Уменьшение температуры плавления олова

Какая температура плавления у олова, свойства элемента

Олово представляет собой мягкий металл серебристо-белого цвета. Оно настолько ковкое и податливое, что его листы толщиной в тысячную долю миллиметра можно свернуть в трубочку. Такой материал называется оловянная бумага. В периодической таблице элементов Д. И. Менделеева этому элементу соответствует номер 50, атомный вес 118,69 и знак «Sn» (с лат. станнум). Известно 10 его стабильных изотопов. Получают металл в основном из минерала касситерита, представляющего собой диоксид олова.

В основном металл в сплаве со свинцом используется для пайки. Кроме того, его используют в качестве антикоррозионного покрытия для пищевых стальных тар, поскольку оно является нетоксичным. Композиты в составе с оловом используются в качестве фунгицидов, красок, зубной пасты (SnF2) и керамики.

История элемента

Этот элемент был открыт в 1854 году Халюсом Пелегрином. Однако его использование началось задолго до этой даты на Ближнем Востоке и Балканах около 2000 лет до нашей эры. В ту эпоху была открыта бронза (сплав олова и меди), которая дала название Бронзовому Веку. Производили из бронзы оружие и орудия труда, которые были более эффективны, чем камень и кость.

В античное время производство бронзы привело к развитию торговли между различными странами. Также существуют упоминания об этом металле в Ветхом Завете. Так, в Месопотамии делали бронзовое оружие, а в Древнем Риме покрывали оловом внутреннюю поверхность медных сосудов для повышения их коррозионной стойкости.

Общие свойства олова

Все свойства этого металла можно разделить на две большие группы: физические и химические.

Физические характеристики

Это серебристый ковкий металл, который легко окисляется при температуре окружающей среды, при этом цвет олова изменяется на темно-серый. Если согнуть пластину из этого металла, то можно услышать характерный звук, так называемый «крик олова», который возникает из-за трения между составляющими его кристаллами. Одной из ярко выраженных его характеристик является резкое ухудшение механических свойств при определенных условиях, носящее название «оловянная чума»: ниже температуры -18 °C происходит разрушение металла, и он начинает выглядеть, как серый порошок.

Чистое олово имеет две аллотропных модификации: серую и белую. Серая модификация имеет кубическую кристаллическую структуру, является полупроводником, очень хрупкая, имеет низкую плотность и стабильна при температуре ниже 13,2 °C. Белая аллотропная модификация имеет тетрагональную кристаллическую структуру, хорошо проводит электрический ток и стабильна при температурах выше 13,2 °C.

Плавится металл при относительно низкой температуре 232 °C (для сравнения: железо плавится при 1535 °C). При этом необходимо понимать, отвечая на вопрос, при какой температуре плавится олово, что плавится именно его белая аллотропная модификация. Несмотря на низкую температуру плавления, кипение металла происходит при относительно высокой температуре 2602 °C (железо кипит при 2750 °C).

Химические свойства

Наиболее важным минералом является касситерит, SnO2. Однако, в настоящее время неизвестны рудные месторождения с высоким процентным содержанием этого минерала. Большую часть касситерита в мире добывают из наносных залежей низкого качества. Именно из этого минерала получают олово в промышленных масштабах. Для этого касситерит измельчают, получая его концентрат, а затем он подвергается плавке вместе с коксом, кварцем и известью в доменной печи. После этого отливки в виде блоков проходят окончательную очистку от примесей висмута, меди и железа.

Химический элемент олово хорошо реагирует как с сильными кислотами, так и с сильными основаниями, однако относительно инертен в нейтральных растворах. Подвергается коррозии в присутствии окислительных сред, в отсутствии кислорода металл практически не подвергается коррозии. При окислении на поверхности металла образуется плотная оксидная пленка, которая защищает остальную его часть от дальнейшего окисления.

Если при растворении солей в воде образуется кислая среда, тогда в присутствии окислителей или воздуха олово вступает в реакцию. К таким солям относятся хлориды, например, алюминия и железа. Большинство неводных жидкостей, например, масла и спирты практически не вступают в реакцию с оловом. Само олово и его простые неорганические соли не являются токсичными, однако, некоторые органические композиты обладают токсичностью.

Читайте также:  Флюс для пайки вольфрама оловом ф 209

Оксид олова (II), SnO является кристаллом черно-синего цвета, который растворяется в кислотах и основаниях. Его используют для производства солей в гальванопластике и при производстве стекла. Оксид олова (IV), SnO2 представляет собой белую пыль, нерастворимую в кислотах. Его используют в качестве незаменимого компонента для окраски в розовых, желтых и коричневых керамиках, а также в диэлектриках и тугоплавких сплавов. Он является важным агентом при полировке мрамора и других декоративных камней.

Хлорид олова (II), SnCl2 является основным ингредиентом в оловянной кислоте для пайки. Хлорид олова (IV), SnCl4 используется в качестве химического ингредиента для придания веса шелковой ткани, а также для стабилизации некоторых парфюмерных продуктов и стабилизации цвета мыла, а SnF2, имеющий белый цвет и растворимый в воде, применяется в качестве добавки к зубным пастам.

Органические химические соединения на основе этого элемента — это такие соединения, в которых присутствует хотя бы одна связь олова с водородом, Sn-H, и в которых металл проявляет степень окисления +4. Органические соединения, которые нашли свое приложение в индустрии, обладают следующими химическими формулами:

Здесь R — органическая группа, например, метил, этил, бутил и другие, а X — неорганический элемент, например, хлор, кислород, флор и другие.

Сплавы на основе олова

Сплавы на основе олова также известны, как белые металлы, обычно содержат в своем составе медь, сурьму и свинец. Сплавы обладают различными механическими свойствами в зависимости от их состава.

Сплавы олова со свинцом нашли свое коммерческое использование для широкого набора составов. Так, 61,9% олова и 38,1% свинца соответствуют эвтектическому составу, градус затвердевания которого составляет 183 °C. Сплавы с другим соотношением этих металлов плавятся и кристаллизуются в широком интервале температур, когда существует равновесие между твердой и жидкой фазами. При такой кристаллизации в расплаве начинают выделяться твердые сегрегации, которые приводят к образованию различных структур. Сплав эвтектического состава, так как имеет наименьшую температуру плавления, используется в качестве предохранителя от перегрева компонентов электроники.

Также существуют сплавы, в которых помимо указанных металлов присутствует небольшое количество сурьмы (до 2,5%). Основной проблемой сплавов на основе олова и свинца является их отрицательное влияние на экологию, поэтому в последнее время разрабатываются их заменители, в которых не используется свинец, например, сплавы с серебром и медью.

Сплавы олова со свинцом и сурьмой используют для декоративных украшений, а некоторые сплавы олова, меди и сурьмы используют в качестве смазки для уменьшения трения в подшипниках, благодаря их антифрикционным свойствам. Помимо вышесказанных сплавов, олово используют в бронзовых сплавах и в сплавах с титаном и цирконием.

Использование элемента и его соединений

Все сферы человеческого производства, в которых прямо или косвенно используется этот элемент, перечислены ниже:

  • Защита от коррозии и механического воздействия сталей и других металлов, например, при производстве консервных банок;
  • Уменьшение хрупкости стекла, а также при производстве зеркал;
  • В чеканных узорах на различной посуде;
  • Использование в фунгицидах, красках, зубных пастах и различных пигментах.
  • При получении различных сплавов, например, бронз.
  • Для низкотемпературной пайки или пайки с мягким припоем;
  • В составе со свинцом при производстве металлических листов для музыкальных инструментов;
  • При производстве этикеток различной продукции;
  • В сплавах, которые предохраняют от перегрева электрические аппараты и электронные микросхемы;
  • В керамической индустрии для производства эмалей в качестве матирующего агента.
  • В капсулах для закупоривания бутылок с вином. Производство таких капсул расширилось после запрета использования свинца в пищевой промышленности.

Эффекты от воздействия соединений олова

Активность соединений с этим элементом, так или иначе, влияет, как на организм человека, так и на экологию.

На здоровье человека

Как уже упоминалось, наиболее опасными для здоровья человека являются органические химические соединения олова. Эти вещества широко используются в индустрии, например, при производстве красок, пластика и пестицидов для агрикультуры. Кроме того, объемы производства органических соединений с этим металлом постоянно растут несмотря на то, что известны последствия отравления ими.

Читайте также:  Возбужденное состояние олова электронная формула

Эффекты от воздействия этих веществ на человека разнообразны, все зависит от типа соединения и от индивидуальных особенностей организма. Опасность соединения коррелирует с длиной связи между металлом и водородом, чем длиннее эта связь, тем менее опасно соединение. В связи с этим, самым опасным органическим веществом считается соединение олова с тремя этиловыми группами, водородные связи которого являются относительно короткими.

Попасть в организм человека эти вещества могут через еду, воздушно-капельным путем или от простого прикосновения к ним. Известны следующие эффекты воздействия органических соединений олова на организм человека:

  • При нахождении в помещении, содержащем пары этого металла, сильное раздражение верхних дыхательных путей, кожных покровов и глаз;
  • Головные боли, боли в желудке и отсутствие аппетита;
  • Тошнота и рвота;
  • Проблемы при мочеиспускании;
  • Сильное потоотделение и одышка.

Перечисленные эффекты могут привести к более серьезным последствиям:

  • Депрессия;
  • Проблемы с печенью;
  • Нарушение работы иммунной системы;
  • Повреждение хромосом клеток и недостаток красных телец в крови;
  • Повреждения мозга (нарушения сна, головные боли, провалы памяти, раздраженное состояние).

На окружающую среду

Как атомы олова, так и сам металл в чистом состоянии не являются токсичными ни для одного организма на земле, в свою очередь, практически все соединения с этим элементом органического характера являются вредными. Эти соединения могут находиться в окружающей среде в течение длительного периода времени. Они являются достаточно стойкими и практически не разлагаются под воздействием микроорганизмов, благодаря своим прочным водородным связям. Насколько бы малы ни были концентрации соединений этого металла в почве и воде, ввиду сказанного выше, они постоянно растут.

Известно, что органические оловянные соединения наносят большой вред водным экосистемам, поскольку они являются ядовитыми для грибов, водорослей и фитопланктона. Фитопланктон же является важным звеном водной экосистемы, поскольку он производит кислород для всех остальных живых организмов этой системы, а также является важной частью в пищевой цепи. Токсичность соединений олова различна для разных живых существ, например, трибутиловое олово является ядовитым для рыб и грибов, в то время как самым токсичным соединением для фитопланктона является трифеноловое олово.

Также известно, что органические соединения этого элемента оказывают отрицательное влияние на рост и репродуктивную функцию животных, нарушают работу ферментов. Такие соединения накапливаются главным образом в верхних слоях почвы и воды.

Источник

Основные физические свойства олова

Олово — металл, служивший человеку с незапамятных времен. Физические свойства олова обеспечили его основополагающую роль в истории человечества. Без него невозможно существование бронзы, остававшейся на протяжении многих веков единственным сплавом, из которого человек изготовлял практически все — от орудий труда до ювелирных украшений.

Физические свойства олова

При нормальном давлении и температуре 20°C олово идентифицируется как металл с блеском бело-серебристого цвета. Медленно тускнеет на воздухе вследствие образования оксидной пленки.

Для олова, как и для всех металлов, характерна непрозрачность. Свободные электроны металлической кристаллической решетки заполняют межатомное пространство и отражают световые лучи, не пропуская их. Поэтому находясь в кристаллическом состоянии, металл имеет характерный блеск, а в порошкообразном виде этот блеск утрачивает.

Обладает отличной ковкостью, т. е. легко подвергается обработке с помощью давления. Ковкость олову придает его высокая пластичность в сочетании с низким сопротивлением деформации. Пластичность металла позволяет раскатать его в тонкую фольгу, называемую станиолем или оловянной бумагой. Ее толщина колеблется от 0,008 до 0,12 мм. Ранее станиоль находил применение в качестве подложки при изготовлении зеркал и в электротехнике при производстве конденсаторов, пока не был полностью вытеснен алюминиевой фольгой.

У олова свойства достаточно мягкого металла. Его твердость по шкале Бринелля составляет 3,9–4,2 кгс/мм².

Относится к легкоплавким металлам. Температура плавления олова – 231,9°C – способствует быстрому извлечению его из руды. Олово просто сплавляется с другими металлами, что обеспечивает его обширное применение в промышленности.

Плотность при температуре 20°C составляет 7,29 г/см³. По этому показателю олово в 2,7 раза тяжелее алюминия, но легче серебра, золота, платины и приближено к плотности железа (7,87 г/см³).

Металл закипает при высокой температуре, равной 2620°C, долго оставаясь жидким в расплаве.

Читайте также:  Как лудить оловом железо

Химически чистое олово при обычной температуре обладает незначительной прочностью. При растяжении предел механической прочности составляет всего 1,7 кгс/мм², а относительное удлинение – 80–90%. Эти характеристики говорят о том, что деформировать оловянный прут можно без особых усилий в разных направлениях. При этом смещение слоев кристаллической решетки металла относительно друг друга сопровождается специфичным треском.

Полиморфизм олова

Полиморфизм (аллотропия) — физическое явление, основанное на перестроении атомов или молекул веществ в твердом состоянии, что влечет за собой изменение их свойств. Каждая полиморфная модификация устойчиво существует только в строго определенном интервале значений температур и давлений.

Любой металл обладает специфической кристаллической решеткой. При изменении внешних физических условий кристаллическая решетка может меняться. Полиморфизм металлов используют при их термической обработке в промышленности.

Химические свойства олова определяются его положением в периодической системе элементов Д. И. Менделеева и предусматривают амфотерность, т. е. способность проявлять как основные, так и кислотные свойства. Напрямую зависят от полиморфизма олова физические свойства.

Для металла известны три аллотропные модификации: альфа, бета и гамма. Полиморфная перестройка кристаллических решеток возможна вследствие изменения симметрии электронных оболочек атомов под воздействием разных температур.

  1. Для серого олова (α-Sn) характерна гранецентрированная кубическая кристаллическая решетка. Размер элементарной ячейки решетки здесь большой. Это напрямую отражается на плотности. Она меньше, чем у белого олова: 5,85 и 7,29 г/см³ соответственно. По электропроводности альфа-модификация относится к полупроводникам. По магнетизму — к диамагнетикам, т. к. под внешним магнитным воздействием намагничивается против направления внутреннего магнитного поля. Альфа-олово существует до температуры 13,2°C в виде мелкодисперсного порошка и практического значения не несет.
  2. Белое олово (β-Sn) является самой устойчивой аллотропной модификацией с объемноцентрированной тетрагональной кристаллической решеткой. Существует в диапазоне температурных значений от 13,2 до 161°С. Очень пластично, мягче золота, но тверже свинца. Среди остальных металлов обладает средним значением теплопроводности. Металл относят к проводникам, хотя электропроводность у бета-модификации относительно низкая. Этим свойством пользуются, чтобы уменьшить электропроводность какого-либо сплава путем добавления олова. Является парамагнетиком, т. е. во внешнем магнитном поле намагничивается в направлении внутреннего магнитного поля.
  3. Гамма-модификация (γ-Sn) обладает ромбической кристаллической решеткой, устойчива в диапазоне температур от 161 до 232°С. С увеличением температуры пластичность возрастает, но, достигнув температуры фазового перехода в 161°С, металл полностью утрачивает это свойство. Гамма-модификация имеет большую плотность при высокой степени хрупкости, т. е. сразу рассыпается в порошок, поэтому практического применения не имеет.

Особенности полиморфного перехода β→α

Процесс перехода из одной полиморфной модификации в другую происходит при изменении температуры. При этом наблюдают скачкообразные изменения физико-химических свойств металла.

Выше температуры 161°С бета-олово обратимо превращается в хрупкую гамма-модификацию. Ниже температуры 13°С бета-модификация необратимо переходит в порошкообразное серое олово. Данный полиморфный переход совершается с очень малой скоростью, но стоит только на бета-олово попасть крупинкам альфа-модификации, как плотный металл рассыпается в пыль. Поэтому полиморфный переход β→α иногда называют «оловянной чумой». Обратно альфа-модификация переводится в бета-модификацию только путем переплавки.

Фазовый переход β→α значительно ускоряется при минусовых температурах окружающей среды и сопровождается увеличением удельного объема металла примерно на 25%, что приводит к его рассыпанию в порошок.

В истории есть случаи, когда оловянные изделия на морозе становились серым порошком, обескураживая своих хозяев. «Оловянная чума» встречается редко и характерна лишь для химически чистого вещества. При наличии даже мельчайших примесей переход металла в порошок сильно замедляется.

Интересно предположение некоторых историков, что победу российскому императору Александру I над французской армией под командованием Наполеона Бонапарта помогла одержать «оловянная чума». При сильных морозах пуговицы на шинелях французов просто рассыпались в прах, и солдаты, замерзая, потеряли боеспособность.

Заключение

Олово обладает всеми типичными физическими свойствами металлов, а его полиморфизм по-своему удивителен. Без уникальной тягучести и пластичности этого металла невозможно представить себе современную промышленность. Почти половина от мировой добычи олова используется для производства пищевой жести. Оставшаяся половина расходуется для изготовления сплавов и различных соединений, применяемых во всех хозяйственных отраслях.

Источник