Химический элемент олово (Sn) - свойства, получение и применение металла

Общее описание

Люди начали добывать руду металла еще в IV веке до нашей эры. Древние греческие и римские предметы изготавливались из оловянистой бронзы, которая была в обиходе в те времена. Сплавы содержали также примесь свинца и меди, а чистый металл научились получать только в VII веке.

Редкий элемент занимает 46-е место по распространенности в коре земли. Он залегает в виде касситерита, в массе которого содержится до 78% олова. Реже встречается оловянный колчедан с примесью меди и железа. Олово относится к группе амфотерных веществ. Элемент способен к проявлению основных и кислотных характеристик.

Металл образует отдельные кварц-касситеритовые жилы благодаря тесной связи кислородных соединений олова с ангидритами гранита. Щелочные свойства проявляются в образовании различных соединений сульфидов, вплоть до возникновения интерметаллических слияний и самородного сплава олова в основных породах.

Белое и серое олово

Различают несколько аллотропных модификаций олова. В обычных условиях существует белое олово, которое является устойчивым при температуре свыше +13,3˚С. Это мягкий металл, образующий кристаллы с элементарными ячейками, где два одинаковых вектора и третий отличный от них располагаются строго перпендикулярно друг другу. Характерный хруст слышится при сгибании прутка. Звук возникает при трении кристаллов.

Охлаждение вещества ведет к образованию серого олова. При этом возникают кубические кристаллы, отличающиеся алмазной структурой. Ионизирующее излучение также способствует переходу из одной модификации в другую и кристаллизации по карбонатному типу.

Трансформация структуры ведет к следующим изменениям:

• удельный объем увеличивается;
• плотность олова уменьшается;
• металл становится порошкообразным.

Электрофизические свойства двух вариаций разнятся из-за отличия структурных решеток и валентности. Белое олово относится к группе металлов, а серое получает характеристики ковалентного кристалла алмазной структуры. Соприкосновение двух модификаций ведет к ускорению электронного фазового перехода, так как зарождаются новые формы кристаллов. Такое явление получило наименование оловянной чумы. Используется стабилизатор (например, висмут) для предотвращения этого процесса. Катализатор гексахлорстаннат аммония, наоборот, ускоряет переход.

Изотопы элемента

Олово в природе содержит 10 неизменных нуклидов с определенным суммарным числом нейтронов, протонов и электронов в молекуле. Атомный заряд также является постоянным и соответствует порядковому номеру элемента в таблице Менделеева в химии.

Массовые числа нуклидов с изменением содержания в массе:

1. 112 — 0,96% в смеси.
2. 114 — 0,66%.
3. 115 — 0,35%.
4. 116 — 14,3%.
5. 117 — 7,61%.
6. 118 — 24,03%.
7. 119 — 8,58%.
8. 120 — 32,85%.
9. 122 — 4,72%.
10. 124 — 5,94%.

Некоторые элементы могут подвергаться энергетическому двойному распаду, но такое явление до сегодняшнего дня не наблюдалось из-за величины теоретического времени распада, равного 10²⁰ лет. У олова выделяется самое большее количество стабильных изотопов. Они заполняют протонную капсулу и увеличивают устойчивость ядра.

Свойства металла

Олово относится к безопасным для человека веществам. В организм человека оно ежедневно попадает с пищей в минимальных пропорциях (0,25−3,4 мг). В теле содержится около (1−2)^.10^-4% металла. Самая высокая концентрация выявляется в кишечнике. Регулярное вдыхание паров или воздушных частиц может нанести вред и привести к легочным заболеваниям. Людям, работающим с органическими сплавами олова, рекомендуется надевать защитные костюмы.

Причиной отравления может стать употребление старых консервов, в которых органические продукты реагируют с внутренним покрытием из олова, происходит окисление, при этом выделяется оловянистый водород. Роль вещества в организме человека практически не изучена. Металлическое олово считается нетоксичным для человека, поэтому применяется для покрытия жестяных тар для продуктов.

Физические характеристики

Плотность металла в твердой фракции при обычной температуре (+ 20−22˚С) составляет 7,3 г/см³, повышение показателей до температуры плавления олова (+231,8˚С) снижает плотность жидкого металла до 6,97 г/см³. Процесс кипения начинается в условиях температуры +2615˚С.

Другие факты:

1. Показатель линейного расширения составляет 1,99^.10^-5 К^-1 (при 0˚С), а при температуре +100˚С равняется 2,38^.10^-5 К^-1.
2. Удельная теплоемкость твердого вещества в обычном состоянии — 225 Дж/кг^.К, а в жидком —в пределах 269 Дж/кг^.К.
3. Молярная теплоемкость белого олова — 27,1Дж/моль^.К, серой модификации — 25,8 Дж/моль^.К.
4. Показатель плавления составляет 7,2 кДж/моль.
5. Для испарения требуется 296 кДж/моль.
6. Удельное сопротивление электричеству — 0,115−0,128 мкОм^.м в условиях температуры +25˚С.

Упругость материала снижается при повышении температуры, при 0˚С модуль равен 55 Гпа, а при +100˚С — 48 Гпа. Временное сопротивление на разрыв равняется 20 Мпа, относительное удлинение при этом составляет 40%. Модуль сдвига находится в пределах 16,9−8,2 Гпа.

Химические показатели

Металл проявляет устойчивость к действию окружающего воздуха или влаги в условиях комнатной температуры. Инертность материала объясняется появлением оксидной пленки на поверхности. Олово начинает окисляться на воздухе при увеличении температуры свыше +150˚С. Металл обладает двумя окислительными степенями, +2 и +4. Первая имеет меньшую устойчивость.

Формулы характерных химических реакций:

1. Холодная азотистая кислота реагирует с оловом, формула следующая: 4 Sn + 10 HNO 3 = NH 4 NO 3 + 4 Sn (NO 3) 2 + 3 H 2 O).
2. В случае нагревания с концентрированной формой HN О 3 используется свойство окисления олова, при этом выделяется осадок с переменной гидратацией — 3 Sn + n H 2 O + 4 HNO 3 = 4 NO + 3 H 2 S n O 3 ^. n H 2 O.
3. Нагревание олова в насыщенном щелочном растворе имеет обозначение по формуле 2 KOH + Sn + 4 H 2 O = 2 H 2 + K 2 (Sn (OH) 6).

Галогенные металлы дают сплавы с содержанием SnX 2 и SnX 4. Первые представляют собой солеобразные растворы с ионами, вторые подлежат водной гидролизации, но могут растворяться в органических жидкостях неполярного типа. При соединении с сухим хлором продуцируется тетрахлорид, который представляет собой жидкость без цвета, растворяющую йод, серу.

Этапы производства

При получении олова рудная порода касситерит дробится в мельницах до появления частиц размером около 1 см. Следующий этап — отделение вещества от пустой породы путем вибрации на гравитационных столах. Затем используется метод очистки и обогащения руды для повышения олова в составе до 45−72%.

Последующий обжиг удаляет мышьяк и серу, а полученный концентрат поступает на обжиг в печи. В жерле древесный уголь укладывается вперемежку с образцами руды и алюминием. Чистый металл полупроводниковой чистоты получают способом расплавления твердых веществ или методом очистки под действием электролиза.

Основные месторождения находятся на юго-востоке Азии и Китае, крупные добычи находятся в Австралии и Америке. Россия славится залежами олова в Хабаровском и Приморском крае, Чукотском АО, Якутии и других регионах.

Нахождение в природе

Чаще всего олово содержится в горных породах в виде рассеянных форм. Но в кислых образованиях руда встречается в виде минеральных вкраплений и залежей касситерита, который является интересным для производства в промышленных масштабах.

Формы содержания вещества в природе:

• минеральные вкрапления;
• окисные соединения;
• коллоидные формы;
• жидкие фазы.

Рассеянные залежи не отличаются конкретной формой содержания. Наблюдается изоморфно разбросанные сульфидные и кислородные сращения. На месторождениях первого вида олово представлено сфалеритами, халькопиритами, пиритами. В результате распада возникают элементы тилита и других минеральных веществ. В России изоморфные рассеивания обнаруживаются в Приморье, например, в Дубровском и Смирновском месторождении.

Минеральные формы

В группу входят самородки и сплавы интерметаллических образований. Концентрации в почве являются низкими, но такие залежи сконцентрированы на широких площадях. Вместе с оловом обнаруживается руда меди, алюминия, железа, не считая характерных самородков серебра, золота и платиноидов.

Эти же элементы участвуют в образовании сплавов олова:

• атакит;
• стистаит;
• звягинцевит;
• штурмылит.

Приведенные образования встречаются в интрузивных породах магния, например, пикритах и траппах в области Сибирской платформы. Габброиды и гипербазиты располагаются в грунтах Камчатки. Гидротермальные и метасоматические породы находятся в составе никелевых и медных руд в бассейнах Урала, Узбекистана, Кавказа. Пелагические осадочные соединения являются результатом Большого Толбачинского извержения.

Окисные соединения

Наиболее распространены в природе в форме касситеритов (Sn O 2), являющихся оксидами олова. Гамма-резонансное исследование показывает присутствие Sn⁺⁴. Соединения включают до 78% олова в форме сплошных вкраплений с отдельными зернами минерала величиной 3−5 мм.

Встречаются формы касситеритов:

1. Гидроокисные сплавы представлены в природе осадками полиоловянной кислоты. К ним относят сукулаиты, варламовиты, гидромартиты, гидростаннаты.
2. Силикаты находятся в форме малаяитов, стоказитов, пабститов. Первый вид минералов встречается в больших масштабах.
3. Сульфидные образования металла представлены серой в сочетании с оловом и являются второй по значению группой для промышленных разработок. Более сложные соединения имеют в составе медь, свинец. В породах чаще других встречаются халькопириты.
4. Станнины имеют второе название оловянного колчедана. Минералы широко добываются в Якутии и Приморье. Во многих случаях представляет основу для образования халькопирита.

Касситериты являются отличным материалом для получения чистого олова. В России добываются в Забайкалье, разрабатываются в районах Средней Азии. Мировые бассейны располагаются в Таиланде, Боливии, Малайзии, Китае, Индонезии, Нигерии.

Коллоидные формирования

Кремниево-коллоидные виды играют большую роль в геохимических процессах, хотя их детальное изучение не проводилось. Соединения относятся к вязкой форме выражения коломорфных касситеритов, которые подвергаются кристаллическим преобразованиям. Обнаружена сильная растворимость олова в кремниево-хлористых составах.

Анализ характеристик соединений и их похожесть на Si (OH) 4 показывает способность к получению высокомолекулярного материала (полимера) методом присоединения олигомеров и мономеров к активным молекулам. В результате возникает соединение с замещением анионами хлора и фтора группы ОН. Полимеризация вызывает образование дисперсного геля. Такая форма относится к промежуточным этапам при выделении осадка из гидротермальных веществ.

Жидкая фаза

В газовых и жидких образованиях горных пород выявляются касситериты в категории заключенных минералов. Природные растворы с включением олова почти не анализировались, информация получена после экспериментальных методов исследования.

Виды содержания олова в природных жидкостях делятся на категории:

1. Ионные соединения. Их строение изучалось с точки зрения валентных сцеплений и стереохимических сочетаний. Выделяются подкатегории ионов, галогенидов, гидроксильных и сульфидных образований.
2. Комплексные формирования. Получаются в результате травления касситеритов в среде с высокой концентрацией фтора или хлора.

Редко встречаются олово — кремниевые и дисперсные гелевые вкрапления в жидкой природной среде. Фундаментом этих форм являются минеральные материалы. Соединения проявляют свойства слабых оснований в кислых породах.