Олово применение в промышленности

ОЛОВО, Sn (от лат. stannum, что первоначально относилось к сплаву свинца и серебра, а позднее к другому, имитирующему его сплаву, содержащему около 67% Sn; к 4 в. этим словом стали называть олово), химический элемент IVB подгруппы (включающей C, Si, Ge, Sn и Pb) периодической системы элементов. Олово – относительно мягкий металл, 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. Олово образует различные соединения, многие из которых находят промышленное применение. Наиболее экономически важный оловосодержащий минерал – касситерит (оксид олова). Мировые месторождения касситерита разрабатывают в Юго-Восточной Азии, в основном в Индонезии, Малайзии и Таиланде. Другие важные месторождения касситерита находятся в Южной Америке (Бразилия и Боливия), Китае и Австралии. См. также ОЛОВА ПРОИЗВОДСТВО.

Историческая справка.

Олово начали применять, вероятно, еще во времена Гомера и Моисея. Открытие его было связано, скорее всего, со случайным восстановлением наносного касситерита (оловянного камня); наносные отложения встречаются на поверхности или близко к ней, и оловянные руды намного легче восстанавливаются, чем руды других металлов. Древние бритты были хорошо знакомы с оловом: в Корнуолле на юго-западе Англии были обнаружены древние горны со шлаком. Металл был, очевидно, малодоступен и дорог, т.к. оловянные предметы редко встречаются среди римских и греческих древностей, хотя об олове говорится в Библии в Четвертой книге Моисеевой (Числа), а слово касситерит, которое и сегодня используется для обозначения оксидной оловянной руды, – греческого происхождения. Малакка и Восточная Индия упоминаются как источники олова в арабской литературе 8–9 вв. и различными авторами в 16 в. в связи с Великими географическими открытиями. История оловянных разработок в Саксонии и Богемии относится еще к 12 в., но в 17 в. 30-летняя война (1618–1648) разрушила эту промышленность. Производство впоследствии возобновили, но вскоре оно пришло в упадок из-за открытия богатых месторождений в Америке.

Бронза.

Задолго до того как научились добывать олово в чистом виде, был известен сплав олова с медью – бронза, который получали, видимо, уже в 2500–2000 до н.э. Олово в рудах часто встречается вместе с медью, так что при плавке меди в Британии, Богемии, Китае и на юге Испании образовывалась не чистая медь, а ее сплав с некоторым количеством олова. Ранние медные плотничные инструменты (долото, тесло и др.) из Ирландии содержали до 1% Sn. В Египте медная утварь 12-й династии (2000 до н.э.) содержала до 2% Sn, по-видимому, как случайную примесь. Первобытная практика выплавки меди основывалась на использовании смеси медных и оловянных руд, в результате чего и получалась бронза, содержащая до 22% Sn.

Таблица: Свойства b -ОЛОВА

СВОЙСТВА b -ОЛОВА
Атомный номер	50
Атомная масса	118,710
Изотопы
стабильные	112, 114–120, 122, 124
нестабильные	108–111, 113, 121, 123, 125–127
Температура плавления, °С	231,9
Температура кипения, °С	2625
Плотность, г/см 3	7,29
Твердость (по Бринеллю)	3,9
Содержание в земной коре, % (масс.)	0,0004
Степени окисления	+2, +4

Физические свойства.

Олово – мягкий серебристо-белый пластичный металл (может быть прокатан в очень тонкую фольгу – станиоль) с невысокой температурой плавления (легко выплавляется из руд), но высокой температурой кипения. 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. См. также АЛЛОТРОПИЯ; ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ; ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ.

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. Однако оно легко образует сплавы с большинством других черных и цветных металлов. Оловосодержащие сплавы обладают прекрасными антифрикционными свойствами в присутствии смазки, поэтому широко используются как материал подшипников.

Химические свойства.

При комнатной температуре олово химически инертно к кислороду и воде. На воздухе олово постепенно покрывается защитной оксидной пленкой, которая повышает его коррозионную стойкость. С химической инертностью олова и его оксидной пленки в обычных условиях связано использование его в покрытии жестяной тары для продуктов питания, прежде всего – консервных банок. Олово легко наносится на сталь и продукты его коррозии безвредны. В соединениях олово проявляет две степени окисления: +2 и +4, причем соединения олова(II) в большинстве своем относительно нестабильны в разбавленных водных растворах и окисляются до соединений олова(IV) (их используют иногда как восстановители, например SnCl₂). Разбавленные соляная и серная кислоты действуют на олово очень медленно, а концентрированные, особенно при нагревании, растворяют его, причем в соляной кислоте получается хлорид олова(II), а в серной – сульфат олова(IV). С азотной кислотой олово реагирует тем интенсивнее, чем выше концентрация и температура: в разбавленной HNO₃ образуется растворимый нитрат олова(II), а в концентрированной HNO₃ – нерастворимая b-оловянная кислота H₂SnO₃. Концентрированные щелочи растворяют олово с образованием станнитов – солей оловянистой кислоты H₂SnO₂; в растворах станниты существуют в гидроксоформе, например Na₂[Sn(OH)₄]. Наибольшее промышленное значение соединения олова(II) имеют в производстве гальванических покрытий. Соединения олова(IV) находят обширное промышленное применение.

Оксиды олова амфотерны, проявляют и кислотные, и основные свойства. Оксид олова(IV) встречается в природе в виде минерала касситерита, а чистый SnO₂ получают из чистого металла; диоксид олова SnO₂ применяется для приготовления белых глазурей и эмалей. Из SnO₂ при взаимодействии со щелочами получают станнаты – соли оловянной кислоты, наиболее важные из которых – станнаты калия и натрия; растворы станнатов находят широкое применение как электролиты для осаждения олова и его сплавов. SnCl₄ – тетрахлорид олова, исходное соединение для многих синтезов других соединений олова, включая и оловоорганические.

Применение.

В современном мире более трети добываемого олова расходуется на изготовление пищевой жести и емкостей для напитков. Жесть в основном состоит из стали, но имеет покрытие из олова обычно толщиной менее 0,4 мкм.

Сплавы.

Одна треть олова идет на изготовление припоев. Припои – это сплавы олова в основном со свинцом в разных пропорциях в зависимости от назначения. Сплав, содержащий 62% Sn и 38% Pb, называется эвтектическим и имеет самую низкую температуру плавления среди сплавов системы Sn – Pb. Он входит в составы, используемые в электронике и электротехнике. Другие свинцово-оловянные сплавы, например 30% Sn + 70% Pb, имеющие широкую область затвердевания, используются для пайки трубопроводов и как присадочный материал. Применяются и оловянные припои без свинца. Сплавы олова с сурьмой и медью используются как антифрикционные сплавы (баббиты, бронзы) в технологии подшипников для различных механизмов. Современные оловянно-свинцовые сплавы содержат 90–97% Sn и небольшие добавки меди и сурьмы для увеличения твердости и прочности. В отличие от ранних и средневековых свинецсодержащих сплавов, современная посуда из cплавов олова безопасна для использования.

Покрытия из олова и его сплавов.

Олово легко образует сплавы со многими металлами. Оловянные покрытия имеют хорошее сцепление с основой, обеспечивают хорошую коррозионную защиту и красивый внешний вид. Оловянные и оловянно-свинцовые покрытия можно наносить, погружая специально приготовленный предмет в ванну с расплавом, однако большинство оловянных покрытий и сплавов олова со свинцом, медью, никелем, цинком и кобальтом осаждают электролитически из водных растворов. Наличие большого диапазона составов для покрытий из олова и его сплавов позволяет решать многообразные задачи промышленного и декоративного характера.

Соединения.

Олово образует различные химические соединения, многие из которых находят важное промышленное применение. Кроме многочисленных неорганических соединений, атом олова способен к образованию химической связи с углеродом, что позволяет получать металлоорганические соединения, известные как оловоорганические (см. также МЕТАЛЛООРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ). Водные растворы хлоридов, сульфатов и фтороборатов олова служат электролитами для осаждения олова и его сплавов. Оксид олова применяют в составе глазури для керамики; он придает глазури непрозрачность и служит красящим пигментом. Оксид олова можно также осаждать из растворов в виде тонкой пленки на различных изделиях, что придает прочность стеклянным изделиям (или уменьшает вес сосудов, сохраняя их прочность). Введение станната цинка и других производных олова в пластические и синтетические материалы уменьшает их возгораемость и препятствует образованию токсичного дыма, и эта область применения становится важнейшей для соединений олова. Огромное количество оловоорганических соединений расходуется в качестве стабилизаторов поливинилхлорида – вещества, используемого для изготовления тары, трубопроводов, прозрачного кровельного материала, оконных рам, водостоков и др. Другие оловоорганические соединения используются как сельскохозяйственные химикаты, для изготовления красок и консервации древесины.

Спиваковский В.Б. Аналитическая химия олова. М., 1975
Большаков К.А., Федоров П.И. Химия и технология малых металлов. М., 1984

Олово — легкий цветной металл, простое неорганическое вещество. В таблице Менделеева обозначается Sn, stannum (станнум). В переводе с латинского это значит «прочный, стойкий». Первоначально этим словом называли сплав свинца и серебра, и только значительно позже так стали именовать чистое олово. Слово «олово» имеет славянские корни и обозначает «белый».

Металл относится к рассеянным элементам, и не самым распространенным на земле. В природе он встречается в виде различных минералов. Самые важные для промышленной добычи: касситерит — оловянный камень, и станнин — оловянный колчедан. Добывают олово из руд, как правило, содержащих не более 0,1 процента этого вещества.

Свойства олова

Легкий мягкий пластичный металл серебристо-белого цвета. Имеет три структурные модификации, переходит из состояния α-олово (серое олово) в β-олово (белое олово) при температуре +13,2 °С, а в состояние γ-олово при t +161 °С. Модификации весьма сильно отличаются своими свойствами. α-олово — серый порошок, который относят к полупроводникам, β-олово («обычное олово» при комнатной температуре) — серебристый ковкий металл, γ-олово — белый хрупкий металл.

В химических реакциях олово проявляет полиморфизм, то есть кислотные и оснóвные свойства. Реактив достаточно инертный на воздухе и в воде, так как быстро покрывается прочной оксидной пленкой, защищающей его от коррозии.

Олово легко вступает в реакции с неметаллами, с трудом — с концентрированной серной и соляной кислотой; с этими кислотами в разбавленном состоянии не взаимодействует. С концентрированной и разбавленной азотной кислотой реагирует, но по-разному. В одном случае получается оловянная кислота, в другом — нитрат олова. Со щелочами вступает в реакции только при нагревании. С кислородом образует два оксида, со степенью окисления 2 и 4. Является основой целого класса оловоорганических соединений.

Воздействие на человеческий организм

Олово считается безопасным для человека, оно есть в нашем организме и каждый день мы получаем его в минимальных количествах с пищей. Его роль в функционировании организма пока не изучена.

Пары олова и его аэрозольные частицы опасны, так как при длительном и регулярном вдыхании оно может вызвать заболевания легких; ядовиты также органические соединения олова, поэтому работать с ним и его соединениями надо в средствах защиты.

Такое соединение олова как оловянистый водород, SnH₄, может служить причиной тяжелых отравлений при употреблении в пищу очень старых консервов, в которых органические кислоты вступили в реакцию со слоем олова на стенках банки (жесть, из которой делают консервные банки — это тонкий лист железа, покрытый с двух сторон оловом). Отравление оловянистым водородом может быть даже смертельным. К его симптомам относятся судороги и чувство потери равновесия.

Это интересно

При понижении температуры воздуха ниже 0 °С белое олово переходит в модификацию серого олова. При этом объем вещества увеличивается почти на четверть, оловянное изделие трескается и превращается в серый порошок. Это явление стали называть «оловянной чумой».

Некоторые историки считают, что «оловянная чума» послужила одной из причин поражения армии Наполеона в России, так как превратила пуговицы на одежде французских солдат и пряжки для ремней в порошок, и тем самым оказала на армию деморализующее влияние.

А вот настоящий исторический факт: экспедиция английского полярного исследователя Роберта Скотта к Южному полюсу закончилась трагически в том числе потому, что все их топливо вылилось из запаянных оловом баков, они лишились своих мотосаней, а дойти пешком сил не хватило.

Применение

— Большая часть выплавляемого олова используется в металлургии для производства различных сплавов. Эти сплавы идут на изготовление подшипников, фольги для упаковки, белой пищевой жести, бронзы, припоев, проводов, литер типографских шрифтов.
— Олово в виде фольги (станиоль) востребовано в производстве конденсаторов, посуды, изделий искусства, органных труб.
— Используется для легирования конструкционных титановых сплавов; для нанесения антикоррозионных покрытий на изделия из железа и иных металлов (лужение).
— Сплав с цирконием обладает высокой тугоплавкостью и стойкостью к коррозии.
— Оксид олова (II) — используется в качестве абразива при обработке оптических стекол.
— Входит в состав материалов, применяющихся для изготовления аккумуляторов.
— При производстве красок «под золото», красителей для шерсти.
— Искусственные радиоизотопы олова применяются как источник γ-излучения в спектроскопических методах исследования в биологии, химии, материаловедении.
— Двухлористое олово (оловянную соль) используют в аналитической химии, в текстильной индустрии для крашения, в химпроме для органического синтеза и производства полимеров, в нефтепереработке — для обесцвечивания масел, в стекольной отрасли — для обработки стекол.
— Олово борфтористое применяется для изготовления жести, бронзы, других нужных промышленности сплавов; для лужения; ламинирования.

Олово получают из руд или обогащенного металлом песка. Таковой имеется в морях Заполярья. Смесь гранул с высоким содержанием олово добывают прямо со дна моря Лаптевых. Извлечение породы ведется с помощью специализированных судов в районе Ванькиной губы. Первую партию песка подняли на поверхность еще в 1976-ом году.

Что такое олово?

Олово – металл. Он занимает 50-е место в таблице химических элементов Дмитрия Менделеева. 50-ый номер находится в 4-ой группе таблице, в ее главной подгруппе. Они входят в пятый период списка. Масса олова равна 118, 710.

Металл редкий и рассеянный. Его в небольших количествах выделяют из руд и песков. По содержанию в коре Земли, олово занимает 47-е место среди химических элементов. Больше всего серебристо-белого металла в кассетирите. Это минерал. В нем олова почти 80%. Кстати, именно доля кассетирита велика в песках, поднимаемых со дна океана. Велика доля легкого металла и в оловянном колчедане, но он редко встречается в природе.

Физические и химические свойства олова

У элемента невысокая планка плавления. Предельная температура олова, при которой металл остается твердым — 231 градус Цельсия. Уже при 231,9 градусах элемент плавится. Эта цифра одинакова для обеих модификаций металла. Он бывает белый и серый. Темный оттенок элемент приобретает, переходя из металлического состояние в порошкообразное. Плотность порошка значительно ниже, она равна 5 850 граммов на кубический сантиметр. Этот показатель более чем на тысячу уступает плотности олова в металлическом состоянии.

В состояние порошка олово переходит только при низких температурах. Метаморфозу называют оловянной чумой. Из-за нее, к примеру, в 1912-ом погибла целая экспедиция. Отправленная на Северный полюс команда «Скотта» на половине пути осталась без горючего. Керосин вытек из баков. Они были из жести, но спайка была из олова. На холоде оно стало порошком и высыпалось из швов, а вместе с ним вылилось и горючее.

Плавление олова сильно разнится с планкой кипения. Последняя составляет 2 270-ти градусах. Элемент легко гнется и в охлажденном состоянии, а при небольшом нагреве становится словно пластилин. Металл легкий, его вес сравним с алюминием.

Металл покрывает оксид олова. Он образует пленку, защищающую элемент от коррозии. Это свойство олово не теряет даже во влажном воздухе с температурой в 100 градусов Цельсия.

Олово не из списка химически стойких металлов. Оно вступает в реакцию, к примеру, с азотной и серной кислотами. Реагирует олово и с галогенами.

Применение олова

Люди нашли применение олову еще до нашей эры. Белесый металл служит человечеству приблизительно с бронзового века. Он назван так в честь сплава, изделия из которого были ведущими в указанную эпоху. Причем здесь олово? Оно входило в состав бронзы. Тогда это был сплав олова и меди. Такова рецептура и сейчас. Правда, теперь иногда добавляют еще алюминий, кремний и свинец. Да и роль бронзы в жизни общества уже не та.

В 21-ом веке легкий металл используют не только для бронзы, но и для припоев. На эти цели идет обычно сплав олова и свинца. Используют также соединения с кадмием и висмутом. Такие составы не рассыплются в порошок даже на холоде, поэтому служат надежной «соединительной тканью» для различных деталей.

Сплав олова со свинцом и сурьмой используют в печатной промышленности. Соединение трех элементов идет на создание типографских шрифтов.

Оловом прокатывают фольгу. Из белого металла делают трубы и прочие элементы, которые должны обладать антикоррозийными свойствами. Поскольку олово не ржавеет, из него делают посуду. Пищевой металл отлично проводит тепло. Элемент не токсичен. Его применяют даже для покрытий емкостей для длительного хранения еды, к примеру, для консервных банок. Кстати, банки покрывают оловом и снаружи. Так всегда поступают с жестяной тарой, что уберегает ее от разрушения.

Посуду из олова делали и в древности. Наши предки также заметили особенность олова не поддаваться коррозии, не ржаветь. Однако, столовые приборы из легкого металла не были распространены. Причина – дороговизна. В прошлые эпохи олово стоило наравне с золотом и даже больше. Так, даже у знатных римлян олово не всегда было в изобилии.

Олово – важный элемент тканевой промышленности. Здесь в ход идут соли металла. Они используются при изготовлении натурального шелка и печатании на ситцевых материях. Белесый элемент пригождается и в медицине. Олово нужно стоматологам для формирования некоторых пломб. Сейчас они отходят в прошлое, но раньше составляли чуть ли не 100% всех зубных «заплаток». Раньше олово применялось и при лечении эпилепсии. Припадки снимали с помощью пилюль из олова и хлора. Этим же способом боролись со многими неврозами. Звучит страшно, но олово содержится в организме человека и без пилюль. Более того, элемент необходим. При его нехватке замедляется, к примеру, рост людей.

Купить металл для тех или иных нужд можно примерно за 1 000 рублей. Это олово, цена на которое установлена с учетом обработки. Тысячу просят за пруты, цилиндры и прочие готовые элементы. Чистое олово купить можно гораздо дешевле, в среднем на 30-40%. Еще бюджетнее порошок металла. Его, к слову, добавляют в инсектицидные смеси. Так называются химические составы для травли насекомых, к примеру, вредителей сада и огорода. Олова боятся и морские «вредители». Так, на покрытое белым металлом дно кораблей не присасываются моллюски, не разрушая тем самым конструкцию.