Олово его физические свойства

Олово

Олово — пластичный, ковкий и легкоплавкий блестящий металл серебристо-белого цвета. Используется в основном как безопасное, нетоксичное, коррозионностойкое покрытие в чистом виде или в сплавах с другими металлами. Главные промышленные применения олова — в белой жести (луженое железо) для изготовления тары, в припоях для электроники, в домовых трубопроводах, в подшипниковых сплавах и в покрытиях из олова и его сплавов.Элемент состоит из 10 изотопов с массовыми числами 112, 114-120, 122, 124; последний слабо радиоактивен; изотоп 120 Sn наиболее распространен (около 33%).

СТРУКТУРА

Олово имеет две аллотропные модификации: a-Sn (серое олово) с гранецентрированной кубической кристаллической решеткой и b-Sn (обычное белое олово) с объемноцентрированной тетрагональной кристаллической решеткой. Фазовый переход b -> a ускоряется при низких температурах (-30° С) и в присутствии зародышей кристаллов серого олова; известны случаи, когда оловянные изделия на морозе рассыпались в серый порошок («оловянная чума»), но это превращение даже при очень низких температурах резко тормозится наличием мельчайших примесей и поэтому редко встречается, представляя скорее научный, чем практический интерес.

СВОЙСТВА

Плотность b-Sn 7,29 г/см 3 , плотность a-Sn 5.85 г/см 3 ,. Температура плавления 231,9°C, температура кипения 2270°C.
Температурный коэффициент линейного расширения 23·10 -6 (0-100 °С); удельная теплоемкость (0°С) 0,225 кдж/(кг·К), то есть 0,0536 кал/(г·°С); теплопроводность (0°С) 65,8 вт/(м·К.), то есть 0,157 кал/(см·сек·°С); удельное электрическое сопротивление (20 °С) 0,115·10 -6 ом·м, то есть 11,5·10 -6 ом·см. Серое олово является диамагнетиком, а белое — парамагнетиком.

Предел прочности при растяжении 16,6 Мн/м 2 (1,7 кгс/мм 2 ); относительное удлинение 80-90%; твердость по Бринеллю 38,3-41,2 Мн/м 2 (3,9-4,2 кгс/мм 2 ). При изгибании прутков олова слышен характерный хруст от взаимного трения кристаллитов.

Чистое олово обладает низкой механической прочностью при комнатной температуре (можно согнуть оловянную палочку, при этом слышится характерный треск, обусловленный трением отдельных кристаллов друг о друга) и поэтому редко используется.

ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА

Олово — редкий рассеянный элемент, по распространенности в земной коре олово занимает 47-е место. Кларковое 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). Мировые месторождения олова находятся в основном в Китае и Юго-Восточной Азии — Индонезии, Малайзии и Таиланде. Также есть крупные месторождения в Южной Америке (Боливии, Перу, Бразилии) и Австралии.

В России запасы оловянных руд расположены в Чукотском автономном округе (Пыркакайские штокверки; рудник/посёлок Валькумей, Иультин — разработка месторождений закрыта в начале 1990-х годов), в Приморском крае (Кавалеровский район), в Хабаровском крае (Солнечный район, Верхнебуреинский район (Правоурмийское месторождение)), в Якутии (месторождение Депутатское) и других районах.

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.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Основная форма нахождения олова в горных породах и минералах — рассеянная (или эндокриптная). Однако олово образует и минеральные формы, и в этом виде часто встречается не только как акцессорий в кислых магматических породах, но и образует промышленные концентрации преимущественно в окисной (касситерит SnO₂) и сульфидной (станнин) формах.

В общем можно выделить следующие формы нахождения олова в природе:

1. Рассеянная форма: конкретная форма нахождения олова в этом виде неизвестна. Здесь можно говорить об изоморфно рассеянной форме нахождения олова вследствие наличия изоморфизма с рядом элементов (Ta, Nb, W — с образованием типично кислородных соединений; V, Cr, Ti, Mn, Sc — с образованием кислородных и сульфидных соединений). Если концентрации олова не превышают некоторых критических значений, то оно изоморфно может замещать названные элементы. Механизмы изоморфизма различны.
2. Минеральная форма: олово установлено в минералах-концентраторах. Как правило, это минералы, в которых присутствует железо Fe +2 : биотиты, гранаты, пироксены, магнетиты, турмалины и т. д. Эта связь обусловлена изоморфизмом, например, по схеме Sn +4 + Fe +2 → 2Fe +3 . В оловоносных скарнах высокие концентрации олова установлены в гранатах (до 5,8 вес.%) (особенно в андрадитах), эпидотах (до 2,84 вес.%) и т. д.

На сульфидных месторождениях олово входит как изоморфный элемент в сфалериты (Силинское месторождение, Россия, Приморье), халькопириты (Дубровское месторождение, Россия, Приморье), пириты. Высокие концентрации олова выявлены в пирротине грейзенов Смирновского месторождения (Россия, Приморье). Считается, что из-за ограниченного изоморфизма происходит распад твёрдых растворов с микровыделениями Cu₂ +1 Fe +2 SnS₄ или тиллита PbSnS₂ и других минералов.

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). Другой известный сплав — пьютер — используется для изготовления посуды. 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. В последнее время возрождается интерес к использованию металла, поскольку он наиболее «экологичен» среди тяжёлых цветных металлов. Используется для создания сверхпроводящих проводов на основе интерметаллического соединения Nb₃Sn.
Дисульфид олова SnS₂ применяют в составе красок, имитирующих позолоту («поталь»).

Искусственные радиоактивные ядерные изомеры олова 117m Sn и 119m Sn — источники гамма-излучения, являются мёссбауэровскими изотопами и применяются в гамма-резонансной спектроскопии.
Интерметаллические соединения олова и циркония обладают высокими температурами плавления (до 2000 °C) и стойкостью к окислению при нагревании на воздухе и имеют ряд областей применения.

Олово является важнейшим легирующим компонентом при получении конструкционных сплавов титана.
Двуокись олова — очень эффективный абразивный материал, применяемый при «доводке» поверхности оптического стекла.
Смесь солей олова — «жёлтая композиция» — ранее использовалась как краситель для шерсти.

Олово применяется также в химических источниках тока в качестве анодного материала, например: марганцево-оловянный элемент, окисно-ртутно-оловянный элемент. Перспективно использование олова в свинцово-оловянном аккумуляторе; так, например, при равном напряжении, по сравнению со свинцовым аккумулятором свинцово-оловянный аккумулятор обладает в 2,5 раза большей емкостью и в 5 раз большей энергоплотностью на единицу объёма, внутреннее сопротивление его значительно ниже.
Исследуются изолированные двумерные слои олова (станен), созданные по аналогии с графеном.

Источник

Олово

Олово

Олово — химический элемент таблицы Менделеева под номером 14. Он относится к разряду легких цветных металлов. В твердом (естественном) состоянии он представляет собой вещество бело-серого цвета. Олово имеет небольшую массу, хорошо поддается пайке, плавлению, ковке и другим методам механической обработки. Оно может преобладать в различных аллотропических состояниях. Всего их четыре вида — α-Sn чаще всего встречается при температуре не более +13,2 градуса. β-олово получается если температурный показатель превышает +13,2 градуса. При высоких давлениях во внешней среде можно наблюдать образование y и γ-олова.

История

Впервые олово обнаружили еще около четырех тысяч лет назад. В давние времена серебристый металл был довольно редким материалом и стоил очень дорого. В основном его использовали как составляющую бронзовых сплавов. Как известно в те времена бронза была основным техническим материалом, из которого изготавливали различные вещи — посуду, инструменты, оружие, доспехи, украшения и другие предметы быта. Олово, присутствующее в составе бронзовых изделий ценилось на протяжении многих веков, сравнительно с другими металлами, которые тогда добывались.

Характеристика и физические свойства олова

Олово наделено множественными свойствами и вступает в реакцию со многими металлами, неметаллами и другими элементами периодической таблицы Менделеева. Поэтому рассмотрим общие характеристики вещества:

• Олово способно преобладать в твердом или жидком состоянии, поэтому значения плотности в различных вариантах отличаются — в первом случае показатель приравнивается к 7.3 г/куб. см, во втором — 6,98 7.3 г/куб. см.
• Что касается влиянию высоких температур, то стоит отметить, что олово начинает плавиться при 232 0С, а при температуре 2620 градусов оно начинает закипать.
• Емкость теплоотдачи олова в затвердевшей форме составляет 226 Дж/(кг*К), а в жидком, эта цифра доходит до 268 Дж/(кг*К).
• Молярная емкость теплоотдачи при стабильном давлении составляет: для белого олова — 27,11 Дж/(моль*К), для серого — 25,79 Дж/(моль*К).
• Теплоотдача при плавлении олова — 7,19 кДж/моль, а при испарении — 296 кДж/моль.
• Теплопроводность при оптимальной температуре (около 20 0С) приравнивается 65,26 Вт/(м*К).
• Сопротивление электротока колеблется в пределах 0,115 мк Ом*м.
• Удельная электрическая проводимость при 20 0С равняется 8,69 МСм/м.
• Тугость металла твердой формы варьируется в рамках от 55 ГПа до 48 ГПа при условии температур от 0 до 100 0С.
• Сопротивление при разрыве твердого олова равно 20 МПа.
• Удлинение — до 40%.
• Твердость серого олова достигает 62 МПа, белого — до 152 МПа.
• Оптимальная температура для литья колеблется от 260 до 300 градусов.
• При нагревании до + 170С олово приобретает хрупкую структуру.

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.

Залежи олова

Олово способно локализоваться, как в открытых источниках, так и глубоко под землей. По наблюдениям ученых, процент содержания зарегистрированных источников ничтожно мал. А вот в олово-рудных ресурсах объем минерала значительно увеличивается. В последнее время большую часть находят в воде. Это обуславливается разложением нестабильных минералов, в окисленных зонах.

Олово как природный минерал

В природе олово встречается очень редко. Если сравнить его распространенность с другими металлами, то в этой категории оно занимает 47 место по всей земле. Запасы элемента в земном массиве варьируются в пределах от 2*10-4 до 8*10-3 %, без учета ресурсов в океанских и морских глубинах. Преобладающим минералом, из которого получают олово, считается касситерит. Он содержит в себе порядка 79% металла.

Первые месторождения олова

Самые большие запасы олова находятся в южных континентах — Китае и Японии. Помимо этого, немалые залежи оловянной руды найдены в Южной Америке. Россия также является месторождением данного минерала.

Кислотно-щелочные свойства

Учитывая, что олово является амфотерным веществом, то помимо основных свойств, оно может проявлять кислотные и щелочные характеристики. Благодаря им, появляется вероятность выявления олова во внешней среде. Элемент по некоторым свойствам похож на кварц, что дает возможность определять связь минерала как оксид с соединениями кислот. Большое содержание олова в ископаемых источниках может формировать кварцево-касситеритовые руды. Его щелочные свойства можно заметить в различных сульфитах.

Преобладающие формы

Олово часто встречается в составе горных образований, наполняющих земную кору. Реже его можно встретить в результате образования вулканических пород и других минеральных соединений. Самые большие запасы элемента преобладают в окисной форме.

Олово при низких температурах

Оловянная чума стала причиной трагических событий 1912, во время экспедиции Скотта на Южный полюс. Его путешествие закончилось преждевременно, а виной тому стали оловянные крышки на бачках с горючим. Находясь в холодных климатических условиях, температура достигла той отметки, когда олово преобразовалось в порошок, и все топливные запасы были потеряны.

Изотопы

Олово имеет постоянное количество нуклидов. Количество протонов у него приравнивается к 50-ти. Они равномерно насыщают зону вокруг ядра, что прибавляет больше энергетики. Поэтому, их число считают магическим, а сам элемент располагает максимальным объемом неизменных изотопов, по сравнению с другими элементами. В металле содержаться два изотопа, которые при выпадении из бета-олова становятся радиоактивными.

Твердые минеральные источники

В условиях внешней среды олово может преобладать в трех основных видах:

Рассеянный класс. Неопределенность названия говорит о том, что неизвестно в какой конкретной форме находится элемент. Обычно олово наблюдается в изоморфной рассеянной форме вместе с другими сопутствующими веществами. К ним относятся вольфрам, ниобий и тантал, которые образуют кислотные соединения. Цезий, Таллий и Ванадий способствуют формированию кислых и сульфидных связей. Если олово преобладает в обычном состоянии, то реагенты замещаются в различном изоморфном порядке.

Минеральный тип. Данный тип обуславливает наличием олова в различных минералах. Чаще всего ими являются гранаты, магнетиты, турмалины и другие образования. Обычно их взаимодействие влияет только на преобразование химического состава элемента, не нарушая его структуру. Максимальной накаляемостью в оловоносных минералах наблюдается соединение с гранатами, эпитодами и другими минералами.

Источники сульфидов содержат высокий процент олова как изоморфного компонента. В приморском регионе России найдены новые месторождения сфалеритов, халькопиритов, пиритов и других минералов. Учитывая ограничение изоморфных структур, то при этом случается разложение образца с выпадением филлита.

Формирование и виды осадочных пород

Как природный материал, олово может встречаться не только в различных минералах, породных образованиях, но и других источниках в виде различных соединений.

Природные соединения и сплавы олова

Олово способно формироваться в совокупности с иными химическими веществами в геологических условиях, которые можно классифицировать следующим образом:

Образование руд происходят по сей день. Причиной вполне могут служить океанические осадки с Тихого океана, гидротермальной камчатской зоны или продукты выбросов Тол Бачинского вулкана.

Эффузивные или интрузивные магматические залежи траппов и пикритов на сибирской площадке, а также габброиды, гипербазит и магматические породы, локализующиеся на Камчатке.

Преобразование пород при гидротермическом и метасоматическом влиянии. К таковым стоит отнести золотоносные или медно-никелиевые залегания на территории России и Узбекистана.

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.

Гидроокисные оловянные источники

На основе достоверной информации, подобные источники белого или серого металла занимают не лидирующие позиции. Они представлены в форме солей поли оловянных кислот. К таким можно отнести варламовит, сукулаит или отвердевшую примесь олова в магнетите. Чаще всего это полу аморфные соединения элемента. Помимо этого, олово содержится в оксидных соединениях — CuSn(OH)6, 3SnO·H2O и других оксидах.

Силикаты

Еще одним распространенным минералом, содержащим олово, является малахит. Он принадлежит к классу силикатов, которые способны формировать огромные залежи металла.

Шпинелиды

Шпинелиды являются еще одним источником окисных соединений, которые содержат оловянные примеси. Основным веществом считается нигерит.

Сульфидные соединения олова

Данный класс обуславливается соединением олова с серными породами. В производственной сфере они занимают вторую позицию. Основным материалом добычи олова является станнин. Помимо этого, к этой группе можно отнести и другие соединение на основе цветных металлов: Cu, Pb или Ag. Такие руды могут содержать различный процент олова, в зависимости от климатических условий.

Минерал Станнин

Оловянный колчедан — это второе название данного минерала, относящегося к сульфидному классу. Он является самым распределенным источником олова, залегающим на территории России. Процентное содержания искомого металла составляет от 10 до 40%. При увеличении этой доли можно наблюдать признаки разложения станина, сопровождающиеся выделением касситерита.

Коллоидная форма олова

С геохимической точки зрения, олово является сложным элементом, поэтому изучено оно не до конца. В природе можно наблюдать олово-кремнистые соединения, относящиеся к группе коллоидов. В основном, олово образуется в результате изменения структуры кристаллической решетки многих соединений и элементов. Благодаря этому и коломорфным связям, металл может изменять свое физическое состояние, образуя гелеобразные смеси.

В ходе множественных экспериментов, ученые выяснили, что при взаимодействии металла с хром-кремневым соединением, олово видоизменяется. При этом его коллоидная форма используется как вспомогательное звено.

Чтобы понять, как изменяется форма и химические свойства олова, необходимо рассмотреть несколько примеров перехода металла в жидкое состояние.

Учитывая, что его геохимические свойства являются наиболее неизученным разделом, то предоставленная информация, это не результаты проведенных опытов или исследований, а всего лишь теоретические выводы ученых. Основываясь на этих фактах, можно разделить локализацию олова в смесях на следующие классы:

• Ионные связи.
• Гидроксильные соединения.
• Сульфидные связи.
• Комплексные соединения.

Все наблюдения по поводу реакций или структуры ионных соединений, строятся на геохимических и валентных предположениях. Они делятся на две основные группы:

Простые ионы, которые наблюдались в примесях с малой долей рН и продуктах магматического разложения. Однако конкретных форм при условии газового или жидкого состояния металла выявлены небыли.

Галогениды — вещества, содержащие фтор и воздействующие на металл в процессе разложения и перехода в иное состояние.

Минеральные формы гидроксильных соединений в щелочной среде часто образуют двух, трех и четырехвалентные оловянные кислоты (H2SnO). Они могут формироваться естественным образом или иметь искусственное происхождение. Результаты проведенных исследований показали, что олово в составе кислот проявляется очень слабо и способна формировать химические комбинации по подобию варламовита.

Сульфидные связи в кислотной сфере крайне неустойчивы.

Комплексная связь была обнаружена в результате опытов, методом воздействия фторовых соединений на касситерит. Анализы показали, фторовые и хлоридные растворы при воздействии на минералы проявляют идентичные свойства. В ходе исследований было проделано несколько опытов с различными реактивами. В результате получились совокупные соединения модели Na2[Sn(OH)2F4]. И это только один из множественных образцов, которые были получены.

Олова-кремневые и коллоидные образования формируются при наличии касситерита, который наблюдается практически во всех оловянных месторождениях.

Особенности производства

Производственный процесс по изготовлению олова состоит из нескольких этапов. Сначала приготовленную руду помещают в специальные дробилки и мельницы, где минерал приобретает мелкую фракцию (кусочки не более 10 мм в диаметре). Затем гравитационно-вибрационным методом извлекаются частицы касситерита. Наряду с этим применяется флотационный метод обогащения минерала, после которого касситерит приобретает концентрат олова до 70%.

В ходе последующей переработки сырья, осуществляется удаление мышьяка и серы. После этого, полученный продукт отправляют в печь для выплавки. Там минерал послойно смешивается с древесными углями, для освобождения его от ненужных веществ. Здесь же добавляется Zn, Pb или Cu. Для очищенного олова используется метод плавки.

Сфера использования

Благодаря свои антикоррозийным свойствам, олово широко применяется при литье различных сплавов. Оно является одним из основных компонентов бронзы, изготовления белой жести и других материалов. Его успешно используют в электротехнической сфере для пайки контактов и микросхем. Олово также необходимо при производстве посуды, которая выполняется и специального оловянного сплава — пьютера.

Во всех вышеперечисленных случаях, элемент используется в малых долях. Большая часть олова приходится на плавление с медью, цинком, свинцом и сурьмой. Также возможно сочетание некоторых элементов: медь с цинком, медь с сурьмой и другие. Благодаря своей экологичности и проводимости, олово используют для изготовления кабелей с большой электропроводностью.

Также олово применяется для изготовления лакокрасочных материалов, которые имитирую золотистое покрытие. Цинко-оловянные соединения используют для легирования стали и нержавеющих сплавов из черного металла.

Помимо этого, оловянные изомеры, полученные искусственным путем являются источниками гамма-излучения, поэтому их успешно применяют в спектроскопии.

Благодаря своим свойствам, олово участвует в производстве анода и различного рода химических испытаниях. На основе свинцово-оловянных сплавов делают аккумуляторные батареи. Они превосходят обычные АКБ по качеству, емкости и сроку службы. Их энергетическая плотность в 5 раз превышает энергию обычных свинцовых аккумуляторов, имея при этом наименьшее сопротивление.

Источник