Олово. Характеристика и применение

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО  ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

Кафедра строительных материалов

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

на тему: Олово. Характеристика и применение.

 

 

 

 

 

Выполнил: студент группы С12-2

Мартюкова О.В.

Проверил: к.т.н., доцент кафедры  СМ

Тенкачев Ш.З.

 

 

 

 

Тюмень, 2013

Содержание

1. Введение______________________________________________3
2. Глава 1

2.1. Общая характеристика_______________________________4

2.2. История открытия___________________________________4

2.3. Месторождение_____________________________________5

2.4. Физические и химические свойства____________________7

2.5. Оловянная чума____________________________________10

2.6. Физиологическое действие___________________________11

2.7. Получение_________________________________________11

2.8. Запасы олова в мире_________________________________12

3. Глава 2

     3.1 Применение_________________________________________12

Заключение_______________________________________________15

Источники информации_____________________________________16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

Олово - один из немногих металлов, известных человеку еще с доисторических времен. Олово и медь были открыты раньше железа, а сплав их (т.е. бронза) - это, по-видимому, самый первый "искусственный" материал, первый материал, приготовленный человеком.

Результаты археологических  раскопок позволяют считать, что  еще за пять тысячелетий до нашей  эры люди умели выплавлять и само олово. Известно, что древние египтяне олово для производства бронзы возили из Персии.

Под названием "трапу" этот металл описан в древнеиндийской  литературе. Латинское название олова  stannum происходит от санскритского "ста", что означает "твердый".

 

Цель работы: Изучение степени применения олова.

Задачи:

• Рассмотреть характеристику и свойства олова.
• Рассмотреть применение олова в различных областях промышленности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Глава 1
1. Общая характеристика

Олово (обозначается символом Sn) — элемент 14-й группы периодической таблицы химических элементов, пятого периода, с атомным номером 50. Относится к группе лёгких металлов. При нормальных условиях простое вещество олово — пластичный, ковкий и легкоплавкий блестящий металл серебристо-белого цвета.

Олово — редкий рассеянный элемент, по распространенности в земной коре 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 (оловянный камень) SnO₂, содержащий до 78,8 % олова. Гораздо реже в природе встречается станнин (оловянный колчедан) — Cu₂FeSnS₄ (27,5 % Sn).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. 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, 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.

 

3. Месторождение

Основное месторождение  расположено в Северном Приладожье на территории Питкярантского района Республики Карелия в 15 км к северо-западу от г. Питкяранта и в 250 км от Петрозаводска.

 

4. Оловосодержащее сырье и способы его переработки

Основным минералом олова  является касситерит, представляющий собой оксид олова ( Sn О ₂ ). Меньшее практическое значение имеет другой минерал - смешанный сульфид олова, меди и железа - станнин ( Cu ₂ FeSnS ₄ .) Содержание олова в рудах обычно составляет 0,1-3 %. Руды оловянных месторождений можно подразделить на россыпные и коренные.

Россыпи обычно значительно  легче обогащаются гравитационными  методами, чем руды коренных месторождений, они не требуют применения дорогостоящих  процессов дробления, измельчения. Доводка черновых концентратов легко осуществляется магнитными, электрическими и другими методами.

В России около 95% олова извлекается из коренных, обычно очень сложных и труднообогатимых, тонко-вкрапленных руд, требующих развитых схем обогащения, применения флотации.

Технология  производства олова:

Этап выплавки.

Для восстановления касситерит плавят с углеродсодержащими материалами  в отражательных или особого  типа шахтных печах. Шахтные оловоплавильные  печи применяются с давних времен; в них с использованием дутья  сжигается служащий восстановителем  древесный уголь, который загружается  слоями, чередующимися со слоями касситерита. В более распространенных отражательных печах в качестве топлива используется каменный уголь; они действуют аналогично мартеновским сталеплавильным печам, причем руда смешивается с антрацитом и известняком. Печи обоих типов дают шлаки, богатые оловом (до 25%). Шлаки подвергают доработке переплавкой при значительно более высокой температуре с добавлением новых количеств восстановителя. В результате получается черновое олово с высоким содержанием железа — так называемая железистая печная настыль. Процесс требует строгого контроля, иначе и вторичные шлаки будут содержать слишком большой процент олова.

Этап рафинирования.

Чистота первичного олова  зависит от исходной руды, но чаще всего  оно требует рафинирования, которое  может проводиться либо термическим, либо электролитическим способом.

Термическое рафинирование. Черновое олово, содержащее 97-99% Sn, рафинируют от примесей в обогреваемых стальных полусферических котлах при температуре около 300° С. Железо и медь удаляют добавлением в расплав угля и серы, мышьяк и сурьму отделяют в виде соединений и сплавов с алюминием, свинец — действием SnCl₂, а висмут — в виде соединений с кальцием и магнием. Рафинированный металл содержит 99,75-99,95% Sn.

5. Физические и химические свойства

Олово легко образует сплавы со многими  металлами. Оловянные покрытия имеют  хорошее сцепление с основой, обеспечивают хорошую коррозионную защиту и красивый внешний вид. Оловянные  и оловянно-свинцовые покрытия можно  наносить, погружая специально приготовленный предмет в ванну с расплавом, однако большинство оловянных покрытий и сплавов олова со свинцом, медью, никелем, цинком и кобальтом осаждают электролитически из водных растворов. Наличие большого диапазона составов для покрытий из олова и его  сплавов позволяет решать многообразные  задачи промышленного и декоративного  характера. 

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. 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, 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  хлор оловянных 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 гидрокс  комплекс 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.

 

6. Оловянная чума

При температуре ниже 13,2 °C происходит увеличение удельного объёма чистого олова на 25,6 %, и оно спонтанно переходит в другое фазовое состояние — серое олово (α-Sn), в кристаллической решётке которого атомы располагаются менее плотно. Одна модификация переходит в другую тем быстрее, чем ниже температура окружающей среды. При −33 °C скорость превращений становится максимальной. Олово трескается и превращается в порошок. Причём соприкосновение серого олова и белого приводит к «заражению» последнего. Совокупность этих явлений называется «оловянной чумой». Начало научного изучения этого фазового перехода было положено в 1870 г. работами петербургского учёного Ю. Фрицше. Установлено, что это есть процесс аллотропического превращения белого олова в серое со структурой типа алмаза. Много ценных наблюдений и мыслей об этом процессе высказано Д. И. Менделеевым в его «Основах химии».