Олово горит или нет

Олово

Олово, Sn, металл, принадлежит к IV группе периодической системы (в 7-м ряду). Атомный вес Sn = 119,05 (О=16). Удельный вес 7,293, при 13°. Температура плавления 232,7°, температура кипения между 1450 и 1600°. В Европе встречается главным образом в Корнуоле. Самые богатые месторождения олова находятся на группе островов, лежащих к востоку от Суматры, встречаются в Саксонии, Финляндии (Питкаранта) и др. местах. Главная руда — оловянный камень (касситерит), SnО₂. Он легко восстановляется, при нагревании с углем, в металлическое олово. Олово представляет белый, но несколько более тусклый и синий, чем серебро, металл; при обыкновенной температуре легко прокатывается в тонкие листы (оловянная фольга или станниоль). При низкой температуре белое олово переходит в другое аллотропическое видоизменение — серое, удельный вес 5,8. При температуре выше 18°С серое олово переходит в белое. Без соприкосновения с серым оловом превращение белого олова при обыкновенной температуре происходит крайне медленно. Наибольшая скорость перехода наблюдается при —47°. Поэтому при сильных холодах оловянные вещи (посуда и т. п.) начинают рассыпаться в порошок. Можно полагать, что при температурах около 200° существует третье аллотропическое видоизменение, так как при 200° олово становится настолько хрупко, что его можно толочь в ступке. Олово при обыкновенной температуре не окисляется. В соляной кислоте растворяется, причем образуется хлористое олово, SnCl₂. При действии на олово азотной кислоты получается белый порошок метаоловянной кислоты, Н₂SnО₃. При действии горячего раствора едкого кали или натра на олово получается оловяннокалиевая или натровая соль: K₂SnО₃. Слабые кислоты (уксусная) на олово не действуют. На стойкости олова по отношению к кислороду основано его применение для лужения медной посуды, для покрытия им железа (белая жесть). Олово с кислородом образует закись олова SnO и окись олова, или олово ангидрид, SnО₂, соответственно коим образуются и другие соединения, например, SnS — бурый серый осадок и SnS₂ — желтый осадок, получающиеся при пропускании сероводорода в соединения закиси или окиси олова SnS, — получающееся также при нагревании олова амальгамы с серой и нашатырем в виде золотистых листочков, носит название мусивного или сусального золота и служит для бронзирования разных предметов.

Из других соединений укажем на хлорное олово, SnCl₄, открытое в 1605 г. и названное Spiritus fumans Libavii. Получается при горении олова в хлоре. Жидкость кипит при 113,9°, удельный вес 2,234. При действии воды разлагается по уравнению SnCl₄ + 4Н₂О = Sn(OH)₄ + 4НСl. С хлористым калием, натрием и аммонием образует соли состава SnCl₄.2KСl, SnCl₄.2NH₄Cl. Последняя соль называется пинкзальц и употребляется в красильном деле в качестве протравы. Станниоль, положенный в раствор пинкзальца, быстро переходит в серое олово. Для хлорного олова существует его изомерное видоизменение — метахлорное. Для оловянных кислот Н₂SnО₃ известно тоже два изомера: оловянная и метаоловянная кислота. Можно предположить, что метаоловянная кислота (Н₂SnО₃)_х является полимером оловянной (Н₂SnО₃).

Добывание олова из руд проще, когда руда находится в россыпи, чем из коренного месторождения. Для очищения руду подвергают ручной сортировке, затем измельчают, просевают и подвергают отмучиванию водой, получая шлихи, богатые оловом. Механическое обогащение здесь очень уместно, т. к. удельный вес оловянного камня (6,8—7,0) значительно превышает удельный вес большинства его спутников. Дальнейшее обогащение достигается при помощи обжигания, потому что оловянный камень при этом не изменяется, а сернистые минералы окисляются, переходя в окислы; промывка после обжигания может удалить еще новое количество примесей; кроме того, обжиганием удаляется сера и мышьяк (вредные примеси). Обжигание руд иногда предшествует измельчению, если руды плотны и тверды; тогда после обжигания приступают к промывке измельченном массы. Иногда обожженную руду выщелачивают водой или разбавленной кислотой, которые, растворяя различные соли и окислы, не действуют па оловянный камень. Механическим обогащением, обжиганием и последующей промывкой удается получить из руд с 1—2% олова шлихи, содержащие 50—70% его. Выделение олова в металлическом виде из обогащенной руды совершается восстановительной плавкой или в шахтовых, или в пламенных печах. Восстановителем служит углерод в виде древесного угля или в виде тощего каменного угля с малым содержанием золы (но не коксом). Шахтовая печь (при работе на древесном угле) устраивается невысокая, не более 3 метров, чтобы не восстанавливалось много железа. К выплавляемой руде никогда не прибавляют плавня; если же она содержит вольфрам и молибден, то прибавляют 2—4% извести. Воздух вдувается в шахту в две фурмы, неподогретый. Пламенная печь, употребляемая в Англии для выплавки олова, имеет овальный углубленный под, набитый из огнеупорной глины, в 1,4 м длины и 1 м ширины в средине. На под печи вносят за раз 20—25 центнеров шлиха (с 66—73% Sn), смешивают с ¼ — 1 /₅ частями (по весу) антрацитовой или каменноугольной мелочи, с прибавкой небольшого количества известняка и плавикового шпата для образования шлака. Плавят при закрытых дверках, поднимая постепенно температуру и время от времени перемешивая смесь. Несколько раз спускают жидкий образующийся шлак, посыпая угольным порошком плавящуюся массу. Восстановление оканчивается в 6—8 часов. Рядом с подом устраивают гнездо (углубление), в которое и выпускают выплавленное олово.

Выплавленное непосредственно из руды олово не бывает чисто; оно содержит немного железа, меди, мышьяка, сурьмы, вольфрама. Очищение его от примесей или рафинирование олово производят на заводах 2 способами; немецким и английским. Немецкий способ состоит в зейгеровании; в нем разделение основано на различии плавкости олова и примешанных металлов. В английском способе, кроме зенгерования, производят выдразнивание, как и при рафинировании меди (Ср. XXIX, 492 1 ).

Химически чистое олово получают из продажного так: растворяют олово в соляной кислоте; при этом остается в осадке медь, сурьма, свинец и часть олова; часть мышьяка выделяется в виде мышьяковистого водорода. В растворе получаются олово и цинк. Кипящий раствор осаждают содой; осадок обрабатывают азотной кислотой: тогда олово переходит в нерастворимую метаоловянную кислоту, а цинк растворяется. Оловянную кислоту тщательно промывают и восстановляют черным плавнем, т. е. смесью угля и поташа.

Для добывания олова из отбросов белой жести в настоящее время часто прибегают к электролизу, производимому и в кислой, и в щелочной ванне: крупные заводы предпочитают электролиз щелочного раствора (в присутствии едкого натра). олово растворяется из жести, служащей анодом, и осаждается на катоде, если не останавливаться на получении оловянных препаратов.

Главное применение олово находит в приготовлении разных сплавов, например, бронзы (см.), белых металлов. Много олова употребляется в паянии (см.) и лужении (см.), а также для покрытия железа (белая жесть) и завертывания. Часть олова переделывается в химические препараты: оловянную соль (хлористое олово), оксиженную соль (SnCl₄.5Н₂О), оловянно-натровую соль, мусивное золото (SnS₂) и др.

Источник

Руководство по материалам электротехники для всех. Часть 3

Продолжение руководства по материалам электротехники. В этой части заканчиваем разбирать проводники: Углерод, Нихромы, термостабильные сплавы, припои — олово, прозрачные проводники.

Добро пожаловать под кат (ТРАФИК)

Хочу сказать спасибо всем за дельные комментарии к предыдущим частям, мой список TODO растет. Если тенденция сохранится, то итоговую версию руководства в формате pdf я опубликую не в 11 части, как планировал, а отдельно 12й частью вместе со списком доработок и улучшений. Оставляйте пожелания в комментариях какие места требуют более подробного обьяснения.

Эта часть посвящена «так себе проводникам» — материалам которые проводят ток, но делают это весьма паршиво, и с этим мирятся только благодаря каким-то особым свойствам материала, которого нет у других проводников.

Углерод

С — углерод. Не совсем металл, но тоже проводник. Графит, угольная пыль — не такие хорошие проводники как металлы, но зато очень дешевые, не подвержены коррозии.

Примеры применения

Компонент резисторов. В виде пленок, в виде объемных брусков в диэлектрической оболочке.

Добавка в полимеры для придания электропроводности. Для защиты от образования статического электричества достаточно ввести в состав полимера мелкодисперсный графит, и пластик из диэлектрика становится очень плохим проводником, достаточным, что бы статический заряд с него стекал. При работе с изделиями из такого пластика они не будут прилипать и искрить, что важно при пожароопасности или работе с электроникой.

Токопроводящий лак на базе суспензии графита.

На базе полимеров, заполненных мелкодисперсным графитом, основаны различные нагреватели — пленочные электронагреватели теплых полов, греющие кабели для систем водоснабжения, нагреватели для одежды и т.д. Высокий коэффициент расширения полимеров при нагреве приводит к отрицательной обратной связи, что делает такие нагреватели саморегулирующимися и потому безопасными. При пропускании тока через такой полимер, он нагревается, от нагрева расширяется, контакт между частичками углерода в матрице из полимера ухудшается, от этого увеличивается сопротивление — уменьшается протекаемый ток, уменьшается нагрев. В итоге, устанавливается некоторая температура полимера, стабильно поддерживающаяся этим механизмом обратной связи без каких либо внешних устройств.

Нагреватель от печки лазерного принтера. Основа — фарфор, проводники — серебро. Нагреватель — углеродная композиция, покрыта для защиты слоем глазури.

Аналогично устроены полимерные самовосстанавливающиеся предохранители. Если ток через такой предохранитель превысит номинальный, от нагрева полимер в составе расширяется, и резко увеличившееся сопротивление прерывает ток через предохранитель до некоторого небольшого значения. Такие предохранители обеспечивают медленную защиту, но не требуют замены предохранителя после каждой аварии.

Угольный сварочный электрод — используется для сварки, когда от электрода требуется только поддерживать дугу не плавясь. Уголь значительно дешевле вольфрама, но менее прочен и постепенно сгорает на воздухе.

Электроды от дуговой лампы, использовавшейся для киносъемок. Марка электродов КСБ — Уголь КиноСьемочный Белопламенный неомедненный.

Медно-графитовые материалы. Получают спеканием порошка меди и графита в разных пропорциях. В зависимости от состава могут быть от чёрных как уголь до темно красных с медным блеском. Используется как материал скользящих контактов — щеток электрических приборов. Такие щетки обеспечивают низкое сопротивление вращению — хорошо скользят по контактам коллектора. Кроме того их твёрдость заметно ниже твёрдости металла коллектора, так что в процессе работы истираются и подлежат замене дешевые щетки а не дорогой ротор.

Изношенные щетки от двигателя стиральной машины. Плохой контакт щеток с коллектором — причина повышенного искрения.

Источники

Если вдруг понадобился срочно угольный электрод, например сварить термопару, самый доступный способ — вытащить центральный электрод из солевой батарейки (маркировка которой начинается с R а не LR, щелочные («алкалиновые») не подойдут). Угольный стержень из батарейки содержит в себе следы электролита, поэтому перед применением не лишнем будет промыть и прокипятить его в воде для удаления остатков электролита.

Нихромы

Для изготовления нагревателей, мощных сопротивлений требуются сплавы со следующими требованиями:

• Относительно высокое удельное сопротивление — иначе нагреватель придется делать длинным и тонким, что отрицательно скажется на долговечности.
• Устойчивость к окислению на воздухе. Если в колбу лампы накаливания попадет воздух, то спираль очень быстро сгорит. При высоких температурах скорости химических реакций растут, и кислород воздуха начинает окислять даже стойкие при комнатной температуре металлы.
• Иметь приемлемые механические характеристики. Низкая пластичность и повышенная хрупкость негативно скажется на надежности изделия.

Нагреватели обычно изготавливают из следующих сплавов:

Нихром (55-78% никеля, 15-23% хрома) рабочая температура до 1100 °C хотя нихромы — это целый класс сплавов с небольшой разницей в составе.
Фехраль, название образовано от состава FeCrAl (12-27% Cr, 3.5-5.5% Al, 1% Si, 0.7% Mn, остальное Fe) рабочая температура до 1350 °C (Иногда называют канталом — kanthal, это не марка сплава, а торговая марка, которая стала нарицательной, как например «термос»).

Добавка хрома обеспечивает образование защитной пленки на поверхности сплава, благодаря чему нагреватели из нихрома могут длительное время работать на воздухе с высокой температурой поверхности.

Фехраль после нагрева становится ломким. Нихром после нагрева еще можно как-то гнуть. При этом фехраль дешевле нихрома, в рознице не так заметно, но ощутимо в оптовых партиях.

Нихромовая спиралька с фитилем внутри — испаритель электронной сигареты. Нихромовой струной, подогреваемой электрическим током, режут пенополистирол. Также из нихрома изготавливают термосьемники изоляции — на сегодняшний день самый надежный способ снять изоляцию с провода и не повредить токопроводящую жилу.

На удивление, достаточно трудно купить нихром в виде проволоки в небольших количествах, местные продавцы о количествах менее килограмма даже слышать не хотят. Так что, если понадобится изготовить нагревательный элемент — то проще перемотать нихром с какогонибудь неисправного тепловентилятора.

Концы нагревательных элементов обычно приваривают к тоководам или зажимают механически — винтом или опрессовкой.

Сплавы для изготовления термостабильных сопротивлений

У всех материалов есть ТКС — температурный коэффициент сопротивления, мера того, насколько изменяется сопротивление с изменением температуры. Он может быть положительным — как у металлов, с ростом температуры сопротивление растет, может быть отрицательным, как у полупроводников, с ростом температуры сопротивление падает. При изготовлении точных измерительных приборов необходимо иметь сопротивления с минимальным дрейфом номинала в зависимости от температуры. Для этого изобрели сплавы с минимальным ТКС:

Константан (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn)
Манганин (85% Cu, 11.5-13.5% Mn, 2.5-3.5% Ni)

Таблица, с указанием температурного коэффициента (обозначается как α) для различных
металлов:

Материал	Температурный коэффициент α
Кремний	-0,075
Германий	-0,048
Манганин	0,00002
Константан	0,00005
Нихром	0,0004
Ртуть	0,0009
Сталь 0,5% С	0,003
Цинк	0,0037
Титан	0,0038
Серебро	0,0038
Медь	0,00386
Свинец	0,0039
Платина	0,003927
Золото	0,004
Алюминий	0,00429
Олово	0,0045
Вольфрам	0,0045
Никель	0,006
Железо	0,00651

Если упростить, то коэффициент α говорит, во сколько раз изменится сопротивление проводника при изменении температуры на один градус Цельсия.

Припои

Пайка — это процесс соединения двух деталей при помощи припоя, материала с температурой плавления меньшей, чем у соединяемых деталей. Например, соединение двух медных проводников при помощи олова. Именно использование припоя — основное отличие от сварки, когда детали соединяются расплавом из самих себя, например стальной крюк к стальной двери приваривается при помощи стального плавящегося сварочного электрода.

Припои чаще классифицируют на две группы — тугоплавкие (температура плавления 400°С и более) и легкоплавкие. Или, иногда, на твёрдые и мягкие. Учитывая, что мягкие припои обычно легкоплавкие, то часто твёрдые припои синоним тугоплавких, а мягкие припои — легкоплавких.

В электронной технике припои используют для создания надежного электрического контакта. Основные припои в электронной технике — мягкие, на базе олова и оловянно-свинцовых сплавов. Все остальные экзотические припои рассматриваться не будут.

Олово

Sn — Олово. Основной компонент мягких припоев. Олово — относительно легкоплавкий металл, что позволяет использовать его для соединения проводников. В чистом виде не используется (см. факты). Из-за дороговизны олова (а также других причин, см. ниже), его в припоях разбавляют свинцом. Припой из 61% олова и 39% свинца образует эвтектику, такой смесью, ПОС-61 (Припой Оловянно-Свинцовый — 61% олова) паяют радиодетали на платах, провода. В менее ответственных узлах (шасси, теплоотводы, экраны и т.п.) олово в припоях разбавляют сильнее, до 30% олова, 70% свинца.

Электронные устройства долгое время паяли оловянно-свинцовыми припоями. Затем набежали экологи и заявили, что свинец — металл тяжелый, токсичный, и проблемы бы не было, если бы все эти ваши айфоны, компьютеры и прочие гаджеты не оказывались на свалке, откуда свинец попадает в окружающую среду. Поэтому придумали серию бессвинцовых припоев, когда олово разбавлено висмутом, или вовсе используется в чистом виде, стабилизированное добавками, например, серебра. Но эти припои дороже, хуже по характеристикам, более тугоплавкие. Поэтому оловянно-свинцовые припои надолго останутся в ответственных изделиях военного, космического, медицинского применения.

Кроме того, бессвинцовые припои склонны к образованию «усов». Оловянные усы — длинные тонкие кристаллы, вырастающие из оловянного припоя — причина отказов и сбоев аппаратуры. К сожалению, присадки в припои не позволяют на 100% прекратить рост «усов», поэтому оловянно-свинцовые припои, как проверенные временем, используются в критичных системах — космос, медицина, военка, атомные применения. Подробнее про усы.

Факты об олове

Легкоплавкие припои

На базе сплавов с содержанием олова были разработаны легкоплавкие припои. И даже очень легкоплавкие припои, которые плавятся в горячей воде. Хороший список сплавов есть в Википедии.

Катушки и прутки оловянно-свинцовых припоев. Проволока из припоя содержит центральный канал с флюсом, облегчающим процесс пайки.

Основные припои для радиоаппаратуры

• ПОС-61 — 61% олова, остальное — свинец. Температура плавления (ликвидус) 183 °C. Есть множество сходных по составу и по свойствам импортных припоев, в которых пропорции компонентов отличаются на пару процентов, например Sn60Pb40 или Sn63Pb37.
• ПОС-40 — 40% олова. Остальное — свинец. Температура плавления (ликвидус) 238 °C Менее прочный, более тугоплавкий, неэвтектический (плавится не сразу, есть диапазон температур при котором припой больше походит на кашу). Но благодаря тому, что чуть ли не в два раза дешевле (олово дорогое), применяется для неответственных соединений — пайка экранов, шин. Аналогичны припои ПОС-33 (температура плавления 247С), ПОС-25 (температура плавления 260С), ПОС-15 (температура плавления 280С).
• Бессвинцовые припои. Для пайки медных водопроводных труб горелкой чаще всего используют мягкий припой с 3% меди (Sn97Cu3). Он не содержит свинца, потому пригоден для питьевой воды. По экологическим причинам современную электронику на заводах паяют в основном бессвинцовыми припоями. Хорошая статья.

Замыкают список совсем легкоплавкие припои:

• Сплав Розе: 25% Sn, 25% Pb, 50% Bi. Температура плавления +94 °C.
• Сплав Вуда: 12,5% Sn, 25% Pb, 50% Bi, 12.5% Cd Температура плавления +68,5 °C.

Применяются для лужения печатных плат любителями, так как плавятся в горячей воде, и можно резиновым шпателем под слоем кипящей воды быстро покрыть припоем медную фольгу печатной платы. В технике их используют для пайки деталей, не выдерживающих нагрева до обычной температуры припоев, или в тех случаях, когда зачем-то нужен очень легкоплавкий металл (например, для датчика температуры).

Если спаять подпружиненные контакты легкоплавким припоем, то получится простой и надежный термопредохранитель, при превышении температуры припой плавится и контакты разрывают цепь. Правда, предохранитель получится одноразовым. Во многих советских телевизорах в блоке строчной развертки была защита из обычной стальной спиральной пружинки, припаянной на легкоплавкий припой. При перегреве, в том числе от большого тока через пружинку, она отпаивалась и отрывалась. Предохранители такого типа очень хороши как защита от пожара.

Прочие проводники

Термопарные сплавы

Для изготовления термопар используют сплавы стойкие к высоким температурам, но при этом обладающие высокой ТермоЭДС. Подробнее про термопары можно прочитать в соответствующей литературе.

• Хромель (90% Ni, 10% Cr)
• Копель (43% Ni, 2-3% Fe, 53% Cu)
• Алюмель (93-96% Ni, 1,8-2,5% Al, 1,8-2,2% Mn, 0,8-1,2% Si)
• Платина (100% Pt)
• Платина-родий (10-30% Rh)
• Медь (100% Cu)
• Константан (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn)

Соединяя два проводника из двух разных металлов получают термопары, например термопара типа K (ТХА — Термопара Хромель-Алюмель). Самые распространенные пары: хромель-алюмель, хромель-копель, медь-константан (для низких температур), платина-платинородий (для точных измерений и для высоких температур).

Оксид Индия-Олова

Оксид Индия — Oлова (Indium tin oxide или сокращённо ITO) — полупроводник, но обладает невысоким сопротивлением, а самое главное, пленка из оксида индия-олова прозрачна.

Это свойство используется при производстве ЖК дисплеев, сетка электродов на поверхности стекла нанесена именно из оксида индия-олова. Также резистивные touch панели имеют прозрачное проводящее покрытие.

Пленка ITO едва видна в отражении, чтобы хоть как то она была заметна пришлось разобрать ЖК дисплей:

Стекла от ЖК индикатора электронных часов. Индикатор подключался к электронной схеме через токопроводящую резинку, гребенка контактов видна в нижней части стекла.

На просвет проводящая пленка не видна

На удивление, сопротивление пленки довольно низкое.

На этом мы закончили проводники. В следующей части начнем обзор диэлектриков

Источник