Каждый химический элемент периодической системы и образованные им простые и сложные вещества уникальны. Они имеют неповторимые свойства, а многие вносят неоспоримо значимый вклад в жизнь человека и существование в целом. Не исключение и химический элемент олово.
Знакомство людей с эти металлом уходит в глубокую древность. Этот химический элемент сыграл решающую роль в развитии человеческой цивилизации, по сей день свойства олова находят широкое применение.
Олово в истории
Первые упоминания о данном металле, имеющем, как люди считали раньше, даже некоторые магические свойства, можно найти в библейских текстах. Решающее значение для улучшения жизни олово сыграло в период «бронзового» века. На то время самым прочным металлическим сплавом, которым обладал человек, была бронза, её можно получить, если в медь добавить химический элемент олово. На протяжении нескольких веков из этого материала изготовляли всё, начиная от орудий труда и заканчивая ювелирными изделиями.
После открытия свойств железа сплав олова не перестал использоваться, конечно, он применяется не в прежних масштабах, но бронза, а также многие другие его сплавы активно задействованы сегодня человеком в промышленности, технике и медицине, наравне с солями этого металла, например, таким как хлорид олова, который получают взаимодействием олова с хлором, данная жидкость кипит при 112 градусах Цельсия, хорошо растворяется в воде, образует кристаллогидраты и дымит на воздухе.
Положение элемента в таблице Менделеева
Химический элемент олово (латинское название stannum - «станнум», записывается символом Sn) Дмитрий Иванович Менделеев по праву расположил под номером пятьдесят, в пятом периоде. Имеет ряд изотопов, самый распространённый - изотоп 120. Этот металл также находится в главной подгруппе из шестой группы, вместе с углеродом, кремнием, германием и флеровием. Его расположение предсказывает амфотерность свойств, в равной степени олову присущи и кислотные, и основные характеристики, которые более детально будут описаны ниже.
В таблице Менделеева также указана атомная масса олова, которая равняется 118,69. Электронная конфигурация 5s 2 5p 2 , что в составе сложных веществ позволяет металлу проявлять степени окисления +2 и +4, отдавая два электрона только с р-подуровня или же четыре с s- и р-, полностью опустошая весь внешний уровень.
Электронная характеристика элемента
В соответствии атомному номеру околоядерное пространство атома олова содержит целых пятьдесят электронов, они располагаются на пяти уровнях, которые, в свою очередь, расщеплены на ряд подуровней. Первые два имеют только s- и р-подуровни, а начиная с третьего идёт троекратное расщепление на s-, p-, d-.
Рассмотрим внешний так как именно его строение и заполнение электронами определяют химическую активность атома. В невозбуждённом состоянии элемент проявляет валентность, равную двум, при возбуждении происходит переход одного электрона с s-подуровня на вакантное место р-подуровня (он максимально может содержать три неспаренных электрона). В этом случае олово проявляет валентность и степень окисления - 4, так как спаренных электронов нет, а значит в процессе химического взаимодействия на подуровнях их ничто не удерживает.
Простое вещество металл и его свойства
Олово представляет собой металл серебряного цвета, относится к группе легкоплавких. Металл мягкий, сравнительно легко поддаётся деформации. Ряд особенностей присущ такому металлу, как олово. Температура ниже 13,2 является границей перехода металлической модификации олова в порошкообразную, что сопровождается изменением цвета с серебристо-белого на серый и уменьшением плотности вещества. Плавится олово при 231,9 градуса, а кипит при 2270 градусах Цельсия. Кристаллическая тетрагональная структура белого олова объясняет характерное похрустывание металла при его изгибе и нагреве в месте перегиба трением кристаллов вещества друг об друга. Серое олово имеет кубическую сингонию.
Химические свойства олова имеют двойственную суть, оно вступает как в кислотные, так и основные реакции, проявляя амфотерность. Металл взаимодействует с щелочами, а также кислотами, такими как серная и азотная, проявляет активность при реакции с галогенами.
Сплавы олова
Почему чаще вместо чистых металлов применяют их сплавы с определённым процентным содержанием составных компонентов? Дело в том, что сплаву присущи свойства, которых нет у индивидуального металла, или же эти свойства проявляются гораздо сильнее (например, электропроводность, стойкость к коррозии, пассивирование или активирование физических и химических характеристик металлов в случае необходимости и т.д.). Олово (фото показывает образец чистого металла) входит в состав многих сплавов. Оно может использоваться в качестве добавки или основного вещества.
На сегодняшний день известно большое количество сплавов такого металла, как олово (цена на них колеблется в широких пределах), рассмотрим самые популярные и применяемые (о применении тех или иных сплавов речь пойдёт в соответствующем разделе). В общем, сплавы станнума имеют следующие характеристики: высокая пластичность, низкая небольшая твёрдость и прочность.
Некоторые примеры сплавов
Важнейшие природные соединения
Олово образует ряд природных соединений - руд. Металл образует 24 минеральных соединения, самое важное значение для промышленности имеет оксид олова - касситерит, а также станин - Cu 2 FeSnS 4 . Олово рассеяно в земной коре, а соединения, образованные им, имеют магнетическое происхождение. В промышленности также используются соли полиоловянных кислот и силикаты олова.
Олово и организм человека
Химический элемент олово является микроэлементом по своему количественному содержанию в теле человека. Основное его скопление находится в костной ткани, где нормальное содержание металла способствует своевременному её развитию и общему функционированию опорно-двигательной системы. Помимо костей, олово концентрируется в желудочно-кишечном тракте, лёгких, почках и сердце.
Важно отметить, что избыточное накопление данного металла может привести к общему отравлению организма, а более длительное воздействие - даже к неблагоприятным генным мутациям. В последнее время эта проблема довольно актуальна, так как экологическое состояние окружающей среды оставляет желать лучшего. Большая вероятность интоксикации оловом у жителей мегаполисов и районов, близлежащих около промышленных зон. Чаще всего отравление происходит путем накопления в легких солей олова, например, таких как хлорид олова и других. В то же время недостаток микроэлемента может спровоцировать замедление роста, потерю слуха и выпадение волос.
Применение
Металл имеется в продаже на многих металлургических заводах и компаниях. Выпускается в виде чушек, прутков, проволоки, цилиндров, анодов, изготовленных из чистого простого вещества, такого как олово. Цена колеблется от 900 до 3000 рублей за кг.
Олово в чистом виде применяется редко. В основном используются его сплавы и соединения - соли. Олово для пайки применяется в случае скрепления деталей, которые не подвергаются воздействию высоких температур и сильных механических нагрузок, выполненных из медных сплавов, стали, меди, но не рекомендуется для изготовленных из алюминия или его сплавов. Свойства и характеристики оловянных сплавов описаны в соответствующем разделе.
Припои используют для пайки микросхем, в этой ситуации также идеально подходят сплавы на основе такого металла, как олово. Фото изображает процесс применения оловянно-свинцового сплава. С помощью него можно выполнить достаточно тонкие работы.
Ввиду высокой стойкости олова к коррозии его применяют для изготовления луженого железа (белой жести) - жестяных банок для пищевых продуктов. В медицине, в частности в стоматологии, олово задействовано для выполнения пломбирования зубов. Оловом покрыты домовые трубопроводы, из его сплавов изготовлены подшипники. Неоценимо важен вклад данного вещества и в электротехнику.
Водные растворы таких солей олова, как фторбораты, сульфаты, а также хлориды, используют в качестве электролитов. Оксид олова - это глазурь для керамики. Путём введения в пластические и синтетические материалы различных производных олова представляется возможным уменьшить их возгораемость и выделение вредоносных дымов.
Стародавний металл олово, открытый уже много лет назад, в чистом виде добывают не часто. Известны редкие случаи, когда осуществляется добыча олово из руды, которая называется сернистое олово, в составе с медью или железом. Чаще всего олово получают из сплава, называемого «оловянный камень» или касситерит.
Касситерит является наиболее используемым, рудным минералом, с помощью которого делают чистое олово. В составе этого элемента теоретически состав олова чуть больше 78%. Окраска и форма касситерита, зачастую, зависит от примесей микроэлементов, которые в огромном количестве имеются в минерале. Из-за многочисленных примесей, обработка и выделение олова, процесс трудоемкий и длительный. Минерализаторы F, B, H и O, существенно влияют на кристаллизацию касситерита.
Состав олова таков, что он не имеет твердую структуру и не большую температуру плавления и довольно сильную тягучесть. Беря во внимание, все эти особенности, олово активно применяется на производстве, в составе химических сплавов. Такие сплавы, в составе которых большое количество Stanuma (от лат. олово), замечательно подходят для производства легкоплавких припоев. Их создают для пайки деталей и элементов, неподвергающихся сильным ударам и высоким температурам.
Часто применяют соеденения для литья посуды и некоторых деталей, нужных для сборки измерительных приборов. Такой сплав обычно содержит порядка восьмидесяти процентов олова, 15% Sb и 5% Си. Это приблизительные данные, на различных производствах процентное содержание сплава может не значительно отличаться, одни от других.
Олово играет не последнюю роль в современной промышленности, а соединения из этого металла, обладают уникальными характеристиками. Ценность олова и сплавов, на его основе, очень высока, что доказывает обширная сфера применения данных металлов.
Содержание статьи
ОЛОВО, Sn (от лат. stannum, что первоначально относилось к сплаву свинца и серебра, а позднее к другому, имитирующему его сплаву, содержащему около 67% Sn; к 4 в. этим словом стали называть олово), химический элемент IVB подгруппы (включающей C, Si, Ge, Sn и Pb) периодической системы элементов. Олово – относительно мягкий металл, используется в основном как безопасное, нетоксичное, коррозионностойкое покрытие в чистом виде или в сплавах с другими металлами.
Историческая справка.
Олово начали применять, вероятно, еще во времена Гомера и Моисея. Открытие его было связано, скорее всего, со случайным восстановлением наносного касситерита (оловянного камня); наносные отложения встречаются на поверхности или близко к ней, и оловянные руды намного легче восстанавливаются, чем руды других металлов. Древние бритты были хорошо знакомы с оловом: в Корнуолле на юго-западе Англии были обнаружены древние горны со шлаком. Металл был, очевидно, малодоступен и дорог, т.к. оловянные предметы редко встречаются среди римских и греческих древностей, хотя об олове говорится в Библии в Четвертой книге Моисеевой (Числа), а слово касситерит, которое и сегодня используется для обозначения оксидной оловянной руды, – греческого происхождения. Малакка и Восточная Индия упоминаются как источники олова в арабской литературе 8–9 вв. и различными авторами в 16 в. в связи с Великими географическими открытиями. История оловянных разработок в Саксонии и Богемии относится еще к 12 в., но в 17 в. 30-летняя война (1618–1648) разрушила эту промышленность. Производство впоследствии возобновили, но вскоре оно пришло в упадок из-за открытия богатых месторождений в Америке.
Бронза.
Задолго до того как научились добывать олово в чистом виде, был известен сплав олова с медью – бронза, который получали, видимо, уже в 2500–2000 до н.э. Олово в рудах часто встречается вместе с медью, так что при плавке меди в Британии, Богемии, Китае и на юге Испании образовывалась не чистая медь, а ее сплав с некоторым количеством олова. Ранние медные плотничные инструменты (долото, тесло и др.) из Ирландии содержали до 1% Sn. В Египте медная утварь 12-й династии (2000 до н.э.) содержала до 2% Sn, по-видимому, как случайную примесь. Первобытная практика выплавки меди основывалась на использовании смеси медных и оловянных руд, в результате чего и получалась бронза, содержащая до 22% Sn.
Физические свойства.
Олово – мягкий серебристо-белый пластичный металл (может быть прокатан в очень тонкую фольгу – станиоль) с невысокой температурой плавления (легко выплавляется из руд), но высокой температурой кипения. Олово имеет две аллотропные модификации: a -Sn (серое олово) с гранецентрированной кубической кристаллической решеткой и b -Sn (обычное белое олово) с объемноцентрированной тетрагональной кристаллической решеткой. Фазовый переход b ® a ускоряется при низких температурах (–30° С) и в присутствии зародышей кристаллов серого олова; известны случаи, когда оловянные изделия на морозе рассыпались в серый порошок («оловянная чума»), но это превращение даже при очень низких температурах резко тормозится наличием мельчайших примесей и поэтому редко встречается, представляя скорее научный, чем практический интерес. См. также АЛЛОТРОПИЯ ; ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ ; ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ .
Чистое олово обладает низкой механической прочностью при комнатной температуре (можно согнуть оловянную палочку, при этом слышится характерный треск, обусловленный трением отдельных кристаллов друг о друга) и поэтому редко используется. Однако оно легко образует сплавы с большинством других черных и цветных металлов. Оловосодержащие сплавы обладают прекрасными антифрикционными свойствами в присутствии смазки, поэтому широко используются как материал подшипников.
Химические свойства.
При комнатной температуре олово химически инертно к кислороду и воде. На воздухе олово постепенно покрывается защитной оксидной пленкой, которая повышает его коррозионную стойкость. С химической инертностью олова и его оксидной пленки в обычных условиях связано использование его в покрытии жестяной тары для продуктов питания, прежде всего – консервных банок. Олово легко наносится на сталь и продукты его коррозии безвредны. В соединениях олово проявляет две степени окисления: +2 и +4, причем соединения олова(II) в большинстве своем относительно нестабильны в разбавленных водных растворах и окисляются до соединений олова(IV) (их используют иногда как восстановители, например SnCl 2). Разбавленные соляная и серная кислоты действуют на олово очень медленно, а концентрированные, особенно при нагревании, растворяют его, причем в соляной кислоте получается хлорид олова(II), а в серной – сульфат олова(IV). С азотной кислотой олово реагирует тем интенсивнее, чем выше концентрация и температура: в разбавленной HNO 3 образуется растворимый нитрат олова(II), а в концентрированной HNO 3 – нерастворимая b -оловянная кислота H 2 SnO 3 . Концентрированные щелочи растворяют олово с образованием станнитов – солей оловянистой кислоты H 2 SnO 2 ; в растворах станниты существуют в гидроксоформе, например Na 2 . Наибольшее промышленное значение соединения олова(II) имеют в производстве гальванических покрытий. Соединения олова(IV) находят обширное промышленное применение.
Оксиды олова амфотерны, проявляют и кислотные, и основные свойства. Оксид олова(IV) встречается в природе в виде минерала касситерита, а чистый SnO 2 получают из чистого металла; диоксид олова SnO 2 применяется для приготовления белых глазурей и эмалей. Из SnO 2 при взаимодействии со щелочами получают станнаты – соли оловянной кислоты, наиболее важные из которых – станнаты калия и натрия; растворы станнатов находят широкое применение как электролиты для осаждения олова и его сплавов. SnCl 4 – тетрахлорид олова, исходное соединение для многих синтезов других соединений олова, включая и оловоорганические.
Применение.
В современном мире более трети добываемого олова расходуется на изготовление пищевой жести и емкостей для напитков. Жесть в основном состоит из стали, но имеет покрытие из олова обычно толщиной менее 0,4 мкм.
Сплавы.
Одна треть олова идет на изготовление припоев. Припои – это сплавы олова в основном со свинцом в разных пропорциях в зависимости от назначения. Сплав, содержащий 62% Sn и 38% Pb, называется эвтектическим и имеет самую низкую температуру плавления среди сплавов системы Sn – Pb. Он входит в составы, используемые в электронике и электротехнике. Другие свинцово-оловянные сплавы, например 30% Sn + 70% Pb, имеющие широкую область затвердевания, используются для пайки трубопроводов и как присадочный материал. Применяются и оловянные припои без свинца. Сплавы олова с сурьмой и медью используются как антифрикционные сплавы (баббиты, бронзы) в технологии подшипников для различных механизмов. Современные оловянно-свинцовые сплавы содержат 90–97% Sn и небольшие добавки меди и сурьмы для увеличения твердости и прочности. В отличие от ранних и средневековых свинецсодержащих сплавов, современная посуда из cплавов олова безопасна для использования.
Покрытия из олова и его сплавов.
Олово легко образует сплавы со многими металлами. Оловянные покрытия имеют хорошее сцепление с основой, обеспечивают хорошую коррозионную защиту и красивый внешний вид. Оловянные и оловянно-свинцовые покрытия можно наносить, погружая специально приготовленный предмет в ванну с расплавом, однако большинство оловянных покрытий и сплавов олова со свинцом, медью, никелем, цинком и кобальтом осаждают электролитически из водных растворов. Наличие большого диапазона составов для покрытий из олова и его сплавов позволяет решать многообразные задачи промышленного и декоративного характера.
Соединения.
Олово образует различные химические соединения, многие из которых находят важное промышленное применение. Кроме многочисленных неорганических соединений, атом олова способен к образованию химической связи с углеродом, что позволяет получать металлоорганические соединения, известные как оловоорганические (см. также МЕТАЛЛООРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ). Водные растворы хлоридов, сульфатов и фтороборатов олова служат электролитами для осаждения олова и его сплавов. Оксид олова применяют в составе глазури для керамики; он придает глазури непрозрачность и служит красящим пигментом. Оксид олова можно также осаждать из растворов в виде тонкой пленки на различных изделиях, что придает прочность стеклянным изделиям (или уменьшает вес сосудов, сохраняя их прочность). Введение станната цинка и других производных олова в пластические и синтетические материалы уменьшает их возгораемость и препятствует образованию токсичного дыма, и эта область применения становится важнейшей для соединений олова. Огромное количество оловоорганических соединений расходуется в качестве стабилизаторов поливинилхлорида – вещества, используемого для изготовления тары, трубопроводов, прозрачного кровельного материала, оконных рам, водостоков и др. Другие оловоорганические соединения используются как сельскохозяйственные химикаты, для изготовления красок и консервации древесины.
Олово - один из немногих металлов, известных человеку еще с доисторических времен. Олово и медь были открыты раньше железа, а сплав их, бронза, - это, по-видимому, самый первый «искусственный» материал, первый материал, приготовленный человеком.
Результаты археологических раскопок позволяют считать, что еще за пять тысячелетий до нашей эры люди умели выплавлять и само олово. Известно, что древние египтяне олово для производства бронзы возили из Персии.
Под названием «трапу» этот металл описан в древнеиндийской литературе. Латинское название олова stannum происходит от санскритского «ста», что означает «твердый».
Упоминание об олове встречается и у Гомера. Почти за десять веков до новой эры финикияне доставляли оловянную руду с Британских островов, называвшихся тогда Касситеридами. Отсюда название касситерита - важнейшего из минералов олова; состав его Sn0 2 . Другой важный минерал - станнин, или оловянный колчедан, Cu 2 FeSnS 4 . Остальные 14 минералов элемента № 50 встречаются намного реже и промышленного значения не имеют.
Между прочим, наши предки располагали более богатыми оловянными рудами, чем мы. Можно было выплавлять металл непосредственно из руд, находящихся на поверхности Земли и обогащенных в ходе естественных процессов выветривания и вымывания. В наше время таких руд уже нет. В современных условиях процесс получения олова многоступенчатый и трудоемкий. Руды, из которых выплавляют олово
теперь, сложны по составу: кроме элемента № 50 (в виде окисла или сульфида) в них обычно присутствуют кремний, железо, свинец, медь, цинк, мышьяк, алюминий, кальций, вольфрам и другие элементы. Нынешние оловянные руды редко содержат больше 1 % Sn, а россыпи - и того меньше: 0,01-0,02% Sn. Это значит, что для получения килограмма олова необходимо добыть и переработать по меньшей мере центнер руды.
Как получают олово из руд
Производство элемента № 50 из руд и россыпей всегда начинается с обогащения. Методы обогащения оловянных руд довольно разнообразны. Применяют, в частности, гравитационный метод, основанный на различии плотности основного и сопутствующих минералов. При этом нельзя забывать, что сопутствующие далеко не всегда бывают пустой породой. Часто они содержат ценные металлы, например вольфрам, титан, лантаноиды. В таких случаях из оловянной руды пытаются извлечь все ценные компоненты.
Состав полученного оловянного концентрата зависит от сырья, и еще от того, каким способом этот концентрат получали. Содержание олова в нем колеблется от 40 до 70%. Концентрат направляют в печи для обжига (при 600-700° С), где из него удаляются относительно летучие примеси мышьяка и серы. А большую часть железа, сурьмы, висмута и некоторых других металлов уже после обжига выщелачивают соляной кислотой. После того как это сделано, остается отделить олово от кислорода и кремния. Поэтому последняя стадия производства чернового олова - плавка с углем и флюсами в отражательных или электрических печах. С физико-химической точки зрения этот процесс аналогичен доменному: углерод «отнимает» у олова кислород, а флюсы превращают двуокись кремния в легкий по сравнению с металлом шлак.
В черновом олове примесей еще довольно много: 5- 8%. Чтобы получить металл сортовых марок (96,5- 99,9% Sn), используют огневое или реже электролитическое рафинирование. А нужное полупроводниковой промышленности олово чистотой почти шесть девяток - 99,99985% Sn - получают преимущественно методом зонной плавки.
Еще один источник
Для того чтобы получить килограмм олова, не обязательно перерабатывать центнер руды. Можно поступить иначе: «ободрать» 2000 старых консервных банок.
Всего лишь полграмма олова приходится на каждую банку. Но помноженные на масштабы производства эти полуграммы превращаются в десятки тонн... Доля «вторичного» олова в промышленности капиталистических стран составляет примерно треть общего производства. В нашей стране работают около ста промышленных установок по регенерации олова.
Как же снимают олово с белой жести? Механическими способами сделать это почти невозможно, поэтому используют различие в химических свойствах железа и олова. Чаще всего жесть обрабатывают газообразным хлором. Железо в отсутствие влаги с ним не реагирует. же соединяется с хлором очень легко. Образуется дымящаяся жидкость - хлорное олово SnCl 4 , которое применяют в химической и текстильной промышленности или отправляют в электролизер, чтобы получить там из него металлическое олово. И опять начнется «круговерть»: этим оловом покроют стальные листы, получат белую жесть. Из нее сделают банки, банки заполнят едой и запечатают. Потом их вскроют, консервы съедят, банки выбросят. А потом они (не все, к сожалению) вновь попадут на заводы «вторичного» олова.
Другие элементы совершают круговорот в природе с участием растений, микроорганизмов и т. д. Круговорот олова - дело рук человеческих.
Олово в сплавах
На консервные банки идет примерно половина мирового производства олова. Другая половина - в металлургию, для получения различных сплавов. Мы не будем подробно рассказывать о самом известном из сплавов олова - бронзе, адресуя читателей к статье о меди - другом важнейшем компоненте бронз. Это тем более оправдано, что есть безоловянные бронзы, но нет «безмедных». Одна из главных причин создания безоловянных бронз - дефицитность элемента № 50. Тем не менее бронза, содержащая олово, по-прежнему остается важным материалом и для машиностроения, и для искусства.
Техника нуждается и в других оловянных сплавах. Их, правда, почти не применяют в качестве конструкционных материалов: они недостаточно прочны и слишком дороги. Зато у них есть другие свойства, позволяющие решать важные технические задачи при сравнительно небольших затратах материала.
Чаще всего оловянные сплавы применяют в качестве антифрикционных материалов или припоев. Первые позволяют сохранять машины и механизмы, уменьшая потери на трение; вторые соединяют металлические детали.
Из всех антифрикционных сплавов наилучшнми свойствами обладают оловянные баббиты, в составе которых до 90% олова. Мягкие и легкоплавкие свинцовооловянные припои хорошо смачивают поверхность большинства металлов, обладают высокой пластичностью и сопротивлением усталости. Однако область их применения ограничивается из-за недостаточной механической прочности самих припоев.
Олово входит также в состав типографского сплава гарта. Наконец, сплавы на "основе олова очень нужны электротехнике. Важнейший материал для электроконденсаторов - станиоль; это почти чистое олово, превращенное в тонкие листы (доля других металлов в станиоле не превышает 5 %).
Между прочим, многие сплавы олова - истинные химические соединения элемента № 50 с другими металлами. Сплавляясь, олово взаимодействует с кальцием, магнием, цирконием, титаном, многими редкоземельными элементами. Образующиеся при этом соединения отличаются довольно большой тугоплавкостью. Так, станнид циркония Zr 3 Sn 2 плавится лишь при 1985° С. И «виновата» здесь не только тугоплавкость циркония, но и характер сплава, химическая связь между образующими его веществами. Или другой пример. Магний к числу тугоплавких металлов не отнесешь, 651° С - далеко не рекордная температура плавления. Олово плавится при еще более низкой температуре - 232° С. А их сплав - соединение Mg2Sn - имеет температуру плавления 778° С.
Тот факт, что элемент № 50 образует довольно много-численные сплавы такого рода, заставляет критически отнестись к утверждению, что лишь 7% производимого в мире олова расходуется в виде химических соединений. Видимо, речь здесь идет только о соединениях с неметаллами.
Соединения с неметаллами
Из этих веществ наибольшее значение имеют хлориды. В тетрахлориде олова SnCl 4 растворяются иод, фосфор, сера, многие органические вещества. Поэтому и используют его главным образом как весьма специфический растворитель. Дихлорид олова SnCl 2 применяют как про-траву при крашении и как восстановитель при синтезе органических красителей. Те же функции в текстильном производстве еще у одного соединения элемента № 50 - станната натрия Na 2 Sn0 3 . Кроме того, с его помощью утяжеляют шелк.
Промышленность ограниченно использует и окислы олова. SnO применяют для получения рубинового стекла, a Sn0 2 - белой глазури. Золотисто-Желтые кристаллы дисульфида олйва SnS 2 нередко называют сусальным золотом, которым «золотят» дерево, гипс . Это, если можно так выразиться, самое «антисовременное» применение соединений олова. А самое современное?
Если иметь в виду только соединения олова, то это применение станната бария BaSn0 3 в радиотехнике в качестве превосходного диэлектрика. А один из изотопов олова, il9Sn, сыграл заметную роль при изучении эффекта Месс- бауэра - явления, благодаря которому был создан новый метод исследования - гамма-резонансная спектроскопия. И это не единственный случай, когда древний металл сослужил службу современной науке.
На примере серого олова - одной из модификаций элемента № 50 - была выявлена связь между свойствами и химической природой полупроводникового материала И это, видимо, единственное, за что серое олово можно помянуть добрым словом: вреда оно принесло больше, чем пользы. Мы еще вернемся к этой разновидности эле мента № 50 после рассказа о еще одной большой и важной группе соединений олова.
Об оловоорганике
Элементоорганических соединений, в состав которых входит олово, известно великое множество. Первое из них получено еще в 1852 г.
Сначала вещества этого класса получали лишь одним способом - в обменной реакции между неорганическими соединениями олова и реактивами Гриньяра. Вот пример такой реакции:
SnCl 4 + 4RMgX → SnR 4 + 4MgXCl (R здесь - углеводородный радикал, X - галоген).
Соединения состава SnR4 широкого практического при-менения не нашли. Но именно из них получены другие оловоорганические вещества, польза которых несомненна.
Впервые интерес к оловоорганнке возник в годы первой мировой войны. Почти все органические соединения олова, полученные к тому времени, были токсичны. В качестве отравляющих веществ эти соединения не были использованы, их токсичностью для насекомых, плесневых грибков, вредных микробов воспользовались позже. На основе ацетата трифенилолова (C 6 H 5) 3 SnOOCCH 3 был создан эффективный препарат для борьбы с грибковыми заболеваниями картофеля и сахарной свеклы. У этого препарата оказалось еще одно полезное свойство: он стимулировал рост и развитие растений.
Для борьбы с грибками, развивающимися в аппаратах целлюлозно-бумажной промышленности, применяют другое вещество - гидроокись трибутилолова (С 4 Н 9)зSnОН. Это намного повышает производительность аппаратуры.
Много «профессий» у дилаурината дибутилолова (C 4 H 9) 2 Sn(OCOC 11 H 23) 2 . Его используют в ветеринарной практике как средство против гельминтов (глистов). Это же вещество широко применяют в химической промышленности как стабилизатор поливинилхлорида и других полимерных материалов и как катализатор. Скорость
реакции образования уретанов (мономеры полиуретановых каучуков) в присутствии такого катализатора возрастает в 37 тыс. раз.
На основе оловоорганических соединений созданы эффективные инсектициды; оловоорганические стекла надежно защищают от рентгеновского облучения, полимерными свинец- и оловоорганическими красками покрывают подводные части кораблей, чтобы на них не нарастали моллюски.
Все это соединения четырехвалентного олова. Ограниченные рамки статьи не позволяют рассказать о многих других полезных веществах этого класса.
Органические соединения двухвалентного олова, напротив, немногочисленны и практического применения пока почти не находят.
О сером олове
Морозной зимой 1916 г. партия олова была отправлена по железной дороге с Дальнего Востока в европейскую часть России. Но на место прибыли не серебристобелые слитки, а преимущественно мелкий серый порошок.
За четыре года до этого произошла катастрофа с экспедицией полярного исследователя Роберта Скотта. Экспедиция, направлявшаяся к Южному полюсу, осталась без топлива: оно вытекло из железных сосудов сквозь швы, пропаянные оловом.
Примерно в те же годы к известному русскому химику В. В. Марковникову обратились из интендантства с просьбой объяснить, что происходит с лужеными чайниками, которыми снабжали русскую армию. Чайник, который принесли в лабораторию в качестве наглядного примера, был покрыт серыми пятнами и наростами, которые осыпались даже при легком постукивании рукой. Анализ показал, что и пыль, и наросты состояли только из олова, без каких бы то ни было примесей.
Что же происходило с металлом во всех этих случаях?
Как и многие другие элементы, олово имеет несколько аллотропических модификаций, несколько состояний. (Слово «аллотропия» переводится с греческого как «другое свойство», «другой поворот».) При нормальной плюсовой температуре олово выглядит так, что никто не может усомниться в принадлежности его к классу металлов.
Белый металл, пластичный, ковкий. Кристаллы белого олова (его называют еще бета-оловом) тетрагональные. Длина ребер элементарной кристаллической решетки - 5,82 и 3,18 А. Но при температуре ниже 13,2° С «нормальное» состояние олова иное. Едва достигнут этот температурный порог, в кристаллической структуре оловянного слитка начинается перестройка. Белое олово превращается в порошкообразное серое, или альфа-олово, и чем ниже температура, тем больше скорость этого превращения. Максимума она достигает при минус 39° С.
Кристаллы серого олова кубической конфигурации; размеры их элементарных ячеек больше - длина ребра 6,49 А. Поэтому плотность серого олова заметно меньше, чем белого: 5,76 и 7,3 г/см3 соответственно.
Результат превращения белого олова в серое иногда называют «оловянной чумой». Пятна и наросты на армейских чайниках, вагоны с оловянной пылью, швы, ставшие проницаемыми для жидкости,- следствия этой «болезни».
Почему сейчас не случаются подобные истории? Только по одной причине: оловянную чуму научились «лечить». Выяснена ее физико-химическая природа, установлено, как влияют на восприимчивость металла к «чуме» те или иные добавки. Оказалось, что алюминий и цинк способствуют этому процессу, а висмут, свинец и сурьма, напротив, противодействуют ему.
Кроме белого и серого олова, обнаружена еще одна аллотропическая модификация элемента № 50 - гамма-олово, устойчивое при температуре выше 161° С. Отличительная черта такого олова - хрупкость. Как и все металлы, с ростом температуры олово становится пластичнее, но только при температуре ниже 161° С. Затем оно полностью утрачивает пластичность, превращаясь в гамма- олово, и становится настолько хрупким, что его можно истолочь в порошок.
Еще раз о дефиците метела
Часто статьи об элементах заканчиваются рассуждениями автора о будущем своего «героя». Как правило, рисуется оно в розовом свете. Автор статьи об олове лишен этой возможности: будущее олова - металла, несомненно, Полезнейшего - неясно. Неясно только по одной причине.
Несколько лет пазад американское Горное бюро опубликовало расчеты, из которых следовало, что разведанных запасов элемента № 50 хватит миру самое большее на 35 лет. Правда, уже после этого было найдено несколько новых месторождений, в том числе крупнейшее в Европе, расположенное на территории Польской Народной Республики. И тем не менее дефицит олова продолжает тревожить специалистов.
Поэтому, заканчивая рассказ об элементе № 50, мы хотим еще раз напомнить о необходимости экономить и беречь олово.
Нехватка этого металла волновала даже классиков литературы. Помните у Андерсена? «Двадцать четыре солдатика были совершенно одинаковые, а двадцать пятый солдатик был одноногий. Его отливали последним, и олова немного не хватило». Теперь олова не хватает не немного. Недаром даже двуногие оловянные солдатики стали редкостью - чаще встречаются пластмассовые. Но при всем уважении к полимерам заменить олово они могут далеко не всегда.
ИЗОТОПЫ. Олово - один из самых «многоизотопных» элементов: природное олово состоит из десяти изотопов с массовыми числами 112, 114-120, 122 п 124. Самый распространенный из них i20Sn, на его долю приходится около 33% всего земного олова. Почти в 100 раз меньше олова-115- самого редкого изотопа элемента № 50.
Еще 15 изотопов олова с массовыми числами 108-111, 113, 121, 123, 125-132 получены искусственно. Время жизни этих изотопов далеко не одинаково. Так, олово-123 имеет период полураспада 136 дней, а олово-132 всего 2,2 минуты.
ПОЧЕМУ БРОНЗУ НАЗВАЛИ БРОНЗОЙ? Слово «бронза» почти одинаково звучит на многих европейских языках. Его происхождение связывают с названием небольшого итальянского порта на берегу Адриатического моря - Бриндизи. Именно через этот порт доставляли бронзу в Европу в старину, и в древнем Риме этот сплав называли «эс бриндиси»- медь из Бриндизи.
В ЧЕСТЬ ИЗОБРЕТАТЕЛЯ. Латинское слово frictio означает «трение». Отсюда название антифрикционных материалов, то есть материалов «против трепия». Они мало истираются, отличаются мягкостью и тягучестью. Главное их применение - изготовление подшипниковых вкладышей. Первый антифрикционный сплав на основе олова и свинца предложил в 1839 г. инженер Баббит. Отсюда название большой и очень важной группы антифрикционных сплавов - баббитов.
jKECTb ДЛЯ КОНСЕРВИРОВАНИЯ. Способ длительного сохранения пищевых продуктов консервированием в банках из белой жести, покрытой оловом, первым предложил французский повар ф. Аппер в 1809 г.
СО ДНА ОКЕАНА. В 1976 г. начало работать необычное предприятие, которое сокращенно называют РЭП. Расшифровывается это так: разведочно-эксплуатационное предприятие. Оно размещается в основном на кораблях. За Полярным кругом, в море Лаптевых, в районе Ванькиной губы РЭП добывает с морского дна оловоносный песок. Здесь же, на борту одного из судов, работает обогатительная фабрика.
МИРОВОЕ ПРОИЗВОДСТВО. По американским данным, мировое производство олова в конце прошлого века составляло 174-180 тыс. т.
Олово - один из первых металлов, который стал известен человеку. И вот уже не первое тысячелетие олово и его сплавы, благодаря своим свойствам, активно применяются в разных сферах жизнедеятельности человека.
Олово и его сплавы
В периодической системе Менделеева, легкий металл - олово, обозначается символом - Sn. Это вещество серебристо - белого цвета, легкоплавкое из-за невысокой температуры плавления. Его легко можно раскатать в тонкий слой фольги из-за тягучести и пластичности. Данное вещество стойкое к воде и некоторым кислотам. Эти свойства позволяют использовать олово для производства многих изделий.
Данный металл не окисляется при нормальных температурах, это позволяет применять его для разных защитных покрытий. Но как самостоятельный металл - олово, применяется не так часто, как его сплавы. Это обуславливается тем, что последние могут иметь свойства на порядок лучше, чем чистые металлы, которые образовывают этот сплав. Соединение олова и меди называется бронзой. Это один из самых часто применяемых сплавов олова.
Сфера применения олова
Чаще всего олово используется как защитное покрытие. Более 40 % всего олова идет на производство тары из белой жести, а точнее для ее лужения. Это процесс нанесение данного металла на поверхность металлического изделия для защиты от коррозии. Антикоррозийные свойства олова также позволили применять его для изготовления труб. Лёгкий металл применяют и в стоматологии, для производства зубных пломб. Оловянной посудой пользовались даже в древние времена, так как уже тогда знали о ее нержавеющих свойствах. Но так как этот металл был дорогим, такая посуда так и не стала популярной в быту.
Области применения сплавов олова
Как было сказано ранее, сплавы более популярны, чем само олово. Их существует более десяти тысяч. Ежегодно промышленность потребляет огромные запасы сплавов. Но для чего? Дополнительные, полезные при производстве изделий, свойства позволяют использовать сплавы во многих областях.
Области применения сплавов олова :
- Производство припоев. Ни одна промышленность не может обойтись без припоев. Для производства припоев используют славы олова с кадмием, свинцом и висмутом. Их применяют для припаивания разных деталей и заготовок, так как такие сплавы прочные и легкоплавкие.
- Типография. Если в сплав свинца и олова добавить сурьму - получим материал, который применяется для создания шрифтов для типографии.
- Автомобильная промышленность, самолетостроение. Из сплава олова, меди, свинца и сурьми (баббита) изготавливают подшипники различных размеров и разные детали для авто и самолетов. Сплав - баббит характеризируется хорошей износостойкостью.
- Декоративно - прикладное искусство. Сплав олова и меди - бронзу применяют для создания разных скульптур и памятников. Бронза не подвергается влиянию факторов внешней среды, и поэтому считается долговечным материалом, который отлично подходит для таких целей.
- Судостроение, приборостроение. Сплавы олова из-за своих антикоррозийных свойств и механической стойкости отлично подходят для производства деталей, которые не должны быстро изнашиваться и терять способность выполнять свои функции.
Несомненно, олово и его многочисленные сплавы имеют весьма обширные области и сферы применения. Использование в медицине, автомобильной промышленности, судостроении, приборостроении, авиации, декоративно - прикладном искусстве делают олово и оловянные сплавы одними из самых важных элементов в деятельности человека.
