон, шариков, полых сфер и многих других форм, чтобы оловянный анод не разрушался как можно дольше. Подробности можно узнать из обзора в «Journal of Power Sources» .
Что нанотехнологи делают из олова? Выращивая на подложке, например, из сапфира, лес нанопроволок из оксида олова, можно создавать интересные устройства: полевые транзисторы, фотодатчики на ультрафиолет или сверхчувствительные газовые датчики, способные найти две молекулы NO2 среди миллиарда молекул воздуха. Всего же материаловеды научились делать из олова и его соединений наношары, в том числе инкрустированные мелкими наночастицами, полые наносферы, проволочки, стержни, нанотрубки, нанолисты и кубики, что дает им много возможностей для проектирования наноустройств.
Нанотехнологи получают олово в разных формах
Источник: dzen.ru
История открытия олова
Пожалуй, одним из самых древних металлов можно считать олово. В стародавние времена, где то в третьем тысячелетии до нашей эры, персы и египтяне использовали олово для производства разнообразных предметов. Были найдены предметы утвари, сделанные из олова и разнообразные изделия на территориях Персии и Египта. Предполагается, что история открытия олова приблизительно приходится от шести тысяч лет назад.
Это позволяет предположить, что уже в древнейшие времена люди нашли и научились выплавлять этот металл. В то же время была найдена и медь. Сплав олова и меди – бронза, получили широкое применение во многих сферах жизни, ученные полагают, что это был первый искусственный металл, произведенный человеком.
Не многие страны были богаты оловянной рудой, поэтому металл, возили по морю с более богатых стран. Наибольшее количество рудников находилось на Кавказе и в Персии. Со временем, наибольшие запасы олова остались только в Испании и Англии. Не редко бывали случаи, когда вместо олова привозили свинец, так как эти металлы, внешне довольно похожи. Некоторое время этот металл, даже назвали блестящим свинцом.
В то время олово было редким и дорогостоящим металлом, поэтому предметы из этого металла, находят довольно редко. Бронза была так же очень востребована, для производства доспехов и сбруи, что тоже добавляло стоимости олову.
В древние времена данный металл использовали для производства посуды и украшений. В тринадцатом веке олово активно использовали при производстве ювелирных изделий. А в 16 веке, в Мексике, олово использовали для производства монет. Позже наибольшей сферой применения стала промышленность, где из него делали белую жесть.
Само название олова на латинском (Stannum), начало употребляться, в Риме, в период императоров. Даже в библии было упомянуто об олове, в четвертой книге Моисеевой.
В наше время, процесс получения олова, трудоемкий и кропотливый, так как той руды, которая была раньше, не осталось. Нынешняя руда имеет множество примесей и ничтожный процент самого олова. Олово – металл с богатой многолетней историей, остается востребованным и в наше время, хоть нынешняя стоимость его существенно снизилась.
Источник: olovok.com
Как открыли олово?
Олово начали добывать с использованием пороховых мин в XVII веке в промышленных масштабах, но известно о нем было еще в Древнем Египте.
Интересная история открытия свойств олова. Как открыли олово? Уже в XX веке – в 1910 г. английский полярный исследователь Роберт Скотт снарядил экспедицию на Южный полюс. Там в то время еще не ступала нога человека. Долго продвигались участники экспедиции по пустыням Антарктики, оставляя запасы продуктов на обратную дорогу.
На складе не оказалось керосина на обратном пути: жестянки стояли пустые. Уставшие путники очень хотели согреться не могли согреться, не на чем было готовить еду. И на следующем складе, до которого они дошли с трудом, все продрогшие и голодные, их встретили пустые банки: керосин вытек. В конечном итоге это привело к гибели Роберта Скотта и всей его экспедиции.
Причина исчезновения топлива была достаточно простой – капитан Скотт просто не знал, что жестяные банки, запаянные оловом, «заболели» на морозе. Олово изменило структуру, став очень хрупким. При чем, если олово «заболело», и посуда из него прикоснется к «здоровой» тарелке, то она так же рассыпается. Блестящий металл на морозе тускнеет и сереет, а затем просто превращается в труху. Именно с явлением оловянной чумы связана трагическая гибель экспедиции Скотта.
«Здоровое» олово:
- почти белого цвета,
- имеет характерный выраженный блеск,
- пластично, но его нельзя раскрошить.
Также истории известны случаи исчезновения оловянных пуговиц для солдат – попадая на холод, они также превращались в черный порошок.
Чтобы пояснить явление, ученые прибегнули рентгеновскому анализу. Он показал, что у олова есть несколько кристаллических форм. Так появилось понятие «белого», «серого» и «черного» олова. Белое олово – пластично. Эта модификация олова может существовать только при комнатной температуре или же незначительно отличающейся от нее.
При 13С олово теряет свойства металла. Это – так называемое «серое олово» промежуточная форма между той, что возникает при комнатной температуре и при минусовых температурах. Такой материал – полупроводник.
К прочтению: Особенности производства стали
А вот при -33С олово полностью рассыпается. Знай об этом свойстве олова экспедиция Скотта, смертей можно было бы избежать. Во времена Наполеона также происходило подобное: солдаты лишались на морозе пуговиц на своем обмундировании.
Статья на тему Как открыли олово. Если есть у вас вопросы или комментарии оставляйте их в комментариях, мы будем рады ответить на все вопросы.
Источник: xn—-ntbhhmr6g.xn--p1ai