Станум

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Станум (олово, цина) (Sn)
Атомний номер 50
Зовнішній вигляд
простої речовини
сріблясто-білий, м'який метал
Tin-2.jpg
Властивості атома
Атомна маса
(молярна маса)
118,71 а.о.м. (г/моль)
Радіус атома 162 пм
Енергія іонізації
(перший електрон)
708,2(7,34) кДж/моль (еВ)
Електронна конфігурація [Kr] 4d10 5s2 5p2
Хімічні властивості
Ковалентний радіус 141 пм
Радіус іона (+4e)71 (+2)93 пм
Електронегативність
(за Полінгом)
1,96
Електродний потенціал 0
Ступені окиснення 4, 2
Термодинамічні властивості
Густина 7,31 г/см³
Питома теплоємність 0,222 Дж/(K моль)
Теплопровідність 66,8 Вт/(м К)
Температура плавлення 505,1 K
Теплота плавлення 7,07 кДж/моль
Температура кипіння 2543 K
Теплота випаровування 296 кДж/моль
Молярний об'єм 16,3 см³/моль
Кристалічна ґратка
Структура ґратки тетрагональна
Період ґратки 5,820 Å
Відношення c/a n/a
Температура Дебая 170,00 K
Періодична система елементів
H He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Fl Uup Lv Uus Uuo
* La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
** Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

Ста́нум або о́лово (Sn від лат. stannum)  — хімічний елемент з атомним номером 50 та атомною масою 118,69, що утворює просту речовину, метал олово (цину[1]). В українській хімічній термінології радянського періоду оловом називали як хімічний елемент, так і його просту речовину, тоді як термін «станум», запроваджений в ході реформи хімічної термінології, може вживатися лише стосовно хімічного елемента (але не простої речовини). Давня традиційна назва «цина» (що може стосуватися також і цинку[2]) в українській хімічній літературі радянського й післярадянського періоду практично не вживається.

Загальна характеристика[ред.ред. код]

Станум — поширений елемент, його кларк у земній корі 0,8·10−3 % за масою. Він має тенденцію до накопичення в пізніх продуктах еволюції магматичних розплавів — пегматитах, а також в гідротермальних утвореннях. Відомо понад 20 основних мінералів Стануму, з яких промислове значення мають каситерит SnO2 (78,6%) — головний мінерал олов'яних руд, а також станін Cu2FeSnS4 (27,7%), тиліт PbSnS2 (30,4%), франкеїт Pb5Sn3Sb2S14 (17%) і циліндрит Pb3Sn4Sb2S14.

Проста речовина Стануму, олово за нормальних умов — м'який сріблясто-білий метал, стійкий до хімічних реагентів. Його густина 7310 кг/м³, tплав. 231,93 °C; tкип 2602 °C, питомий електричний опір 11,5·10−8 Ом·м (20 °C)[3]. Границя міцності при розтягненні 16,6 МПа, відносне подовження 80-90%, твердість за Брінеллем 38,3-41,2 МПа.

Олово є поліморфним. За звичайних умов воно існує у вигляді β-модифікації (біле олово, β-Sn), яка є стійкою при температурі вищій від 13,2 °C. Біле олово — це м'який, пластичний метал, з тетрагональною кристалічною ґраткою, параметри a = 0,5831, c = 0,3181 нм. Координаційне оточення кожного атома стануму у ньому — октаедр.

При охолодженні біле олово переходить в α-модифікацію (сіре олово, α-Sn). Хоча температура рівноваги взаємопереходу модифікацій становить 13,2°С, в реальних умовах поліморфне перетворення стає помітним лише при температурі нижчій за 0°С. Сіре олово має структуру алмаза (кубічна кристалічна ґратка з параметром а = 0,6491 нм). В сірому олові координаційний поліедр кожного атома — тетраедр, координаційне число 4. Фазове перетворення β-Sn в α-Sn супроводжується зростанням питомого об'єму на 25,6% (густина α-Sn становить 5769 кг/м³), що супроводжується розсипанням олова у порошок (явище отримало назву «олов'яна чума»[4]). Найшвидший перехід з білого олова в сіре відбувається при −48 °C.

Ще дві алотропні форми γ і σ, виявлено при температурах вищих за 161 °C і тисках, що перевищують декілька ГПа[5].

Історія[ред.ред. код]

Олово в сплавах з міддю визначило "бронзовий вік’’ (4000-1000 років до н. е.) матеріальної культури людства. Видобуток його вівся в старовину на території Англії, Болівії, Китаю і на Кавказі.

Походження назви[ред.ред. код]

Латинська назва металу «станум» (лат. Stannum) увійшла у вжиток у Римі в імператорський період. Допускають, що це слово пов'язане із санскритським «stha» (стояти, стійко триматися) або «sthavan» (міцно, стійко). У середньовіччі олово іноді вважали видозміною свинцю і називали білим (лат. plumbum album) або блискучим (лат. plumbum candidum) свинцем на відміну від звичайного чорного свинцю (лат. plumbum nigrum).

Що стосується українського (слов'янського) слова «олово» і співзвучних до нього литовського «alwas», латиського «alva» і пруського «alwis», то представники індогерманської теорії походження мов вважають, що ці назви беруть початок від латинського «album» (білий)[6]. За іншим допущенням термін має походження від функціональної ознаки, пов'язаної з посудинами для зберігання оливи (oleum) чи хмільних напоїв (англ. ale — «ель», у слов'ян — «оловина» або «ол»)[7], які ймовірно виготовлялись із свинцю, який у деяких мовах має співзвучну назву (наприклад, пол. ołów).

Слово «цина» (пол. Cyna), очевидно, пов'язане із словом німецького походження нім. Zinn (олово).

Ізотопи[ред.ред. код]

Станум має найбільшу кількість стабільних ізотопів із усіх хімічних елементів — 9. Вони мають атомні маси від 112 до 124, за винятком мас 113, 121 та 123. Найбільше в рудах ізотопів 120Sn — майже третина, 118Sn та 116Sn, найменше 115Sn. Ізотопи з парним масовим числом не мають ядерного спіна, а ізотопи з непраним масовим числом мають спін 1/2. Ізотопи 115Sn, 117Sn та 119Sn серед тих, які найпростіше детектуються за допомогою ядерного магнітного резонансу.

Таке велике число стабільних ізотопів вважається наслідком того, що атомний номер стануму 50 — одне з магічних чисел. Існує також 28 нестабільних ізотопів, а весь діапазон можливих атомних мас простягяється від 99 до 137. Крім 126Sn, у якого період напіврозпаду 230 тис. років, усі решту живуть мешне року. Серед цих ізотопів подвійно-магічний 100Sn.

Утворення[ред.ред. код]

Станум утворюється внаслідок s-процесу в зорях із масою від 0,6 до 10 сонячних. Цей процес відбувається при бета-розпаді ядра атома Індію після захоплення ним нейтрона.

Хімічні сполуки[ред.ред. код]

При нагріванні в кисневій атмосфері цина утворює діоксид SnO2 (каситерит). SnO2 амфотерний і утворює солі станатів (SnO2−3) з основами та солі стануму(IV) з кислотами. Існують також станати зі структурою [Sn(OH)6]2−, на кшталт K2[Sn(OH)6], хоча у вільному стані кислота H2[Sn(OH)6] невідома.

Станум об'єднюється безпосередньо з хлором утворюючи станум(IV) хлорид, але при реакції з хлоридною кислотою утворюється станум(II) хлорид з виділенням водню у вигляді газу. Існує кілька інших сполук Стануму із ступенями окисення +2 та +4, наприклад станум(II) сульфід та станум(IV) сульфід. Проте існує тільки один гідрид — станан (SnH4), в якому Станум має ступінь окиснення +4[8].

Найбільше практичне значення має станум(II) хлорид, що використовується як відновник та як протрава при фарбуванні тканин. При нанесенні сполук Стануму на скло методом розпилювання утворюються електропровідні покриття, які знайшли застосування в панельному освітленні та при виготовленні морозостійкого вітрового скла для автомобілів.

Такі сполуки Стануму, як станум(II) флуорид SnF2 додаються до деяких продуктів, що використовуються при догляді за зубами[9][10]. SnF2 можна змішувати з абразивами на основі кальцію, тоді як звичний натрій флуорид в суміші з кальцієвими сполуками поступово втрачає свою хімічну активність[11]. Показано також, що він ефектившіний від флуориду натрію при запобіганні гінгівіту[12].

Отримання[ред.ред. код]

Світові запаси та
річний видобуток олова
(тис. т) станом на 2014 рік[13]
Країна Запаси Видобуток
КНР КНР 1500 100
Індонезія Індонезія 800 40
Бразилія Бразилія 700 11,9
Болівія Болівія 400 18
Росія Росія 350 0,3
Малайзія Малайзія 250 3,7
Австралія Австралія 240 5,9
Таїланд Таїланд 170 0,3
Перу Перу 91 26,1
  Інші 180 0,07
Всього у світі 4700 230
Докладніше у статті Олов'яна промисловість

Олово добувають з олов'яних, олово-вольфрамових, олово-срібних і олово-поліметалічних руд.

Кристали каситериту в оолв'яній руді

У процесі переробки рудоносна порода, що містить каситерит (SnO2) піддається подрібненню до розмірів частинок в середньому ~ 10 мм, в промислових млинах, після чого каситерит за рахунок своєї більшої густини та маси відокремлюється від пустої породи вібраційно-гравітаційним методом на збагачувальних столах. На додаток застосовується флотаційний метод збагачення/очищення руди. Таким методом вдається підвищити вміст олова у руді до 40…70%. Далі проводять обпалювання концентрату у кисні для видалення домішок сірки та арсену.

Концентрат у подальшому піддається плавці у печах з відновленням олова із застосування як відновника деревного вугілля, шари якого вкладаються почергово із шарами руди або алюмінію (цинку) в електропечах:

SnO2 + C = Sn + CO2.

Особливо чисте олово напівпровідникової чистоти отримують електрохімічним рафінуванням або методом зонної плавки[14].

Середній вміст Sn в концентратах, що виготовляються в Малайзії — 74,47%, Індонезії — 70%, Таїланді — 72%, Болівії — 32%. У Великобританії випускається концентрат із вмістом 45 і 55% Sn. Значну кількість олова отримують через вторинну переробку кольорового металобрухту.

Провідним виробником і водночас споживачем олова у світі є Китай.

Вимоги до олова, що виробляється промислово, його маркування й використання в залежності від процентного хімічного складу закладені у міждержавному стандарті ГОСТ 860-75[15]:

Хімічний склад олова, що виробляється промислово за ГОСТ 860-75
Марка Sn, %
не менше
As,
%
Fe,
%
Cu,
%
Pb,
%
Bi,
%
Sb,
%
S,
%
Zn,
%
Al,
%
Домішок
 %
Використання
ОВЧ 000 99,999 1·10−4 1·10−4 1·10−5 1·10−5 1·10−6 1·10−5 1·10−5 1·10−4 1·10−3 Напівпровідникова техніка
О1 пч 99,915 0,01 0,009 0,01 0,025 0,01 0,015 0,007 0,002 0,002 0,085 Виробництво консервної бляхи та приготування хімічних реактивів
О1 99.900 0,01 0,009 0,01 0,04 0,015 0,015 0,008 0,002 0,002 0,1 Виробництво бляхи, прутки та стрічки електротехнічного призначення, виробництво припоїв
О2 99,565 0,015 0,02 0,03 0,25 0,05 0,05 0,016 0,002 0,002 0,435 Виробництво бабітів, припоїв, фольги, лудження кухонного посуду
О3 98,49 0,03 0,02 0,10 1,0 0,06 0,3 0,02 1,51 Виробництво припоїв
О4 96,43 0,05 0,02 0,10 3,0 0,10 0,3 0,02 3,51 Виробництво припоїв, бабітів, сплавів, модифікування сірого чавуну

Сплави олова[ред.ред. код]

Докладніше: Сплави олова

Найчастіше зустрічаються сплави олова з міддю (Cu), свинцем (Pb) та стибієм (Sb). Крім названих компонентів використовуються Bi, Zn, Cd, Tl. Сплави олова характеризуються, зазвичай, низькою температурою плавлення, відносно малими міцністю та твердістю, високою пластичністю.

З багатьма металами олово утворює евтектики, що мають нижчу температуру плавлення, ніж вихідні компоненти, наприклад сплави (в дужках вказано відсотковий вміст олова за масою й температура плавлення, відповідно) Bi-Sn (45%, 139°С); Cd-Sn (67,76%, 177°С); Pb-Sn (61,9%, 183°С); Tl-Sn (56,76%, 170°С), Zn-Sn (91%, 198°С); тверді розчини з легувальними металами утворює рідко. Для олова характерним є утворення інтерметалевих сполук (станідів), що мають, переважно, високі температури плавлення, наприклад Zr3Sn2 (tплав = 1985°С), Ti3Sn (1663°С), Pt3Sn (1420°С), Pr2Sn (1415 °C), Cl2Sn (1400°С), Mg2Sn (778°С).

Найвідоміші сплави олова, що знайшли широке використання — це легкоплавкі припої, антифрикційні сплави олова (бабіти) та п'ютери.

Легкоплавкі припої — це переважно сплави на основі олова та свинцю. Вміст олова в них може коливатись ві 1 до 95%; найпоширенішими є сплави з вмістом 59…61 (ПОС-61[16] та 49…51% (ПОССу-50-0,5[16]) олова. Легувальними компонентами можуть служити Sb, Cu, Cd, Zn, Ag, In; шкідливими домішками є Аl, As та S. Припої різняться низькими твердістю та міцністю, високими пластичністю та корозійною стійкістю, їх розплави добре змочують поверхні більшості металів і у тонкому шарі вони характеризуються високою границею витривалості.

Антифрикційні сплави олова (оловянисті бабіти) можуть містити від 6 до 89% Sn. Найпоширенішими є сплави з вмістом 83% (марки Б83 та Б83С) та 88% (марки Б88) олова, леговані 7…12% Sb та 2,5…6,5% Cu[17]. Високі антифрикційні властивості цих сплавів обумовлені їх гетерогенною структурою — у м'якій матриці твердого розчину стибію в олові рівномірно розподілені тверді кристали SnSb та Cu3Sn. Бабіти характеризуються високою корозійною стійкістю і теплопровідністю, низьким температурним коефіцієнтом лінійного розширення.

П'ютер — сплав олова (вміст якого може бути від 85 до 99%) з іншими металами, такими як мідь (0,25…2,5%), стибій (0,5…8%), вісмут або свинець. Характеризується високою деформівністю, а при вмісті міді та стибію і твердістю. Додавання свинцю до сплаву погіршує механічні властивості але надає йому своєрідного блиску з голубуватим відтінком. Температура плавлення сплаву може становити 170…230 °C — у залежності від процентного вмісту компонентів.

Застосування[ред.ред. код]

Цина знайшла широке застосування завдяки своїй легкоплавкості, м'якості, ковкості, хімічній стійкості і здатності давати високоякісні сплави (наприклад, підшипникових бабітів, що працюють при великих ударних навантаженнях). Використовується для виробництва білої жерсті і фольги. До основних галузей споживання цини належать: харчова (40%), авіаційна, автомобільна, суднобудівна і радіотехнічна промисловість, а також гальванопластика, скляна і текстильна промисловість.

Припої на базі олова використовують при паянні деталей, що зазнають невеликих ударних навантажень за невисоких температур. При паянні міді, мідних сплавів, сталей міцність у з'єднанні досягається внаслідок утворення оловом твердого розчину (інтерметаліду) з металом виробу. За допомогою припоїв системи Sn-Pb можна паяти практично всі метали і сплави, за виключенням алюмінію та його сплавів. Традиційно більшість припоїв були сплавами олова зі свинцем, в яких вміст олова становив від 5% до 70% за вагою. Однак, 2006 року Європейський Союз обмежив застосування свинцю, що відповідно збільшило попит на олово.

Відносно нова сфера застосування олова, яка розвивається особливо швидко в останні роки — це хімія. Близько 13…15% олова, що виробляється, зараз застосовується в хімічних виробництвах як каталізатори для полімеризації силіконової гуми і виробництва пінополіуретану. Олово використовується в скляній промисловості, наприклад при виробництві кришталю і полірованого скла.

Оксид стануму застосовується в складі глазурі для кераміки. Він надає глазурі непрозорості і служить барвним пігментом. Оксид олова можна також осаджувати з розчину у вигляді тонкої плівки на різні вироби, що підвищує міцність скляних виробів. Введення станату цинку та інших похідних олова в пластичні і синтетичні матеріали зменшує їх здатність до займання і перешкоджає утворенню токсичного диму.

Nb3Sn є надпровідником II роду із критичною температурою 18 К. Його використовують для виготовлення надпровідних електромагнітів.

Галерея зображень виробів з олова та його сплавів

Біологічна роль[ред.ред. код]

Роль стануму в живих організмах вивчена мало. В тілі людини міститься приблизно (1…2)· 10−4% стануму, а його щоденне надходження з їжею становить 0,2…3,5 мг. Металічне олово не є токсичним, що дозволяє застосовувати його у харчовій промисловості. Олово становить небезпеку для людини у вигляді пари чи різних аерозольних частинок, пилу. При впливі парів або пилу олова може розвинутися ураження легенів. Дуже токсичним є деякі оловоорганічні сполуки, які використовуються як бактерициди (напр., бензоат трибутилолова). і фунгіциди (напр., ацетат трифенілолова), вони входять до складу отрут проти блощиць. Гранично припустима концентрація (ГДК) сполук олова в атмосферному повітрі 0,05 мг/м³, ГДК олова в харчових продуктах 200 мг/кг, в молочних продуктах та соках — 100 мг/кг. Токсична доза олова для людини — 2 г.

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. Російсько-український словник УАН під редакцією А. Кримського
  2. Цина Словарь української мови / Упор. з дод. влас. матеріалу Б. Грінченко: в 4-х т. — К. : Вид-во Академії наук Української РСР, 1958. Том 4, ст. 429.
  3. Tin: the essentials на сайті «WebElements» (англ.)
  4. Паравян Н. А. Оловянная чума // Химия и жизнь. — 1979. — № 7. — С. 69-70.
  5. Molodets, A. M.; Nabatov, S. S. (2000). «Thermodynamic Potentials, Diagram of State, and Phase Transitions of Tin on Shock Compression». High Temperature 38 (5). с. 715–721. doi:10.1007/BF02755923. 
  6. Введенская А. Л., Колесников. Н. П. Этимология: Учебное пособие // СПб.: Питер, 2004, стр. 122.
  7. Олово, Stannum, Sn (50) на сайті «ChemNET»
  8. Holleman, Arnold F.; Wiberg, Egon; Wiberg, Nils; (1985). «Tin». Lehrbuch der Anorganischen Chemie (German) (вид. 91–100). Walter de Gruyter. с. 793–800. ISBN 3110075113. 
  9. «Crest Pro Health». Архів оригіналу за 2013-06-23. Процитовано 2009-05-05. 
  10. «Colgate Gel-Kam». Архів оригіналу за 2013-06-23. Процитовано 2009-05-05. 
  11. Hattab, F. (April 1989). «The State of Fluorides in Toothpastes.». Journal of Dentistry 17 (2). с. 47–54. doi:10.1016/0300-5712(89)90129-2. PMID 2732364. 
  12. Perlich, MA; Bacca, LA; Bollmer, BW; Lanzalaco, AC; McClanahan, SF; Sewak, LK; Beiswanger, BB; Eichold, WA та ін. (1995). «The clinical effect of a stabilized stannous fluoride dentifrice on plaque formation, gingivitis and gingival bleeding: a six-month study.». The Journal of Clinical Dentistry 6 (Special Issue). с. 54–58. PMID 8593194. 
  13. Carlin, Jr., James F.. «Minerals Yearbook 2014: Tin» (PDF). United States Geological Survey. Процитовано 2014-08-27. 
  14. Большаков К. А., Федоров П. И. Химия и технология малых металлов. М.: Химия, 1984. — 138 с.
  15. ГОСТ 860-75 Олово. Технические условия.
  16. а б ГОСТ 21930-76 Припои оловянно-свинцовые в чушках. Технические условия.
  17. ГОСТ 1320 74 (ISO 4383-91) Баббиты оловянные и свинцовые. Технические условия.

Джерела[ред.ред. код]

  • Глосарій термінів з хімії // Й. Опейда, О. Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет — Донецьк: «Вебер», 2008. — 758 с. ISBN 978-966-335-206-0
  • Мала гірнича енциклопедія. В 3-х т. / За ред. В. С. Білецького. — Донецьк: Донбас, 2004. — ISBN 966-7804-14-3.
  • Некрасов И. Я. Фазовые соотношения в оловосодержащих системах. — М.: Наука. — 1976. — 140 с.
  • Спиваковский В. Б. Аналитическая химия олова / В. Б. Спиваковский ; Академия наук СССР, Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского. — М. : Наука, 1975. — 254 с. — (Серия «Аналитическая химия элементов»)
  • Большаков К. А. Химия и технология малых металлов / К. А. Большаков,. П. И. Федоров. — М.: Химия, 1984. — 138 с.
  • Россошинский А. А. Олово в процессах пайки / А. А. Россошинский, Ю. К. Лапшов, Б. П. Яценко. — Киев: Наук. думка, 1985. — 197 с.
  • Буше Н. А. Подшипниковые сплавы для подвижного состава. — М.: Транспорт. 1967. — 222 с.
  • Шпагин А. И. Антифрикционные сплавы. М.: Металлургия, 1956. — 314 с.

Посилання[ред.ред. код]

  • Олово на сайті N-T.ru (електронна бібліотека «Наука і техніка») (рос.)
  • Розен Б. Я. Соперник серебра. М.: Металлургия, 1984. (рос.)
  • Опыты с оловом Демонстраційні ролики «олов'яної чуми» на «PeriodicTable.ru» (рос.)
  • Tin у проекті «The Periodic Table of Videos» (Ноттінгемський університет) (англ.)