Металлы древности свинец и олово долгое время называли одним именем «плюмбум». Правда, в период алхимии существовало разделение на «плюмбум нигрум» - черное олово (в последующем - свинец) и «плюмбум албум» - белое олово. Впоследствии название «плюмбум» стали относить только к свинцу. А «белое олово» получило латинское название stannum, т. е. «стойкий».
Предполагают, что свинец был известен человеку около 6000 - 6500 лет назад. Такое раннее открытие свинца объясняется тем, что он присутствует почти во всех рудах, содержащих серебро. Вначале, очевидно, свинец был просто отходом при плавке серебра и его выбрасывали. Затем научились делать из него различные фигурки. Некоторым из них, находящимся в музеях, специалисты дают 5800 лет. В Древнем Риме люди использовали свинец для водопроводных труб и посуды. С появлением огнестрельного оружия свинец становится металлом войны (картечь, пули, дробь).
В настоящее время основными областями применения свинца являются: производство аккумуляторов (около 30%), производство тетраэтилсвинца (около 20%), кабельная промышленность (около 10 %), производство белил (около 8 %), припоев (около 7 %), боеприпасов (около 3 %). Остальные 22 % расходуются в строительстве защитных устройств от радиации, в производстве баббитов, типографских сплавов, в медицине и химической промышленности.
Простейший анализ показывает, что половина производимого в мире свинца используется в автомобильной промышленности. Первый антифрикционный баббит был на основе олова. Но со временем перешли на свинцовые баббиты, так как они более чем в 10 раз дешевле оловянных. Тетраэтилсвинец (ТЭС) впервые был получен в 1853 г. в Цюрихе проф. К- Левигом. Это было накануне автомобильной эры, которая началась в 1885 г. с создания четырехколесного автомобиля немецким изобретателем Г. Даймлером (1834-1900) и трехколесного - его соотечественником К. Бенцом (1886 г.). Кстати, многие думают, что автомобили появились раньше самолетов. Ничего подобного! Самолет А. Ф. Можайского (1825-1890) с человеком на борту поднялся в воздух в 1884 г., когда автомобиля еще не было. Конечно, самолет А. Ф. Можайского не был похож на самолет Ту-154. А первый автомобиль разве был похож на «Волгу»? Проф. А. А. Зва-рыкин так охарактеризовал первый автомобиль: «Машина Даймлера 1885 г. была грубым сочетанием нового двигателя с примитивным самокатом». Под «новым двигателем» подразумевается легкий бензиновый двигатель, патент на который был выдан Г. Даймлеру в 1885 г.
В 1860 г. Г. Планте (1834-1889) сконструировал первый свинцовый аккумулятор. Свинец в автомобильной промышленности занимает прочные позиции. Например, за последние 40 лет производство свинцовых стартерных батарей в нашей стране увеличилось в 45 раз. Аккумуляторные батареи, безусловно, усовершенствовались. Достаточно сказать, что с 1881 по настоящее время в мире было выдано около 20 тыс. патентов на их различные конструкции и усовершенствования. Но свинец оставался основным материалом данного устройства.
А вот позиции ТЭС сильно пошатнулись. И это в то время, когда ТЭС обеспечивает нормальную работу двигателя. Примерно 1 г ТЭС на 1 л бензина практически исключает детонацию, которая вызывает поломку двигателя или сильный износ ряда деталей. Но ТЭС ядовит и значительная часть ядовитых веществ выбрасывается с выхлопными газами. Специалисты подсчитали, что ежегодно около 100 тыс. т свинца оседает на нашу планету в результате эксплуатации бензиновых двигателей.
Более 100 лет человечество применяет этиловые жидкости в двигателях и более 70 лет ведет поиск других антидетонаторов. Изучено несколько десятков тысяч различных соединений. Внимание специалистов сейчас привлекают некоторые соединения церия.
Долгое время свинец был незаменимым металлом в кабельной промышленности. Бесшовная свинцовая оболочка превосходно защищала кабель и позволяла наматывать его на барабаны, что особенно важно для транспортировки и прокладки кабеля. Такой кабель, проложенный в земле, в воде, может функционировать сотни лет.
В химической промышленности аппараты, резервуары и трубопроводы, изготовленные из стали, покрывают свинцом. Но так как свинец и железо между собой не сплавляются, то железо предварительно подвергают лужению.
В последние годы в кабельной и химической отраслях промышленности потребление свинца значительно уменьшилось. Его заменяют термопласты.
Очень давно служат человеку и соединения свинца. Это, прежде всего, ацетат свинца и хромат свинца - в производстве красок и текстильном производстве, оксид свинца - в производстве хрусталя. Ацетат свинца и хромат свинца известны 3000 - 3500 лет, а оксид свинца используется в производстве (правильнее сказать - в имитации) хрусталя с 1635 г. В этот год английские мастера стекольных дел обнаружили, что незначительная добавка свинца при плавке стекла приводит к получению стекла исключительной прозрачности, схожей с прозрачностью горного хрусталя - естественного драгоценного камня. Новую разновидность стекла стали называть хрусталем.
Ежегодное мировое производство свинца составляет около 600 тыс. т; цена 1 т - 800-1200 р.
Олово было известно человечеству около 3000-3500 лет назад. В древние времена и в средние века из олова изготовляли посуду. Люди давно заметили, что олово не влияет на вкус пищи.
Область применения олова за века практически не изменилась. Оно прошло путь от посуды до консервной банки. Более половины мирового производства олова расходуется на получение белой жести, т. е. тонколистовой стали, покрытой оловом, для изготовления консервных банок. Каждая консервная банка - это около 0,5 г олова. А. Е. Ферсман писал: «Олово отжило свой «бронзовый век» и стало металлом консервной банки».
Патент на способ сохранения пищевых продуктов в банках, выполненных из белой жести, был выдан в 1810 г. французскому повару Н.-Ф. Апперу. Человечество получило возможность долго хранить мясо, рыбу, овощи и многие другие продукты. Аппер сэкономил миллиарды тонн продуктов и практически исключил вероятность отравления пищей, которую до него приготовляли и хранили в нелуженой посуде.
Значительное количество олова расходуется на припои, в которых олова от 4 до 90 %, сурьмы от 0,2 до 6 %, остальное - свинец. Это самые распространенные припои. Они применяются для пайки и лужения пищевой и медицинской аппаратуры, пайки электро- и радиоаппаратуры, лужения и пайки многих теплообменных аппаратов, в том числе радиаторов автомобильных двигателей. Эти припои дают качественные швы при пайке латуни, меди, стали и некоторых других металлов. Отечественная промышленность выпускает более 20 марок припоев данной группы. Они обладают высокими технологическими свойствами, пластичны и при выполнении пайки не требуют дорогостоящего оборудования.
Есть еще одна солидная статья расхода олова - производство оловянистых бронз, в которых содержится от 2 до 14 % олова. Оловя-нистые бронзы обладают высокими литейными, механическими и антикоррозионными свойствами, но они дороги и дефицитны. Такие бронзы применяют в особо ответственных сборочных единицах, условия эксплуатации которых чрезвычайно тяжелые, например в подшипниках для коленчатых валов.
Антифрикционным сплавом на основе олова является также баббит. Впервые сплав, содержащий 83 % олова, 11 % сурьмы, 6 % меди, был предложен в 1839 г. инженером И. Баббитом. И 150 лет баббиты, максимально удовлетворяющие требованиям к подшипниковым сплавам, не изменяют своей структуры. «Секрет» заключается в следующем: сурьма и медь образуют с оловом химические соединения высокой твердости, которые оказываются равномерно распределенными в более мягкой основе. Во время приработки вал «вырабатывает» мягкую основу баббита и опирается на выступающие твердые частицы. В образовавшихся впадинах удерживается смазка - это обеспечивает высокие антифрикционные свойства. Случайно попадающие твердые частицы, например песок, также вдавливаются в пластичную основу, исключая возникновение царапин на трущейся поверхности вала.
Олово обладает некоторыми исключительно специфическими свойствами. Например, оно издает звук при деформировании. Исследования показали, что хрустящий звук - следствие двойникования. Это характерный вид пластической деформации- сдвиг под действием касательных напряжений, при котором одна часть зерна сдвигается относительно другой с одновременным поворотом. Многие металлы обладают аналогичными свойствами, но частота звука выше границы звуковой чувствительности человека (около 16 кГц). Олово-исключение.
Олово обладает полиморфными превращениями при температурах минус 39 °С и плюс 161 °С. Модификации обозначаются следующим образом: а - серое олово, порошок; р - белое олово, пластичный металл; у - очень хрупкое вещество.
С превращением р->-а связаны различные, в том числе и трагические случаи. Широко известна, например, версия о том, что это превращение явилось причиной гибели экспедиции полярного исследователя Роберта Скотта (1868-1912). Запасы керосина и продуктов питания находились в жестяной таре, запаянной оловом. Низкая температура ледяных просторов Антарктиды превратила белое олово паяных швов в порошок - тара разрушилась, люди остались без топлива и пищи, оказались обреченными.
Истории известны и другие примеры, когда «оловянная чума» разрушала слитки олова, изделия из него. В настоящее время такую болезнь предотвращают легированием цинком, висмутом или сурьмой. Они исключают низкотемпературное полиморфное превращение.
Мировая добыча олова в 1980 г. составила немного более 400 тыс. т. Олово на протяжении последних 100 лет всегда было дефицитным и дорогим металлом.