Гипотеза: Исторические факты помогут выявить проблемы использования олова в жизнедеятельности человека и способы решения этих проблем.
Объект исследования: исторические факты по применению олова в различных областях жизнедеятельности человека.
Предмет исследования: проблемы, связанные с использованием олова и способы их решения
Цель: Определение проблем (в исторической последовательности), связанных с применением олова и способов их решения.
Методы исследования:
Теоретический – изучение литературы (......)
Аналитический
Экспериментальный (анализ грунтовых вод на присутствие свинца..........)
Задачи:
- Изучить информационные источники по проблеме использования олова;
- Осуществить выбор основных проблем применения олова;
- Проанализировать пути решения проблем использования олова;
- Провести анализ грунтовых вод на присутствие свинца и выполнить сравнительное исследование с пробами, полученными в лабораторных условиях.
- Сделать выводы по проведенному исследованию.
Актуальность исследования заключается в том, что в связи с расширением областей применения олова возникают новые технологические проблемы. В частности, применение олова в бессвинцовых припоях (запрещены к использованию с 2004 г в некоторых областях промышленности) привело к уменьшению надежности электрических и электронных приборов, и увеличению вероятности отказа в работе электрооборудования. Нас, как будущих специалистов, заинтересовала судьба этого «капризного металла».
Таблица 1 – Проблемы использования олова в промышленности
| Проблема общества с применением олова | Время существования проблемы | Причина проблемы |
| Смерть людей экспедиции полярников и экономические убытки | Вплоть до начала 20 века | «Оловянная чума» |
| Выход из строя электронной техники, атомной станции, космического спутника «Галактика IV» | Середина XX и по сегодняшний день | Оловянные «усы» |
Олово (лат. Stannum) — химический элемент, расположенный в пятом периоде в IVА группе периодической системы Менделеева; атомный номер 50, атомная масса 118,69; температура плавления 231,9°С, температура кипения 2620°С, белый блестящий металл, тяжёлый, мягкий и пластичный. Олово — редкий рассеянный элемент, по распространённости в земной коре олово занимает 47-е место. Оно используется в основном как безопасное, нетоксичное, коррозионностойкое покрытие в чистом виде или в сплавах с другими металлами. Важнейший сплав олова — бронза (с медью). Олово, в частности, активно используется для создания сверхпроводящих проводов на основе соединения Nb3Sn.
Олово, пожалуй, самый применяемый в различных областях промышленности и противоречивый металл, имеющий невероятную пластичность, при этом подверженый разрушению при низких температурах.
Олово было известно человечеству с древних времен, около трех тысяч лет до нашей эры. Наиболее старыми оловянными изделиями считаются кольцо и фляга, найденные в египетских пирамидах.
В более позднее время из олова изготавливали многочисленные предметы обихода человека (посуду, ложки, вилки, пуговицы, пряжки и т.п.), при этом владельцы столь ценных в тот период времени вещей столкнулись с многочисленными загадочными случаями, которые создавали вокруг олова ореол загадочности. Так зимой 1812 года Наполеоновская армия под Москвой, проснулась и обнаружила пропажу всех пряжек на ремнях, пуговиц на шинелях и ложек. Это обстоятельство сильно деморализовало солдат и явилось одним из переломных моментов в войне с Россией. Известен случай, когда в г. Нерченске, в одну зимнюю ночь у всех заключенных каторги пропали все ложки и тарелки. Подобных загадочных фактов в истории много, при этом данные явления пропажи оловянных изделий получили название «оловянная чума».
Долгое время не могли выявить причину разрушения этого металла и только в середине 20 века с появлением радиографических исследований установили: причина - полиморфизм олова.
Полиморфизм – физическое явление, основанное на перестроении атомов вещества в твердом состоянии, что влечет за собой изменение их свойств. Каждая полиморфная модификация устойчиво существует только в строго определенном интервале температур и давлений.
У олова известны три аллотропические модификации: альфа, бета и гамма. Полиморфная перестройка кристаллических решеток возможна под воздействием температур.
1. Для серого олова (α-Sn) характерна ГЦК решетка. Период решетки 0,649 нм, плотность 7,29 г\см3. Альфа – олово устойчиво до температуры -13,2°С.
2. Белое олово (β-Sn) является самой устойчивой модификацией с объемно-центрированной тетрагональной решеткой (ОЦТ). Существует в диапазоне температур от – 13,2°С до 161°С. Период решетки а= 0,583нм, с= 0,3181нм.
3. Гамма олово (γ- Sn) обладает ромбической кристаллической решеткой, устойчиво в диапазоне температур от 161°С до 232°С. Гамма модификация имеет большую плотность при высокой степени хрупкости, т.е. сразу рассыпается в порошок. Практического применения не имеет.
Ниже температуры 13,2 °С бета – модификация необратимо переходит в серое олово. Данный полиморфный переход совершается с малой скоростью, с понижением температур до - 39°С переход ускоряется до 1 мм в час. Стоит попасть на бета-олово крупинкам альфа -модификации как плотный металл рассыпается в пыль. Вот этот полиморфный переход β→α и получил название «оловянная чума».
Поскольку кристаллическая решетка серого олова менее плотно упакована и имеет значительно больший, на 25 %, объем по сравнению с решеткой белого олова, то неизбежно разрушение ОЦТ решетки.
В середине 20-го века нашли материал – ингибитор полиморфизма олова. Достаточно легировать сплав олова 5-ю процентами висмута и превращение полностью блокируется.
Решение проблемы полиморфизма олова позволило найти применение данному металлу в различных отраслях промышленности. В настоящее время широкое применение олово имеет в электронной и электротехнической промышленности в качестве припоя, покрытия выводов радиодеталей и микросхем. Технология достаточно отработана и распространена, поэтому стоимость процесса пайки и покрытия получаются относительно небольшой, а характеристики – отличными.
Тем не менее, и этих процессов имеются недостатки – длинные кристаллические образования, называемые «усами». Не в первый раз эти таинственные проростки были виноваты в отказах электроники.
В 1998 году спутник связи «Галактика IV» заглохшего лишь через пять лет, и инженеры диагностировали, что его отказ обусловлен «усами».
Американские военные обвиняли эти «усы» в нарушениях работы систем РЛС «F-15» и в сбое траекторий наведения ракет типа «Феникс» и «Патриот».
В 1986 году Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США изъяло целый ряд продуктов лидирующих изготовителей по причине тех же самых «усов».
Образование усов – давно известное явление. Оно характерно не только для олова, к образованию усов также склонны такие металлы, как цинк и кадмий. В действительности первые опубликованные сообщения об «усах» олова датированы 40-50-ми годами XX века, однако в производстве электроники этому явлению уделялось мало внимания, поскольку рост оловянных усов не происходит при наличии свинцовосодержащего покрытия оловянных основ, а также при достаточном количестве примеси свинца в олове. Использование классического эвтектического оловянно-свинцового сплава, наиболее широко применявшегося до перехода на бессвинцовую технологию, гарантировало отсутствие данной проблемы.
Усы олова представляют собою тонкие нити, которые могут расти вертикально, изгибаясь, спиралевидно, в виде крюкообразных или вилкообразных кристаллов олова. Длина усов может достигать 150 мкм, что вызывает серьезную опасность замыкания соседних элементов проводящего рисунка печатной платы. Усы, изгибаясь или отрываясь в процессе изготовления изделий и их эксплуатации, могут образовать проводящие перемычки между токоведущими поверхностями. При этом при достаточно большом токе усы могут плавиться, вызывая кратковременные отказы. Куски усов могут вызывать как перемежающиеся, так и постоянные отказы изделия.
По поводу причин роста усов олова до недавнего времени единого мнения у специалистов не существовало. За последние несколько лет произошли значительные сдвиги в области изучения усов и основных причин их образования, но, тем не менее, окончательного согласованного решения по причинам данного явления еще нет. Также не существует промышленных стандартов, дающих определение усам олова и регламентирующих методы борьбы с ними. Тем не менее, наиболее вероятной причиной образования усов считается изменен6ие состава припоя, в частности удаление добавок свинца, что принято связывать с обеспечением экологической безопасности.
Согласно «Директиве RoHS о снижении уровня содержания опасных веществ» 2003 года, в странах ЕС было запрещено использовать свинец в составе припоя, начиная с 2006 года, что давало изготовителям три года на отказ от применения свинца. Логика такого решения казалась разумной. Исключение свинца из состава бензина, где он использовался для предупреждения нарушений циклов работы двигателя внутреннего сгорания, принесло явные преимущества с точки зрения экологии и здравоохранения: из атмосферы не стало выбрасываться вредное химическое вещество, которое могло влиять на интеллектуальные способности человека. Уда-
ление свинца из припоя, а сплав из 37% свинца и 63% олова применялся для соединения металлических деталей повсюду — от паяльных работ до схемных плат, — было следующим очевидным шагом, препятствующим его вымыванию в грунтовые воды из объектов на мусорных свалках.
Однако с течением времени было отмечено, что олово без укрощающего его свинца ведет себя непредсказуемо. Оловянное покрытие без добавок спонтанно образует пресловутые «усы», которые приводят к короткому замыканию и выходу аппаратуру из строя. Т.е. в рассматриваемом случае забота об экологической безопасности человечества может привести к еще более печальным последствиям, а именно к техногенным катастрофам (например, в атомной промышленности), в результате которых человечество может вообще исчезнуть с лица земли.
Целью нашего исследования является проверка того факта, что бытовые отходы (в частности, бытовые электронные приборы с оловянно-свинцовым припоем) являются источником заражения свинцом территории проживания человека, для чего мы решили провести исследование на наличие свинца в грунтовых водах в районе полигона хранения бытовых отходов города Челябинск по технологии.......... Взятие проб происходило в период с 5 по 10 октября 2017 года. В результате качественных реакции в образце обнаружены ионы свинца.
Проведен эксперимент в лабораторных условиях: часть прутка припоя марки ПОС 63 помещен в дистиллированную воду в течение 90 дней при комнатной температуре и естественном освещении. Проведенный качественный анализ вод показал отсутствие следовых количеств свинца в пробах.
Наличие ионов свинца в грунтовых водах полигона хранения отходов может свидетельствовать о том, что источником заражения грунтовых вод является не остатки оборудования с припоем, а какие-либо иные бытовые отходы.
Применение свинцовых припоев затрудняется утилизацией электронных приборов, поэтому можно предложить создания системы...............утилизации и хранения отработавших плат.