Płynny metal - stop Wooda
W zgłębianiu nauki i praw rządzących naszym światem piękne jest to, że inspirację do tego można znaleźć w nawet najmniej spodziewanych okolicznościach. Spora część wielkich odkryć wzięła się z zainteresowania, zdawałoby się, mało ważnymi sprawami. Zastanówmy się dziś nad metalami.
Jeśli spojrzymy na układ okresowy pierwiastków, to z pewnością zauważymy, że zdecydowana większość pierwiastków to metale. Metale są powszechne w naturze, ale stanowią też w dalszym ciągu podstawę naszej techniki i przemysłu. Znamy i wykorzystujemy wiele rodzajów metali i ich stopów. Pierwiastki te wykazują pewien zestaw wspólnych cech, wśród których trzeba wspomnieć choćby charakterystyczny połysk, ciągliwość, kowalność czy bardzo dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne.
Okazuje się, że w poszukiwaniu inspiracji na ten temat może być przydatna nawet tak znienawidzona przez wielu uczniów książka, jak "Lalka" Prusa. Znajdujemy tam bardzo ciekawy fragment:
W końcu [Geist] odezwał się:
- Przysuń się tu do stołu… Spojrzyj, co to jest? […]
Wokulski oglądał po kolei ów metal cięższy od platyny, drugi metal przeźroczysty, trzeci lżejszy od puchu… Dopóki trzymał je w rękach, wydawały mu się rzeczami najnaturalniejszymi pod słońcem: cóż jest bowiem naturalniejszego aniżeli przedmiot, który oddziaływa na zmysły? Lecz gdy oddał próbki Geistowi, ogarniało go zdziwienie i niedowierzanie, zdziwienie i obawa. Więc znowu oglądał je, kręcił głową, wierzył i wątpił na przemian.
W przytoczonym wyżej cytacie bohater dziwi się właściwościom metali otrzymanych przez genialnego chemika Geista, którego umysł został opanowany przez projekt otrzymania metalu lżejszego od powietrza. Od czasów, w których zostały napisane te słowa zostały rzeczywiście odkryto metale cięższe od platyny (choćby uran czy pluton), ale reszta pozostaje niespełnioną fantazją.
Istnieją jednak substancje metaliczne, których właściwości dalece odbiegają od tego, czego byśmy się spodziewali. Jednym z nich jest stop Wooda.
Przyzwyczailiśmy się, że większość metali w normalnych warunkach jest twardymi, wytrzymałymi ciałami stałymi. Ciekła jest tylko rtęć, jednak jej wysoka toksyczność nie zachęca do eksperymentowania. Gal topnieje co prawda już w 29,76°C, ale wadą jest jego wysoka cena.
Obok chemicznie czystych metali wyróżniamy też ich stopy. Bardzo interesującym ich rodzajem jest stop Wooda; ma on tę zaskakującą cechę, że jego temperatura topnienia jest niższa niż temperatura wrzenia wody. Metal ten topi się więc już w gorącej wodzie zachowując się wtedy podobnie do rtęci.
Przygotowanie tego materiału w domowym laboratorium nie jest trudne.
Otrzymywanie i obserwacje
By samodzielnie otrzymać stop Wooda, musimy zgromadzić:
- ołów Pb,
- bizmut Bi,
- cynę Sn,
- kadm Cd.
Ostrzeżenie: Ołów i kadm są bardzo silnie toksyczne! Należy ograniczyć kontakt z tymi metalami do minimum, nie dopuszczać do kontaktu ze skórą. Obróbka cieplna tych metali lub ich stopów musi się odbywać pod wyciągiem lub na zewnątrz! Autor nie bierze jakiejkolwiek odpowiedzialności za wszelkie mogące powstać szkody. Robisz to na własne ryzyko!
Szczególnie interesującym składnikiem jest bizmut. Jest to najcięższy nieradioaktywny pierwiastek. W rzeczywistości żaden izotop bizmutu nie jest trwały, lecz ich okresy półtrwania są tak wielkie, że prawdopodobieństwo rozpadu promieniotwórczego jest naprawdę znikome. Przykładowo: okres półtrwania 209Bi wynosi 1,9*1019 lat, czyli przynajmniej miliard razy dłużej niż szacowany wiek całego Wszechświata - tyle zająłby rozpad połowy atomów bizmutu w próbce. Bizmut wyróżnia się też barwą: ma piękny metaliczny połysk z różowym odcieniem:
Temperatura topnienia tego pierwiastka wynosi 271°C. Bizmut ma tę cechę, że obniża temperaturę topnienia stopów, w których występuje. Stopy Wooda mogą mieć różny skład procentowy, ale bizmut zawsze stanowi ich główny składnik.
Najniższą temperaturę topnienia ma stop o składzie, wyrażonym w procentach masowych:
- 24,9% Pb
- 50,1% Bi
- 14,6% Sn
- 10,4% Cd
Ten stop Wooda topnieje w temperaturze 65,5°C.
Jak przygotować stop? Należy odważyć potrzebne ilości poszczególnych metali, a następnie stopić je razem w tygielku ceramicznym; koniecznie pod przykrywką, aby zapobiec nadmiernemu utlenianiu. Jako pierwszy stapiamy ołów, następnie kolejno bizmut, cynę i kadm. Płynny stop trzeba zamieszać jeszcze grubym stalowym drutem, a potem pozostawić do ostygnięcia.
Ze stopu z łatwością można odlewać potrzebne kształty. Otrzymany przeze mnie stop Wooda uformowałem w poręczne pręciki (z których jeden jest widoczny niżej), odlewając je w formie wykonanej z… tworzywa sztucznego.
Zachowanie się tego materiału można zobaczyć na moim filmie:
Stop Wooda nie jest jedynie ciekawostką, posiada liczne zastosowania:
- w jubilerstwie jako lutowie,
- w bezpiecznikach przeciwpożarowych jako element topikowy,
- jako materiał do osłon przed promieniowaniem rentgenowskim,
- jako wypełnienie łaźni laboratoryjnych.
Myślę, że szanowny czytelnik przyzna mi rację, jeśli stwierdzę, że sam widok metalu zamieniającego się w ciecz w temperaturze gorącej herbaty jest naprawdę intrygujący.
Życzę miłej i pouczającej zabawy:)
Literatura dodatkowa:
- Birchon D., Dictionary of Metallurgy, Philosophical Library, London, 1965
- Sękowski S., Pierwiastki w moim laboratorium, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa, 1989, str. 59-61.
Marek Ples