XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Стойкий оловянный солдатик или Волшебные превращения металлов

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Шаронова А.С. 1

---

1МАОУ "Лицей №97 г.Челябинска"

Самойловская Р.В. 1

---

1МАОУ «Лицей № 97 г. Челябинска»

Работа в формате PDF

1.7 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

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.

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

Приложение Б.

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

Приложение В

Химический элемент - висмут

Приложение Г

Химический элемент – свинец.

Приложение Д.

Сплав РОЗЕ