Металлическое олово с соляной кислотой

Металлическое олово с соляной кислотой

ОЛОВО (лат. Stannum), Sn, химический элемент с атомным номером 50, атомная масса 118,710. О происхождении слов «stannum» и «олово» существуют различные догадки. Латинское «stannum», которое иногда производят от саксонского «ста» — прочный, твердый, первоначально означало сплав серебра и свинца. «Оловом» в ряде славянских языков называли свинец. Возможно, русское название связано со словами «ол», «оловина» — пиво, брага, мед: сосуды из олова использовались для их хранения. В англоязычной литературе для названия олова используется слово tin. Химический символ олова Sn читается «станнум».

Природное олово состоит из девяти стабильных нуклидов с массовыми числами 112 (в смеси 0,96% по массе), 114 (0,66%), 115 (0,35%), 116 (14,30%), 117 (7,61%), 118 (24,03%), 119 (8,58%), 120 (32,85%), 122 (4,72%), и одного слабо радиоактивного олова-124 (5,94%). 124 Sn — b-излучатель, его период полураспада очень велик и составляет T1/2 = 10 16 –10 17 лет. Олово расположено в пятом периоде в IVА группе периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Конфигурация внешнего электронного слоя 5s 2 5p 2 . В своих соединениях олово проявляет степени окисления +2 и +4 (соответственно валентности II и IV).

Металлический радиус нейтрального атома олова 0,158 нм, радиусы иона Sn 2+ 0,118 нм и иона Sn 4+ 0,069 нм (координационное число 6). Энергии последовательной ионизации нейтрального атома олова равны 7,344 эВ, 14,632, 30,502, 40,73 и 721,3 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность олова 1,96, то есть олово находится на условной границе между металлами и неметаллами.

Физические и химические свойства: простое вещество олово полиморфно. В обычных условиях оно существует в видеb-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 нем — октаэдр. Плотность b-Sn 7,228 г/см 3 . Температура плавления 231,9°C, температура кипения 2270°C.

При охлаждении, например, при морозе на улице, белое олово переходит в a-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 b-Sn a-Sn сопровождается увеличением удельного объема на 25,6% (плотность a-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, b-Sn — металл, а a-Sn относится к числу полупроводников. Ниже 3,72 К a-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:

С концентрированной соляной кислотой олово медленно реагирует:

Возможно также образование хлороловянных кислот составов HSnCl3, H2SnCl4 и других, например:

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 b-SnO2·nH2O (иногда ее 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 a-оловянная кислота:

Свежеполученная a-оловянная кислота растворяется в кислотах и щелочах:

Читайте также:  Что будет если съесть олово

При хранении a-оловянная кислота стареет, теряет воду и переходит в b-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 SnS2растворяется в растворе сульфида аммония (NH4)2S:

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

История открытия: когда человек впервые познакомился с оловом точно сказать нельзя. Олово и его сплавы известны человечеству с древнейших времен. Упоминание об олове есть в ранних книгах Ветхого Завета. Сплавы олова с медью, так называемые оловянные бронзы, по-видимому, стали использоваться более чем за 4000 лет до нашей эры. А с самим металлическим оловом человек познакомился значительно позже, примерно около 800 года до нашей эры.

Из чистого олова в древности изготовляли посуду и украшения, очень широко применяли изделия из бронзы.

Нахождение в природе:олово — редкий рассеянный элемент, по распространенности 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).

Получение: для добычи олова в настоящее время используют руды, в которых его содержание равно или немного выше 0,1%. На первом этапе руду обогащают (методом гравитационной флотации или магнитной сепарации). Таким образом удается повысить содержание олова в руде до 40-70%. Далее проводят обжиг концентрата в кислороде для удаления примесей серы и мышьяка. Затем полученный таким образом оксид SnO2восстанавливают углем или алюминием (цинком) в электропечах:

Особо чистое олово полупроводниковой чистоты готовят электрохимическим рафинированием или методом зонной плавки.

Применение: важное применение олова — лужение железа и получение белой жести, которая используется в консервной промышленности. Для этих целей расходуется около 33% всего добываемого олова. До 60% производимого олова используется в виде сплавов с медью, медью и цинком, медью и сурьмой (подшипниковый сплав, или баббит), с цинком (упаковочная фольга) и в виде оловянно-свинцовых и оловянно-цинковых припоев. Олово способно прокатываться в тонкую фольгу — станиоль, такая фольга находит применение при производстве конденсаторов, органных труб, посуды, художественных изделий. Олово применяют для нанесения защитных покрытий на железо и другие металлы, а также на металлические изделия (лужение). Дисульфид олова SnS2применяют в составе красок, имитирующих позолоту («сусальное золото»).

Искусственный радионуклид олова 119 Sn — источник v-излучения в мессбауэровской спектроскопии.

Физиологическое действие:о роли олова в живых организмах практически ничего не известно. В теле человека содержится примерно (1-2)·10 –4 % олова, а его ежедневное поступление с пищей составляет 0,2-3,5 мг. Олово представляет опасность для человека в виде паров и различных аэрозольных частиц, пыли. При воздействии паров или пыли олова может развиться станноз — поражение легких. 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.

Источник

В какой кислоте растворяется олово?

Как металл, олово известно человеку с древнейших времен. Ранние изделия из него датируются IV тысячелетием до н. э. Латинское название металла – Stannum, близкое к санскритскому слову «прочный». В природе олово чаще всего встречается в минеральной форме. Это минерал, представляющий собой оловянный камень с различными примесями (химическая формула SnO2).

Благодаря своим качествам (легкоплавкость, пластичность) олово широко используется в различных областях промышленности, преимущественно в составе различных сплавов. В чистом виде олово практически не используется, поэтому достаточно часто люди сталкиваются с проблемой: как выделить олово из сплава с другими металлами.

Один из самых популярных способов – растворение олова в кислоте. В какой кислоте растворяется олово? Наиболее подходящие кислоты – серная или соляная.

  1. Концентрированная соляная кислота, особенно при нагревании, легко растворяет олово, с выделением водорода. Важно помнить, что для растворения подходит только концентрированная соляная кислота.
  2. Серная кислота также может служить прекрасным растворителем. При этом могут выделяться: сернистый газ, сероводород, сера, и даже водород.

Длительность процесса зависит от концентрации кислоты, толщины оловянного слоя и размера изделия.

Перед растворением нужно тщательно изучить изделие, так как в оловянных сплавах часто встречается свинец, который в кислотах не растворяется. Также необходимо соблюдать концентрацию кислот и изучить прохождение реакции растворения.

Помимо этого растворять олово можно:

  • в азотной кислотой. В этом случае образуется нитрат олова (Sn(NO3)2). Для проведения реакции необходимо использовать только разбавленную азотную кислоту, концентрированная не будет растворять олово;
  • царской водке;
  • различными щелочами. Этот метод применяют для снятия оловянного покрытия со старых консервных банок, после чего из получившегося раствора чистое олово выделяют электролитическим методом;
  • хлорным железом. Самый быстрый, но достаточно дорогой способ. В этом случае процесс растворения займет всего 10–15 минут. Выпускается хлорное железо в виде раствора либо в виде кристаллов.
Читайте также:  С чем связаны олово

Источник

Олово: степени окисления и реакции с ним

Химические свойства олова

Олово – это легкий металл с атомным номером 50, который находится в 14-й группе периодической системы элементов. Этот элемент был известен еще в древности и считался одним из самых редких и дорогих металлов, поэтому изделия из олова могли позволить себе самые богатые жители Римской Империи и Древней Греции. Из олова изготавливали специальную бронзу, которой пользовались еще в третьем тысячелетии до нашей эры. Тогда бронза была самым прочным и популярным сплавом, а олово служило одной из примесей и использовалось более двух тысяч лет.

На латыни этот металл называли словом «stan­num», что означает стойкость и прочность, однако таким названием ранее обозначался сплав свинца и серебра. Только в IV веке этим словом начали называть само олово. Само же название «олово» имеет множество версий происхождения. В Древнем Риме сосуды для вина делались из свинца. Можно предположить, что оловом называли материал свинец, из которого изготавливали сосуды для хранения напитка оловина, употребляемого древними славянами.

В природе этот металл встречается редко, по распространенности в земной коре олово занимает всего лишь 47-е место и добывается из касситерита, так называемого оловянного камня, который содержит около 80 процентов этого металла.

Применение в промышленности

Так как олово является нетоксичным и весьма прочным металлом, он применяется в сплавах с другими металлами. По большей части его используют для изготовления белой жести, которая применяется в производстве банок для консервов, припоев в электронике, а также для изготовления бронзы.

Физические свойства олова

Этот элемент представляет собой металл белого цвета с серебристым отблеском.

Если нагреть олово, можно услышать потрескивание. Этот звук обусловлен трением кристалликов друг о друга. Также характерный хруст появится, если кусок олова просто согнуть.

Олово весьма пластично и ковко. В классических условиях этот элемент существует в виде «белого олова», которое может модифицироваться в зависимости от температуры. Например, на морозе белое олово превратится в серое и будет иметь структуру, схожую со структурой алмаза. Кстати, серое олово очень хрупкое и буквально на глазах рассыпается в порошок. В связи с этим в истории есть терминология «оловянная чума».

Раньше люди не знали о таком свойстве олова, поэтому из него изготавливались пуговицы и кружки для солдат, а также прочие полезные вещи, которые после недолгого времени на морозе превращались в порошок. Некоторые историки считают, что именно из-за этого свойства олова снизилась боеспособность армии Наполеона.

Получение олова

Основным способом получения олова является восстановление металла из руды, содержащей оксид олова(IV) с помощью угля, алюминия или цинка.

Особо чистое олово получают электрохимическим рафинированием или методом зонной плавки.

Химические свойства олова

При комнатной температуре олово довольно устойчиво к воздействию воздуха или воды. Это объясняется тем, что на поверхности металла возникает тонкая оксидная пленка.

На воздухе олово начинает окисляться только при температуре свыше 150 °С:

Если олово нагреть, этот элемент будет реагировать с большинством неметаллов, образуя соединения со степенью окисления +4 (она более характерна для этого элемента):

Взаимодействие олова и концентрированной соляной кислоты протекает довольно медленно:

Sn + 4HCl → H₂[SnCl₄] + H₂

С концентрированной серной кислотой олово реагирует очень медленно, тогда как с разбавленной в реакцию не вступает вообще.

Очень интересна реакция олова с азотной кислотой, которая зависит от концентрации раствора. Реакция протекает с образованием оловянной кислоты, H₂S­nO₃, которая представляет собой белый аморфный порошок:

3Sn + 4H­NO₃ + nH₂O = 3H₂S­nO₃·nH₂O + 4NO

Если же олово смешать с разбавленной азотной кислотой, этот элемент будет проявлять металлические свойства с образованием нитрата олова:

4Sn + 10H­NO₃ = 4Sn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O

Нагретое олово нагреть может реагировать со щелочами с выделением водорода:

Sn + 2KOH + 4H₂O = K₂[Sn(OH)₆] + 2H₂

Здесь вы найдете безопасные и очень красивые эксперименты с оловом.

Степени окисления олова

В простом состоянии степень окисления олова равняется нулю. Также Sn может иметь степень окисления +2: оксид олова(II) SnO, хлорид олова(II) SnCl₂, гидроксид олова(II) Sn(OH)₂. Степень окисления +4 наиболее характерна для оксида олова(IV) SnO₂, галогенидах(IV), например хлорид SnCl₄, сульфид олова(IV) SnS₂, нитрид олова(IV) Sn₃N₄.

Источник

Металлическое олово с соляной кислотой

Д.В. Цымай, С.А. Куценко

Орловский государственный технический университет

В результате металлургической переработки оловосодержащих руд остаются шлаки с низким содержанием олова и примесями других компонентов. Извлечение олова из таких концентратов осложняется тем, что касситерит нерастворим в кислотах и щелочах как показали многочисленные исследования. Решение проблемы извлечения олова из указанных шлаков требует привлечения комплекса пирометаллургических и гидрометаллургических методов. Обзор исследований кинетики гидрометаллургического извлечения компонентов из смешанных концентратов выполнен в монографии [1]. Однако там не рассмотрена кинетика извлечения олова из концентратов содержащих кроме олова другие примеси [2].

Читайте также:  Как будет олово по татарский

Целью исследования является получение кинетических зависимостей для извлечения олова солянокислотным выщелачиванием из концентратов, подвергнутых предварительному восстановительному обжигу при 700ºС. Цель достигается применением методики, позволяющей косвенно измерять количество прореагировавшего с кислотой олова.

Для исследований был взят смешанный оловянно-вольфрамовый концентрат, содержащий вольфрамит, касситерит, окислы железа и марганца и тот же концентрат подвергнутый восстановительному обжигу при 700ºС.

Было проведено предварительное извлечение примесей из концентрата. Установлено, что после выщелачивания соляной кислотой (концентрация 36%) исходных вольфрамо-оловянных шлаков убыль веса концентрата составила 25 – 40%, а в растворе в значительных количествах присутствуют ионы Fe 2+ , Fe 3+ , Mn 2+ . Полученные данные показали, что олово и вольфрам в раствор не перешли. Таким образом, для извлечения из указанных концентратов олова необходим предварительный восстановительный обжиг. Анализ растворов после следующего выщелачивания концентрата показал незначительное присутствие ионов Fe 2+ , Fe 3+ , Mn 2+ в концентрате.

В результате расчетов и химических анализов установлено, что металлические железо и марганец в обожженном концентрате отсутствуют. Перед применением экспериментальной установки необожженный концентрат был подвергнут прокаливанию при повышенных температурах с целью разложения карбонатов и сульфидов. Тем самым достигалась чистота эксперимента, т.е. при взаимодействии необожженного концентрата и соляной кислоты не могли выделяться другие газы кроме водорода.

Таким образом, в обожженном концентрате нет элементов, которые могли бы выделять водород при реакции с соляной кислотой кроме олова.

Металлическое олово реагирует с соляной кислотой по реакциям:

Поэтому для исследования кинетики извлечения олова из концентратов был применен волюметрический метод контроля протекания реакции, т. е. измерение объема выделившегося водорода через равные промежутки времени. Установка, на которой проводилось исследование, показана на рисунке 1.

Кислота из емкости 1 подается в реакционный сосуд 2, а объем выделившегося в реакции водорода фиксируется измерительным прибором 3. Измерение объема выделившегося водорода фиксируется по объему вытесненной воды.

Реакционный сосуд находился в термостате при постоянной температуре. При выщелачивании использована концентрированная соляная кислота марки хч.

Установлено, что протекающие реакция взаимодействия олова с соляной кислотой соответствуют стехиометрии реакций (1), (2). Измеренный объем выделившегося водорода пересчитывался в массу извлеченного олова в соответствии с указанными реакциями. Пересчет производился по формуле:

(2)

где m – масса олова, кг;

M=118,7кг/моль – молярная масса олова;

VM=22,4·10 -3 м 3 /моль – молярный объем водорода;

V –объем выделившегося в процессе эксперимента водорода, м 3 .

Доля извлеченного в раствор олова определялась по формуле:

(3)

где m – начальная масса олова, кг;

Доля извлеченного в раствор олова по экспериментальным данным определялась по формуле:

(4)

где величина V непосредственно измерялась в процессе эксперимента.

Результаты исследования кинетики выщелачивания соляной кислотой олова из обожженного вольфрамо-оловянного концентрата при различных температурах представлены на рисунке 2.

в логарифмической системе координат указанные кривые могут быть представлены следующим образом:

Было сделано предположение, что реакция выщелачивания олова описывается уравнением кинетики первого порядка.

(5)

k – константа реакции первого порядка, с -1 .

Интегрируя уравнение получим:

(6)

Установлено, что коэффициент скорости уменьшается с уменьшением концентрации соляной кислоты. Выполнены эксперименты с соляной кислотой концентрации 20%. При данной концентрации соляной кислоты кинетические зависимости выглядят следующим образом.

Тогда долю извлеченного в раствор олова можно описать уравнением:

(7)

В отличии от уравнения (6), уравнение (7) не включает начальные параметры системы и потому применимо к любому количеству концентрата.

Для кинетической константы уравнения можно записать формулу:

(8)

Подставив в уравнение (10) формулу (5), получим:

(9)

Если наше предположение о порядке реакции верно, то величина константы, определяемая формулой (9) должна оставаться постоянной. Что и было подтверждено опытом. Получено уравнение, описывающее зависимость кинетической константы, k от температуры, t. Указанная зависимость описывается уравнением Аррениуса.

(11)

Величина энергии активации, Е по опытным данным составляет 25920 Дж/мольК.

Величина константы А составляет 11,679.

График зависимости кинетической константы от температуры представлен на рисунке 5.

В результате исследования установлено, что концентрат, не подвергнутый восстановительному обжигу, не содержит олово. Исследована зависимость константы скорости от температуры. Указанная зависимость с достаточной степенью точности описывается уравнением Аррениуса. Для каждой концентрации существует предельные значения максимальной степени извлечения олова из данного концентрата. Исследования показали, что способ кислотного выщелачивания олова применим к концентратам, подвергнутым восстановительному обжигу.

  1. Зеликман А.Н., Никитина Л.С. Вольфрам. — М.: Металлургия, 1978г.
  2. Коршунов В. Г., Медведев А.С. Варианты комплексной переработки низкосортного вольфрамо-оловянного сырья.// Цветные металлы. – №7—1993 –с. 47—50.

Источник