Сфера и области применения олова и его сплавов

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.

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.

Гидроокисные соединения

Второстепенное место занимают гидроокисные соединения олова

, которые можно рассматривать как соли полиоловянных кислот. К ним можно отнести минерал сукулаит Ta2Sn2+2O [8]; твёрдый раствор олова в магнетите вида Fe2SnO4 или Fe3SnO3 (Бретштейн Ю. С., 1974;Воронина Л. Б. 1979); «варламовит» — продукт окисления станнина; считается, что он представляет собой смесь аморфных и полуаморфных соединений Sn, метаоловянной кислоты, поликонденсированной фазы и гидрокасситеритовой фазы. Известны также гидратированные продукты окисления — гидромартит 3SnOxH2O; мушистонит (Cu,Zn,Fe)Sn(OH)6; гидростаннат меди CuSn(OH)6 и др.

Силикаты

Известна многочисленная группа силикатов олова, представленная малаяитом CaSn[SiO5] [9]; пабститом Ba(Sn, Ti)Si3O9[8], стоказитом Ca2Sn2Si6O18x4H2O и др. Малаяит образует даже промышленные скопления.

Шпинелиды

Из других окисных соединений известны также шпинелиды, например, минерал нигерит Sn2Fe4Al16О32 (Peterson E.U., 1986).

Сульфидные соединения олова

Включает различные соединения олова с серой. Это вторая по промышленному значению группа минеральных форм нахождения олова. Наиболее важным из них является станнин, второй по значению минерал. Кроме этого отмечаются франкеит Pb5Sn3Sb2S14, герценбергит SnS, берндтит SnS2, тиллит PbSnS2 и кестерит Cu2ZnSnS4. Выявлены и более сложные сульфидные соединения олова со свинцом, серебром, медью, имеющие в основном минералогическое значение. Тесная связь олова с медью обусловливает частое присутствие на оловорудных месторождения халькопирита CuFeS2 с образованием парагенезиса касситерит — халькопирит.

Станнин

Станнин (от лат. stannum

— олово), оловянный колчедан, минерал из класса сульфидов с общей формулой вида Cu2FeSnS4. Она следует из формулы халькопирита путём замены одного атома Fe на Sn. Содержит 29,58 % Cu, 12,99 % Fe, 27,5 % Sn и 29,8 S, а также примеси Zn, Sb, Cd, Pb и Ag. Широко распространённый минерал в оловорудных месторождениях России. На ряде местрождений России (Приморье, Якутия) и Средней Азии (Таджикистан) он является существенным элементов сульфидных минералов и часто вместе с варламовитом составляет 10—40 % общего олова. Часто образует вкрапленность в сфалерите ZnS, халькопирите. Во многих случаях наблюдаются явления распада станнина с выделением касситерита.

Коллоидная форма

Коллоидные и олово-кремнистые соединения играют значительную роль в геохимии олова, хотя детально она не изучена. Значительное место в геологии элемента играют коломорфные соединения и продукты его кристаллических превращений в скрытокристаллические разности. Коломорфный касситерит рассматривается как форма выражения вязких гелеобразных растворов.

Независимые исследования выявили аномально высокую растворимость SnO2 в хлор-кремниевых растворах. Максимальная растворимость достигается при отношении .

Анализ свойств соединения Sn(OH)4 и близость их к соединению Si(OH)4 выявляет способность его к полимеризации с образованием в конечном счёте соединений H2Snk

O2
k
+1, Sn
k
O2
k
−1(OH)2. В обоих случаях возможно замещение группы (ОН) на анионы F и Cl.

Таким образом, полимеризация молекул Sn(OH)4 и соединение их с молекулами Si(OH)4 ведёт к образованию геля (коллоида) и появлению цепочек Hm

Sn2
n
Si
n
O
p
, причём
m
≤ 8, или H
s
[SiO2
n
(SnO
m
)
d
] (Некрасов И. Я. и др., 1973).

Имеющиеся данные говорят о том, что коллоидная форма является естественным промежуточным звеном при осаждении олова из гидротермальных растворов.

Формы нахождения олова в жидкой фазе

Наименее изученная часть геохимии олова, хотя в газово-жидких включениях установлены касситериты в виде минералов-узников (Кокорин А. М. и др., 1975). Работ по анализу конкретных оловосодержащих природных растворов нет. В основном вся информация основана на результатах экспериментальных исследований, которые говорят только о вероятных формах нахождения олова в растворах. Существенную роль в разработке методики этих исследований принадлежит академику В. Л. Барсукову

Вся совокупность экспериментально установленных форм нахождения олова в растворах разбивается на группы:

1. Ионные соединения
   . Эти соединения и их структура описываются с позиций классических валентных и стереохимических представлений. Выделяюся подгруппы: Простые ионы Sn+2 и Sn+4 в основном обнаружены в магматических раславах, а также в гидротермальных растворах, обладающими низкими значениями рН. Однако в существующих гидротермальных системах, отражаемых составом газово-жидких включений, такие условия не установлены.
2. Соли галлоидных кислот — SnF2, SnF40, SnCl40. Считается, что роль хлора в переносе и отложении олова и сопутствующих металлов более значительна, чем роль фтора.
3. Гидроксильные соединения олова. В щелочных условиях исходными являются соединения H2SnO2, H2SnO4, H2SnO3. Эти формы часто устанавливаются на основе известных минеральных форм. Часть этих форм имеет как искусственное (CaSnO3, Ca2SnO4), так и природное (FeSnO2, Fe2SnO4) происхождение. В кислых средах эти соединения ведут себя как слабые основания типа Sn(OH)2, Sn(OH)4. Считается, что одной из форм проявления подобных соединений является варламовит. Согласно экспериментальным данным Sn(OH)4 отлагается только при Т< 280°C в слабокислых или нейтральных условиях при рН = 7 — 9. Соединения Sn(OH)4 и Sn(OH)3+ устойчивы при рН= 7 — 9, тогда как Sn(OH)2+2 и Sn(OH)+2 — при рН < 7. Довольно часто группы (ОН)-1 замещаются на F и Cl, создавая галогенозамещённые модификации гидросоединений олова. В общем виде эти формы представлены соединениями Sn(OH)4-kFk или Sn(OH)4-kFk-nn. В целом соединение Sn(OH)3F устойчиво при Т = 25 — 50 °C, а Sn(OH)2F² при Т = 200 °C.
4. Сульфидные соединения. По экспериментальным данным в растворе присутствуют соединения SnS4-4 или SnS3-2 при рН > 9; SnS2O-2 (pH = 8 — 9) и Sn(SH)4 (pH = 6). Имеется упоминание о существовании соединения типа Na2SnS3, неустойчивого в кислой среде.

Промышленные типы месторождений олова

Описанные выше геохимические особенности олова находят косвенное отражение в формационной классификации оловорудных месторождений, предложенной Е. А. Радкевич с последующими дополнениями.

А.
Формация оловоносных гранитов
. Касситерит установлено в акцессорной части гранитов. Б.
Форрмация редкомеиальных гранитов
. Это граниты литионит-амазонит-альбитового типа (апограниты по А. А. Беусу). Касситерит в акцессорной части вместе колумбит-татнатлитом, микролитом и пр. В.
Формация оловоносных пегматитов
. Оловянная минерализация характерна для Be-Li-, Be-Ta-, F-Li- типов. Г.
Формация полевошпат-кварц-касситеритовая
. Выделена Ив. Ф. Григорьевым. Это кварц-полевошпатовые жилы с касситеритом и др. минералами. Д.
Формация кварц-касстеритовая
. Распространена на СВ СССР. Это жильные зоны, грейзены с кварцем, мусковитом, вольфрамитом, касситеритом и др. Е.
Формация касситерит-силикатно-сульфидная
с турмалиновым и хлоритовым типами. Одна из основных продуктивных формаций Приморья России. Ж.
Формация касситерит-сульфидная
. Также основная оловопродуктивная формация. В ней выделяют основные типы:

1. штокверковое олово-вольфрамовое оруденение;
2. рудные тела квар-касситерит-арсенопиритового типа;
3. продуктивные кварцевые жилы сульфидно-касситерит-хлоритового типа;

З.Формация оловянно-скарновая
. И.
Формация деревянистого олова
(риолитовая формация). К.
Формация основных и ультраосновных пород
(по И. Я. Некрасову) Л.
Формация щелочных пород Украины
(по В. С. Металлиди, 1988).

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.

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.

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.

Производство

В процессе производства рудоносная порода (касситерит) подвергается дроблению до размеров частиц в среднем ~ 10 мм, в промышленных мельницах, после чего касситерит за счет своей относительно высокой плотности и массы отделяется от пустой породы вибрационно-гравитационном методом на обогатительных столах. В дополнение применяется флотационный метод обогащения/очистки руды. Полученный концентрат оловянной руды выплавляется в печах. В процессе выплавки восстанавливается до свободного состояния посредством применения в восстановления древесного угля, слои которого укладываются поочередно со слоями руды.

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.

Оглавление

• Основные сведения об олове
• История открытия олова
• Физические и механические свойства олова
• Химические свойства олова
• Марки олова и сплавов
• Достоинства и недостатки
• Применение олова
• Продукция из олова

Олово – абсолютно нетоксичный и пластичный металл, обладающий низкой температурой плавления. Сфера его применения во многом определяется перечисленными характеристиками. Его широко используют в пищевой промышленности, с его применением связано создание электронных плат и радиотехнических изделий. Поговорим о марках олова, о его характеристиках и ключевых особенностях.

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.

Олово и его сплавы

В периодической системе Менделеева, легкий металл – олово, обозначается символом — Sn. Это вещество серебристо – белого цвета, легкоплавкое из-за невысокой температуры плавления. Его легко можно раскатать в тонкий слой фольги из-за тягучести и пластичности. Данное вещество стойкое к воде и некоторым кислотам. Эти свойства позволяют использовать олово для производства многих изделий.

Данный металл не окисляется при нормальных температурах, это позволяет применять его для разных защитных покрытий. Но как самостоятельный металл – олово, применяется не так часто, как его сплавы. Это обуславливается тем, что последние могут иметь свойства на порядок лучше, чем чистые металлы, которые образовывают этот сплав. Соединение олова и меди называется бронзой. Это один из самых часто применяемых сплавов олова.

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.

Месторождения олова

Основная добыча олова сосредоточена в месторождениях, расположенных на территории юго-востока Азии, главным образом в Китае, Индонезии, Малайзии и Таиланде. Кроме этого залежи этого металла присутствуют в странах Южной Америки, а именно в Боливии, Перу, Бразилии. Российской промышленности очень нужно олово. В нашей стране ежегодно потребляется примерно 6,5–7 тыс. тонн. Однако 90% из этого количества составляет импорт. Главные месторождения оловянной руды в нашем государстве расположены в восточных регионах. Примерно тридцать лет назад в производственный кластер по добыче олова входили девять горно-обогатительных заводов и более 20 рудников в Якутии, Хабаровском регионе, Приморском и Забайкальском регионах, а также на территории Еврейской АО. Но часть предприятий быстро обанкротились. На протяжении последних нескольких лет положение начало менять в лучшую сторону, но до «советских» объемов еще очень далеко. Не оказало существенного влияния установление в 2013 году нулевой налоговой ставки на добычу полезных ископаемых руд олова, залегающих на территории Дальнего Востока. В нынешнем году внедряется крупная инвестиционная программа, задачей реализации которой является повышение эффективности добычи.

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.

Применение олова

Можно выделить несколько ключевых направлений использования олова. Благодаря отсутствию токсичности, а также благодаря устойчивости к воздействию агрессивных химических соединений из олова изготавливают изделия и оборудование, напрямую контактирующее с пищей. Также на основе олова формируются покрытия медных электрических проводников. Это позволяет защитить медь от негативного воздействия серы, которая содержится в пластике наружной изоляции.

Небывалое распространение получило олово в промышленных отраслях, связанных с производством электроники. Пайка деталей и электрических схем в большинстве случаев производится с применением Sn.

Существует огромное количество сплавов, в состав которых неизбежно входит олово. Это всевозможные баббиты, бронзовые сплавы, а также другие материалы, с которыми мы практически повседневно сталкиваемся в обычной жизни.