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 2019 году Халюсом Пелегрином. Однако его использование началось задолго до этой даты на Ближнем Востоке и Балканах около 2019 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 2019 °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 2019 °C (железо кипит при 2019 °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.

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:

  • R4Sn;
  • R3SnX;
  • R2SnX2;
  • RSnX3.

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.

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.

Свинец — легкоплавкий металл, поэтому расплавить его довольно просто, даже не имея специального оборудования. Главное, что нужно знать — какова температура плавления свинца. От этого зависит выбор емкости, в которой будет происходить плавка. Для свинца подойдет обычная консервная банка, так как жесть для нее изготавливают из стали, которая плавится при температуре в несколько раз больше, чем у выплавляемого металла.

Свинец и его свойства

Грязно-серый цвет этого металла — результат того, что в атмосфере на его поверхности за короткое время образуется окисная пленка. Именно она придает такой невзрачный вид свинцу. Однако, если несколько раз провести напильником по поверхности металла, то под тонким слоем оксидной пленки станет видна блестящая поверхность с голубоватым оттенком. Это очень мягкий и тяжелый материал, он почти в полтора раза тяжелее стали. Плотность свинца — 11,34 г/куб.см, а плотность железа — 7,80 г/куб.см.

Свинец был открыт в древности примерно 2019 — 2019 лет до нашей эры. В современной промышленности его получение происходит в основном металлургическим способом из свинцовых руд и концентратов.

У свинца низкая температура плавления — всего 327 °C, а температура кипения — 2019 °C. Следует учитывать токсичность свинцовых паров и то, что этот химический элемент плохо выводится из организма. Чем больше нагревается расплавленный свинец, тем больше он испаряется. Поэтому помещение, в котором происходит плавка, должно хорошо проветриваться.

Именно благодаря невысокой температуре плавления свинец используют при изготовлении мягких припоев вместе с оловом.

Характеристика олова

Плавится при 232 °C, кипит при 2019 °C, отлично сплавляется с разными металлами, благодаря высокой пластичности хорошо поддается ковке. Паяльное олово используется в качестве припоя, так как оно хорошо смачивает металлы. Промышленное получение олова значительно сложнее чем свинца, поэтому оно гораздо дороже.

В отличие от свинца олово выглядит гораздо привлекательнее. Этот серебристо-белый металл безопасен для здоровья человека. Оловом часто покрывают поверхности металлических изделий в местах, где они контактируют с пищей: посуду, консервную жесть, пищевую фольгу и другие. Однако оловянная пыль и пары при вдыхании могут вызвать опасное влияние на человеческий организм. Кроме производства тары для продуктов питания, олово широко используется в разных припоях и других сплавах, например, в антифрикционных и подшипниковых. Этот материал значительно легче свинца, его плотность 7,3 г/куб.см.

Олово полиморфно, то есть оно может существовать в различных модификациях в зависимости от температуры. При температуре ниже 13 °C белое олово (β-модификация) переходит в серое олово (α-модификацию). В результате этого фазового перехода блестящие оловянные изделия рассыпаются в порошок серого цвета. Причем при контакте с порошком белое олово как бы заражается от него и превращается в серое. Такое явление получило название «оловянная чума».

По некоторым данным, именно оно стало главной причиной гибели экспедиции Роберта Скотта на Южный полюс. Керосин, хранившийся на промежуточных складах, вытек из канистр, пропаянных по швам оловом, которое рассыпалось в порошок на морозах Антарктики. Таким образом, члены экспедиции остались почти без топлива.

Припои для пайки

Припои классифицируют по разнообразным характеристикам: степени плавления при пайке, способу изготовления, основному металлу, способности к флюсованию и др. По температуре расплавления припои бывают:

  1. Легкосплавные, плавятся при менее 145 °C.
  2. Мягкие, плавятся при температуре от 145 °C до 400 °C.
  3. Твердые, температура плавления выше 400 °C.

Легкосплавные применяют для пайки материалов критичных к перегреву, можно назвать такие марки, как сплав Ньютона, сплав Гутри, сплав Вуда, ПОСВ 32−15−53.

Мягкие применяют для лужения и пайки швов посуды, электроаппаратуры, печатных плат, трубок теплообменников. Самые распространенные из них это оловянно-свинцовые (см. табл.1).

Твердые припои дают высокую прочность соединения и применяются для пайки несущих конструкций. К этим припоям относятся медно-цинковые (ПМЦ-36, ПМЦ-48, ПМЦ-54), серебряные (ПСр72, ПСр70, ПСр50, ПСр50Кд, ПСр12М) и другие.

Оловянно-свинцовые припои

Сплав олова со свинцом с содержанием олова от 10 до 90% называется припоем ПОС. Можно привести следующие обозначения марок таких припоев:

  • ПОС40 — содержит 40% олова, остальное — свинец, плавится при 235 градусах, применяется в промышленности для лужения и пайки электроаппаратуры, изделий из оцинкованной стали;
  • ПОС90 — 90% олова, 10% свинца, расплавляется при 222 градусах, нашел свое применение при изготовлении посуды и медицинской аппаратуры;
  • ПОССу 30−0,5 — 30% олова, 0,5% — сурьма, остальное — свинец, жидким становится при 255 градусах, служит для лужения и пайки листов цинка, обычной и нержавеющей стали, проводов, радиаторов.

В зависимости от процентного соотношения олова и свинца изменяется температура плавления разных марок припоя.

Температуры плавления припоев (в °С). Таблица 1

Плавление металлов

Плавление — это процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое. В отличие от сплавов, у чистых металлов плавление и затвердевание (кристаллизация) происходит при неизменной строго определенной температуре. По ней различают металлы:

  • легкоплавкие, плавятся при температурах до 600 °C;
  • среднеплавкие — от 600 °C до 2019 °C;
  • тугоплавкие — свыше 2019 °C.

В таблице 2 указано, при какой температуре плавится свинец, при какой температуре плавится олово и другие металлы.

Температуры плавления металлов (в °С). Таблица 2