какое следствие вызывает полиморфизм олова при снижении температуры

Основные физические свойства олова

Олово — металл, служивший человеку с незапамятных времен. Физические свойства олова обеспечили его основополагающую роль в истории человечества. Без него невозможно существование бронзы, остававшейся на протяжении многих веков единственным сплавом, из которого человек изготовлял практически все — от орудий труда до ювелирных украшений.

Физические свойства олова

При нормальном давлении и температуре 20°C олово идентифицируется как металл с блеском бело-серебристого цвета. Медленно тускнеет на воздухе вследствие образования оксидной пленки.

Для олова, как и для всех металлов, характерна непрозрачность. Свободные электроны металлической кристаллической решетки заполняют межатомное пространство и отражают световые лучи, не пропуская их. Поэтому находясь в кристаллическом состоянии, металл имеет характерный блеск, а в порошкообразном виде этот блеск утрачивает.

Обладает отличной ковкостью, т. е. легко подвергается обработке с помощью давления. Ковкость олову придает его высокая пластичность в сочетании с низким сопротивлением деформации. Пластичность металла позволяет раскатать его в тонкую фольгу, называемую станиолем или оловянной бумагой. Ее толщина колеблется от 0,008 до 0,12 мм. Ранее станиоль находил применение в качестве подложки при изготовлении зеркал и в электротехнике при производстве конденсаторов, пока не был полностью вытеснен алюминиевой фольгой.

У олова свойства достаточно мягкого металла. Его твердость по шкале Бринелля составляет 3,9–4,2 кгс/мм².

Относится к легкоплавким металлам. Температура плавления олова – 231,9°C – способствует быстрому извлечению его из руды. Олово просто сплавляется с другими металлами, что обеспечивает его обширное применение в промышленности.

Плотность при температуре 20°C составляет 7,29 г/см³. По этому показателю олово в 2,7 раза тяжелее алюминия, но легче серебра, золота, платины и приближено к плотности железа (7,87 г/см³).

Металл закипает при высокой температуре, равной 2620°C, долго оставаясь жидким в расплаве.

Химически чистое олово при обычной температуре обладает незначительной прочностью. При растяжении предел механической прочности составляет всего 1,7 кгс/мм², а относительное удлинение – 80–90%. Эти характеристики говорят о том, что деформировать оловянный прут можно без особых усилий в разных направлениях. При этом смещение слоев кристаллической решетки металла относительно друг друга сопровождается специфичным треском.

Полиморфизм олова

Полиморфизм (аллотропия) — физическое явление, основанное на перестроении атомов или молекул веществ в твердом состоянии, что влечет за собой изменение их свойств. Каждая полиморфная модификация устойчиво существует только в строго определенном интервале значений температур и давлений.

Любой металл обладает специфической кристаллической решеткой. При изменении внешних физических условий кристаллическая решетка может меняться. Полиморфизм металлов используют при их термической обработке в промышленности.

Химические свойства олова определяются его положением в периодической системе элементов Д. И. Менделеева и предусматривают амфотерность, т. е. способность проявлять как основные, так и кислотные свойства. Напрямую зависят от полиморфизма олова физические свойства.

Для металла известны три аллотропные модификации: альфа, бета и гамма. Полиморфная перестройка кристаллических решеток возможна вследствие изменения симметрии электронных оболочек атомов под воздействием разных температур.

Особенности полиморфного перехода β→α

Процесс перехода из одной полиморфной модификации в другую происходит при изменении температуры. При этом наблюдают скачкообразные изменения физико-химических свойств металла.

Выше температуры 161°С бета-олово обратимо превращается в хрупкую гамма-модификацию. Ниже температуры 13°С бета-модификация необратимо переходит в порошкообразное серое олово. Данный полиморфный переход совершается с очень малой скоростью, но стоит только на бета-олово попасть крупинкам альфа-модификации, как плотный металл рассыпается в пыль. Поэтому полиморфный переход β→α иногда называют «оловянной чумой». Обратно альфа-модификация переводится в бета-модификацию только путем переплавки.

Фазовый переход β→α значительно ускоряется при минусовых температурах окружающей среды и сопровождается увеличением удельного объема металла примерно на 25%, что приводит к его рассыпанию в порошок.

В истории есть случаи, когда оловянные изделия на морозе становились серым порошком, обескураживая своих хозяев. «Оловянная чума» встречается редко и характерна лишь для химически чистого вещества. При наличии даже мельчайших примесей переход металла в порошок сильно замедляется.

Интересно предположение некоторых историков, что победу российскому императору Александру I над французской армией под командованием Наполеона Бонапарта помогла одержать «оловянная чума». При сильных морозах пуговицы на шинелях французов просто рассыпались в прах, и солдаты, замерзая, потеряли боеспособность.

Заключение

Олово обладает всеми типичными физическими свойствами металлов, а его полиморфизм по-своему удивителен. Без уникальной тягучести и пластичности этого металла невозможно представить себе современную промышленность. Почти половина от мировой добычи олова используется для производства пищевой жести. Оставшаяся половина расходуется для изготовления сплавов и различных соединений, применяемых во всех хозяйственных отраслях.

Источник

Олово

Олово

Олово — химический элемент таблицы Менделеева под номером 14. Он относится к разряду легких цветных металлов. В твердом (естественном) состоянии он представляет собой вещество бело-серого цвета. Олово имеет небольшую массу, хорошо поддается пайке, плавлению, ковке и другим методам механической обработки. Оно может преобладать в различных аллотропических состояниях. Всего их четыре вида — α-Sn чаще всего встречается при температуре не более +13,2 градуса. β-олово получается если температурный показатель превышает +13,2 градуса. При высоких давлениях во внешней среде можно наблюдать образование y и γ-олова.

История

Характеристика и физические свойства олова

Олово наделено множественными свойствами и вступает в реакцию со многими металлами, неметаллами и другими элементами периодической таблицы Менделеева. Поэтому рассмотрим общие характеристики вещества:

Белое и серое олово: в чем различие?

Олово — это элемент, относящийся к классу полиморфических металлов. В быту многие сталкиваются с его бета-модификацией. Это белое олово со стойкостью к температурам от 14 и выше градусов по Цельсию. Внешне оно представляет собой пластичный и мягкий материал белого цвета. Его структура представлена в виде кристаллической решетки, построенной по типу тетрагональной сингонии. Его атомное строение обуславливается окружением октаэдров, что дает олову плотность до 7,2 г/куб. м. Если зажать кусок олова в тиски и прислушаться, можно наблюдать своеобразный хруст, исходящий от трущихся кристаллов.

При воздействии низкой температуры на белое олово, структура металла начинает меняться, постепенно переходя в альфа-версию, приобретая серый оттенок. Это обуславливается тем, что при падении температуры ниже 0 градусов, кристаллы формируют новую структуру, как у алмаза. При этом, увеличивается объем металла, и он постепенно начинает распадаться, пока окончательно не превратиться в оловянный порошок.

Переход с одной модификации в другую, обуславливается воздействием низкой температуры. В естественных условиях окружающей среды, этот переход проходит немного быстрее, а максимально быстрый распад достигается при температуре — 33 градуса. Однако образование порошкообразного вещества может происходить не только под влиянием низких температур. Ионное излучение также может вызвать распад металла и его переход в состояние порошка. Существует возможность изменить структуру олова до гелиевого состояния, если достичь необходимого охлаждения в определенных условиях.

Электрофизические характеристики олова обуславливаются его структурой, поэтому каждой модификации присущи свои показатели. Например, бета-олово считается металлом, а версия альфа является полупроводником, который используется при пайке. При воздействии внешних факторов, альфа-олово (ниже 3,72 К) преобразуется в модификацию сверхпроводника. При этом атомы кристаллической решетки бета-модификации образуют s2p2, а форма альфа обращается в состояние sp3. При воздействии магнитного поля олово может проявлять себя по-разному. В одном случае оно парамагнитно, но при определенных обстоятельствам может стать диамагнитным.

Если представить, что различные модификации будут взаимодействовать между собой, то бета-олово может быстро трансформироваться в альфа-олово. Это происходит потому, что структура олова не постоянна. Такой процесс перехода можно сравнить с заражением. Такое поведение металла было замечено еще в 1870 году, и названо уже в 1911 году «оловянной чумой».

В ходе экспериментов и химических опытов было установлено, что заражение можно предотвратить и даже остановить. Для этого необходимо использовать химический элемент — висмут. Ученые даже нашли способ, чтобы ускорить процесс перехода с бета до альфа-версии. Этому способствует химическая реакция олова с хлор станнатом аммония.

Залежи олова

Олово способно локализоваться, как в открытых источниках, так и глубоко под землей. По наблюдениям ученых, процент содержания зарегистрированных источников ничтожно мал. А вот в олово-рудных ресурсах объем минерала значительно увеличивается. В последнее время большую часть находят в воде. Это обуславливается разложением нестабильных минералов, в окисленных зонах.

Олово как природный минерал

В природе олово встречается очень редко. Если сравнить его распространенность с другими металлами, то в этой категории оно занимает 47 место по всей земле. Запасы элемента в земном массиве варьируются в пределах от 2*10-4 до 8*10-3 %, без учета ресурсов в океанских и морских глубинах. Преобладающим минералом, из которого получают олово, считается касситерит. Он содержит в себе порядка 79% металла.

Первые месторождения олова

Самые большие запасы олова находятся в южных континентах — Китае и Японии. Помимо этого, немалые залежи оловянной руды найдены в Южной Америке. Россия также является месторождением данного минерала.

Кислотно-щелочные свойства

Учитывая, что олово является амфотерным веществом, то помимо основных свойств, оно может проявлять кислотные и щелочные характеристики. Благодаря им, появляется вероятность выявления олова во внешней среде. Элемент по некоторым свойствам похож на кварц, что дает возможность определять связь минерала как оксид с соединениями кислот. Большое содержание олова в ископаемых источниках может формировать кварцево-касситеритовые руды. Его щелочные свойства можно заметить в различных сульфитах.

Преобладающие формы

Олово часто встречается в составе горных образований, наполняющих земную кору. Реже его можно встретить в результате образования вулканических пород и других минеральных соединений. Самые большие запасы элемента преобладают в окисной форме.

Олово при низких температурах

Оловянная чума стала причиной трагических событий 1912, во время экспедиции Скотта на Южный полюс. Его путешествие закончилось преждевременно, а виной тому стали оловянные крышки на бачках с горючим. Находясь в холодных климатических условиях, температура достигла той отметки, когда олово преобразовалось в порошок, и все топливные запасы были потеряны.

Изотопы

Олово имеет постоянное количество нуклидов. Количество протонов у него приравнивается к 50-ти. Они равномерно насыщают зону вокруг ядра, что прибавляет больше энергетики. Поэтому, их число считают магическим, а сам элемент располагает максимальным объемом неизменных изотопов, по сравнению с другими элементами. В металле содержаться два изотопа, которые при выпадении из бета-олова становятся радиоактивными.

Твердые минеральные источники

В условиях внешней среды олово может преобладать в трех основных видах:

Рассеянный класс. Неопределенность названия говорит о том, что неизвестно в какой конкретной форме находится элемент. Обычно олово наблюдается в изоморфной рассеянной форме вместе с другими сопутствующими веществами. К ним относятся вольфрам, ниобий и тантал, которые образуют кислотные соединения. Цезий, Таллий и Ванадий способствуют формированию кислых и сульфидных связей. Если олово преобладает в обычном состоянии, то реагенты замещаются в различном изоморфном порядке.

Минеральный тип. Данный тип обуславливает наличием олова в различных минералах. Чаще всего ими являются гранаты, магнетиты, турмалины и другие образования. Обычно их взаимодействие влияет только на преобразование химического состава элемента, не нарушая его структуру. Максимальной накаляемостью в оловоносных минералах наблюдается соединение с гранатами, эпитодами и другими минералами.

Источники сульфидов содержат высокий процент олова как изоморфного компонента. В приморском регионе России найдены новые месторождения сфалеритов, халькопиритов, пиритов и других минералов. Учитывая ограничение изоморфных структур, то при этом случается разложение образца с выпадением филлита.

Формирование и виды осадочных пород

Как природный материал, олово может встречаться не только в различных минералах, породных образованиях, но и других источниках в виде различных соединений.

Природные соединения и сплавы олова

Олово способно формироваться в совокупности с иными химическими веществами в геологических условиях, которые можно классифицировать следующим образом:

Образование руд происходят по сей день. Причиной вполне могут служить океанические осадки с Тихого океана, гидротермальной камчатской зоны или продукты выбросов Тол Бачинского вулкана.

Эффузивные или интрузивные магматические залежи траппов и пикритов на сибирской площадке, а также габброиды, гипербазит и магматические породы, локализующиеся на Камчатке.

Преобразование пород при гидротермическом и метасоматическом влиянии. К таковым стоит отнести золотоносные или медно-никелиевые залегания на территории России и Узбекистана.

Касситерит

Наиболее встречающимся оловянным ресурсом считается касситерит (SnO2). Он представлен в виде окисного соединения олова с кислородом. Учитывая, что этот образец является наиболее встречающимся минералом, содержащим большой процент олова, то первым делом нужно обращать внимание на его структуру. Если детально осмотреть образец породы, то можно наблюдать отдельные кристаллы олова. Они могут достигать до 3-4 мм в диаметре, а в некоторых случаях и больше.

Гидроокисные оловянные источники

На основе достоверной информации, подобные источники белого или серого металла занимают не лидирующие позиции. Они представлены в форме солей поли оловянных кислот. К таким можно отнести варламовит, сукулаит или отвердевшую примесь олова в магнетите. Чаще всего это полу аморфные соединения элемента. Помимо этого, олово содержится в оксидных соединениях — CuSn(OH)6, 3SnO·H2O и других оксидах.

Силикаты

Еще одним распространенным минералом, содержащим олово, является малахит. Он принадлежит к классу силикатов, которые способны формировать огромные залежи металла.

Шпинелиды

Шпинелиды являются еще одним источником окисных соединений, которые содержат оловянные примеси. Основным веществом считается нигерит.

Сульфидные соединения олова

Данный класс обуславливается соединением олова с серными породами. В производственной сфере они занимают вторую позицию. Основным материалом добычи олова является станнин. Помимо этого, к этой группе можно отнести и другие соединение на основе цветных металлов: Cu, Pb или Ag. Такие руды могут содержать различный процент олова, в зависимости от климатических условий.

Минерал Станнин

Оловянный колчедан — это второе название данного минерала, относящегося к сульфидному классу. Он является самым распределенным источником олова, залегающим на территории России. Процентное содержания искомого металла составляет от 10 до 40%. При увеличении этой доли можно наблюдать признаки разложения станина, сопровождающиеся выделением касситерита.

Коллоидная форма олова

С геохимической точки зрения, олово является сложным элементом, поэтому изучено оно не до конца. В природе можно наблюдать олово-кремнистые соединения, относящиеся к группе коллоидов. В основном, олово образуется в результате изменения структуры кристаллической решетки многих соединений и элементов. Благодаря этому и коломорфным связям, металл может изменять свое физическое состояние, образуя гелеобразные смеси.

В ходе множественных экспериментов, ученые выяснили, что при взаимодействии металла с хром-кремневым соединением, олово видоизменяется. При этом его коллоидная форма используется как вспомогательное звено.

Чтобы понять, как изменяется форма и химические свойства олова, необходимо рассмотреть несколько примеров перехода металла в жидкое состояние.

Учитывая, что его геохимические свойства являются наиболее неизученным разделом, то предоставленная информация, это не результаты проведенных опытов или исследований, а всего лишь теоретические выводы ученых. Основываясь на этих фактах, можно разделить локализацию олова в смесях на следующие классы:

Все наблюдения по поводу реакций или структуры ионных соединений, строятся на геохимических и валентных предположениях. Они делятся на две основные группы:

Простые ионы, которые наблюдались в примесях с малой долей рН и продуктах магматического разложения. Однако конкретных форм при условии газового или жидкого состояния металла выявлены небыли.

Галогениды — вещества, содержащие фтор и воздействующие на металл в процессе разложения и перехода в иное состояние.

Минеральные формы гидроксильных соединений в щелочной среде часто образуют двух, трех и четырехвалентные оловянные кислоты (H2SnO). Они могут формироваться естественным образом или иметь искусственное происхождение. Результаты проведенных исследований показали, что олово в составе кислот проявляется очень слабо и способна формировать химические комбинации по подобию варламовита.

Сульфидные связи в кислотной сфере крайне неустойчивы.

Комплексная связь была обнаружена в результате опытов, методом воздействия фторовых соединений на касситерит. Анализы показали, фторовые и хлоридные растворы при воздействии на минералы проявляют идентичные свойства. В ходе исследований было проделано несколько опытов с различными реактивами. В результате получились совокупные соединения модели Na2[Sn(OH)2F4]. И это только один из множественных образцов, которые были получены.

Олова-кремневые и коллоидные образования формируются при наличии касситерита, который наблюдается практически во всех оловянных месторождениях.

Особенности производства

Производственный процесс по изготовлению олова состоит из нескольких этапов. Сначала приготовленную руду помещают в специальные дробилки и мельницы, где минерал приобретает мелкую фракцию (кусочки не более 10 мм в диаметре). Затем гравитационно-вибрационным методом извлекаются частицы касситерита. Наряду с этим применяется флотационный метод обогащения минерала, после которого касситерит приобретает концентрат олова до 70%.

В ходе последующей переработки сырья, осуществляется удаление мышьяка и серы. После этого, полученный продукт отправляют в печь для выплавки. Там минерал послойно смешивается с древесными углями, для освобождения его от ненужных веществ. Здесь же добавляется Zn, Pb или Cu. Для очищенного олова используется метод плавки.

Сфера использования

Благодаря свои антикоррозийным свойствам, олово широко применяется при литье различных сплавов. Оно является одним из основных компонентов бронзы, изготовления белой жести и других материалов. Его успешно используют в электротехнической сфере для пайки контактов и микросхем. Олово также необходимо при производстве посуды, которая выполняется и специального оловянного сплава — пьютера.

Во всех вышеперечисленных случаях, элемент используется в малых долях. Большая часть олова приходится на плавление с медью, цинком, свинцом и сурьмой. Также возможно сочетание некоторых элементов: медь с цинком, медь с сурьмой и другие. Благодаря своей экологичности и проводимости, олово используют для изготовления кабелей с большой электропроводностью.

Также олово применяется для изготовления лакокрасочных материалов, которые имитирую золотистое покрытие. Цинко-оловянные соединения используют для легирования стали и нержавеющих сплавов из черного металла.

Помимо этого, оловянные изомеры, полученные искусственным путем являются источниками гамма-излучения, поэтому их успешно применяют в спектроскопии.

Благодаря своим свойствам, олово участвует в производстве анода и различного рода химических испытаниях. На основе свинцово-оловянных сплавов делают аккумуляторные батареи. Они превосходят обычные АКБ по качеству, емкости и сроку службы. Их энергетическая плотность в 5 раз превышает энергию обычных свинцовых аккумуляторов, имея при этом наименьшее сопротивление.

Источник

Олово: свойства, интересные факты, применение

Олово — легкий цветной металл, простое неорганическое вещество. В таблице Менделеева обозначается Sn, stannum (станнум). В переводе с латинского это значит «прочный, стойкий». Первоначально этим словом называли сплав свинца и серебра, и только значительно позже так стали именовать чистое олово. Слово «олово» имеет славянские корни и обозначает «белый».

Металл относится к рассеянным элементам, и не самым распространенным на земле. В природе он встречается в виде различных минералов. Самые важные для промышленной добычи: касситерит — оловянный камень, и станнин — оловянный колчедан. Добывают олово из руд, как правило, содержащих не более 0,1 процента этого вещества.

Свойства олова

Легкий мягкий пластичный металл серебристо-белого цвета. Имеет три структурные модификации, переходит из состояния α-олово (серое олово) в β-олово (белое олово) при температуре +13,2 °С, а в состояние γ-олово при t +161 °С. Модификации весьма сильно отличаются своими свойствами. α-олово — серый порошок, который относят к полупроводникам, β-олово («обычное олово» при комнатной температуре) — серебристый ковкий металл, γ-олово — белый хрупкий металл.

В химических реакциях олово проявляет полиморфизм, то есть кислотные и оснóвные свойства. Реактив достаточно инертный на воздухе и в воде, так как быстро покрывается прочной оксидной пленкой, защищающей его от коррозии.

Олово легко вступает в реакции с неметаллами, с трудом — с концентрированной серной и соляной кислотой; с этими кислотами в разбавленном состоянии не взаимодействует. С концентрированной и разбавленной азотной кислотой реагирует, но по-разному. В одном случае получается оловянная кислота, в другом — нитрат олова. Со щелочами вступает в реакции только при нагревании. С кислородом образует два оксида, со степенью окисления 2 и 4. Является основой целого класса оловоорганических соединений.

Воздействие на человеческий организм

Олово считается безопасным для человека, оно есть в нашем организме и каждый день мы получаем его в минимальных количествах с пищей. Его роль в функционировании организма пока не изучена.

Пары олова и его аэрозольные частицы опасны, так как при длительном и регулярном вдыхании оно может вызвать заболевания легких; ядовиты также органические соединения олова, поэтому работать с ним и его соединениями надо в средствах защиты.

Такое соединение олова как оловянистый водород, SnH₄, может служить причиной тяжелых отравлений при употреблении в пищу очень старых консервов, в которых органические кислоты вступили в реакцию со слоем олова на стенках банки (жесть, из которой делают консервные банки — это тонкий лист железа, покрытый с двух сторон оловом). Отравление оловянистым водородом может быть даже смертельным. К его симптомам относятся судороги и чувство потери равновесия.

Это интересно

При понижении температуры воздуха ниже 0 °С белое олово переходит в модификацию серого олова. При этом объем вещества увеличивается почти на четверть, оловянное изделие трескается и превращается в серый порошок. Это явление стали называть «оловянной чумой».

Некоторые историки считают, что «оловянная чума» послужила одной из причин поражения армии Наполеона в России, так как превратила пуговицы на одежде французских солдат и пряжки для ремней в порошок, и тем самым оказала на армию деморализующее влияние.

А вот настоящий исторический факт: экспедиция английского полярного исследователя Роберта Скотта к Южному полюсу закончилась трагически в том числе потому, что все их топливо вылилось из запаянных оловом баков, они лишились своих мотосаней, а дойти пешком сил не хватило.

Применение

— Большая часть выплавляемого олова используется в металлургии для производства различных сплавов. Эти сплавы идут на изготовление подшипников, фольги для упаковки, белой пищевой жести, бронзы, припоев, проводов, литер типографских шрифтов.
— Олово в виде фольги (станиоль) востребовано в производстве конденсаторов, посуды, изделий искусства, органных труб.
— Используется для легирования конструкционных титановых сплавов; для нанесения антикоррозионных покрытий на изделия из железа и иных металлов (лужение).
— Сплав с цирконием обладает высокой тугоплавкостью и стойкостью к коррозии.
— Оксид олова (II) — используется в качестве абразива при обработке оптических стекол.
— Входит в состав материалов, применяющихся для изготовления аккумуляторов.
— При производстве красок «под золото», красителей для шерсти.
— Искусственные радиоизотопы олова применяются как источник γ-излучения в спектроскопических методах исследования в биологии, химии, материаловедении.
— Двухлористое олово (оловянную соль) используют в аналитической химии, в текстильной индустрии для крашения, в химпроме для органического синтеза и производства полимеров, в нефтепереработке — для обесцвечивания масел, в стекольной отрасли — для обработки стекол.
— Олово борфтористое применяется для изготовления жести, бронзы, других нужных промышленности сплавов; для лужения; ламинирования.

Источник