15 июля 2019 г. | Автор: Аркадий Курамшин
Металл для Юпитера: Олово

Олово — один из древнейших металлов, известных человеку. Оно входит в состав бронзы, которая дала название целой исторической эпохе продолжительностью более 2 тысяч лет. Оловянные солдатики, оловянные припои, оловянные консервные банки, лужёное железо — вот далеко не полный список изделий, подтверждающих, что металл этот востребован и используется по сей день.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №11(39). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Характеристики олова

Атомный номер: 50

Атомная масса: 118,710

Электронная конфигурация: 4d¹⁰ 5s² 5p²

Количество нейтронов: 68

Количество электронов: 50

Температура плавления: 231,91 °C

Температура кипения: 2620 °C

Категория: лёгкий металл

​Эпоха металлов

Знакомство человечества с металлом началось с меди примерно в VII–VI тыс. до н. э. Люди принимали медные самородки за камни и пытались обработать их другими камнями. В результате мягкий металл деформировался, и ему можно было придать форму. Раскалённый, он легче подвергался ковке — так появились первые медные орудия труда.

Спустя ещё некоторое время выяснилось, что сплавление меди с оловом даёт бронзу — более прочный материал, чем чистая медь, — и началась эпоха, которую мы называем бронзовым веком. Он пришёл на смену медному (IV–III тыс. до н. э.) и известен в числе прочего как период возникновения первых великих государств: Древнего Египта и Месопотамии. Их жизнь и экономика во многом зависела от бронзы, при этом олово для неё в те времена добывали в основном на территории современного Афганистана.

Британский историк Кэрролл Белл отмечает, что стратегическая ценность олова в позднем бронзовом веке сравнима с ценностью нефти в современном мире. И доступность олова для получения оружейной бронзы должна была заботить царей и фараонов ничуть не меньше, чем заботят ныне президента США разумные цены на бензин.

Объекты бронзового века, Южная Сибирь

Переход к железному веку, вполне возможно, был вызван тем, что доступные запасы олова иссякали, и нужно было искать замену бронзе. Первые железные орудия труда, щиты и мечи были не лучше бронзовых аналогов. Бронза продолжала применяться, и позднеантичные цивилизации по-прежнему стремились взять под контроль месторождения олова. Кто-то делал это мирно, используя дипломатию и торговлю. Например, греческие города скупали олово, добывавшееся в шахтах Пиренейского полуострова, и стали фактически монополистами. Другие цивилизации больше полагались на силу оружия. Когда уже во времена Юлия Цезаря стало известно о залежах олова на территории современного Корнуолла, римляне незамедлительно вторглись в Британию.

Окончательное установление римского господства в Британии произошло спустя сто лет, при императоре Клавдии. Provincia Britannia поставляла олово для Римской империи до V века, то есть практически до самого конца. При этом, по-видимому, олово в то время ещё не утратило стратегического значения: александрийские алхимики связывали этот металл с главой греко-римского пантеона — Юпитером.

​Оловянная чума

Чистое олово, которое практически не встречается в природе в свободном виде, при температуре ниже 13,2 °C меняет аллотропную модификацию: ковкий серебристо-белый металл становится серым порошком. Трансформация олова ускоряется по мере появления каждой новой порции порошка, словно болезнь, поражающая органы. Отсюда и название этого процесса — оловянная чума. Кроме того, на скорость превращения влияет температура: чем она ниже, тем быстрее идёт процесс. 

Сказка Ганса Христиана Андерсена про стойкого оловянного солдатика могла быть ещё печальнее, если бы солдатик, выпав из окна, не попал в желудок рыбы. Рано или поздно с наступлением холодов он заболел бы чумой и рассыпался в прах.

Оловянная чума стала одной из основных причин гибели в 1912 году британской экспедиции к Южному полюсу, возглавляемой Робертом Скоттом. Путешественники остались без горючего, которое вылилось из запаянных оловом баков. В научно-популярной книге Пенни Лекутера и Джея Берресона «Семнадцать молекул, изменивших мир» 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. Как бы то ни было, сам Наполеон и его маршалы часто называли невыносимый русский мороз причиной поражения.

Катушка оловянно-свинцового припоя

Бокалы из пьютера — сплава олова с другими металлами, такими как медь, сурьма, висмут или, реже, свинец

Одним из способов борьбы с «болезнью» олова является его сплавление с другими металлами. Так, например, какое-то время широко применялись свинцово-оловянные сплавы, однако в наши дни вопрос вновь стал актуальным. Из-за токсичности свинца для окружающей среды и здоровья человека его использование во многих странах запрещено.

Переход на чистое олово опять привёл к проблемам, главная из которых даже не в превращении металла при низких температурах в порошок, который не проводит электричество, а в том, что этот порошок может попадать внутрь электронных приборов. Ведь при повышении температуры снова образуется электропроводное металлическое олово, которое может стать причиной коротких замыканий. Борьба с оловянной чумой возвращает нас в бронзовый век, точнее, к идее замены олова и свинцово-оловянных сплавов на бронзу.

​Области применения

Главные месторождения олова находятся в основном в Китае и Юго-Восточной Азии

Сейчас бронза, содержащая кроме меди и олова свинец, применяется для литья колоколов и создания органных труб. Тон колокола или трубы можно изменить, скорректировав соотношение компонентов в сплаве. 

Антикоррозионные свойства олова делают его незаменимым материалом для изготовления дешёвой тары. Этот металл не ржавеет и проявляет стойкость к воздействию разбавленных кислот.

Если нанести олово тонким слоем на другой металл, его поверхность приобретёт особый блеск и гладкость. Это свойство используется при изготовлении консервных банок. Более трети добываемого в мире олова уходит на производство пищевых ёмкостей.

Сверхпроводящие волокна из Nb₃Sn

Нашлось место олову и в высокотехнологичном секторе. Так, интерметаллическое соединение олова с ниобием Nb3Sn применяется в катушках сверхпроводящих магнитов. Оно становится сверхпроводящим при температуре 18 K. Такие магниты весом всего два килограмма способны создать поле с большим напряжением, чем обычный электромагнит весом несколько тонн.

Оксид индия-олова (ITO, (In₂O₃)₀,₉-(SnO₂)₀,₁) благодаря сочетанию высокой прозрачности и проводимости широко используется в производстве прозрачных электродов жидкокристаллических экранов, органических светодиодов и сенсорных экранов. Так что металл, который человечество начало использовать ещё пять тысяч лет назад, до сих пор трудится на благо цивилизации.