Что такое олово? Описание, свойства и применение

О́ЛОВО (лат. Stannum), Sn, хи­мич. эле­мент IV груп­пы ко­рот­кой фор­мы (14-й груп­пы длин­ной фор­мы) пе­рио­дич. сис­те­мы; ат. н. 50, ат. м. 118,710. При­род­ное оло­во со­дер­жит 10 изо­то­пов 112Sn (0,97%), 114Sn (0,66%), 115Sn (0,34%), 116Sn (14,54%), 117Sn (7,68%), 118Sn (24,22%), 119Sn (8,58%), 120Sn (32,59%), 122Sn (4,63%), 124Sn (5,79%; сла­бо ра­дио­ак­ти­вен, β-из­лу­ча­тель, Т1/2 бо­лее 1017 лет). Ис­кус­ст­вен­но по­лу­че­ны ра­дио­изо­то­пы с мас­со­вы­ми чис­ла­ми 100–137.

История

Олово известно людям шесть тысяч лет. Но как компонент бронзы. Чистый металл выделили к XII веку. Через восемь столетий историю открытия пополнила разгадка феномена «оловянной чумы».

Олово как металл упоминают книги Библии и энциклопедист раннего Средневековья Роджер Бэкон.

Интересна этимология названия. Наименование stannum восходит к санскриту и означает «прочный, стойкий». Так именовали сплавы, и лишь с 4 века термин применяется к олову.

Термин «олово» есть в балтийских и всех славянских языках. Однако у славян он обозначает свинец. В балтийской группе основой служит наименование металла по цвету: белый либо желтый.

Происхождение названия

Латинское название stannum, связанное с санскритским словом, означающим «стойкий, прочный», первоначально относилось к сплаву свинца и серебра, а позднее к другому, имитирующему его сплаву, содержащему около 67 % олова; к IV веку этим словом стали называть собственно олово.

Слово олово — общеславянское, имеющее соответствия в балтийских языках (ср. лит. alavas, alvas — «олово», прусск. alwis — «свинец»). Оно является суффиксальным образованием от корня ol- (ср. древневерхненемецкое elo — «жёлтый», лат. albus — «белый» и пр.), так что металл назван по цвету.

Что представляет собой

Олово – элемент периодической таблицы Менделеева.

Это легкий серебристо-белый блестящий металл. Состоит из десяти изотопов.

Оловянный куб

Олово относится к группе легких цветных металлов.

Международное обозначение – Sn (Stannum).

Мировая цена тонны сырья на Лондонской бирже металлов – $21 000.

Нахождение в природе

По распространенности на планете олово на 47-й позиции, в земной коре его массовое содержание исчисляется тысячными долями процента.

Основной минерал-носитель металла в природе – касситерит (второе название оловянный камень) – почти 80% состава.

Формы нахождения в породах и минералах – рассеянная и минеральная (оксиды, гидроксиды, силикаты, сульфиды, шпинелиды).

Месторождения есть на всех континентах, запасы исчисляются миллионами тонн.

В России регионы залежей – Хабаровский, Приморский края, Якутия, Чукотка.

Применение

О. – ком­по­нент спла­вов: с ме­дью (брон­зы), ме­дью и цин­ком (ла­тунь), сурь­мой (баб­бит), свин­цом (при­пой), цир­ко­ни­ем, ти­та­ном, нио­би­ем (атом­ные ре­ак­то­ры, тур­би­ны, сверх­про­вод­ни­ки) и др. О. ис­поль­зу­ет­ся для на­не­се­ния по­кры­тия на ме­тал­лы, в т. ч. на лу­же­ние бе­лой жес­ти, из­го­тов­ле­ние фоль­ги, де­та­лей из­ме­рит. при­бо­ров, те­п­ло­об­мен­ни­ков, ху­дож. из­де­лий и др. Ок­сид SnO2 при­ме­ня­ет­ся для из­го­тов­ле­ния жа­ро­стой­ких эма­лей и гла­зу­рей. Со­ли оло­ва(II) ис­поль­зу­ют­ся в про­трав­ном кра­ше­нии тка­ней. Кри­стал­лич. SnS2 («су­саль­ное зо­ло­то») вхо­дит в со­став кра­сок, ими­ти­рую­щих по­зо­ло­ту, фто­рид оло­ва – до­бав­ка во фтор­со­дер­жа­щих зуб­ных пас­тах.

Физико-химические характеристики

Металл наделен многими достоинствами: пластичен, легок, ковок, нетоксичен.

Химические свойства при обычных температурах не проявляются.

Недостатки: малая температура плавления, беззащитность перед «оловянной чумой».

«Оловянная чума»

При нормальном давлении металл принимает одну из двух модификаций:

1. α-Sn. Температура менее +13,2°С. Серый тусклый порошок (серое олово).
2. β-Sn. Температура выше +13,2°С. Металл, белое олово.

Серое и белое олово

При температуре воздуха ниже +13,2°С β-олово переформатируется в α-модификацию. Структура решетки меняется, серебристый металл становится серым порошком.

Быстрее всего процесс идет при -33°С. Из-за скорости его окрестили «оловянной чумой». Она погубила армию Наполеона при походе в Россию и множество музейных экспонатов, когда помещения выстывали.

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.

Технология получения

Исходником для получения металла служит касситерит.

Кристаллы касситерита — оловянная руда

Процесс несложен:

1. Руду дробят до частиц не крупнее сантиметра.
2. Методом флотации отделяют пустую породу. Содержание металла повышается до 42-68%.
3. Серу и мышьяк удаляют кислородным обжигом концентрата.
4. Полученным продуктом загружают плавильную печь, чередуя послойно концентрат с древесным углем. Получается восстановленное олово.
5. Второй вариант восстановления – алюминием либо цинком.

Оловянная руда
При необходимости металл дополнительно очищают зонной плавкой либо электрохимическим рафинированием.

Марки олова

Металлурги выплавляют металл нескольких марок:

Первые четыре марки олова выпускаются в форме чушек, проволоки, прутков. Из О3 и О4 выплавляют чушки. Это исходник для продукции из олова.

Историческая справка

О. из­вест­но с дои­сто­рич. вре­мён, упо­ми­на­ет­ся в Вет­хом За­ве­те. По сви­де­тель­ст­ву Го­ме­ра, ру­ды О. до­бы­ва­ли на Кас­си­те­ри­дах – Бри­тан­ских о-вах. Спла­вы О. с ме­дью (брон­зы) из­вест­ны с 3-го тыс. до н. э., чис­тый ме­талл со 2-го тыс. до н. э. В древ­но­сти из О. де­ла­ли ук­ра­ше­ния, по­су­ду, ут­варь. В Древ­нем Егип­те из О. де­ла­ли ук­ра­ше­ния, на­па­ян­ные на др. ме­тал­лы. С кон. 13 в. в Зап. Ев­ро­пе из О. из­го­тав­ли­ва­ли со­су­ды, цер­ков­ную ут­варь, па­рад­ные ча­ши, блю­да, куб­ки с рель­еф­ны­ми изо­бра­же­ния­ми (гер­бы, ми­фо­ло­гич., жан­ро­вые сце­ны). В Рос­сии из­де­лия из О. (ра­мы зер­кал, ут­варь) по­лу­чи­ли ши­ро­кое рас­про­стра­не­ние в 17–18 вв.

Лат. на­зва­ние эле­мен­та, ве­ро­ят­но, свя­за­но с санскр. stha – стой­ко дер­жать­ся, sthavan – проч­но. Про­ис­хо­ж­де­ние рус. назв. «О.» точ­но не ус­та­нов­ле­но.

Где используется

Металл востребован как самостоятельный материал, в сплавах, соединениях.

Его химические и физические свойства позволяют изготавливать безопасные, стойкие к ржавению изделия и покрытия.

Оловянный солдатик в форме после литья

Металл

Чистый металл востребован как:

• Тара пищевых продуктов.
• Упаковочная фольга.
• Анод в химических источниках тока.

Это также покрытие медных проводов. Металл защищает медную «начинку» от губительного воздействия серы, содержащейся в изоляционном материале.

Оловянный кубок из г. Гданьска (Польша)

Олово – самый экологически чистый из легких цветных металлов.

Соединения

Соединения металла нашли применение в разных сегментах хозяйственного комплекса:

• Авиа- и машиностроение. Присадка в сплавах титана.
• Электротехника. Сверхпроводящий провод (соединение с ниобием).
• Оптика. Абразив для финальной обработки поверхности стекла.
• Легкая промышленность. Желтый краситель для шерсти.
• Сельское хозяйство. Пестициды.
• Декор. Компонент «золотых» красок.

Изомеры искусственного происхождения используют в медицине как источник гамма-излучения.

Треть добываемого олова идет на изготовление посуды. Еще 60% «забирают» подшипники, упаковочная фольга, припои. Менее 7% остается на другие цели.

Перспективы

Исследуется потенциал двумерных слоев олова, созданных по технологии получения графена. Название материала созвучно «родителю» – станен.

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.

Сплавы

Металлургией олово используется как компонент сплавов. По сфере применения различают подшипниковые, легкоплавкие составы и припои.

Расплавленное олово

Выработана классификация сплавов по видам:

Баббиты

Сплав на основе олова либо свинца. Применяется как слой, созданный напылением либо заливкой.

Минусы – малая прочность, быстрая «уставаемость». Ввиду этих свойств сплав используется только в подшипниках, защищенных корпусом.

Бронза

Медно-оловянный сплав с доминированием меди. Плюсы: твердость, легкоплавкость, устойчивость к обработке, ржавчине, механическим повреждениям, атмосферным катаклизмам.

Используется как литейный металл, в химической промышленности, автопроме, внешнем декоре зданий.

Припои

Бывают легко- и твердоплавкими. Главный компонент сплава – олово.

Существует несколько марок, в зависимости от соотношения элементов. Сплавы применяются для пайки всего: от посуды, медицинской аппаратуры, радиодеталей, радиаторов отопления до электронного оборудования.

Пьютеры

Сплав с медью, сурьмой, висмутом. Декоративный, эстетичный вариант. Из него делают посуду, мелкие предметы, украшающие жизнь. Но применение ограничивает токсичность.

В некоторых странах использование сплава запрещено. Такие изделия можно найти только у антикваров.

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.

Значение для человека

Микроэлемент – участник метаболизма, содействует росту скелетных тканей.

Рацион

Оловом богаты продукты нескольких групп:

• Мясо – курятина, индюшатина, говядина, свинина.
• Молочные продукты, включая сыры твердых сортов.
• Бобовые.
• Овощи – картофель, свекла.
• Семечки подсолнечника.

Ежесуточно человеку необходимо 3-11 мг вещества. Их он получает из пищи. Избыток утилизируется естественным путем, поэтому отравление исключено.

Симптомы нехватки

Нехватка микроэлемента нарушает минеральный баланс организма.

Результатом становятся следующие симптомы:

• Немотивированное истощение.
• Торможение роста.
• Ухудшение слуха.
• Тусклость, ломкость, выпадение волос.

Дефицит элемента – явление редкое. Так же, как переизбыток.

Переизбыток

Случается у людей, контактирующих с веществом (добыча на рудниках, работа на металлургическом предприятии) или фанатов консервированных продуктов.

Консервная банка с оловянным покрытием

Целостность оболочки консервных банок при длительном хранении нарушается. Часть олова переходит в содержимое.

О перенасыщенности организма металлом сигнализируют:

1. Металлический привкус во рту.
2. Отсутствие аппетита, расстройство ЖКТ (рвота, диарея).
3. Анемичность, мигрени, головокружения.
4. Кожа воспаляется, бледнеет, становясь сероватой. На деснах появляется синюшность.

На эмоциональном плане это повышенная агрессивность, возбудимость.

Физиологическое действие

О роли олова в живых организмах практически ничего не известно. В теле человека содержится примерно (1—2)· 10−4 % олова, а его ежедневное поступление с пищей составляет 0,2—3,5 мг. Металлическое олово не токсично, что позволяет применять его в пищевой промышленности. Олово представляет опасность для человека в виде паров и различных аэрозольных частиц, пыли. При воздействии паров или пыли олова может развиться станноз — поражение легких. Станнан (оловянистый водород) — сильнейший яд. Также очень токсичны некоторые оловоорганические соединения. Временно допустимая концентрация соединений олова в атмосферном воздухе 0,05 мг/м3, ПДК олова в пищевых продуктах 200 мг/кг, в молочных продуктах и соках — 100 мг/кг. Токсическая доза олова для человека — 2 г.

Вредные примеси, содержащиеся в олове в обычных условиях хранения и применения, в том числе в расплаве при температуре до 600 °C, не выделяются в воздух рабочей зоны в объёмах, превышающих предельно допустимую концентрацию в соответствии с ГОСТ. Длительное (в течение 15—20 лет) воздействие пыли олова оказывает фиброгенное воздействие на лёгкие и может вызвать заболевание работающих пневмокониозом.