Олово
| |||||||
Результати археологічних розкопок дозволяють вважати, що ще за п'ять тисячоліть до нашої ери люди уміли виплавляти й чисте олово. Відомо, що древні єгиптяни олово для виробництва бронзи возили з Персії.
Під назвою «трапові» цей метал описаний у давньоіндійській літературі. Латинська назва олова stannum походить від санскритського «ста», що означає «твердий».
Згадування про олово зустрічається й у Гомера. Майже за десять століть до нової ери фінікійці доставляли олов'яну руду з Британських островів, що називалися тоді Касситеридами. Звідси назва каситериту - найважливішого з мінералів олова; складу його SnO 2. Інший важливий мінерал - станнін, або олов'яний колчедан, Cu 2 FeSnS 4. Інші 14 мінералів елементу № 50 зустрічаються набагато рідше і промислового значення не мають. Між іншим, наші предки мали у своєму розпорядженні багатші олов'яні руди, ніж ми. Можна було виплавляти метал безпосередньо з руд, що знаходяться на поверхні Землі і збагачених у ході природних процесів вивітрювання і вимивання. У наш час таких руд уже немає. У сучасних умовах процес одержання олова багатоступінчастий і трудомісткий. Руди, з яких виплавляють олово тепер, складні за складом, окрім елемента № 50 (у виді окислу або сульфіду) у них звичайно присутні кремній, залізо, свинець, мідь, цинк, миш'як, алюміній, кальцій, вольфрам та інші елементи. Нинішні олов'яні руди рідко містять більше 1% Sn, а розсипи - і того менше: 0,01 ... 0,02% Sn. Це означає, що для одержання кілограму олова необхідно добути і переробити щонайменше центнер руди.
Як одержують олово з руд
Виробництво елементу № 50 з руд і розсипів завжди починається зі збагачення. Методи збагачення олов'яних руд досить різноманітні. Застосовують, зокрема, гравітаційний метод, заснований на розходженні густини основного і супутнього мінералів. При цьому не можна забувати, що супутні далеко не завжди бувають порожньою породою. Часто вони містять коштовні метали, наприклад вольфрам, титан, лантаноїди. У таких випадках з олов'яної руди намагаються витягти усі цінні компоненти.Сполука отриманого олов'яного концентрату залежить від сировини, і ще від того, яким способом цей концентрат одержували. Вміст олова в ньому коливається від 40 до 70%. Концентрат направляють у печі для випалу (при 600 ... 700 ° C), де з нього віддаляються відносно леткі домішки миш'яку та сірки. А велику частину заліза, сурми, вісмуту і деяких інших металів уже після випалу виділяють соляною кислотою. Після того як це зроблено, залишається відокремити олово від кисню і кремнію. Тому остання стадія виробництва чорнового олова - плавка з вугіллям і флюсами у відбивних або електричних печах. З фізико-хімічної точки зору цей процес аналогічний доменному: вуглець «віднімає» в олова кисень, а флюси перетворюють двоокис кремнію в легкий у порівнянні з металом шлак.
У чорновому олові домішок ще досить багато: 5 ... 8%. Щоб одержати метал сортових марок (96,5 ... 99,9% Sn), використовують вогневе або рідше електролітичне рафінування. А потрібне напівпровідниковій промисловості олово чистотою майже шість дев'яток - 99,99985% Sn - одержують переважно методом зонної плавки.
Ще одне джерело
Для того щоб одержати кілограм олова, не обов'язково переробляти центнер руди. Можна вчинити інакше: «обдерти» 2000 старих консервних банок.Всього лише півграма олова приходиться на кожну банку. Але помножені на масштаби виробництва ці півграми перетворюються в десятки тонн ... Частка «вторинного» олова в промисловості капіталістичних країн становить приблизно третину загального виробництва. У нашій країні працюють десятки промислових установок по регенерації олова.
Як же знімають олово з білої жерсті? Механічними способами зробити це майже неможливо, тому використовують розходження в хімічних властивостях заліза й олова. Найчастіше жерсть обробляють газоподібним хлором. Залізо під час відсутності вологи з ним не реагує. Олово ж з'єднується з хлором дуже легко. Утворюється паруюча рідина - хлорне олово SnCl 4, що застосовують у хімічній і текстильній промисловості або відправляють у електролізер, щоб одержати там з нього металічне олово. І знову почнеться «круговерть»: цим оловом покриють сталеві аркуші, одержать білу жерсть. З неї зроблять банки, банки заповнять їжею й закриють. Потім їх розкриють, консерви з'їдять, банки викинуть. А потім вони (не всі, на жаль) знову потраплять на заводи «вторинного» олова.
Інші елементи роблять круговорот у природі за участю рослин, мікроорганізмів і т. д. Круговорот олова - справа рук людських.
Олово у сплавах
На консервні банки йде приблизно половина світового виробництва олова. Інша половина - у металургію, для одержання різних сплавів. Ми не будемо докладно розповідати про найвідоміший зі сплавів олова - бронзу, адресуючи читачів до статті про мідь - інший найважливіший компонент бронзи. Це тим більше виправдано, що є безолов'яні бронзи, але немає «безмідних». Одна з головних причин створення безолов'яних бронз - дефіцитність елементу № 50. Проте бронза, що містить олово, як і раніше залишається важливим матеріалом і для машинобудування, і для мистецтва.Техніка бідує й в інших олов'яних сплавах. Їх, щоправда, майже не застосовують як конструкційні матеріали: вони недостатньо міцні і занадто дороги. Зате в них є інші властивості, що дозволяють вирішувати важливі технічні задачі при порівняно невеликих витратах матеріалу.
Найчастіше олов'яні сплави застосовують як антифрикційні матеріали або припої. Перші дозволяють зберігати машини й механізми, зменшуючи втрати на тертя; другі з'єднують металеві деталі.
З усіх антифрикційних сплавів найкращими властивості мають олов'яні бабіти, у складі яких до 90% олова. М'які і легкоплавкі свинцевоолов'яні припої добре змочують поверхню більшості металів, мають високу пластичність. Однак область їхнього застосування обмежується через недостатню механічну міцність самих припоїв.
Олово входить також до складу типографського сплаву гарту. Нарешті, сплави на основі олова дуже потрібні електротехніці. Найважливіший матеріал для електроконденсаторів - станіоль; це майже чисте олово, перетворене в тонкі аркуші (частка інших металів у станіолі не перевищує 5%).
Між іншим, багато сплавів олова - справжні хімічні сполуки елемента № 50 з іншими металами. Сплавляючись, олово взаємодіє з кальцієм, магнієм, цирконієм, титаном, багатьма рідкоземельними елементами. Утворюються при цьому, відрізняються досить великою тугоплавкістю. Так, станід цирконію Zr 3 Sn 2 плавиться лише при 1985 ° C. І «винна» тут не тільки тугоплавкість цирконію, але і характер сплаву, хімічний зв'язок між утворюючими його речовинами. Або інший приклад. Магній до числа тугоплавких металів не віднесеш, 651 ° C - далеко не рекордна температура плавлення. Олово плавиться при ще більш низькій температурі - 232 ° C. А їхній сплав - сполука Mg 2 Sn - має температуру плавлення 778 ° C.
Той факт, що елемент № 50 утворює досить численні сплави такого роду, змушує критично поставитися до твердження, що лише 7% виробленого у світі олова витрачається у вигляді хімічних сполук («Коротка хімічна енциклопедія», т. 3, с. 739). Мабуть, мова тут йде тільки про сполуки з неметалами.
Сполуки з неметалами
З цих речовин найбільше значення мають хлориди. У тетрахлориді олова SnCl 4 розчиняються йод, фосфор, сірка, багато органічних речовин. Тому і використовують його головним чином як досить специфічний розчинник. Дихлорид олова SnCl 2 застосовують як протравлення при фарбуванні і як відновник при синтезі органічних барвників. Ті ж функції в текстильному виробництві ще в однієї сполуки елемента № 50 - станату натрію Na 2 SnO 3. Крім того, з його допомогою збільшують масу шовку.Промисловість обмежено використовує й окисли олова. SnO застосовують для одержання рубінового скла, a SnO 2 - білої глазурі. Золотисто-жовті кристали дисульфіду олова SnS 2 нерідко називають сухозлітним золотом, яким «золотять» дерево, гіпс. Це, якщо можна так виразитися, «найантисучасніше» застосування сполук олова. А найсучасніше?
Якщо мати на увазі тільки сполуки олова, то це застосування станату барію BaSnO 3 у радіотехніку як чудовий діелектрик. А один з ізотопів олова, 119 Sn, зіграв помітну роль при вивченні ефекту Мессбауера - явища, завдяки якому був створений новий метод дослідження - гамма-резонансна спектроскопія. І це не єдиний випадок, коли древній метал послужив службу сучасній науці.
На прикладі сірого олова - однієї з модифікацій елемента № 50 - був виявлений зв'язок між властивостями і хімічною природою напівпровідникового матеріалу. І це, мабуть, єдине, за що сіре олово можна пом'янути добрим словом: шкоди воно принесло більше, ніж користі. Ми ще повернемося до цього різновиду елемента № 50 після розповіді про ще одну велику і важливу групу сполук олова.
Про оловоорганіки
Елементоорганічних сполук, до складу яких входить олово, відомо безліч. Перше з них отримано ще в 1852 р.Спочатку речовини цього класу одержували лише одним способом - в обмінній реакції між неорганічними сполуками олова і реактивами Гриньяра. Ось приклад такої реакції:
SnCl 4 + 4RMgX → SnR 4 + 4MgXCl
(R тут - вуглеводневий радикал, X - галоген).
Сполуки складу SnR 4 широкого практичного застосування не знайшли. Але саме з них отримано інші оловоорганические речовини, користь яких безсумнівна.
Вперше інтерес до оловоорганіки виник у роки першої світової війни. Майже всі органічні сполуки олова, отримані на той час, були токсичні. Як отруйні речовини ці сполуки не були використані, їх токсичністю для комах, цвілевих грибків, шкідливих мікробів скористалися пізніше. На основі ацетату трифенілолова (C 6 H 5) 3 SnOOCCH 3 був створений ефективний препарат для боротьби з грибковими захворюваннями картоплі та цукрового буряка. У цього препарату виявилася ще одна корисна властивість: він стимулював ріст і розвиток рослин.
Для боротьби з грибками, що розвиваються в апаратах целюлозно-паперової промисловості, застосовують іншу речовину - гідроокис трибутилолова (С 4 Н 9) 3 SnOH. Це набагато підвищує продуктивність апаратури.
Багато «професій» у ділауріната дібутілолова (C 4 H 9) 2 Sn (OCOC 11 H 23) 2. Його використовують у ветеринарній практиці як засіб проти гельмінтів (глистів). Ця ж речовина широко застосовується у хімічній промисловості як стабілізатор полівінілхлориду й інших полімерних матеріалів і як каталізатор. Швидкість реакції утворення уретанів (мономери поліуретанових каучуків) у присутності такого каталізатора зростає в 37 тис. разів. На основі оловоорганічних сполук створені ефективні інсектициди; оловоорганические скло надійно захищає від рентгенівського опромінення, полімерними свинець-та оловоорганічними фарбами покривають підводні частини кораблів, щоб на них не наростали молюски.
Усе це сполуки чотирьохвалентного олова. Обмежені рамки статті не дозволяють розповісти про багато інших корисних речовин цього класу. Органічні сполуки двовалентного олова, напроти, нечисленні і практичне застосування поки майже не знаходять.
Про сіре олово
Морозної Взимку 1916 р. партія олова була відправлена по залізниці з Далекого Сходу в європейську частину Росії. Але на місце прибули не сріблясто-білі зливки, а переважно дрібний сірий порошок.За чотири роки до цього відбулася катастрофа з експедицією полярного дослідника Роберта Скотта. Експедиція, що направлялася до Південного полюса, залишилася без палива: воно витекло з залізних судин крізь шви, пропаяні оловом.
Приблизно в ті ж роки до відомого російського хіміка В.В. Марковникова звернулися з інтендантства з проханням пояснити, що відбувається з лудженими чайниками, якими постачали російську армію. Чайник, що принесли в лабораторію як наочний приклад, був покритий сірими плямами і наростами, що обсипалися навіть при легкому постукуванні рукою. Аналіз показав, що і пил, і нарости складалися тільки з олова, без яких би то не було домішок.
Що ж відбувалося з металом у всіх цих випадках?
Як і багато інших елементів, олово має трохи алотропічних модифікацій, кілька станів. (Слово «алотропія» перекладається з грецької як «інша властивість», «інший поворот».) При нормальній плюсовій температурі олово виглядає так, що ніхто не може засумніватися в приналежності його до класу металів.
Білий метал, пластичний, ковкий. Кристали білого олова (його називають ще бета-оловом) тетрагональні. Довжина ребер елементарних кристалічних грат - 5,82 і 3,18 Ǻ. Але при температурі нижче 13,2 ° C «нормальний» стан олова інший. Ледь досягають цей температурний поріг, у кристалічній структурі олов'яного зливка починається перебудова. Біле олово перетворюється в порошкоподібне сіре, або альфа-олово, і чим нижче температура, тим більше швидкість цього перетворення. Максимуму вона досягає при мінус 39 ° C.
Кристали сірого олова кубічної конфігурації; розміри їхніх елементарних осередків більше - довжина ребра 6,49 Ǻ. Тому густина сірого олова помітно менша, ніж білого: 5,76 і 7,3 г / см 3 відповідно.
Результат перетворення білого олова в сіре іноді називають «олов'яною чумою». Плями і нарости на армійських чайниках, вагони з олов'яним пилом, шви, що стали проникними для рідини - наслідки цієї «хвороби». Чому зараз не трапляються подібні історії? Тільки по одній причині: олов'яну чуму навчилися «лікувати». З'ясована її фізико-хімічна природа, встановлено, як впливають на сприйнятливість металу до «чуми» ті або інші добавки. Виявилося, що алюміній і цинк сприяють цьому процесу, а вісмут, свинець і сурма, навпаки, протидіють йому.
Крім білого і сірого олова, виявлена ще одна Аллотропических модифікація елементу № 50 - гамма-олово, стійке при температурі вище 161 ° C. Відмітна риса такого олова - крихкість. Як і всі метали, зі зростанням температури олово стає пластічнєє, але тільки при температурі нижче 161 ° C. Потім воно повністю втрачає пластичність, перетворюючись в гамма-олово, і стає настільки крихким, що його можна стовкти в порошок.
Ще раз про дефіцит
Часто статті про елементи закінчуються міркуваннями автора про майбутнє свого «героя». Як правило, малюється воно в рожевому світлі. Автор статті про олово позбавлений цієї можливості: майбутнє олова - металу, безсумнівно, дуже корисного - неясно. Неясно тільки по одній причині.Кілька років тому американське Гірське бюро опублікувало розрахунки, з яких випливало, що розвіданих запасів елемента № 50 вистачить світові якнайбільше на 35 років.
Правда, уже після цього було знайдено кілька нових родовищ, у тому числі найбільше в Європі, розташоване на території Польської Народної Республіки. І проте дефіцит олова продовжує тривожити фахівців.
Тому, закінчуючи розповідь про елемент № 50, ми хочемо ще раз нагадати про необхідність заощаджувати і берегти олово.
Недостача цього металу хвилювала навіть класиків літератури. Пам'ятаєте в Андерсена? «Двадцять чотири солдатики були зовсім однакові, а двадцять п'ятий солдатик був одноногий.
Його відливали останнім, і олова небагато не вистачило ». Тепер олова не вистачає не небагато. Недарма навіть двоногі олов'яні солдатики стали рідкістю - частіше зустрічаються пластмасові. Але при всій повазі до полімерів замінити олово вони можуть далеко не завжди.
Ізотопи
Олово - один з найбільш «багатоізотопних» елементів: природне олово складається з десяти ізотопів з масовими числами 112, 114 ... 120, 122 і 124. Найпоширеніший з них 120 Sn, на його частку доводиться близько 33% усього земного олова. Майже в 100 разів менше олова-115 - найрідкіснішого ізотопу елемента № 50. Ще 15 ізотопів олова з масовими числами 108 ... 111, 113, 121, 123, 125 ... 132 отримані штучно. Час життя цих ізотопів далеко не однаковий. Так, олово-123 має період напіврозпаду 136 днів, а олово-132 всьго 2,2 хвилини.Чому бронзу назвали бронзою?
Слово «бронза» майже однаково звучить на багатьох європейських мовах. Його походження пов'язують з назвою невеликого італійського порту на березі Адріатичного моря - Бріндізі. Саме через цей порт доставляли бронзу до Європи в старовину, і в Давньому Римі цей сплав називали «ес бриндиси» - мідь із Бріндізі.На честь винахідника
Латинське слово frictio означає «тертя». Звідси назва антифрикційних матеріалів, тобто матеріалів «проти тертя». Вони мало стираються, відрізняються м'якістю і тягучість. Головне їхнє застосування - виготовлення підшипникових вкладишів. Перший антифрикційний сплав на основі олова і свинцю запропонував у 1839 р. інженер Бабіт. Звідси назва великої і дуже важливої групи антифрикційних сплавів - бабітів.