Стойкий оловянный солдатик или Волшебные превращения металлов

XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Стойкий оловянный солдатик или Волшебные превращения металлов

Шаронова А.С. 1
1МАОУ "Лицей №97 г.Челябинска"
Самойловская Р.В. 1
1МАОУ «Лицей № 97 г. Челябинска»
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Во время летних каникул я прочитала сказку Ганса Христиана Андерсена «Стойкий оловянный солдатик». Это грустная история любви одноногого оловянного солдатика и бумажной танцовщицы. Мне понравились захватывающие приключения игрушечного солдатика, который растаял в огне, оставив только свое оловянное сердце.

Мне стало интересно, что значит «оловянный» и почему он растаял в огне? С этими вопросами я обратилась к папе. Меня удивил его рассказ об олове и сходных с ним металлах висмуте и свинце. У меня появилось желание познакомиться поближе с этими химическими элементами и сделать настоящего оловянного солдатика. Я приступила к исследованию.

Цель исследования: изучить физические свойства металлов олова, висмута, свинца и сплава РОЗЕ из этих элементов, и научиться работать с жидким металлом в домашних условиях.

Задачи:

1. Изучить свойства олова, висмута, свинца и составить сравнительную таблицу параметров этих химических элементов.

2. Провести опыт со сплавом РОЗЕ и пронаблюдать, как металлы меняют свои свойства при физическом воздействии на них теплом.

3. Самостоятельно изготовить оловянного солдатика из сплава олова, висмута и свинца в домашних условиях.

Для решения поставленных задач я применяю следующие методы исследования:

  1. изучение источников информации по исследуемой теме;

  2. эксперимент;

  3. анализ, сравнение и обобщение и систематизация полученных данных.

1. Основная часть. Металлы олово, висмут и свинец. Их свойства и применение

1.1. Химический элемент - олово. Его ценность и полезные свойства.

Олово (Sn-станнум) - химический элемент с атомным номером 50. Относится к группе тяжелых цветных металлов, с плотностью 7,31г\см.куб.. В обычных условиях существует в виде «белого олова». При температуре выше +13,2°С – это пластичный, ковкий и легкоплавкий блестящий металл серебристо-белого цвета. При охлаждении ниже +13,2°С превращается в «серое олово» и рассыпается в серый порошок. При температуре выше +170°С становится хрупким. Температура плавления +231,9°С.

Мировое производство олова в 2023году составило около 370тыс. тонн. В России запасы оловянных руд расположены в Хабаровском крае, Якутии, Забайкалье (Приложение А)

Олово используется в основном как безопасное, нетоксичное, стойкое к коррозии покрытие в чистом виде или сплавах с другими металлами. Главные промышленные применения олова и сплавов - в белой жести для изготовления тары пищевых продуктов; упаковочной фольги; изготовление посуды; в припоях для электроники; в домовых трубопроводах; в подшипниковых сплавах; в химических источниках света; в составе красок, имитирующих позолоту; в стоматологии и офтальмологии; в составе органных труб, колоколов и духовых музыкальных инструментов. До 60% производимого олова используется в виде сплавов с медью, цинком, сурьмой, свинцом и висмутом.

Способность олова менять свои свойства под воздействием температур получила название «оловянная чума». Сказка Г.Х.Андерсена могла быть еще печальнее, если бы оловянный солдатик, выпав из окна, не попал в желудок рыбы. С наступлением холодов он заболел бы «оловянной чумой» и рассыпался в прах.

«Оловянная чума» стала одной из основных причин гибели в 1912 году британской экспедиции капитана Роберта Скотта к Южному полюсу. Путешественники остались без горючего, которое хранилось в запаянных оловом баках – металл превратился в порошок, а топливо вытекло. (Приложение Б)

«Оловянной чумой» объясняется и провал зимней кампании Наполеона в России в 1812 году. Из-за сильных морозов оловянные пуговицы на мундирах французских солдат рассыпались в порошок. В результате солдаты замерзали и армия стала небоеспособной.

Такое же явление погубило десятки фигурок солдатиков, которые превратились в серый порошок в архивах музея Суворова в Санкт-Петербурге, когда в одну из зим в подвале музея полопались батареи. «Оловянная чума» погубила многие экспонаты из олова в музеях по всему миру.

Только после использования рентгеновского анализа ученые смогли объяснить, как возникает «оловянная чума». Рентгеновский анализ позволил заглянуть внутрь олова и изучить его кристаллическое строение. Исследователи выяснили, что олово имеет разные кристаллические формы. Самой устойчивой модификацией при комнатной или повышенной температуре является белое олово. Этот металл вязкий и пластичный. При сгибании прутков белого олова слышен характерный хруст от взаимного трения кристаллитов. Но, если температура опускается ниже +13°С, то кристаллическая решетка олова начинает перестраиваться и образуется новая модификация металла – серое олово. Оно теряет свои первоначальные свойства. Фактически металл перестает быть таковым, его объем увеличивается почти на четверть, олово трескается, рассыпается и превращается в серый порошок.

Ученые долго искали способ предотвратить «болезнь» олова. Они обнаружили, что сплав олова с висмутом, сурьмой, медью или свинцом стабилизирует его непостоянные свойства. Так были придуманы сплавы на основе олова - РОЗЕ, Пьютер, Вуда и др., которым не страшна никакая «оловянная чума». В связи с этим рассмотрим два металла, стабилизирующие непостоянные свойства олова.

1.2. Химический элемент - висмут. Его ценность и полезные свойства.

Висмут (Bi) – химический элемент с атомным номером 83. Относится к группе тяжелых металлов, с плотностью 9,79г\см.куб.. Это красивый и редкий металл серебристо-белого цвета с розовым отливом и интересными свойствами. Температура плавления +271,44°С. При комнатной температуре висмут это хрупкий металл, но при нагревании до +150°С становится пластичным. Обладает свойством увеличивать на 3% свой объем при остывании, как вода и лед. Среди металлов обладает самыми сильными диамагнитными свойствами – образец висмута, подвешенный на нитке, достаточно заметно отклоняется в сторону от поднесенного к нему сильного магнита. Искусственно выращенные кристаллы висмута имеют четкие геометрические формы и радужные переливы. Сложно найти более удивительный и красивый металл! (Приложение В)

Висмут был известен человечеству очень давно. Инки использовали его в процессе создания холодного оружия, из-за чего их мечи были чрезвычайно красивы. В Средневековье висмут часто использовался алхимиками во время опытов по превращению свинца в золото.

В природе висмут распространен мало. Его мировое производство едва превышает 6.000 тонн в год. Висмутовые руды, в форме самородных минералов, встречаются редко. 90% всего висмута извлекается попутно при металлургической переработке свинцово-цинковых, медных, вольфрамовых, оловянных руд, содержание висмута в которых составляет доли процентов. Известны месторождения висмута в России, Германии, Монголии, Боливии, Австралии, Перу, США.

Основным потребителем висмута выступает металлургия. Сталь и алюминий, содержащие висмут, гораздо легче обрабатывать на станках. Сплавы висмута с кадмием, свинцом, цинком, оловом позволяют получить вещества с температурой плавления ниже 100°С. Особо чистый висмут идет на изготовление приборов для измерения магнитных полей. Сплавы висмута с марганцем, хромом, индием используются для производства мощных и долговечных магнитов. Соединения с галлием, йодом, германием востребованы в приборах для компьютерной томографии, ядерной физике, геологии, нефтепереработке. Сплавы и соединения висмута применяются при изготовлении аккумуляторов для космических и военных аппаратов. В медицине соединения висмута входят в состав препаратов, применяющихся для лечения ЖКТ, язвенной болезни желудка, онкологических заболеваний, антисептиков, ранозаживляющих средств. Из красивых кристаллов чистого висмута делают изысканные ювелирные украшения.

Висмут относится к тяжелым металлам, но для человека он токсичен незначительно.

1.3. Химический элемент - свинец. Его ценность и полезные свойства.

Свинец (Pb-плюмбум) – химический элемент с атомным номером 82. Относится к группе тяжелых металлов, с плотностью 11,34г\см куб. Пластичный, ковкий и легкоплавкий металл серого цвета с синеватым отливом и блеском. Блеск на воздухе быстро исчезает, т.к. металл покрывается защитной оксидной пленкой. Свинец мягкий, режется ножом, легко царапается ногтем. Температура плавления +327,46°С. Свинец хорошо поглощает радиацию – гамма и рентгеновское излучение (Приложение Г)

Мировое производство свинца в 2023году составило около 12,5млн. тонн. В России свинец образует крупные залежи руд в Забайкалье, Приморье, Норильске и на Урале.

Основное применение свинец находит в производстве свинцово-кислотных аккумуляторных батарей для автомобильной промышленности – 86% в мире; для производства соединений свинца – оксидов и солей; для производства боеприпасов; для радиационной защиты в рентгеновских установках и ядерных реакторах; для оболочек кабелей; применяется в сплавах и припоях; в типографическом шрифте; в производстве краски; для фигурного литья и подшипников; в геологии и медицине.

Свинец, его соединения и пары токсичны и ядовиты для человека. Особенно опасно воздействие свинца на детей: при длительном воздействии он вызывает умственную отсталость и заболевания мозга. Именно поэтому во многих странах введен запрет на применение красок со свинцом и этилированного бензина, т.к. выхлопы автомобильных двигателей существенно загрязняли парами свинца окружающую среду.

Полученную из литературных источников информацию о металлах я занесла в таблицу

1.4. Сравнительная таблица параметров олова, висмута и свинца.

 

ОЛОВО - Sn

СВИНЕЦ - Pb

ВИСМУТ - Bi

Атомный номер

50

82

83

Температура плавления

+231,9°С

+327,46°С

+271,44°С

Группа металла\плотность

Тяжелый металл \ 7,31г\см3

Тяжелый металл \ 9,79 г\см3

Тяжелый металл \ 11,34 г\см3

Свойства металла

Пластичный.

Хрупкий выше +170°С. Ковкий.

Легкоплавкий.

Пластичный.

Мягкий.

Ковкий.

Легкоплавкий.

Пластичный выше +150°С. Хрупкий при комнатной температуре.

Легкоплавкий.

Особые свойства металла

Белое олово при температуре выше +13°С. Серое олово при температуре ниже +13°С.

Хорошо поглощает радиацию – гамма и рентгеновское излучение.

Диамагнетик.

В твердом состоянии объем больше, чем жидком.

Токсичность

Нетоксичный в обычных условиях применения. Опасный в виде паров.

Свинец и его соединения токсичны и ядовиты для человека.

Малотоксичный.

Токсичен при совместном приеме с веществом, способным перевести его в раствор.

Мировое производство

370 тысяч тонн в год

12,5 миллионов тонн в год

5800-6400 тонн в год

Области применения

Металлургия. Медицина.

Пищевая промышленность.

Электротехника. ЖКХ. Приборостроение. Электроника.

Машиностроение.

Металлургия. Медицина. Электротехника.

Атомная промышленность.

Военная промышленность.

Строительство.

Металлургия. Медицина.

Компьютерная томография.

Ядерная физика. Геология.

Косметика.

Нефтепереработка. Космос. Ядерная энергетика.

Электроника.

Из таблицы видно, что данные тяжёлые металлы являются легкоплавкими. Олово и свинец являются пластичными, а висмут может стать таким. А также при определённых температурах олово и висмут могут быть хрупкими. Олово и висмут в обычных условиях не опасны для здоровья человека, а свинец и его соединения, наоборот, очень токсичны и даже ядовиты. Эти металлы нашли применение в разных областях, особенно в металлургии и медицине, электронике и электротехнике.

Эти металлы чаще используются в сплавах. Широкое применение нашёл нетоксичный низкоплавкий сплав РОЗЕ, который применяется для пайки изделий, чувствительных к перегреву, а также в плавких электрических предохранителях. 

1.5. Сплав РОЗЕ из олова, висмута и свинца. Его свойства.

Сплав РОЗЕ представляет собой химическое соединение висмута (50%), олова (25%) и свинца (25%). Такое соотношение металлов в сплаве делает его твёрдым, низкоплавким и нетоксичным. Температура плавления чуть ниже точки кипения воды и составляет +94°С. Сплав не содержит кадмия, поэтому не токсичный. Он образует тонкую пленку покрытия на серебре, бронзе, никеле, которая долго сохраняется. Благодаря этим свойствам сплав РОЗЕ нашел широкое применение в качестве припоя среди радиолюбителей, работающих в домашних условиях: процесс пайки не требует наличия специального вытяжного оборудования для удаления ядовитого газа из помещения. (Приложение Д)

Не токсичность сплава РОЗЕ подходит для моей практической работы - изготовление оловянного солдатика в домашних условиях будет безопасным.

Силиконовая форма для изготовления солдатика выдерживает температуру до +230°С. Температура плавления чистого олова +231,9°С. Слишком горячее жидкое олово может испортить силиконовую форму. Поэтому сплав РОЗЕ, с низкой температурой плавления, идеально подойдёт для такой работы.

2. Практическая часть

2.1. Физический эксперимент со сплавом РОЗЕ

Для проведения этого эксперимента мне понадобятся – сплав РОЗЕ, из соединения трех металлов - висмута, олова и свинца, и кипяток. Цель опыта – проверить, можно ли расплавить металл кипящей водой. Температура плавления сплава РОЗЕ составляет +94°С. Температура кипения воды +100°С. Теоретически металл должен расплавиться в кипящей воде.

Проверю это на практике. В чашку с холодной водой высыпаю небольшое количество сплава РОЗЕ в гранулах. Ставлю чашку в микроволновую печь на 2 минуты, чтобы разогреть воду до температуры кипения +100°С. Через 2 минуты вода закипела и буквально спустя 30 секунд после этого металлические гранулы расплавились в воде и слились между собой в один слиток.

Вывод: мой эксперимент доказал, что сплав РОЗЕ действительно легкоплавкий металл с температурой плавления ниже температуры кипения воды и его можно расплавить кипящей водой.

Эксперимент со сплавом РОЗЕ.

Насыпаю немного металла в чашку с водой.

Ставлю чашку с водой и со сплавом в микроволновую печь на 2 минуты, чтобы разогреть воду до температуры кипения +100°С.

Через 2 минуты вода закипела. Металлические гранулы расплавились в кипящей воде и слились в один слиток.

Эксперимент доказал, что сплав РОЗЕ можно расплавить кипящей водой.

2.2. Изготовление оловянного солдатика из сплава олова, висмута и свинца в домашних условиях.

Для изготовления оловянного солдатика мне понадобятся – сплав РОЗЕ из соединения висмута, олова и свинца; силиконовая форма для отливки солдатика; огнеупорный керамический тигель для плавки металла; щипцы для тигля; домашняя электроплита и воздушная вытяжка.

Высыпаю гранулы сплава РОЗЕ в керамический тигель и ставлю его на электроплиту. Включаю вытяжку и электроплиту. Процесс плавки начался. Чтобы сплав расплавился, ему необходимо разогреться до +94°С.Через 5 минут металл разогрелся до нужной температуры и перешел в жидкое состояние. В жидком виде это блестящий металл серебряного цвета. Аккуратно щипцами беру горячий тигель с расплавленным металлом и выливаю его в силиконовую форму солдатика.

Даю металлу застыть в форме. Он застывает-кристаллизируется на глазах и через 3 минуты становится твердым. Еще 10 минут даю изделию чтобы остыть, после чего извлекаю еще теплую готовую фигурку солдатика из силиконовой формы.

Работа удалась и в моих руках самый настоящий оловянный солдатик. Сказка Г.Х.Андерсена пришла в наш дом!

Изготовление оловянного солдатика из сплава РОЗЕ.

Керамический тигель со сплавом ставлю на плиту. Включаю вытяжку.

Включаю электроплиту. Процесс плавки начался.

Прошло 5 минут и твердый металл стал жидким.

Аккуратно беру расплавленный металл.

И заливаю им форму оловянного солдатика.

Форма залита. Теперь надо дать металлу застыть.

Извлекаю еще теплое изделие из формы.

Мой оловянный солдатик готов.

Сказка Андерсена пришла в наш дом!

Заключение

Проведенное мною исследование открыло для меня удивительный, увлекательный и загадочный мир химии и веществ, которые нас окружают. Изучение, в рамках моей работы, трех химических элементов с металлическими свойствами – олова, висмута, свинца и опыты с ними, помогли мне узнать и понять, какое огромное значение имеет наука химия в жизни человека.

Я разгадала загадку лёгкого металла – олова и поняла, что при правильном использовании этого металла, он становится человеку другом и помощником. Я убедилась, что висмут и свинец в сплаве с оловом стабилизируют его непостоянные свойства, так как кристаллическая решётка олова под воздействием температур не перестраивается и не образует новую модификацию металла – серое олово, благодаря чему олово сохраняет мягкость и пластичность. Кроме того, сплав трёх металлов РОЗЕ - сплав с очень низкими температурами плавления и обладает свойством быстро переходить из твердого состояния в жидкое при достаточно низкой температуре. 

В практической части своего исследования я провела ряд физических опытов с химическими элементами - оловом, висмутом и свинцом. Эти опыты дали мне возможность пронаблюдать за тем, как металлы реагируют и меняют свои свойства, при физическом воздействии на них теплом. Мой эксперимент доказал, что сплав РОЗЕ действительно легкоплавкий металл с температурой плавления ниже температуры кипения воды и его можно расплавить кипящей водой.

Я получила ценный опыт и немного научилась работать с легкоплавкими металлами. Своими руками я смогла превратить кусочек металла в маленькое произведение – оловянного солдатика. И, возможно, этот новый опыт и знания пригодятся мне в будущем при выборе профессии и работы.

Список литературы

  1. Курамшин, А. Металл для Юпитера / А.Курамшин // Журнал Думай. - 2020. - №.5(9). - М.: ООО «Научно-популярные медиа». – С.8-11.

  2. Олово. - http://ru.m.wikipedia.org/wiki/Олово

  3. Металл для Юпитера. - http://oyia.xyz/article/metall-dla-upitera-olovo

  4. Что такое оловянная чума. - http://autogear.ru/article/303/604/chto-takoe-olovyannaya-chuma

  5. Сплав Розе. - http://prompriem.ru/stati/splav-roze.html

  6. Висмут. - http://ru.m.wikipedia.org/wiki/Висмут

  7. Висмут. - http://pcgroup.ru/blog/vismut-krasivyj-i-redkij-metall-s-interesnymi-svojstvami

  8. Висмут. - http://pcgroup.ru/blog/vismut-metall-s-shirokim-spektrom-primeneniya

  9. Свинец. - http://ru.m.wikipedia.org/wiki/Свинец

  10. Химия наука материи. - http://ru.unesco.org/courier/yanvar-mart-2011-g/himiya-nauka-i-iskusstvo-materii

Приложение А

Химический элемент - олово

     

Олово (Sn-станнум).

Атомный номер 50

Минерал Касситерит – оловянная руда

Минерал Станнин – оловянный колчедан

Приложение Б.

Способность олова менять свои свойства под воздействием температур – «оловянная чума»

     

Экспедиция капитана Роберта Скотта к Южному полюсу. 1912 год

Армия Наполеона в России. Зима 1812 года

«Оловянная чума» - серое олово

Приложение В

Химический элемент - висмут

     

Висмут (Bi).

Атомный номер 83

Синтезированный кристалл висмута

Висмут самородный

Приложение Г

Химический элемент – свинец.

     

Свинец (Pb-плюмбум).

Атомный номер 82

Минерал Галенит – свинцовая руда

 

Приложение Д.

Сплав РОЗЕ

 

Сплав РОЗЕ - висмут 50%, олово 25%, свинец 25%

 
Просмотров работы: 39