Энергия ионизации атома олова

Олово, свойства атома, химические и физические свойства

Олово, свойства атома, химические и физические свойства.

118,710(7) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 5s 2 5p 2

Олово — элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 50. Расположен в 14-й группе (по старой классификации — главной подгруппе четвертой группы), пятом периоде периодической системы.

Физические свойства олова

Атом и молекула олова. Формула олова. Строение атома олова:

Олово (лат. Stannum) – химический элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с обозначением Sn и атомным номером 50. Расположен в 14-й группе (по старой классификации – главной подгруппе четвертой группы), пятом периоде периодической системы.

Олово – амфотерный металл. Относится к группе лёгких, цветных металлов.

Олово обозначается символом Sn.

Как простое вещество олово при нормальных условиях представляет собой ковкий, мягкий, пластичный, легкоплавкий, серебристо-белый, блестящий металл (белое олово, β-олово) либо серый порошок (серое олово, α-олово).

Молекула олова одноатомна.

Химическая формула олова Sn.

Электронная конфигурация атома олова 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 5s 2 5p 2 . Потенциал ионизации (первый электрон) атома олова равен 708,58 кДж/моль (7,343918(12) эВ).

Строение атома олова. Атом олова состоит из положительно заряженного ядра (+50), вокруг которого по пяти оболочкам движутся 50 электронов. При этом 46 электронов находятся на внутреннем уровне, а 4 электрона – на внешнем. Поскольку олово расположен в пятом периоде, оболочек всего пять. Первая – внутренняя оболочка представлена s-орбиталью. Вторая – внутренняя оболочка представлены s- и р-орбиталями. Третья и четвертая – внутренние оболочки представлены s-, р- и d-орбиталями. Пятая – внешняя оболочка представлена s-орбиталью. На внешнем энергетическом уровне атома олова на 5s-орбитали находятся два спаренных электрона, на 5p-орбитали – два неспаренных электрона. В свою очередь ядро атома олова состоит из 50 протонов и 69 нейтронов. Олово относится к элементам p-семейства.

Радиус атома олова (вычисленный) составляет 145 пм.

Атомная масса атома олова составляет 118,710(7) а. е. м.

Изотопы и модификации олова:

Свойства олова (таблица): температура, плотность, давление и пр.:

100 Общие сведения
101 Название Олово
102 Прежнее название
103 Латинское название Stannum
104 Английское название Tin
105 Символ Sn
106 Атомный номер (номер в таблице) 50
107 Тип Металл
108 Группа Амфотерный, лёгкий, цветной металл
109 Открыт Известно с древних времен.
110 Год открытия в XXXV веке до н. э.
111 Внешний вид и пр. Ковкий, мягкий, пластичный, серебристо-белый, блестящий металл (белое олово, β-олово) либо серый порошок (серое олово, α-олово)
112 Происхождение Природный материал
113 Модификации
114 Аллотропные модификации 4 аллотропные модификации, в т.ч.:

– α-олово, серое олово, с кубической алмазной кристаллической решёткой,

– β-олово, белое олово, с тетрагональной объёмно-центрированной кристаллической решёткой,

– σ-олово

115 Температура и иные условия перехода аллотропных модификаций друг в друга
116 Конденсат Бозе-Эйнштейна
117 Двумерные материалы
118 Содержание в атмосфере и воздухе (по массе) 0 %
119 Содержание в земной коре (по массе) 0,00022 %
120 Содержание в морях и океанах (по массе) 1,0·10 -9 %
121 Содержание во Вселенной и космосе (по массе) 4,0·10 -7 %
122 Содержание в Солнце (по массе) 9,0·10 -7 %
123 Содержание в метеоритах (по массе) 0,00012 %
124 Содержание в организме человека (по массе) 0,00002 %
200 Свойства атома
201 Атомная масса (молярная масса) 118,710(7) а. е. м. (г/моль)
202 Электронная конфигурация 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 5s 2 5p 2
203 Электронная оболочка K2 L8 M18 N18 O4 P0 Q0 R0

204 Радиус атома (вычисленный) 145 пм
205 Эмпирический радиус атома* 145 пм
206 Ковалентный радиус* 139 пм
207 Радиус иона (кристаллический) Sn 4+

(в скобках указано координационное число – характеристика, которая определяет число ближайших частиц (ионов или атомов) в молекуле или кристалле)

208 Радиус Ван-дер-Ваальса 217 пм
209 Электроны, Протоны, Нейтроны 50 электронов, 50 протонов, 69 нейтронов
210 Семейство (блок) элемент p-семейства
211 Период в периодической таблице 5
212 Группа в периодической таблице 14-ая группа (по старой классификации – главная подгруппа 4-ой группы)
213 Эмиссионный спектр излучения
300 Химические свойства
301 Степени окисления -4, -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4
302 Валентность II, IV
303 Электроотрицательность 1,96 (шкала Полинга)
304 Энергия ионизации (первый электрон) 708,58 кДж/моль (7,343918(12) эВ)
305 Электродный потенциал Sn 2+ + 2e – → Sn, E o = -0,136 В,

Sn 4+ + 2e – → Sn 2+ , E o = +0,151 В,

Sn 4+ + 4e – → Sn, E o = +0,01 В

306 Энергия сродства атома к электрону 107,2984(3) кДж/моль (1,112070(2) эВ)
400 Физические свойства
401 Плотность* 7,265 г/см 3 (при 20 °C и иных стандартных условиях , состояние вещества – твердое тело) – β-олово (белое олово),

5,769 г/см 3 (при 20 °C и иных стандартных условиях , состояние вещества – твердое тело) – α-олово (серое олово),

6,99 г/см 3 (при температуре плавления 231,93 °C и иных стандартных условиях , состояние вещества – жидкость)

402 Температура плавления* 231,93 °C (505,08 K, 449,47 °F)
403 Температура кипения* 2602 °C (2875 K, 4716 °F)
404 Температура сублимации
405 Температура разложения
406 Температура самовоспламенения смеси газа с воздухом
407 Удельная теплота плавления (энтальпия плавления ΔHпл)* 7,03 кДж/моль – β-олово (белое олово)
408 Удельная теплота испарения (энтальпия кипения ΔHкип) 296,1 кДж/моль – β-олово (белое олово)
409 Удельная теплоемкость при постоянном давлении
410 Молярная теплоёмкость 27,112 Дж/(K·моль) – β-олово (белое олово)
411 Молярный объём 16,3 см³/моль
412 Теплопроводность 66,8 Вт/(м·К) (при стандартных условиях ),

66,8 Вт/(м·К) (при 300 K)

500 Кристаллическая решётка
511 Кристаллическая решётка #1 β-олово (белое олово)
512 Структура решётки Тетрагональная объёмно-центрированная

513 Параметры решётки a = 5,8197 Å, c = 3,175 Å
514 Отношение c/a 0,546
515 Температура Дебая 170 K
516 Название пространственной группы симметрии I41/amd
517 Номер пространственной группы симметрии 141
521 Кристаллическая решётка #2 α-олово (серое олово)
522 Структура решётки Кубическая алмазная

523 Параметры решётки a = 6,46 Å
524 Отношение c/a
525 Температура Дебая
526 Название пространственной группы симметрии Fd_ 3m
527 Номер пространственной группы симметрии 225
900 Дополнительные сведения
901 Номер CAS 7440-31-5

205* Эмпирический радиус атома олова согласно [1] и [3] составляет 140 пм и 162 пм соответственно.

206* Ковалентный радиус олова согласно [1] и [3] составляет 139±4 пм и 141 пм соответственно.

401* Плотность белого олова согласно [4] составляет 7,29 г/см 3 (при 20 °C и иных стандартных условиях , состояние вещества – твердое тело) и 6,98 г/см 3 (при температуре плавления 232 °C и иных стандартных условиях , состояние вещества – жидкость). Плотность серого олова согласно [4] составляет 5,85 г/см 3 (при 14 °C и иных стандартных условиях , состояние вещества – твердое тело).

402* Температура плавления олова согласно [3] и [4] составляет 231,91 °С (505,06 K, 449,44 °F) и 231,9 °С (505,05 K, 449,42 °F) соответственно.

403* Температура кипения олова согласно [3] и [4] составляет 2619,85 °C (2893 K, 4747,73 °F) и 2620 °С (2893,15 K, 4748 °F) соответственно.

407* Удельная теплота плавления (энтальпия плавления ΔHпл) белого олова согласно [4] составляет 7,2 кДж/моль.

Источник

Таблица Менделеева online

Электронная схема олова

Одинаковую электронную конфигурацию имеют атом олова и Te +2 , I +3 , Xe +4

Порядок заполнения оболочек атома олова (Sn) электронами: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6d → 7p.

На подуровне ‘s’ может находиться до 2 электронов, на ‘s’ — до 6, на ‘d’ — до 10 и на ‘f’ до 14

Олово имеет 50 электронов, заполним электронные оболочки в описанном выше порядке:

2 электрона на 1s-подуровне

2 электрона на 2s-подуровне

6 электронов на 2p-подуровне

2 электрона на 3s-подуровне

6 электронов на 3p-подуровне

2 электрона на 4s-подуровне

10 электронов на 3d-подуровне

6 электронов на 4p-подуровне

2 электрона на 5s-подуровне

10 электронов на 4d-подуровне

2 электрона на 5p-подуровне

Видео

Физические и химические свойства

Простое вещество олово полиморфно. В обычных условиях оно существует в виде β-модификации (белое олово), устойчивой выше 13,2 °C. Белое олово — это серебристо-белый, мягкий, пластичный металл, обладающий тетрагональной элементарной ячейкой, параметры a = 0.5831, c = 0.3181 нм. Координационное окружение каждого атома олова в нём — октаэдр. Плотность β-Sn 7,228 г/см3.

При охлаждении, например, при морозе на улице, белое олово переходит в α-модификацию (серое олово). Серое олово имеет структуру алмаза (кубическая кристаллическая решетка с параметром а = 0,6491 нм). В сером олове координационный полиэдр каждого атома — тетраэдр, координационное число 4. Фазовый переход β-Sn в α-Sn сопровождается увеличением удельного объёма на 25,6 % (плотность α-Sn составляет 5,75 г/см 3 ), что приводит к рассыпанию олова в порошок. В старые времена наблюдавшееся во время сильных холодов рассыпание оловянных изделий называли «оловянной чумой». В результате этой «чумы» пуговицы на обмундировании солдат, их пряжки, кружки, ложки рассыпались, и армия могла потерять боеспособность. (Подробнее об «оловянной чуме» см. интересные факты об олове, ссылка внизу этой страницы).

Из-за сильного различия структур двух модификаций олова разнятся и их электрофизические свойства. Так, β-Sn — металл, а α-Sn относится к числу полупроводников. Ниже 3,72 К -Sn переходит в сверхпроводящее состояние. Стандартный электродный потенциал E °Sn 2+ /Sn равен −0.136 В, а E пары °Sn 4+ /Sn 2+ 0.151 В.

При комнатной температуре олово, подобно соседу по группе германию, устойчиво к воздействию воздуха или воды. Такая инертность объясняется образованием поверхностной пленки оксидов. Заметное окисление олова на воздухе начинается при температурах выше 150 °C:

При нагревании олово реагирует с большинством неметаллов. При этом образуются соединения в степени окисления +4, которая более характерна для олова, чем +2. Например:

Олово медленно реагирует c концентрированной соляной кислотой:

В разбавленной серной кислоте олово не растворяется, а с концентрированной — реагирует очень медленно.

Состав продукта реакции олова с азотной кислотой зависит от концентрации кислоты. В концентрированной азотной кислоте образуется оловянная кислота -SnO2·nH2O (иногда её формулу записывают как H2SnO3). При этом олово ведет себя как неметалл:

При взаимодействии с разбавленной азотной кислотой олово проявляет свойства металла. В результате реакции образуется соль нитрат олова (II):

При нагревании олово, подобно свинцу, может реагировать с водными растворами щелочей. При этом выделяется водород и образуется гидроксокомплекс Sn (II), например:

Гидрид олова — станнан SnH4 — можно получить по реакции:

Этот гидрид весьма нестоек и медленно разлагается уже при температуре 0 °C.

Олову отвечают два оксида SnO2 (образующийся при обезвоживании оловянных кислот) и SnO. Последний можно получить при слабом нагревании гидроксида олова (II) Sn(OH)2 в вакууме:

При сильном нагреве оксид олова (II) диспропорционирует:

При хранении на воздухе монооксид SnO постепенно окисляется:

При гидролизе растворов солей олова (IV) образуется белый осадок — так называемая -оловянная кислота:

Свежеполученная -оловянная кислота растворяется в кислотах и щелочах:

При хранении -оловянная кислота стареет, теряет воду и переходит в -оловянную кислоту, которая отличается большей химической инертностью. Данное изменение свойств связывают с уменьшением числа активных HO-Sn группировок при стоянии и замене их на более инертные мостиковые -Sn-O-Sn- связи.

При действии на раствор соли Sn(II) растворами сульфидов выпадает осадок сульфида олова(II):

Этот сульфид может быть легко окислен до SnS2 раствором полисульфида аммония:

Образующийся дисульфид SnS2 растворяется в растворе сульфида аммония (NH4)2S:

Четырёхвалентное олово образует обширный класс оловоорганических соединений, используемых в органическом синтезе, в качестве пестицидов и других.

Марки олова

Металлурги выплавляют металл нескольких марок:

Марка Количество примесей (%)
ОВЧ-000 0,001
О1пч 0,085
О1 0,010
О2 0,435
О3 1,51
О4 3,51

Первые четыре марки олова выпускаются в форме чушек, проволоки, прутков. Из О3 и О4 выплавляют чушки. Это исходник для продукции из олова.

Месторождения оловянных руд

Д.И. Менделеев писал:

«Олово встречается в природе редко, в жилах древних пород, почти исключительно в виде окиси SnO2, называемой оловянным камнем».

Олово относится к редким рассеянным металлам. В природе среди элементов занимает 47-е место по распространенности.

Мировые запасы оловянных руд расположены в:

Значимые месторождения российских оловянных руд сосредоточены на Дальнем Востоке (в Приморском крае, в Якутии, в Хабаровском крае). Добыча металла большей частью происходит в подземных шахтах.

Основные руды:

    оловянный камень, касситерит — содержит до 78% металла;

  • оловянный колчедан (станин), 27,5% олова;
  • тиллит.
  • Печально: по подсчетам ученых, оловосодержащих минералов на Земле осталось лет на 30. Потом придется добывать его из лома, или искать замену…

    Нахождение в природе

    Олово — редкий рассеянный элемент, по распространённости в земной коре олово занимает 47-е место. Содержание олова в земной коре составляет, по разным данным, от 2·10 -4 до 8·10 -3 % по массе. Основной минерал олова — касситерит (оловянный камень) SnO2, содержащий до 78,8 % олова. Гораздо реже в природе встречается станнин (оловянный колчедан) — Cu2FeSnS4 (27,5 % Sn).

    Белое и серое олово: в чем различие?

    Олово — это элемент, относящийся к классу полиморфических металлов. В быту многие сталкиваются с его бета-модификацией. Это белое олово со стойкостью к температурам от 14 и выше градусов по Цельсию. Внешне оно представляет собой пластичный и мягкий материал белого цвета. Его структура представлена в виде кристаллической решетки, построенной по типу тетрагональной сингонии. Его атомное строение обуславливается окружением октаэдров, что дает олову плотность до 7,2 г/куб. м. Если зажать кусок олова в тиски и прислушаться, можно наблюдать своеобразный хруст, исходящий от трущихся кристаллов.

    При воздействии низкой температуры на белое олово, структура металла начинает меняться, постепенно переходя в альфа-версию, приобретая серый оттенок. Это обуславливается тем, что при падении температуры ниже 0 градусов, кристаллы формируют новую структуру, как у алмаза. При этом, увеличивается объем металла, и он постепенно начинает распадаться, пока окончательно не превратиться в оловянный порошок.

    Переход с одной модификации в другую, обуславливается воздействием низкой температуры. В естественных условиях окружающей среды, этот переход проходит немного быстрее, а максимально быстрый распад достигается при температуре — 33 градуса. Однако образование порошкообразного вещества может происходить не только под влиянием низких температур. Ионное излучение также может вызвать распад металла и его переход в состояние порошка. Существует возможность изменить структуру олова до гелиевого состояния, если достичь необходимого охлаждения в определенных условиях.

    Электрофизические характеристики олова обуславливаются его структурой, поэтому каждой модификации присущи свои показатели. Например, бета-олово считается металлом, а версия альфа является полупроводником, который используется при пайке. При воздействии внешних факторов, альфа-олово (ниже 3,72 К) преобразуется в модификацию сверхпроводника. При этом атомы кристаллической решетки бета-модификации образуют s2p2, а форма альфа обращается в состояние sp3. При воздействии магнитного поля олово может проявлять себя по-разному. В одном случае оно парамагнитно, но при определенных обстоятельствам может стать диамагнитным.

    Если представить, что различные модификации будут взаимодействовать между собой, то бета-олово может быстро трансформироваться в альфа-олово. Это происходит потому, что структура олова не постоянна. Такой процесс перехода можно сравнить с заражением. Такое поведение металла было замечено еще в 1870 году, и названо уже в 1911 году «оловянной чумой».

    В ходе экспериментов и химических опытов было установлено, что заражение можно предотвратить и даже остановить. Для этого необходимо использовать химический элемент — висмут. Ученые даже нашли способ, чтобы ускорить процесс перехода с бета до альфа-версии. Этому способствует химическая реакция олова с хлор станнатом аммония.

    Касситерит

    Наиболее встречающимся оловянным ресурсом считается касситерит (SnO2). Он представлен в виде окисного соединения олова с кислородом. Учитывая, что этот образец является наиболее встречающимся минералом, содержащим большой процент олова, то первым делом нужно обращать внимание на его структуру. Если детально осмотреть образец породы, то можно наблюдать отдельные кристаллы олова. Они могут достигать до 3-4 мм в диаметре, а в некоторых случаях и больше.

    Физиологическое действие

    О роли олова в живых организмах практически ничего не известно. Ежедневное поступление олова с пищей составляет 0,2—3,5 мг , при регулярном потреблении консервированной пищи — до 38 мг . В теле человека содержится примерно (1—2)·10 −4 % олова, наибольшая концентрация наблюдается в кишечнике.

    Металлическое олово не токсично, что позволяет применять его в пищевой промышленности. Олово представляет опасность для человека в виде паров, различных аэрозольных частиц и пыли. При воздействии паров или пыли олова может развиться станноз — поражение лёгких. Станнан (оловянистый водород) — сильнейший яд. Также очень токсичны некоторые оловоорганические соединения. Временно допустимая концентрация соединений олова в атмосферном воздухе 0,05 мг/м 3 , ПДК олова в пищевых продуктах 200 мг/кг , в молочных продуктах и соках — 100 мг/кг . Токсическая доза олова для человека — 2 г , интоксикация организма начинается при содержании в организме 250 мг/кг .

    Вредные примеси, содержащиеся в олове в обычных условиях хранения и применения, в том числе в расплаве при температуре до 600 °C, не выделяются в воздух в объёмах, превышающих предельно допустимую концентрацию (в частности, определенную по ГОСТ 12.1.005—76. Длительное (в течение 15—20 лет ) воздействие пыли олова оказывает фиброгенное воздействие на лёгкие и может вызвать заболевание работающих пневмокониозом.

    Получение

    Общим способом получения амфотерных гидроксидов является осаждение разбавленной щёлочью из растворов солей соответствующего амфотерного элемента, например:

    ZnSO4 + 2NaOH ⟶ Zn(OH)2↓ + Na2SO4<\displaystyle <\mathsf \ +\ 2NaOH\ \longrightarrow \ Zn(OH)_<2>\downarrow \ +\ Na_<2>SO_<4>>>>

    В избытке щёлочи начнётся растворение осадка гидроксида:

    В ряде случаев при осаждении образуется не гидроксид, а гидрат оксида соответствующего элемента (например, гидраты оксидов железа(III), хрома(III), олова(II) и др.). Химические свойства таких гидратов по большей части аналогичны свойствам соответствующих гидроксидов.

    Производство

    В процессе производства рудоносная порода (касситерит) подвергается дроблению до размеров частиц в среднем

    10 мм , в промышленных мельницах, после чего касситерит за счет своей относительно высокой плотности и массы отделяется от пустой породы вибрационно-гравитационным методом на обогатительных столах. В дополнение применяется флотационный метод обогащения/очистки руды. Таким образом удается повысить содержание олова в руде до 40—70 %. Далее проводят обжиг концентрата в кислороде для удаления примесей серы и мышьяка. Полученный концентрат оловянной руды выплавляется в печах. В процессе выплавки восстанавливается до свободного состояния посредством применения в восстановлении древесного угля, слои которого укладываются поочередно со слоями руды, или алюминием (цинком) в электропечах: SnO2 + C = Sn + CO2 . Особо чистое олово полупроводниковой чистоты готовят электрохимическим рафинированием или методом зонной плавки.

    Применение

    Олово используется в основном как безопасное, нетоксичное, коррозионностойкое покрытие в чистом виде или в сплавах с другими металлами. Главные промышленные применения олова — в белой жести (лужёное железо) для изготовления тары пищевых продуктов, в припоях для электроники , в домовых трубопроводах, в подшипниковых сплавах и в покрытиях из олова и его сплавов. Важнейший сплав олова — бронза (с медью). В последнее время возрождается интерес к использованию металла, поскольку он наиболее «экологичен» среди тяжёлых цветных металлов. Так же активно используется для создания сверхпроводящих проводов на основе соединения Nb3Sn.

    Производство изделий из олова и его сплавов

    Продукция из олова была востребована с давних времен. Дети играют в оловянных солдатиков уже 4000 лет.

    Познавательно: в музеях Санкт-Петербурга хранятся крупные коллекции оловянных солдатиков.

    • Электроника с ее платами сейчас повсюду, и любые контакты соединяются припоем из олова и его сплавов. Оловянное напыление для медных проводов полезно, это защита от воздействия серы (она входит в состав резиновой изоляции).
    • Оловянные сплавы баббиты обладают прекрасными антифрикционными свойствами. Ни один из механизмов (от велосипеда до могучего КРАЗа) не обходится без подшипников.
    • Используют металл в типографском сплаве гарте. Полиграфическое производство невозможно без оловянных сплавов.

    Воздействие на организм оловянных изделий минимально. Поэтому применение металла в пищевой промышленности вполне оправдано.

    Простая консервная банка и гибель полярной экспедиции

    Французский повар Франсуа Аппер придумал, как долго хранить пищу. Он предложил герметично закрывать продукты в банки из белой жести (это тонкий лист из железа, покрытый оловянным напылением). Теперь мы не можем представить жизни без баночки вкусных консервов.

    Но те же консервные банки (вернее, «оловянная чума») способствовали гибели экспедиции Р. Скотта к Южному полюсу. Из баков, запаянных оловянным припоем, вылилось горючее. Металл перешел в альфа-модификацию и просто раскрошился на морозе.

    Энергия ионизации

    Чем ближе электрон к центру атома — тем больше энергии необходимо, что бы его оторвать. Энергия, затрачиваемая на отрыв электрона от атома называется энергией ионизации и обозначается Eo. Если не указано иное, то энергия ионизации — это энергия отрыва первого электрона, также существуют энергии ионизации для каждого последующего электрона.

    Энергия ионизации Sn: Eo = 709 кДж/моль — Что такое ион читайте .

    Источник

    Читайте также:  Взаимодействие алюминия с оловом