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.

Олово — один из самых изученных человеком металлов. Оно было открыто еще в доисторические времена. Уже древний человек знал, какова температура плавления олова, физико-химические свойства этого металла и диапазон его применения в повседневной жизни. Сплав олова и меди является первым опытом человека в металлургии, первым искусственным металлическим соединением, созданным руками человека.

Олово в природе

Важнейшие природные соединения – это касситерит, в который входит оксид олова, и станнин (оловянный колчедан). В древности этот металл добывали в открытых шахтах, но в современном мире открытых месторождений олова практически не осталось. В промышленных масштабах его выплавляют из руд, содержащих около 1 % этого вещества. Таким образом, чтобы получить 1 кг чистого олова, нужно переработать центнер руды.

Использование олова

Одно из наиболее известных применений олова – пайка. Невысокая температура плавления позволяет паять в домашних условиях. Для пайки этот металл продается в виде небольших прутков диаметром до 10 мм.

Достаточно часто предлагаются сплавы с различными добавками – со свинцом, серебром, медью, индием и другими. Температура плавления олова и свинца ниже, чем чистого олова, поэтому процесс пайки проходит быстрее.

Благодаря физическим характеристикам этот металл можно хранить в нормальных условиях в жидком виде. Низкая температура плавления олова позволяет запаивать металлическую жидкость в стеклянные ампулы для лабораторных или других исследований.

Плавка олова

Олово достаточно легко расплавить в больших количествах и отлить в форму из графита или любого другого материала. Средняя температура плавления олова не превышает 240°C. Основные требования к материалу для форм заключаются в следующем:

  • вещество не должно смачиваться жидким оловом;
  • материал должен выдерживать температуру в 250°C, не разрушаясь и не меняя своей формы.

Расплавленный металл способен окисляться на открытом воздухе, а твердое вещество довольно устойчиво к кислородной коррозии. Иногда это свойство используется для нанесения металлического слоя на жестяные изделия. Но в отличие от цинкового напыления, оловянное не придает изделию электрохимическую защиту – в случае царапины коррозия быстрее разъест поверхность с оловянным покрытием, а не с цинковым.

Олово для пайки

Температура плавления зависит от количества и состава примесей в прутке. О том, какая температура плавления олова, можно узнать из таблицы наиболее распространенных сплавов.

В электротехнике хорошо зарекомендовали себя трехкомпонентные сплавы на основе свинца, серебра и олова. Процентное соотношение примесей в припое различно: стандарты по добавкам до сих пор не выработаны. Все производители сходятся в одном – содержание олова в сплаве не должно быть меньше 95 %. Температура плавления припоя олова в этой композиции колеблется в диапазоне 217-221° C.

Для улучшения характеристик припоя в него вводят небольшое количество сурьмы. Данная композиция применяется для пайки радиодеталей в наиболее ответственных участках.

Хорошо зарекомендовали себя сплавы с содержанием серебра. Наличие этого благородного металла улучшает технические характеристики готового изделия и повышает срок его эксплуатации. Сплавы с большим содержанием серебра применяются в различных средствах связи и в промышленной технике.

Цинкосодержащие сплавы не слишком хорошо распространены. Причиной такой нелюбви является повышенная химическая активность цинка. Из-за его взаимодействия с окружающей средой цинкосодержащие соединения довольно быстро разрушаются, к тому же при работе с ними необходимо использовать активные флюсы. Припойные пасты с содержанием этой добавки не предназначены для длительного хранения. Температура плавления олова для пайки с содержанием цинка достаточно высока. Например, известное соединение Sn91Zn9 плавится при температуре 200°C.

Олово и свинец

Как и олово, свинец в виде сплавов и добавок используется человеком с незапамятных времен. Этот недорогой и распространенный металл обладает свойствами, повышающими качество припоя и его эксплуатационные характеристики.

Припои, в состав которых входит свинец, называются свинцовосодержащими. Соединения свинца очень вредны для здоровья, поэтому применение соединений этого металла весьма ограничено. В прошлом широкое распространение свинцовых припоев было обусловлено хорошими эксплуатационными характеристиками сплава и его низкой температурой обработки. Температура плавления олова и свинца не превышает 190°C. Несмотря на строгие ограничения, припои со свинцом широко используются в отдельных отраслях промышленности, например в оборонном производстве и в секторе ядерной энергетики.

Использование чистого олова

Полупроводниковая промышленность использует припои с высоким содержанием чистого олова, в котором на один атом стороннего металла припадает 999999 атомов чистого металла. Температура плавления олова в чистом виде 240°С. Но в бытовых условиях такие припои не пользуются спросом: дело в том, что при понижении температуры этот металл преобразует свою структуру, на поверхности изделия появляются серые пятна –так называемая оловянная чума. Добавки различных компонентов изменяют эту температуру и придают оловянным сплавам большую устойчивость.

Одним из наиболее распространенных металлов во всем мире можно назвать олово. Оно использовалось кузнецами на протяжении многих столетий для изготовления самых различных вещей. Еще до появления металлургической промышленности кузнецы знали, при какой температуре плавится олово, какими физико-химическими свойствами оно обладает. Важным моментом является то, что сплав олова и меди можно считать первым проявлением развития металлургии как отдельной отрасли. Первое искусственное соединение, созданное человеком, во многом зависело от достаточно низкой температуры плавления соединяемых металлов.

Получение и применение

В чистом виде рассматриваемый элемент не встречается. Он входит в состав касситерита в виде оксида. Много столетий назад этот металл добывался в открытых шахтах, но сегодня подобные месторождения практически не разрабатываются. Для получения олова проводится очистка руды. Концентрация элемента составляет 1%. Для получения 1 килограмма рассматриваемого металла приходится перерабатывать около центнера руды.

Температура плавления свинца и олова относительно невысокая, что определяет возможность использования этих материалов в домашних условиях на момент проведения пайки. Продаются металлы в виде небольшого прутка.

Тот факт, что температура плавления олова и свинца примерно одинаковая, определяет смешивание этих элементов для получения сплава с более привлекательными эксплуатационными качествами. Кроме этого, в олово могут добавлять серебро, медь и другие элементы.

Проведение плавки металла

У олова температура плавления во многом зависит от того, есть ли примеси. Температура, при которой металл становится пластичным или жидким, может варьировать в пределе от 145 до 250 градусов Цельсия в зависимости от состава. При необходимости можно провести расплавку большого количества металла для его заливки по форме.

При выборе материала для создания формы учитываются нижеприведенные моменты:

  1. Структура не должна смачиваться жидким оловом. В противном случае форма может изменить свои размеры.
  2. Используемый материал должен выдерживать воздействие температуры не ниже 250 градусов Цельсия. В противном случае после заливки форма потеряет свои основные эксплуатационные качества.

Стоит учитывать, что в жидкой форме рассматриваемый металл может окисляться при контакте с воздухом. Твердое вещество, наоборот, обладает повышенной устойчивостью к кислородной коррозии.

Довольно большое распространение в электротехнике получил трехкомпонентный сплав, основой которого стал свинец. В качестве дополнительных компонентов могут использоваться олово и серебро. При производстве подобного сплава уделяется внимание тому, что концентрация металла не должна быть менее 95%. При подобном варианте сочетание веществ температура плавления составляет около 220 градусов Цельсия.

Изготовление припоя

Для того чтобы повысить эксплуатационные характеристики припоя, в его состав добавляется небольшое количество сурьмы. Подобный вариант исполнения припоя применяется для пайки различных радиодеталей, особенно ответственных участков.

При выборе припоя следует уделить внимание и сплаву с серебром в составе. Его эксплуатационными качествами можно назвать:

  1. Существенно повышается срок эксплуатации. За счет серебра структура становится более устойчивой к процессу окисления.
  2. За счет повышения концентрация серебра появляется возможность использовать припой при изготовлении различных деталей промышленной техники. Однако серебро существенно повышает стоимость сплава, а также изготавливаемого изделия. Именно поэтому сплавы с высокой концентрацией серебра используют для изготовления важных деталей.

Проводится добавление в состав цинка, но подобные сплавы пользуются меньшей популярностью. Это связано с достаточно высокой химической активностью цинка. За счет взаимодействия с окружающей средой подобный сплав быстро разрушается. На основе цинкосодержащей смеси производятся припайные пасты, которые имеют относительно небольшой срок службы. Температура плавления в этом случае составляет 200 градусов Цельсия.

На протяжении многих лет используется и чистое олово в качестве полупроводникового припоя. Температура плавления этого элемента в чистом виде составляет 240 градусов Цельсия. Применяются они исключительно в промышленности, что связано с высокой стоимостью. В чистом виде из-за существенного повышения температуры структура олова перестраивается, на поверхности появляются черные пятна, которые указывают на существенное ухудшение основных качеств.

Олово – один из первых металлов, известных человечеству с древних времен. С этим металлом с момента открытия его связано развитие человеческого общества.

Олово наряду с серебром, медью, золотом, ртутью, свинцом и железом получило известность уже в доисторические времена. Археологические раскопки и другие исторические находки говорят о том, что люди научились получать олово несколько тысячелетий назад. Из него уже в те времена изготавливали украшения и посуду, но металл был достаточно дорог. Упоминание о нем находят даже в первых экземплярах Ветхого Завета.

В наше время олово известно в чистом виде как серебристо-белый металл. Чаще всего оно встречается в виде окисного соединения (оловянного камня). Температура плавления олова среди металлов считается самой низкой, благодаря этому материал легко выплавляют из оловосодержащих руд. Олово — пластичный мягкий металл, хорошо обрабатывается (ковка, прокат, механическая обработка и пр.), имеет достаточно большой удельный вес и плотность. Он обладает низкой тепло- и электропроводностью, слабо подвержен атмосферному воздействию.

При низкой температуре металл не только меняет цвет, но и подвержен явлению «оловянной чумы». При этом происходит разрушение оловянных изделий. Так, в 2019 г. под воздействием русских морозов у французских солдат разрушились оловянные пуговицы. Учитывая, что температура плавления олова достаточно низкая, печи для выплавки его обычно просты по своей конструкции.

Олово – довольно редкий металл. Выплавляли его раньше из руды, которая находилась непосредственно в верхних слоях земной коры. В сегодняшних условиях таких ископаемых практически нет, поэтому технология получения олова довольно сложная и трудоемкая.

Все оловосодержащие россыпи и руды проходят процесс обогащения, затем концентрат направляют в обжиговые печи и только потом — в плавильное отделение. При нагревании металл начинает плавиться. Температура плавления олова находится в пределах 232 градусов. В ходе плавки, используя флюсы, шлаки и различные присадки, получают нужного сорта и качества материал.

Диапазон применения олова достаточно широкий, этот элемент широко используется в различных отраслях. По своей важности и полезности он стал стратегическим металлом, ведь он дает возможность образования сплавов с различными материалами, к тому же предельно легко обрабатывается. И, конечно, важную роль играет и низкая температура плавления олова.

Олово является нетоксичным, устойчивым против коррозии материалом. Иизобретенный в прошлом столетии способ изготовления белой жести (покрытие листового металла слоем олова) позволил изготавливать безопасную тару для консервации продуктов питания. Использование луженого железа сделало переворот в пищевой промышленности.

Способность к смачиванию других металлов и низкая температура плавления свинца и олова дала возможность изготавливать легкоплавкие сплавы (припои). Использование таких сплавов позволяет соединять разные конструктивные узлы и детали, иметь герметичный шов.

Способность олова исполнять роль защитного слоя используется в атомной промышленности. Кроме того, в современной стекольной промышленности его используют для полировки стекла. С этой целью из печи выливается жидкая масса стекла в емкость с расплавом олова. Температура затвердевания олова при медленном остывании начинается после перехода ее ниже точки плавления. Полученная смесь в виде ленты поступает вначале в обжиговую печь, а затем на участок раскроя.

Большим спросом во все времена пользуется сплав олова и меди — бронза.В старину до появления железа именно из нее изготавливали различные изделия вплоть до оружия. Когда люди узнали о прочностных и износостойких качествах бронзы, ее стали использовать для изготовления подшипников, работающих в сложных условиях с большой нагрузкой.

Сегодня трудно найти сферу деятельности человека, где бы ни применялось олово в чистом виде или в сплавах.