Для чего нужно олово. Олово: свойства, интересные факты, применение

Ресурсы олова, расположенные в основном в таких регионах, как Западная Африка, Юго-Восточная Азия, Австралия, Боливия, Бразилия, Индонезия и Россия, обширны, и их разработка может поддерживать текущие уровни добычи в следующие десятилетия, обеспечивая устойчивый поток этого ценного металла.

Олово: свойства, интересные факты, применение

Олово — это лёгкий цветной металл, который представляет собой простое неорганическое соединение. В периодической таблице элементов оно обозначается символом Sn, что происходит от латинского «stannum» — что в переводе означает «прочный» и «стойкий». Изначально данный термин обозначал сплав свинца и серебра, но позже им начали называть исключительно чистое олово. Слово «олово» происходит от славянских языков и переводится как «белый металл».

Этот металл считается утилизированным элементом, так как является не самым широко распространённым в земной коре. Олово в природе обычно встречается в различных минералах. Основные источники для промышленной добычи — это касситерит (оловянный камень) и станнин (оловянный колчедан). В процессе производства олово извлекается из руд, содержащих, как правило, менее 0,1 процента этого элемента.

Свойства олова

Олово — лёгкий, мягкий и пластичный металл с серебристо-белым цветом. Он имеет три основные структурные модификации: α-олово (серое олово), которое переходит в β-олово (белое олово) при температуре +13,2 °C, и в γ-олово при t +161 °C. Эти модификации существенно различаются по своим физическим и химическим свойствам. Например, α-олово является серым порошком и может быть отнесено к полупроводникам, тогда как β-олово (белое при комнатной температуре) — это ковкий, сияющий металл, а γ-олово — это хрупкий белый металл.

В химических реакциях олово демонстрирует полиморфизм, что подразумевает наличие как кислотных, так и основных свойств. Этот металл проявляет достаточную инертность в контакте с воздухом и водой, так как быстро покрывается прочной оксидной плёнкой, которая защищает его от коррозии.

Олово активно вступает в реакции с неметаллами, хотя с концентрированными серной и соляной кислотами взаимодействует с трудом, а в разбавленном виде практически не реагирует. При взаимодействии с концентрированной и разбавленной азотной кислотой олово ведет себя по-разному: в первом случае образуется оловянная кислота, а во втором — нитрат олова. С основами олово реагирует лишь при нагревании, а с кислородом формирует два оксида со степенью окисления 2 и 4. Олово также служит основой для целого ряда оловоорганических соединений.

История открытия олова

Олово известно человеку уже с IV тысячелетия до нашей эры, но широкую популярность этот металл завоевал только к концу III тысячелетия до н. э., в эпоху бронзового века. Будучи одной из составляющих оловянной бронзы (наряду с медью), олово стало стратегически важным металлом, применяемым в различных сферах, начиная с производства доспехов и оружия и заканчивая изготовлением украшений и посуды. Считается, что именно бронзовый сплав — комбинация олова и меди — стал первым искусственным металлом, который получило человечество.

Латинское название олова, «stannum», что переводится как «прочный», применялось для обозначения оловянных сплавов в течение долгого времени, и только к IV веку н. э. было ассоциировано с самим элементом Sn.

Хотя история использования олова огромна, чистый металл был впервые выделен учеными только в XIII веке. Сообщается, что до этого времени металл содержал даже значительное количество примесей свинца. Первые упоминания о чистом олове встречаются в трудах Роджера Бэкона (1214-1292), английского философа и натуралиста.

Кроме того, термины «оловянная чума» знаменитая в историческом контексте, вызывают интерес и обсуждения. Этот феномен наблюдался после того, как мастера научились очищать олово для создания ювелирных украшений и посуды. Металл под воздействием низких температур подвергался разрушению: появляется серый налёт на поверхности, который постепенно увеличивается, пока металл не превращается в порошок. Учёные того времени окрестили это явление оловянной чумой.

Лишь в начале ХХ века стало известно, что причина оловянной чумы связана с изменением кристаллической структуры. При температуре ниже +13,2 °C олово в β-форме превращается обратно в α-олово, ведя к его разрушению и рассыпанию.

Читайте ещё: Кабель ВВГнг-LS: расшифровка, характеристики, особенности применения

Существует мнение, что оловянная чума могла стать одним из факторов, повлиявших на трагические события, приведшие к гибели полярников в марте 1912 года из экспедиции «Терра Нова» под руководством Роберта Скотта. Британские исследователи оставляли запасы еды и топлива на своем пути к Южному полюсу, однако по возвращении к этим точкам они обнаруживали пустые контейнеры. В то время пайку швов производили чистым оловом, и в условиях низких температур это приводило к протечкам канистр.

Есть также любопытные истории о оловянных пуговицах, которые использовались армией Наполеона и превращались в пыль при низких температурах.

Потребление

Хоть чистое олово и обладает низкой механической прочностью, оно используется не так уж часто. Однако металл прекрасно сочетает с разными другими металлами, формируя устойчивые сплавы. Такие оловосодержащие сплавы обладают хорошими антифрикционными характеристиками. Олово применяют для производства припоев, баббитов и многих других сплавов, его также используют для создания белой жести, флоат-стекла и в полупроводниковой технике. В качестве замены олову могут использоваться алюминий, стекло, бумага, пластик или сталь без содержания данного металла, которые зачастую находят применение в производстве банок и контейнеров.

В последние годы потребление олова варьируется от 360 до 400 тысяч тонн в год, и основным потребителем является Китай, который использует около 40% от общего объёма необработанного олова в мире.

Сферы промышленного использования олова включают:

припои для электроники (46%);
химическую промышленность (19%);
белую жесть (луженое железо) для упаковки продуктов питания (12%);
производство свинцово-кислотных аккумуляторов (10%);
сплавы (5%), в которых олово часто используется в бронзе в качестве основного компонента для легирования.

Распространённость в природе

Конфигурация внешней электронной оболочки атома олова представлена как 5s² 5p², и в соединениях олово обычно проявляет степени окисления +2 и +4, при этом степень +4 считается более стабильной. Энергия ионизации, начиная от Sn⁰ до Sn⁵⁺, составляет соответственно 7,34; 14,63; 30,50; 40,73 и 70,30 эВ. Электроотрицательность по Полингу равняется 1,8, а атомный радиус составляет 158 пм.

В свободном состоянии олово выглядит как блестящий серебристо-белый металл, имеет высокую плотность, мягкость и пластичность; температура плавления т_пл равна 231,9 °C, а температура кипения t_кип составляет 2629 °C. Олово образует две полиморфные модификации. Кристаллическая решётка обычного β-Sn (белого олова) имеет тетрагональную структуру и плотность 7265 кг/м³ (при 20 °C). Ниже +13,2 °C хорошо сохраняется α-Sn (серое олово), имеющее кубическую структуру, аналогичную алмазу, с плотностью 5769 кг/м³. Переход белого олова в серое сопровождается физическим уничтожением металлических изделий, вызванным увеличением объёма метала на 25%, что и является причиной оловянной чумы. Температурный коэффициент линейного расширения (при 273 K) составляет 1,99·10^–5 К^–1, а теплопроводность (при 293 K) равна 65,26 Вт/(м·К); удельная теплоёмкость β-Sn равна 27,11 Дж/(моль·К), а α-Sn — 25,79 Дж/(моль·К); специфическое электрическое сопротивление составляет 11,5·10^–8 Ом·м (при 293 K). Механические характеристики олова зависят от его чистоты и условий обработки, при этом твёрдость по Бринеллю для α-Sn при 293 K составляет 62 МПа, а для β-Sn — 152 МПа. При изгибании прутков из олова слышен характерный хруст, который возникает при взаимном трении кристаллитов, известный как «оловянный крик». Белое олово является слабопарамагнитным, а при достижении температуры плавления переходит в диамагнитное состояние, по сравнению с серым оловом, которое изначально является диамагнитным. Температура, при которой олово переходит в сверхпроводящее состояние, составляет 3,72 K.

На воздухе и в воде при температуре до 100 °C олово практически не окисляется. Из разбавленных HCl и H₂SO₄ при низких температурах олово восстанавливает водород, образуя соответствующие хлорид SnCl₂ и сульфат SnSO₄. Соединения Sn(II) выступают в роли сильных восстановителей. При нагревании в горячих концентрированных растворах H₂SO₄ олово растворяется, образуя Sn(SO₄)₂ и SO₂. Холодная разбавленная HNO₃ преобразует олово в Sn(NO₃)₂. При нагревании с концентрированной HNO₃ происходит окисление олова с образованием осадка гидратированного оксида олова(IV) SnO₂·xH₂O. При нагревании олова в концентрированных щелочных растворах выделяется водород и образуются гидроксостаннаты M₂Sn(OH)₆ (где M – Na, K).

Читайте ещё: Какая посуда подходит для индукционной плиты. Какая посуда подходит для индукционной плиты.

При сжигании на воздухе олово образует SnO₂. Низший оксид SnO получается только косвенно, так как на воздухе быстро окисляется. SnO₂ проявляет преимущественно кислотные свойства, тогда как SnO — основные. Олово не реагирует с водородом напрямую; нестабильный станнан SnH₄ образуется при взаимодействии соединения Mg₂Sn и HCl.

При взаимодействии с галогенами олово производит соединения типа SnX₂ и SnX₄. Последние, за исключением SnF₄, подвержены гидролизу в воде, но растворимы в неполярных органических растворителях. Реакция олова с сухим хлором приводит к образованию тетрахлорида SnCl₄ — бесцветной жидкости, которая хорошо растворяет серу, фосфор и йод. Тетрагидрологениды SnX₄ могут образовывать комплексные соединения с H₂O, NH₃, оксидами азота, PCl₅, спиртами, эфирами и различными органическими соединениями. При взаимодействии с солями галогеноводородных кислот галогениды олова формируют стабильные комплексные кислоты в растворах, такие как HSnCl₃ и H₂SnCl₆. При разбавлении водой или нейтрализации простые и комплексные хлориды гидролизуются, образуя осадки: соответственно, основные соли олова(II) типа SnOHCl и гидратированный оксид олова(IV) SnO₂·xH₂O. Соединяясь с серой, олово образует нерастворимые в воде и разбавленных кислотах сульфиды: коричневый SnS и золотисто-желтый SnS₂.

Получение

Промышленное получение олова имеет смысл, если содержание его в россыпях составляет хотя бы 0,01% по массе, а в рудах — около 0,1%. Обычно в рудах олова встречаются такие элементы, как W, Zr, Cs, Rb, Ta, Nb, редкоземельные элементы и другие. Первичное сырьё обогащают: россыпи — преимущественно гравитационным методом, а руды — флотационным или флотогравитационным. Концентраты, содержащие от 50 до 70% олова, подвергаются обжигу для удаления серы, после чего очищаются от железа с помощью HCl. Если в составе присутствуют примеси вольфрамита (Fe,Mn)WO₄ и шеелита CaWO₄, концентрация обрабатывается HCl. Полученный WO₃·H₂O извлекают с использованием раствора NH₃. Плавка концентратов с углем в электрических или пламенных печах приводит к получению чернового олова (94-98% Sn), которое все еще содержит примеси, такие как Cu, Pb, Fe, As, Sb и Bi. После выхода из печи черновое олово фильтруется при температуре 500-600 °C через кокс или центрифугируется, чтобы удалить большую часть примесей железа. Остаточные количества Fe и Cu удаляют путём добавления серы в расплавленный металл, что приводит к образованию сульфидов, которые всплывают на поверхность. Для удаления примесей мышьяка и сурьмы олово рафинируют, добавляя алюминий, а свинец — с помощью SnCl₂. Примеси Bi и Pb также отделяются методом вакуумирования. Высокая чистота олова достигается при помощи электролитической рафинации и зонной перекристаллизации. Значительное количество всего производимого олова является вторичным металлом; его получают из отходов белой жести, лома и различных сплавов, при этом степень рециркуляции олова составляет более 20%. Мировой объём производства олова в 2019 году составил 329 тыс. тонн.

Олово является важной частью различных сплавов: с медью (бронза), медью и цинком (латунь), сурьмой (баббит), свинцом (припой), цирконием, титаном, ниобием (используются в атомных реакторах, турбинах и сверхпроводниках) и другими. Олово также используется для нанесения защитных покрытий на металлы, включая лужение белой жести, производство фольги, деталей для измерительных приборов, теплообменников и художественных изделий. Оксид SnO₂ востребован для создания жаростойких эмалей и глазурей. Соли олова(II) применяются в протравочном крашении тканей. Кристаллический SnS₂ (так называемое сусальное золото) используется в составе красок, имитирующих позолоту, а фторид олова добавляется во многие зубные пасты, содержащие фтор.

Аликберова Людмила Юрьевна. Первая публикация: Большая российская энциклопедия, 2014.

Читайте ещё: Японский ландшафтный дизайн, фото. Как использовали многоуровневый ландшафт дизайнеры уюн парка.

Опубликовано 8 июня 2022 года в 16:40 (GMT+3). Последнее обновление 25 апреля 2023 года в 13:23 (GMT+3). Связаться с редакцией

Области знаний: Общие вопросы химии. Символ: Sn. Атомный номер: 50. Группа элементов: Постпереходные металлы. Относительная атомная масса: 118,710 а. е. м. Радиус атома: 158 пм. Электроотрицательность: 1,8 по шкале Полинга. Агрегатное состояние: Твёрдое. Плотность: 7,265 г/см³ (при 20 °C).

Научно-образовательный портал Большая российская энциклопедия
Создан при финансовой поддержке Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации.
Свидетельство о регистрации СМИ ЭЛ № ФС77-84198, выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор) 15 ноября 2022 года.
ISSN: 2949-2076
Учредитель: Автономная некоммерческая организация Национальный научно-образовательный центр Большая российская энциклопедия
Главный редактор: Кравец С. Л.
Телефон редакции: +7 (495) 917 90 00
Эл. почта редакции: secretar@greatbook.ru

Химические свойства олова

В обычных условиях олово проявляет инертность как к воде, так и к кислороду. При этом металл способен покрываться тонким слоем оксидной плёнки, что делает его менее подверженным коррозии. Именно данное свойство в значительной степени способствовало популярности олова у производителей жестяной упаковки.

Серная и соляная кислота в разбавленном виде очень медленно реагируют с оловом, тогда как в концентрированном состоянии при нагревании олова растворяются. Реакция с соляной кислотой приводит к образованию хлорида олова, а при распространении с серной кислотой — в сульфат олова.

При взаимодействии с разбавленной азотной кислотой получается нитрат олова, а при реакции с концентрированной азотной кислотой образуется нерастворимая оловянная кислота. Соединения олова значительно важны в промышленности, например, их используют для производства анодных покрытий.

Применение олова

Этот мягкий серебристо-белый металл способен быть раскатан до состояния тончайшей фольги. Олово не коррозирует, что обеспечило его широкое использование в различных отраслях. Чаще всего олово используется для изготовления пищевой упаковки. Нанесение олова в виде тонкого слоя на другие металлы придаёт поверхности характерный блеск и гладкость.

Это свойство широко используется при изготовлении консервных банок. Олово также часто применяется для антикоррозионного покрытия. Более трети всего мирового производства олова уходит на нужды пищевой упаковки продуктов и напитков. Известные жестяные банки изготавливаются из стали с покрытием из олова толщиной не более 0,4 мкм.

Другая треть производится для производства припоев – сплавов со свинцом в различных соотношениях. Припои применяются в электронике, для пайки трубопроводов. В таких сплавах содержание олова может достигать до 97%, с добавлением меди и сурьмы, что увеличивает прочность сплава.

Олово также часто компонует с сурьмой для изготовления посуды — особенно это касается фраже. В промышленности олово используется в различных химических соединениях.

Применение олова

Можно выделить несколько ключевых направлений использования олова. Из-за отсутствия токсичности и устойчивости к воздействию агрессивных химических соединений олово идеально подходит для изготовления изделий и оборудования, которые находятся в контакте с пищей. Кроме того, олово широко используется для защиты медных электрических проводников в целях предотвращения воздействия серы, присутствующей в пластике наружной изоляции.

Олово нашло довольно широкое применение в промышленных отраслях, связанных с производством электроники. Пайка деталей и электрических схем во многих случаях выполняется с использованием олова.

На данный момент существует множество сплавов, содержащих олово. Это различные баббиты, бронзовые сплавы, а также многие другие материалы, с которыми мы встречаемся в повседневной жизни.

Продукция из олова

Полуфабрикаты из олова представлены на рынке в виде проволоки, прутков или чушек. Эта продукция находит свое применение в производстве сплавов, деталей или покрытий.

Аноды из олова используются для лужения поверхностей, сделанных из других материалов.