Bài toán vỡ vụn Thiếc -Bệnh dịch thiếc?
Khi kim loại thiếc được giữ ở nhiệt độ dưới 13,2∘C nó dần trở nên giòn và vỡ vụn thành bột màu xám. Các vật thể bằng thiếc cuối cùng sẽ tự vỡ vụn thành bột màu xám này nếu được giữ trong khí hậu lạnh trong nhiều năm. Người châu Âu, khi nhìn thấy các ống organ bằng thiếc trong nhà thờ của họ bị vỡ vụn cách đây nhiều năm, đã gọi hiện tượng này là bệnh dịch thiếc vì nó dường như lây lan, và quả thật là như vậy, vì bột màu xám là chất xúc tác cho sự hình thành của chính nó.
Chất xúc tác cho một phản ứng hóa học là một chất điều khiển tốc độ phản ứng mà không trải qua bất kỳ sự thay đổi vĩnh viễn nào trong chính nó. Một phản ứng tự xúc tác là phản ứng có sản phẩm là chất xúc tác cho sự hình thành của chính nó. Phản ứng như vậy có thể diễn ra chậm ban đầu nếu lượng chất xúc tác hiện diện nhỏ và lại chậm dần vào cuối, khi hầu hết chất ban đầu đã được sử dụng hết. Nhưng ở giữa, khi cả chất và sản phẩm xúc tác của nó đều dồi dào, phản ứng diễn ra với tốc độ nhanh hơn.
Trong một số trường hợp, thực nghiệm nghiên cứu tốc độ y=p′(t) của phản ứng phân rã một miếng thiếc 10 (kg) tỷ lệ thuận với tích của lượng chất đã mất p (kg) và lượng chất còn lại sau ttt năm, tức là: p′(t)=p(10−p)/46. Hiện tại miếng thiếc đó có khối lượng 8 (kg), sau bao nhiêu năm nữa miếng thiếc đó còn 6 (kg)? (làm tròn kết quả đến hàng phần trăm).
Bệnh dịch thiếc (tiếng Anh thường gọi là “Tin pest”, “tin disease” hoặc “tin plague”) là một hiện tượng kết tinh phá hủy của kim loại thiếc ở nhiệt độ thấp, đặc trưng bởi sự chuyển pha từ dạng kim loại sáng sang dạng bột xám giòn, làm vật thể bằng thiếc vỡ vụn dần theo thời gian.
🧪 Cơ chế khoa học:
-
Ở nhiệt độ trên 13,2°C, thiếc tồn tại dưới dạng β-thiếc (beta tin): có cấu trúc kim loại ổn định, sáng bạc, dẻo.
-
Khi nhiệt độ xuống dưới 13,2°C, thiếc bắt đầu chuyển dần sang α-thiếc (alpha tin): có cấu trúc phi kim, tinh thể lập phương, giòn, màu xám, và thể tích lớn hơn ⇒ gây nứt, vỡ vụn.
Đây là một ví dụ kinh điển của chuyển pha rắn → rắn (solid–solid phase transition).
⚠️ Tại sao gọi là “bệnh dịch”?
-
Vì hiện tượng này lây lan rất giống dịch bệnh: khi một phần thiếc chuyển thành dạng bột xám (α-thiếc), nó hoạt động như chất xúc tác làm các vùng xung quanh cũng bắt đầu chuyển dần theo.
-
Người châu Âu xưa thấy các ống organ trong nhà thờ, tượng thiếc, đồ vật thiếc tự vỡ vụn trong mùa đông → tưởng là "dịch bệnh thiếc".
📌 Tác hại của tin pest:
-
Làm hỏng các thiết bị chứa thiếc (ống, mối hàn, vật liệu điện tử).
-
Gây mất ổn định kết cấu cơ khí và điện tử, nhất là ở vùng khí hậu lạnh.
-
Là một trong những lý do người ta dùng hợp kim thiếc (như thiếc-chì) thay vì thiếc nguyên chất.
🧠 Ứng dụng / bài học thực tế:
-
Trong công nghiệp hàn điện tử, để tránh "bệnh dịch thiếc", người ta:
-
Trộn thiếc với chì hoặc bạc → ngăn chuyển pha
-
Giữ thiết bị ở nơi >13,2°C
-
Dùng chất ổn định pha
-
-
Trong các nhiệm vụ ngoài không gian, vùng lạnh, cần tránh dùng thiếc nguyên chất vì có thể bị “nổ vụn” sau thời gian dài.
📜 Giai thoại lịch sử:
-
Có truyền thuyết nói rằng binh sĩ của Napoleon ở Nga (năm 1812) bị "mất nút áo thiếc" do bệnh dịch thiếc, gây chết rét — tuy chưa có bằng chứng vật lý rõ ràng, nhưng là ví dụ phổ biến được nhắc tới.
