олово

О́ЛОВО -а; ср. Химический элемент (Sn), мягкий ковкий серебристо-белый металл (применяется для пайки, лужения, приготовления сплавов и т.п.).

* * *

о́лово

(лат. Stannum), Sn, химический элемент IV группы периодической системы. Серебристо-белый металл, мягкий и пластичный; t_пл 231,9°C. Полиморфно; так называемое белое олово (или β-Sn) с плотностью 7,28 г/см³ ниже 13,2°C переходит в серое олово (α-Sn) с плотностью 5,75 г/см³. На воздухе тускнеет, покрываясь плёнкой оксида, стойкой к химическим реагентам. Главные промышленные минералы — касситерит и станнин. Олово — компонент многих сплавов, например, подшипниковых (баббитов), типографских (гарт). Идёт на покрытие других металлов для защиты их от коррозии (лужение), на изготовление белой жести для консервных банок.

* * *

ОЛОВО

О́ЛОВО (лат. Stannum), Sn, химический элемент с атомным номером 50, атомная масса 118,710). Латинское «stannum» первоначально означало сплав серебра и свинца. «Оловом» в ряде славянских языков называли свинец. Химический символ олова Sn читается «станнум». Природное олово состоит из девяти стабильных нуклидов (см. НУКЛИД) с массовыми числами 112 (в смеси 0,96% по массе), 114 (0,66%), 115 (0,35%), 116 (14,30%), 117 (7,61%), 118 (24,03%), 119 (8,58%), 120 (32,85%), 122 (4,72%), и одного слабо радиоактивного олова-124 (5,94%). ¹²⁴Sn — бета-излучатель, его период полураспада очень велик и составляет T_1/2 = 10¹⁶–10¹⁷ лет. Олово расположено в пятом периоде в IVА группе периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Конфигурация внешнего электронного слоя 5s²5p². В своих соединениях олово проявляет степени окисления +2 и +4 (соответственно валентности II и IV).
Металлический радиус нейтрального атома олова 0,158 нм, радиусы иона Sn²⁺ 0,118 нм и иона Sn⁴⁺ 0,069 нм (координационное число 6). Энергии последовательной ионизации нейтрального атома олова равны 7,344 эВ, 14,632, 30,502, 40,73 и 721,3 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность олова 1,96, то есть олово находится на условной границе между металлами и неметаллами.
История открытия
Когда человек впервые познакомился с оловом точно сказать нельзя. Олово и его сплавы известны человечеству с древнейших времен. Упоминание об олове есть в ранних книгах Ветхого Завета. Сплавы олова с медью, так называемые оловянные бронзы (см. БРОНЗА), по-видимому, стали использоваться более чем за 4000 лет до нашей эры. А с самим металлическим оловом человек познакомился значительно позже, примерно около 800 года до нашей эры. Из чистого олова в древности изготовляли посуду и украшения, очень широко применяли изделия из бронзы.
Нахождение в природе
Олово — редкий рассеянный элемент, по распространенности в земной коре олово занимает 47-е место. Содержание олова в земной коре составляет, по разным данным, от 2·10^-4 до 8·10^–3% по массе. Основной минерал олова — касситерит (см. КАССИТЕРИТ) (оловянный камень) SnO₂, содержащий до 78,8 % олова. Гораздо реже в природе встречается станнин (см. СТАННИН) (оловянный колчедан) — Cu₂FeSnS₄ (27,5 % Sn).
Получение
Для добычи олова в настоящее время используют руды, в которых его содержание равно или немного выше 0,1%. На первом этапе руду обогащают (методом гравитационной флотации или магнитной сепарации). Таким образом удается повысить содержание олова в руде до 40—70%. Далее проводят обжиг концентрата в кислороде для удаления примесей серы и мышьяка. Затем полученный таким образом оксид SnO₂ восстанавливают углем или алюминием (цинком) в электропечах:
SnO₂ + C = Sn + CO₂. Особо чистое олово полупроводниковой чистоты готовят электрохимическим рафинированием или методом зонной плавки.
Физические и химические свойства
Простое вещество олово полиморфно. В обычных условиях оно существует в виде бета-модификации (белое олово), устойчивой выше 13,2°C. Белое олово — это серебристо-белый, мягкий, пластичный металл, обладающий тетрагональной элементарной ячейкой, параметры a=0.5831, c=0.3181 нм. Координационное окружение каждого атома олова в нем — октаэдр. Плотность бета-Sn 7,29 г/см³ . Температура плавления 231,9°C, температура кипения 2270°C.
При охлаждении, например, при морозе на улице, белое олово переходит в альфа-модификацию (серое олово). Серое олово имеет структуру алмаза (кубическая кристаллическая решетка с параметром а = 0,6491 нм). В сером олове координационный полиэдр каждого атома — тетраэдр, координационное число 4. Фазовый переход бета-Sn ® альфа-Sn сопровождается увеличением удельного объема на 25,6%, что приводит к рассыпанию олова в порошок. В старые времена наблюдавшееся во время сильных холодов рассыпание оловянных изделий называли «оловянной чумой». В результате этой «чумы» пуговицы на обмундировании солдат, их пряжки, кружки, ложки рассыпались, и армия могла потерять боеспособность.
Из-за сильного различия структур двух модификаций олова разнятся и их электрофизические свойства. Так, бета-Sn — металл, а альфа-Sn относится к числу полупроводников (см. ПОЛУПРОВОДНИКИ). Ниже 3,72 К альфа-Sn переходит в сверхпроводящее состояние. Стандартный электродный потенциал E°Sn²⁺/Sn равен –0.136 В, а E пары °Sn⁴⁺/Sn²⁺ 0.151 В. При комнатной температуре олово, подобно соседу по группе германию, (см. ГЕРМАНИЙ) устойчиво к воздействию воздуха или воды. Такая инертность объясняется образованием поверхностной пленки оксидов. Заметное окисление олова на воздухе начинается при температурах выше 150°C:
Sn + O₂ = SnO₂.
При нагревании олово реагирует с большинством неметаллов. При этом образуются соединения в степени окисления +4, которая более характерна для олова, чем +2. Например:
Sn + 2Cl₂ = SnCl₄
С концентрированной соляной кислотой олово медленно реагирует:
Sn + 4HCl = SnCl₄ + H₂
Возможно также образование хлороловянных кислот составов HSnCl₃, H₂SnCl₄ и других, например:
Sn + 3HCl = HSnCl₃ + 2H₂­
В разбавленной серной кислоте олово не растворяется, а с концентрированной реагирует очень медленно. Состав продукта реакции олова с азотной кислотой зависит от концентрации кислоты. В концентрированной азотной кислоте образуется оловянная кислота b-SnO₂·nH₂O (иногда ее формулу записывают как H₂SnO₃). При этом олово ведет себя как неметалл:
Sn + 4HNO_{3 конц.} = b-SnO₂·H₂OЇ + 4NO₂­ + H₂O
При взаимодействии с разбавленной азотной кислотой олово проявляет свойства металла. В результате реакции образуется соль нитрат олова(II):
3Sn + 8HNO_{3 разб.} = 3Sn(NO₃)₂ + 2NO­ + 4H₂O.
При нагревании олово, подобно свинцу, может реагировать с водными растворами щелочей. При этом выделяется водород и образуется гидроксокомплекс Sn(II), например:
Sn + 2KOH +2H₂O = K₂[Sn(OH)₄] + H₂­
Гидрид олова — станнан SnH₄ — можно получить по реакции:
SnCl₄ + Li[AlH₄] = SnH₄­ + LiCl + AlCl₃.
Этот гидрид весьма нестоек и медленно разлагается уже при температуре 0°C. Олову отвечают два оксида SnO₂ (образующийся при обезвоживании оловянных кислот) и SnO. Последний можно получить при слабом нагревании гидроксида олова(II) Sn(OH)₂ в вакууме:
Sn(OH)₂ = SnO + H₂O
При сильном нагреве оксид олова(II) диспропорционирует:
2SnO = Sn + SnO₂
При хранении на воздухе монооксид SnO постепенно окисляется:
2SnO + O₂ = 2SnO₂.
При гидролизе растворов солей олова(IV) образуется белый осадок — так называемая альфа-оловянная кислота:
SnCl₄ + 4NH₃ + 6H₂O = H₂[Sn(OH)₆] + 4NH₄Cl.
H₂[Sn(OH)₆] = -SnO₂·nH₂OЇ + 3H₂O.
Свежеполученная альфа-оловянная кислота растворяется в кислотах и щелочах:
a-SnO₂·nH₂O + KOH = K₂[Sn(OH)₆],
a-SnO₂·nH₂O + HNO₃ = Sn(NO₃)₄ + H₂O.
При хранении альфа-оловянная кислота стареет, теряет воду и переходит в бета-оловянную кислоту, которая отличается большей химической инертностью. Данное изменение свойств связывают с уменьшением числа активных HO–Sn группировок при стоянии и замене их на более инертные мостиковые –Sn–O–Sn– связи. При действии на раствор соли Sn(II) растворами сульфидов выпадает осадок сульфида олова(II):
Sn²⁺ + S^2– = SnS
Этот сульфид может быть легко окислен до SnS₂ раствором полисульфида аммония:
SnS + (NH₄)₂S₂ = SnS₂ + (NH₄)₂S
Образующийся дисульфид SnS₂ растворяется в растворе сульфида аммония (NH₄)₂S:
SnS₂ + (NH₄)₂S = (NH₄)₂SnS₃. Четырехвалентное олово образует обширный класс оловоорганических соединений, используемых в органическом синтезе, в качестве пестицидов и других.
Применение
Важное применение олова — лужение железа и получение белой жести, которая используется в консервной промышленности. Для этих целей расходуется около 33% всего добываемого олова. До 60% производимого олова используется в виде сплавов с медью, медью и цинком, медью и сурьмой (подшипниковый сплав, или баббит (см. БАББИТЫ)), с цинком (упаковочная фольга) и в виде оловянно-свинцовых и оловянно-цинковых припоев (см. ПРИПОЙ). Олово способно прокатываться в тонкую фольгу — станиоль (см. СТАНИОЛЬ), такая фольга находит применение при производстве конденсаторов, органных труб, посуды, художественных изделий. Олово применяют для нанесения защитных покрытий на железо и другие металлы, а также на металлические изделия (лужение). Дисульфид олова SnS₂ применяют в составе красок, имитирующих позолоту («сусальное золото»). Искусственный радионуклид олова ¹¹⁹Sn — источник гамма-излучения в мессбауэровской спектроскопии.
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. Олово представляет опасность для человека в виде паров и различных аэрозольных частиц, пыли. При воздействии паров или пыли олова может развиться станноз — поражение легких. 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.