Олово является химическим элементом периодической таблицы Д.И. Менделеева с атомным номером 50 и условным обозначением Sn. В свободном виде олово представляет собой серебристо-белый, блестящий и очень мягкий тяжелый металл, который имеет очень низкую температуру плавления.
Открытие
История такого химического элемента как олово начинается задолго до исторического отсчета. Добыча и использование олова могут быть датированы началом бронзового века около 3000 года до Нашей Эры, когда было замечено, что медные предметы, образованные из полиметаллических руд с различным содержанием металла, имели различные физические свойства. Самые ранние бронзовые предметы имели содержание олова или мышьяка менее 2 % и, как полагают, являются результатом непреднамеренного легирования из-за содержания следов металла в медной руде. Добавление второго металла к меди увеличивает ее твердость, снижает температуру плавления и улучшает процесс литья, производя более жидкий расплав, который остывает до более плотного, менее губчатого металла. Это было важное открытие, которое позволило отливать гораздо более сложные формы в закрытых формах бронзового века. Изделия из мышьяковой бронзы впервые появились на Ближнем Востоке, где мышьяк обычно встречается вместе с медной рудой, но риски для здоровья были быстро осознаны, и поиск источников гораздо менее опасных оловянных руд начался в начале бронзового века. Это создало спрос на редкий металл олово и сформировало торговую сеть, которая связала отдаленные источники олова с рынками культур бронзового века.
Касситерит (SnO2), оксидная форма олова, скорее всего является главным исходным источником олова. Другие оловянные руды представляют собой менее распространённые сульфиды, такие как станнит, которые требуют более сложного процесса плавки. Касситерит часто накапливается в аллювиальных каналах в виде россыпных отложений, поскольку он твёрже, тяжелее и химически более устойчив, чем сопутствующий гранит. Касситерит обычно имеет чёрный или тёмный цвет, и эти отложения можно легко увидеть на берегах рек. Россыпные отложения могли попутно собираться и отделяться методами, аналогичными промывке золота. Чистое олово получено не ранее XII века, о нём упоминает в своих трудах Р. Бэкон. До этого олово всегда содержало переменное количество свинца. Хлорид SnCl4 впервые получил А. Либавий в 1597 г. Аллотропию олова и явление «оловянной чумы» объяснил Э. Коген в 1911 году.
Характеристики
| Физические характеристики | |
|---|---|
| Состояние при Н.У. | Твердое |
| Температура плавления | 231,93 ° С |
| Точка кипения | 2620 °С |
| Плотность при Н.У. | 6,99 г/см 3 |
| Твердость по шкале Мооса | 1.5 |
| Критическая точка | — |
| Мол. теплота плавления | 7,19 кДж/моль |
| Мол. теплота испарения | 296 кДж/моль |
| Мол. теплоемкость | 27,11 Дж/(моль·К) |
| Молярный объем | 16,29 см 3 ·моль -1 |
| Химические характеристики | |
|---|---|
| Атомный номер(Z) | 50 |
| Атомная масса | 118,710 |
| Электронная конфигурация | 4d105s25p2 |
| Радиус атома | 162 пм |
| Ковалентный радиус | 141 пм |
| Степени окисления | +2, +4 |
| Радиус иона | 71 пм |
| Электроотрицательность | 1,96 (шкала Полинга) |
| Энергия ионизации | 708,2 кДж/моль |
| Изотопы | ¹¹²Sn; ¹¹³Sn; ¹¹⁴Sn; ¹¹⁵Sn; ¹¹⁶Sn; ¹¹⁷Sn; ¹¹⁸Sn; ¹¹⁹Sn; ¹²⁰Sn; ¹²¹Sn; ¹²²Sn; ¹²³Sn; ¹²⁴Sn; ¹²⁶Sn |
Добыча и производство
Первичные месторождения олова включают грейзены, гидротермальные жилы, скарны и вулканогенно-эксгаляционные месторождения (VHMS). Поскольку экономически наиболее важный минерал олова, касситерит SnO2, также называемый оловянным камнем, является очень стабильным тяжелым минералом, большая часть производства олова также поступает из вторичных россыпных месторождений. В некоторых первичных месторождениях сульфидный минерал станнин Cu2FeSnS4 так же является важным для производства олова. В первичных месторождениях олова этот элемент часто встречается в ассоциации с мышьяком, вольфрамом, висмутом, серебром, цинком, медью и литием.
Для извлечения олова руду сначала измельчают, а затем обогащают различными способами (шламование, электро- и магнитная сепарация). После восстановления углеродом олово нагревают до температуры, немного превышающей температуру плавления, чтобы оно могло вытекать без примесей с более высокой температурой плавления. Сегодня значительная его часть извлекается путём вторичной переработки и самым распространенным методом является электролиз. Он присутствует в континентальной коре в концентрации около 2,3 частей на миллион.
Сам процесс получения олова заключается в карботермическом восстановлении оксидной руды углеродом или коксом. Для этого могут использоваться как отражательные, так и электрические печи:
SnO2 + C → Sn + CO2↑
Текущие запасы олова оцениваются в 4,7 млн тонн, а годовое производство в 2015 году составило 289 000 тонн. Более 80 % производства в настоящее время поступает из россыпных месторождений вдоль рек и в прибрежных районах, в основном из региона, начинающегося в центральном Китае через Таиланд в Индонезию. Крупнейшие месторождения олова в мире были обнаружены в 1876 году в долине Кинта (Малайзия). На сегодняшний день там добыто около 2 миллионов тонн. Материал в аллювиальных отложениях имеет содержание металла около 5 %. Процесс плавки используется только после различных стадий для его концентрации примерно до 75%. Крупнейшей страной-производителем олова является Китай, за которым следуют Индонезия и Мьянма. В Европе крупнейшим производителем в 2009 году была Португалия, где олово добывается в качестве побочного продукта на месторождении массивных сульфидов вулканического происхождения Невеш-Корву.
Применение
Применение олова является достаточно обширным. Только немного менее половины всего произведённого олова обычно используется в припоях. Остальное распределяется между лужением, производством оловянных химикатов, латунных и бронзовых сплавов, а также другими узкоспециализированными применениями.
Олово долгое время использовалось в сплавах со свинцом в качестве припоя в количестве от 5 до 70% мас./мас. Олово со свинцом образует эвтектическую смесь при весовой пропорции 61,9% олова и 38,1% свинца (атомная пропорция: 73,9% олова и 26,1% свинца), с температурой плавления 183 °C (361,4 °F). Такие припои в основном используются для соединения труб или электрических цепей.
Хотя воздействие свинца связано с серьезными проблемами для здоровья, бессвинцовый припой не лишен своих проблем, включая более высокую температуру плавления и образование оловянных усов, которые вызывают электрические проблемы. В бессвинцовых припоях может появиться так называемая оловянная чума, что приведет к потере паяного соединения. Находятся новые сплавы, но проблемы с целостностью соединений остаются. Обычный сплав без свинца состоит из 99% олова, 0,7% меди и 0,3% серебра, с температурой плавления 217 °C.
Олово легко соединяется с железом и используется для покрытия свинца, цинка и стали для предотвращения коррозии. Луженые стальные контейнеры широко используются для консервирования продуктов питания, составляя значительную часть рынка металлического олова. Жестяная банка для консервирования продуктов была впервые изготовлена в Лондоне в 1812 году. Медные сосуды для приготовления пищи, такие как кастрюли и сковороды, часто покрываются тонким слоем олова, нанесенным гальваническим способом или традиционными химическими методами, поскольку использование медной посуды с кислыми продуктами может быть токсичным.
Олово в сочетании с другими элементами образует широкий спектр полезных сплавов. Чаще всего олово сплавляют с медью. Пьютер на 85–99% состоит из олова, а подшипниковый металл также имеет высокий процент олова. Бронза в основном состоит из меди с 12% олова, а добавление фосфора дает фосфористую бронзу. Колокольный металл также представляет собой сплав меди и олова, содержащий около 22% олова. Соединение ниобия и олова Nb3Sn коммерчески используется в катушках сверхпроводящих магнитов благодаря своей высокой критической температуре (18 К) и критическому магнитному полю (25 Тл ). Сверхпроводящий магнит весом всего два килограмма способен создавать магнитное поле, сравнимое с полем обычного электромагнита весом в несколько тонн.
Небольшой процент олова добавляется в циркониевые сплавы для оболочки ядерного топлива. Большинство металлических труб духового органа изготовлены из сплава олова и свинца, наиболее распространённое соотношение – 50/50. Соотношение олова в трубе определяет её тембр, поскольку олово обладает желаемым тональным резонансом. При охлаждении сплава олова и свинца сначала затвердевает свинцовая фаза, а затем, при достижении эвтектической температуры, оставшаяся жидкость образует слоистую эвтектическую структуру олова и свинца. Этот металлический сплав называется пятнистым металлом. Основные преимущества использования олова для труб включают его внешний вид, обрабатываемость и устойчивость к коррозии.
Соединения олова используются в производстве различных химикатов, включая стабилизаторы для ПВХ и катализаторы для промышленных процессов. Олово в виде слитков служит сырьем, необходимым для этих химических реакций, обеспечивая стабильное качество и производительность. Оксиды индия и олова электропроводны и прозрачны, поэтому их используют для изготовления прозрачных электропроводящих пленок, применяемых в оптоэлектронных устройствах, таких как жидкокристаллические дисплеи. Оно так же используется в качестве отрицательного электрода в современных литий-ионных аккумуляторах. Его применение несколько ограничено тем, что некоторые оловянные поверхности катализируют разложение карбонатных электролитов, используемых в литий-ионных аккумуляторах.
Фторид олова (II) добавляют в некоторые средства по уходу за зубами в виде фторида олова (SnF2). Фторид олова (II) можно смешивать с кальциевыми абразивами, в то время как более распространённый фторид натрия постепенно становится биологически неактивным в присутствии соединений кальция. Также было показано, что он более эффективен, чем фторид натрия, в контроле гингивита. Олово используется в качестве мишени для создания лазерно-индуцированной плазмы, которая действует как источник света для литографии в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне.
Безопасность
Случаи отравления металлическим оловом, его оксидами и солями практически неизвестны. С другой стороны, некоторые оловоорганические соединения почти так же токсичны, как цианид. Воздействие олова на рабочем месте может происходить через дыхательные пути, кожу и глаза. Управление по охране труда США (OSHA) установило допустимый предел воздействия олова на рабочем месте в 2 мг/м³ в течение 8-часового рабочего дня. Национальный институт охраны труда (NIOSH) определил рекомендуемый предел воздействия (REL) в 2 мг/м³ в течение 8-часового рабочего дня. При концентрации 100 мг/м³ олово представляет непосредственную опасность для жизни и здоровья