Олово: свойства, интересные факты, применение. Для чего нужно олово.

Олово считается безвредным для человека, поскольку оно содержится в нашем организме, и мы ежедневно в минимальных количествах попадаем в него с пищей. Его роль в функционировании организма еще не изучена.

Олово: свойства, интересные факты, применение

Олово — это легкий цветной металл, простой минерал. В таблице Менделеева оно называется Sn, stannum. В переводе с латыни это означает «крепкий, выносливый». Первоначально это был сплав свинца и серебра, и лишь много позже так стали называть чистое олово. Слово «олово» имеет славянские корни и означает «белый».

Этот металл является одним из рассеянных элементов и не самым распространенным на земле. Он встречается в природе в виде различных минералов. Наиболее важными минералами для промышленного производства являются касситерит, олово, и станнит, карбонат олова. Олово добывается из руд, которые обычно содержат не более 0,1 % олова.

Свойства олова

Это легкий, мягкий, ковкий, серебристо-белый металл. Он имеет три структурные модификации, превращение из а-олова (серого олова) в b-олово (белое олово) происходит при +13,2 °C, а в с-олово — при +161 °C. Модификации сильно различаются по своим свойствам. A-олово — это серый порошок, называемый полупроводником, b-олово («обычное олово» при комнатной температуре) — серебристый, ковкий металл, c-олово — белый, хрупкий металл.

В химических реакциях олово проявляет полиморфизм, т.е. кислотные и основные свойства. Оно относительно инертно к воздуху и воде, поскольку быстро покрывается прочным оксидным слоем, который защищает его от коррозии.

Олово легко реагирует с неметаллами, почти не реагирует с концентрированной серной и соляной кислотой; в разбавленном состоянии оно не реагирует с этими кислотами. Оно реагирует с концентрированной и разбавленной азотной кислотой, но по-другому. В одном случае получается оловянная кислота, в другом — нитрат олова. Со щелочами он реагирует только при нагревании. С кислородом образует два оксида со степенями окисления 2 и 4. Это основа целого класса оловоорганических соединений.

Воздействие на человеческий организм

Олово считается безвредным для человека, поскольку оно содержится в нашем организме, и мы ежедневно в минимальных количествах попадаем в него с пищей. Его роль в функционировании организма еще не изучена.

Пары олова и аэрозольные частицы олова опасны, так как при регулярном и длительном вдыхании могут вызвать заболевание легких; органические соединения олова также токсичны, поэтому при работе с оловом и его соединениями необходимо использовать средства защиты.

Соединения олова, такие как водородное олово, SnH₄могут вызвать тяжелое отравление, если их употреблять в очень старых банках, в которых органические кислоты вступили в реакцию с оловянным покрытием стенок банки (олово, используемое для изготовления банок, представляет собой тонкий лист железа, покрытый оловом с обеих сторон). Отравление гидрокарбонатом олова может быть даже смертельным. Симптомы включают конвульсии и ощущение потери равновесия.

Что такое олово и для чего оно нужно?

Мягкий белый металл олово был одним из первых металлов, с которыми научились работать люди. Ученые считают, что олово начали добывать гораздо раньше, чем было открыто железо. Некоторые археологические находки подтверждают, что оловянные рудники работали на территории современного Ирака четыре тысячи лет назад. Оловом торговали: Торговцы обменивали его на золото и драгоценные камни. В природе олово встречается в окисленной оловянной руде касситерите — минерале, месторождения которого находятся в Юго-Восточной Азии, Южной Америке, Австралии и Китае.

По мнению историков и археологов, олово впервые было обнаружено, вероятно, случайно, в осадочных отложениях касситерита. Старые шахты с остатками шлака были найдены на юго-западе Великобритании. Олово очень редко встречается среди находок римских и греческих времен, что подтверждает предположение о том, что этот металл был дорогим.

Олово упоминается в арабской литературе VIII и IX веков и в средневековых произведениях, описывающих путешествия и великие открытия. В Богемии и Саксонии добыча олова началась в 12 веке. Интересно, что задолго до того, как было добыто чистое олово, была изобретена медь — сплав олова и меди. По некоторым оценкам, медь была известна человеку уже в 2500 году до нашей эры.

Олово соединялось с медью в рудах, поэтому при выплавке получалась не чистая медь, а ее сплав с оловом — медь. Олово как случайная примесь встречается в бронзовых сосудах египетских фараонов, изготовленных в 2000 году до нашей эры.

Химические свойства олова

Олово инертно к воде и кислороду при комнатной температуре. Этот металл также склонен к образованию тонкой оксидной пленки в чистом воздухе. Химическая инертность олова при нормальных условиях сделала этот металл столь популярным среди производителей оловянных контейнеров. Серная и соляная кислоты очень медленно реагируют с оловом в разбавленном виде и растворяют его в концентрированном виде при нагревании. При соединении с соляной кислотой образуется хлорид олова, а при соединении с серной кислотой — сульфат олова.

Реакция с разбавленной азотной кислотой дает нитрат олова, с концентрированной азотной кислотой — нерастворимую оловянную кислоту. Соединения олова имеют промышленное значение: они используются в производстве электролитических покрытий.

Применение олова

Серебристо-белый мягкий металл можно прокатывать в тонкие листы. Олово не ржавеет и поэтому используется во многих областях. Чаще всего оно используется для производства контейнеров. Когда олово тонко покрыто другим металлом, оно придает поверхности характерный блеск и мягкость.

Это свойство олова используется при производстве жестяных банок. Олово часто используется в качестве антикоррозийного покрытия. Сегодня более трети добываемого в мире олова используется для производства контейнеров для пищевых продуктов и напитков. Известные оловянные банки изготавливаются из стали, покрытой слоем олова толщиной не более 0,4 мкм. Еще треть добываемого олова используется для сварки, где оно сплавляется со свинцом в различных пропорциях. Эти сварочные сплавы используются в электротехнике и для сварки труб. Эти сплавы могут содержать до 97 % олова, меди и сурьмы, которые повышают твердость и прочность сплава.

Олово в сочетании с сурьмой используется в производстве посуды (особенно Frazier). В промышленности олово используется в различных химических соединениях.

Коллоидная форма

Соединения олова являются промежуточной формой на пути от горячих растворов в природе к твердым осажденным минералам. Однако, помимо силикатных соединений олова, коллоиды этого химического элемента плохо изучены. Есть данные, что оксид олова хорошо растворим в жидкостях, содержащих хлорид кремния. Однако этого недостаточно для получения полной картины образования оловосодержащих минералов в земной коре.

Современные научные исследования и эксперименты показывают, что содержание олова в минеральных растворах вполне возможно. Следует отметить, что этот вопрос требует дальнейшего изучения.

Однако формы присутствия минерала в растворах, обнаруженные в проведенных экспериментах, можно сгруппировать следующим образом:

• Ионные соединения, в группу которых входят: галогениды, гидроксильные соединения, простые ионы олова и сульфиды.
• Комплексные соединения, образующиеся при растворении во фторированных средах касситерита.
• Олово-кремнистые и коллоидные соединения.

Способы добычи

Методы извлечения минералов всегда определяются формой и условиями месторождения. Аллювиальные месторождения, насыщенные зернистым песком, являются наиболее простыми для разработки.

Драгирование

Этот метод заключается в извлечении оловосодержащего олова со дна озер, рек, искусственных водоемов или даже из моря с помощью земснарядов или многоковшовых драг.

Земснаряд — это мобильная землечерпалка, установленная на плавучей платформе из дерева или стали, которая забирает грунт спереди и сбрасывает переработанные породы на свалку сзади. Этот земснаряд, перемещающийся по поверхности воды, решает сразу несколько проблем:

• Производит добычу полезного ископаемого.
• Осуществляет гравитационный процесс обогащения, включающий в себя грохочение, отсадку минерала и концентрирование.
• Углубляет русло водоёма.

В процессе драгирования получается концентрат касситерита.

С помощью песковых насосов

Сначала верхний слой породы разрушается специальными машинами. Затем струи воды под высоким давлением направляются в рудное тело, а образующиеся сточные воды стекают в расположенный внизу пруд-сборник.

Водно-шламовая суспензия транспортируется вверх по песчаным агрегатам в промывочный туннель. Затем жидкая фракция стекает вниз по промывочным туннелям, а более тяжелый осадок остается на дне, где собирается для отстаивания и конденсации. В результате этого процесса получается сырье с содержанием олова 70-76 %.

Рафинирование

Добыча олова включает в себя не только добычу и обогащение руды, но и плавку с последующим рафинированием.

Плавка происходит в отражателях или в специальных шахтных печах с использованием углеродистых материалов. В результате этого процесса получается черненое олово. Непосредственно перед плавкой руду обжигают или подвергают технологическому разложению для удаления нежелательных пород.

Рафинирование удаляет примеси из материала, чтобы его можно было использовать в более концентрированном виде.

Термическое

Его проводят в полусферических стальных сосудах при температуре +300 0С. Термическое рафинирование используется для удаления:

• Железа и меди с помощью серы и угля.
• Мышьяка и сурьмы посредством сплавления их с алюминием.
• Свинца под воздействием хлорида олова.
• Висмута, вследствие проведения соединительных реакций с магнием и кальцием.

В результате концентрация олова в рафинированном металле составляет 99,75-99,95 %.

Электролитическое

Этот метод, который использовался на сильно загрязненных боливийских рудах, позволяет достичь чистоты сырья 99,98 %. Он основан на процессе электролиза в ванне при температуре 30 0 C, в котором используется электролит, содержащий кислотное соединение и двухвалентное олово.

Для использования в производстве полупроводников сырье, полученное в процессе электролитического рафинирования, подвергается дальнейшей обработке методом зонной плавки для достижения чистоты металла 99,995 %.

Свойства металла

Олово относится к числу веществ, безвредных для человека. Оно ежедневно поступает в организм человека через пищу в ничтожных количествах (0,25-3,4 мг). В организме содержится около (1-2).10-4 % металла. Наибольшая концентрация содержится в кишечнике. Регулярное вдыхание паров или частиц в воздухе может нанести вред и привести к легочным заболеваниям. Лицам, работающим с органическими сплавами олова, рекомендуется носить защитную одежду.

Отравление может быть вызвано употреблением старых консервов, когда органические продукты реагируют с внутренним слоем олова и окисляются, выделяя гидротиновую кислоту. Роль этого вещества в организме человека практически не изучена. Металлическое олово считается нетоксичным для человека, поэтому его используют для покрытия консервных банок.

Физические характеристики

Плотность металла в твердом состоянии при нормальной температуре (+20-22˚C) составляет 7,3 г/см3, повышение температуры плавления олова (+231,8˚C) снижает плотность жидкого металла до 6,97 г/см3. Процесс кипения начинается при температуре +2615˚C.

Другие элементы: Олово — самый прочный оловянный сплав, который может быть использован для производства:

1. Показатель линейного расширения составляет 1,99.10-5 К-1 (при 0˚С), а при температуре +100˚С равняется 2,38.10-5 К-1.
2. Удельная теплоемкость твердого вещества в обычном состоянии — 225 Дж/кг.К, а в жидком —в пределах 269 Дж/кг.К.
3. Молярная теплоемкость белого олова — 27,1Дж/моль.К, серой модификации — 25,8 Дж/моль.К.
4. Показатель плавления составляет 7,2 кДж/моль.
5. Для испарения требуется 296 кДж/моль.
6. Удельное сопротивление электричеству — 0,115−0,128 мкОм.м в условиях температуры +25˚С.

Эластичность материала уменьшается с повышением температуры, при 0˚C модуль упругости составляет 55 Gpa, а при +100˚C — 48 Gpa. Предел прочности при растяжении составляет 20 МПа, а удлинение — 40%. Модуль сдвига составляет от 16,9 до 8,2 ГПа.

Химические показатели

Металл стабилен при комнатной температуре к воздействию окружающего воздуха или влаги. Инертность материала обусловлена образованием оксидного слоя на поверхности. Олово начинает окисляться на воздухе при повышении температуры выше +150˚C. Металл имеет две степени окисления, +2 и +4. Первая менее устойчива.

Типы характерных химических реакций:

1. Холодная азотистая кислота реагирует с оловом, формула следующая: 4 Sn + 10 HNO 3 = NH 4 NO 3 + 4 Sn (NO 3) 2 + 3 H 2 O).
2. В случае нагревания с концентрированной формой HN О 3 используется свойство окисления олова, при этом выделяется осадок с переменной гидратацией — 3 Sn + n H 2 O + 4 HNO 3 = 4 NO + 3 H 2 S n O 3 . n H 2 O.
3. Нагревание олова в насыщенном щелочном растворе имеет обозначение по формуле 2 KOH + Sn + 4 H 2 O = 2 H 2 + K 2 (Sn (OH) 6).

Галогенные металлы дают сплавы, содержащие SnX 2 и SnX 4. Первые представляют собой солеобразные растворы с ионами, а вторые подвержены водному гидролизу, но могут растворяться в неполярных органических жидкостях. При соединении с сухим хлором образуется тетрахлорид — бесцветная жидкость, растворяющая йод, серу, диоксид серы.

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. 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.

• Цены на металлическое олово в 2006 году составили в среднем 12—18 долл/кг, двуокись олова высокой чистоты около 25 долл/кг, монокристаллическое олово особой чистоты около 210 долл/кг.

• 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 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.

Для извлечения олова металлическая порода, касситерит, измельчается в мельницах до получения частиц размером около 1 см. На следующем этапе вещество отделяется от пустой породы с помощью вибрации на гравитационных столах. Затем руда очищается и рафинируется для повышения содержания олова до 45-72 %.

Последующий процесс обжига удаляет мышьяк и серу, и полученный концентрат поступает в обжиговую печь. В горне углерод накапливается вместе с образцами руды и алюминием. Чистый металл получают либо путем плавления твердых частиц, либо электролизом.

Основные месторождения находятся в Юго-Восточной Азии и Китае, крупные месторождения также имеются в Австралии и Америке. Россия известна своими месторождениями олова в Хабаровском и Приморском краях, в Чукотском автономном округе, в Якутии и других регионах.

Нахождение в природе

В основном олово встречается в горных породах в рассеянном виде. Однако в кислых образованиях руда встречается в виде минеральных включений и залежей касситерита, которые представляют интерес для промышленного производства.

Формы вещества встречаются в естественных условиях:

• минеральные вкрапления;
• окисные соединения;
• коллоидные формы;
• жидкие фазы.

Вкрапленные месторождения не характеризуются определенной формой содержимого. Наблюдаются изоморфные вкрапленные сульфиды и кислородные срастания. В месторождениях первого типа олово представлено сфалеритом, халькопиритом и пиритом. Разложение приводит к образованию титрита и других минералов. В России изоморфные дисперсии встречаются в Приморском крае, например, в Дубровском и Смирновском месторождениях.

Минеральные формы

В эту группу входят самородки и сплавы из интерметаллических образований. Концентрация в земле низкая, но эти месторождения сосредоточены на больших площадях. Кроме олова, встречаются медные, алюминиевые и железные руды, а также типичные самородки серебра, золота и платины.

Эти элементы также участвуют в образовании оловянных сплавов:

Читайте также: Стальные водогазопроводные трубы (ВГП) ГОСТ 3262-75.

• атакит;
• стистаит;
• звягинцевит;
• штурмылит.

Эти образования встречаются в магматических интрузивных породах, таких как пикриты и траппы в районе Сибирской платформы. Габбровые и ультраосновные породы встречаются в почвах Камчатки. Гидротермальные и метасоматические породы встречаются в составе никелевых и медных руд на Урале, в Узбекистане и в бассейне Кавказа. Пелагические осадочные скопления являются результатом великого Толбачинского извержения.

Окисные соединения

В природе они встречаются в основном в виде касситерита (Sn O 2 ), который представляет собой оксид олова. Гамма-резонансные исследования указывают на присутствие Sn+4. Соединения содержат до 78% олова в виде твердых фенокристов с отдельными минеральными зернами размером 3-5 мм.

Встречаются формы касситерита:

1. Гидроокисные сплавы представлены в природе осадками полиоловянной кислоты. К ним относят сукулаиты, варламовиты, гидромартиты, гидростаннаты.
2. Силикаты находятся в форме малаяитов, стоказитов, пабститов. Первый вид минералов встречается в больших масштабах.
3. Сульфидные образования металла представлены серой в сочетании с оловом и являются второй по значению группой для промышленных разработок. Более сложные соединения имеют в составе медь, свинец. В породах чаще других встречаются халькопириты.
4. Станнины имеют второе название оловянного колчедана. Минералы широко добываются в Якутии и Приморье. Во многих случаях представляет основу для образования халькопирита.

Касситерит является прекрасным материалом для производства чистого олова. В России его добывают в Забайкалье и извлекают в Средней Азии. Мировые месторождения находятся в Таиланде, Боливии, Малайзии, Китае, Индонезии и Нигерии.

Коллоидные формирования

Коллоидные силикаты играют важную роль в геохимических процессах, хотя они еще не изучены детально. Эти соединения относятся к вязкому проявлению коллоидных касситеритов, которые претерпевают кристаллические превращения. Было обнаружено, что олово легко растворяется в композициях хлорида кремния.

Достоинства и недостатки

Преимущества олова заключаются в следующих свойствах металла:

• в высокой коррозионной стойкости, а также в невосприимчивости к воздействию солей и целого ряда органических кислот;
• в неспособности вступать в реакцию с серой, которая может содержаться в других материалах (это позволяет сочетать олово и, к примеру, пластик в одних и тех же изделиях);
• в отсутствии токсичности – качество, позволяющее использовать Sn в пищевой промышленности.

Олово характеризуется следующими недостатками:

• низкая температура перехода в жидкое состояние;
• подверженность «оловянной чуме».

Применение олова

Можно выделить несколько основных областей применения олова. Благодаря отсутствию токсичности и устойчивости к агрессивным химическим соединениям, олово используется в производстве изделий и оборудования, непосредственно контактирующих с продуктами питания. Олово также используется для покрытия медных электрических проводников. Это защищает медь от вредного воздействия серы, которая содержится в пластике внешней изоляции.

Олово очень распространено в электронной промышленности. Пайка компонентов и электрических цепей чаще всего выполняется с использованием олова.

Существует множество сплавов, которые неизбежно содержат олово. К ним относятся все виды баббита, медные сплавы, а также другие материалы, с которыми мы сталкиваемся практически каждый день в повседневной жизни.

Продукция из олова

Полуфабрикаты из олова продаются в виде проволоки, прутков или стержней. Эти продукты используются для производства сплавов, а также различных компонентов или покрытий.

Оловянные аноды используются для лужения поверхностей из других материалов.

Система управления качеством сертифицирована в соответствии с международным стандартом качества ISO 9001:2015.