Содержание
Введение
Олово
Состав и свойства некоторых сплавов олова
Список литературы
Введение
Важнейшим этапом развития сталоиспользование железа и его сплавов. В середине XIX века осваиваетсяконвертерный метод производства стали, а к концу века — мартеновский.
Сплавы на основе железа и внастоящее время являются основным конструкционным материалом.
Бурный рост промышленноститребует появления материалов с самыми различными свойствами.
Середина XX века ознаменованапоявлением полимеров — новых материал лов, свойства которых резко отличаются отсвойств металлов.
Полимеры широко применяют такжев различных областях техники: машиностроении, химической и пищевойпромышленности и ряде других областей.
Развитие техники требуетматериалов с новыми уникальными свойствами. Для атомной энергетики икосмической техники необходимы материалы, которые могут работать при весьмавысоких температурах.
Компьютерные технологии сталивозможными только при использовании материалов с особыми электрическимисвойствами.
Таким образом, материаловедение- одна из важнейших, приоритетных наук, определяющих технический прогресс.
Олово — один из немногихметаллов, известных человеку еще с доисторических времен. Олово и медь былиоткрыты раньше железа, а сплав их, бронза, — это, по-видимому, самый первый«искусственный» материал, первый материал, приготовленный человеком.
Результаты археологическихраскопок позволяют считать, что еще за пять тысячелетий до нашей эры люди умеливыплавлять и само олово. Известно, что древние египтяне олово для производствабронзы возили из Персии.
Под названием «трапу» этотметалл описан в древнеиндийской литературе. Латинское название олова stannumпроисходит от санскритского «ста», что означает «твердый».
Олово
Свойства олова:
Атомный номер ё50
Атомная масса 118,710
Изотопы
Стабильные 112,114-120, 122, 124
Нестабильные 108-111,113, 121, 123, 125-127
Температура плавления, ° С 231,9
Температура кипения, ° С 262,5
Плотность, г/см3 7,29
Твердость (по Бринеллю) 3,9
Содержание в земной коре, % (масс) 0,0004
Производство олова из руд ироссыпей всегда начинается с обогащения. Методы обогащения оловянных руддовольно разнообразны. Применяют, в частности, гравитационный метод, основанныйна различии плотности основного и сопутствующих минералов. При этом нельзязабывать, что сопутствующие далеко не всегда бывают пустой породой. Часто онисодержат ценные металлы, например вольфрам, титан, лантаноиды. В таких случаяхиз оловянной руды пытаются извлечь все ценные компоненты.
Состав полученного оловянногоконцентрата зависит от сырья, и еще от того, каким способом этот концентратполучали. Содержание олова в нем колеблется от 40 до 70%. Концентрат направляютв печи для обжига (при 600...700°C), где из него удаляются относительно летучиепримеси мышьяка и серы. А большую часть железа, сурьмы, висмута и некоторыхдругих металлов уже после обжига выщелачивают соляной кислотой. После того какэто сделано, остается отделить олово от кислорода и кремния. Поэтому последняястадия производства чернового олова — плавка с углем и флюсами в отражательныхили электрических печах. С физико-химической точки зрения этот процессаналогичен доменному: углерод «отнимает» у олова кислород, а флюсыпревращают двуокись кремния в легкий по сравнению с металлом шлак.
В черновом олове примесей ещедовольно много: 5...8%. Чтобы получить металл сортовых марок (96,5...99,9% Sn),используют огневое или реже электролитическое рафинирование. А нужноеполупроводниковой промышленности олово чистотой почти шесть девяток — 99,99985%Sn — получают преимущественно методом зонной плавки.
Олово получают такжерегенерацией отходов белой жести. Для того чтобы получить килограмм олова, необязательно перерабатывать центнер руды, можно поступить иначе: «ободрать»2000 старых консервных банок.
Всего лишь полграмма оловаприходится на каждую банку. Но помноженные на масштабы производства этиполуграммы превращаются в десятки тонн… Доля «вторичного» олова впромышленности капиталистических стран составляет примерно треть общегопроизводства. В нашей стране работают около ста промышленных установок порегенерации олова.
Снять олово с белой жестимеханическими способами почти невозможно, поэтому используют различие вхимических свойствах железа и олова. Чаще всего жесть обрабатывают газообразнымхлором. Железо в отсутствие влаги с ним не реагирует. Олово же соединяется схлором очень легко. Образуется дымящаяся жидкость — хлорное олово SnCl4,которое применяют в химической и текстильной промышленности или отправляют вэлектролизер, чтобы получить там из него металлическое олово. И опять начнется«круговерть»: этим оловом покроют стальные листы, получат белую жесть.Из нее сделают банки, банки заполнят едой и запечатают. Потом их вскроют,консервы съедят, банки выбросят. А потом они (не все, к сожалению) вновь попадутна заводы «вторичного» олова.
Другие элементы совершаюткруговорот в природе с участием растений, микроорганизмов и т.д. Круговоротолова — дело рук человеческих.
Сплавы. Одна треть олова идет наизготовление припоев. Припои — это сплавы олова в основном со свинцом в разныхпропорциях в зависимости от назначения. Сплав, содержащий 62% Sn и 38% Pb,называется эвтектическим и имеет самую низкую температуру плавления средисплавов системы Sn — Pb. Он входит в составы, используемые в электронике иэлектротехнике. Другие свинцово-оловянные сплавы, например 30% Sn + 70% Pb,имеющие широкую область затвердевания, используются для пайки трубопроводов икак присадочный материал. Применяются и оловянные припои без свинца. Сплавыолова с сурьмой и медью используются как антифрикционные сплавы (баббиты,бронзы) в технологии подшипников для различных механизмов.Состав и свойства некоторых сплавов оловаОбласть использования Состав сплавов, % по массе Мех. св-ва Sn Sb Сu Рb Предел прочности, МПа Относит. удлинение,% Твердость по Бринеллю, МПа
Антифрикц.
сплавы
Припои* 88,7-90,2 7.3-7,8 2,5-3,5 80,0 18,5 240.0 81-84 10-12 5,5-6,5 90,0 6.0 300,0 89-90 Не более 0,05 - До 100 43,0 25 130 59-61 Не более: 0,05 - То же 50,0 34 126 49-51 0,05-0,5 - -"- 40,0 54 149
* Припои, содержащие менее 50%Sn, относятся к сплавам свинца
Многие сплавы олова — истинныехимические соединения элемента №50 с другими металлами. Сплавляясь, олововзаимодействует с кальцием, магнием, цирконием, титаном, многими редкоземельнымиэлементами. Образующиеся при этом соединения отличаются довольно большойтугоплавкостью. Так, станнид циркония Zr3Sn2 плавится лишь при 1985°C. И «виновата»здесь не только тугоплавкость циркония, но и характер сплава, химическая связьмежду образующими его веществами. Или другой пример. Магний к числу тугоплавкихметаллов не отнесешь, 651°C — далеко не рекордная температура плавления. Оловоплавится при еще более низкой температуре — 232°C. А их сплав — соединениеMg2Sn — имеет температуру плавления 778°C. Современные оловянно-свинцовыесплавы содержат 90-97% Sn и небольшие добавки меди и сурьмы для увеличениятвердости и прочности.
Соединения. Олово образуетразличные химические соединения, многие из которых находят важное промышленноеприменение. Кроме многочисленных неорганических соединений, атом олова способенк образованию химической связи с углеродом, что позволяет получатьметаллоорганические соединения, известные как оловоорганические. Водныерастворы хлоридов, сульфатов и фтороборатов олова служат электролитами дляосаждения олова и его сплавов. Оксид олова применяют в составе глазури для керамики;он придает глазури непрозрачность и служит красящим пигментом. Оксид оловаможно также осаждать из растворов в виде тонкой пленки на различных изделиях,что придает прочность стеклянным изделиям (или уменьшает вес сосудов, сохраняяих прочность). Введение станната цинка и других производных олова впластические и синтетические материалы уменьшает их возгораемость ипрепятствует образованию токсичного дыма, и эта область применения становитсяважнейшей для соединений олова. Огромное количество оловоорганическихсоединений расходуется в качестве стабилизаторов поливинилхлорида — вещества,используемого для изготовления тары, трубопроводов, прозрачного кровельногоматериала, оконных рам, водостоков и др. Другие оловоорганические соединенияиспользуются как сельскохозяйственные химикаты, для изготовления красок иконсервации древесины.
Важнейшие соединения:
Диоксид олова SnO2 нерастворим в воде. В природе — минерал касситерит (оловянный камень). Получаютокислением олова кислородом. Применение: для получения олова, белый пигмент дляэмалей, стекол, глазурей.
Оксид олова SnO, черныекристаллы. На воздухе выше 400°С окисляется, не растворим в воде. Применение: черныйпигмент в производстве рубинового стекла, для получения солей олова.
Гидрид олова SnH2получается в незначительных количествах как примесь к водороду при разложениикислотами сплавов олова с магнием (т.е. при действии водорода в моментвыделения). При хранении постепенно разлагается на свободное олово и водород.
Тетрахлорид олова SnCl4дымящая на воздухе жидкость, растворимо в воде. Применение: протрава прикрашении тканей, катализатор полимеризации.
Дихлорид олова SnCl2растворим в воде. Образует дигидрат. Применение: восстановитель в органическомсинтезе, протрава при крашении тканей, для обесцвечивания нефтяных масел.
Дисульфид олова SnS2,золотисто-желтые кристаллы, нерастворим. «Сусальное золото» — дляотделки под золото дерева, гипса.
Сульфид олова SnSвзаимодействует с концентрированными кислотами, не растворяется в воде. Применение:для повышения антифрикционных свойств подшипникового материала, катализаторполимеризации, для получения диоксида олова.
Олово в сплавах. На консервныебанки идет примерно половина мирового производства олова. Другая половина — вметаллургию, для получения различных сплавов. Самый известный сплав из олова — бронза(существуют также безоловянные бронзы: алюминиевые бронзы, кремнистые ибериллиевые). Одна из главных причин создания безоловянных бронз — дефицитностьолова. Тем не менее бронза, содержащая олово, по-прежнему остается важнымматериалом и для машиностроения, и для искусства. Однофазные и двухфазныебронзы превосходят латуни в прочности и сопротивлении коррозии (особенно вморской воде).
Однофазные оловянные бронзы вкатаном состоянии, особенно после значительной холодной пластическойдеформации, имеют повышенные прочностные и упругие свойства (> 40 кгс/мм2).
Для двухфазной бронзы характернаболее высокая износостойкость.
Важное преимущество двухфазныхоловянистых бронз — высокие литейные свойства. Бронзы получают при литьенаиболее низкий коэффициент усадки по сравнению с другими металлами, в томчисле чугунами. Оловянные бронзы применяют для литых деталей сложной формы. Однакодля арматуры котлов и подобных деталей они используются лишь в случае небольшихдавлений пара. Недостаток отливок из оловянных бронз — их значительнаямикропористость. Поэтому для работы при повышенных давлениях пара они всебольше заменяются алюминиевыми бронзами.
Из-за высокой стоимости оловачаще используют бронзы, в которых часть олова заменена цинком (или свинцом).
Бронзы отличаются невысокойжидкотекучестью из-за большого интервала кристаллизации. По этой же причине вбронзе не образуется концентрированная усадочная раковина, а возникаетрассеянная мелкая пористость. Линейная усадка у оловянных бронз очень невеликаи составляет 0,8% при литье в песчаную форму и 1,4% при литье в кокиль. Указанныесвойства облегчают получение отливок, от которых не требуется высокойгерметичности.
В оловянные бронзы часто вводятфосфор. Фосфор, во-первых, раскисляет медь и уменьшает содержание водорода врасплаве; во-вторых, повышает прочностные свойства; в-третьих, улучшаетжидкотекучесть и позволяет получать отливки сложной формы с тонкими стенками, вчастности, качественное художественное литье.
Фосфор в бронзах с небольшимколичеством олова повышает сопротивление износу из-за появления в структуретвердых частичек фосфида меди.
Однако фосфор ухудшаеттехнологическую пластичность, поэтому в деформируемые сплавы вводят не более0,5% фосфора.
Оловянные бронзы легируют цинкомв больших количествах, но в пределах растворимости. При таких содержаниях цинкблагоприятно влияет на свойства оловянных бронз:
снижает склонность к ликвации иповышает жидкотекучесть, поскольку он уменьшает температурный интервалкристаллизации сплавов;
способствует получению болееплотного литья;
раскисляет расплав и уменьшаетсодержание в нем водорода;
улучшает прочностные свойства.
Из всех антифрикционных сплавовнаилучшими свойствами обладают оловянные баббиты, в составе которых до 90%олова.
Мягкие и легкоплавкие свинцово-оловянныеприпои хорошо смачивают поверхность большинства металлов, обладают высокойпластичностью и сопротивлением усталости.
Однако область их примененияограничивается из-за недостаточной механической прочности самих припоев.
Составы оловянно-свинцовых припоев. Свойстваоловянно-свинцовых припоев.
/> />
Припои имеют различное назначение, например: ПОС 90 — для паяниявнутренних швов пищевой посуды (электрочайники, кастрюли и т.п.); ПОС 40 — паяниелатуни, железа и медных проводов; ПОС 30 — паяние латуни, меди, железа цинковыхи оцинкованных листов, белой жести, приборов, радиоаппаратуры, гибких шлангов ибандажной проволоки электромоторов.
Олово входит также в состав типографского сплава гарта,из-за чего гарт имеет низкую температуру плавления (240-350 °С) и хорошиелитейные свойства.
Наконец, сплавы на основе олова очень нужны электротехнике. Важнейшийматериал для электроконденсаторов — станиоль; это почти чистое олово,превращенное в тонкие листы (доля других металлов в станиоле не превышает 5%).
Тот факт, что олово образует довольно многочисленные сплавытакого рода, заставляет критически отнестись к утверждению, что лишь 7%производимого в мире олова расходуется в виде химических соединений («Краткаяхимическая энциклопедия», т.3, с.739). Видимо, речь здесь идет только осоединениях с неметаллами.
Соединения с неметаллами. Из этих веществ наибольшеезначение имеют хлориды. В тетрахлориде олова SnCl4 растворяются иод, фосфор,сера, многие органические вещества. Поэтому и используют его главным образомкак весьма специфический растворитель. Дихлорид олова SnCl2 применяют какпротраву при крашении и как восстановитель при синтезе органических красителей.Те же функции в текстильном производстве еще у одного соединения элемента №50 — станната натрия Na2SnO3. Кроме того, с его помощью утяжеляют шелк.
Промышленность ограниченно использует и окислы олова. SnOприменяют для получения рубинового стекла, a SnO2 — белой глазури. Золотисто-желтыекристаллы дисульфида олова SnS2 нередко называют сусальным золотом, которым«золотят» дерево, гипс. Это, если можно так выразиться, самое «антисовременное»применение соединений олова. А самое современное?
Если иметь в виду только соединения олова, то это применениестанната бария BaSnO3 в радиотехнике в качестве превосходного диэлектрика. Аодин из изотопов олова, 119Sn, сыграл заметную роль при изучении эффектаМессбауэра — явления, благодаря которому был создан новый метод исследования — гамма-резонансная спектроскопия. И это не единственный случай, когда древнийметалл сослужил службу современной науке.
На примере серого олова — одной из модификаций элемента №50 — была выявлена связь между свойствами и химической природой полупроводниковогоматериала. И это, видимо, единственное, за что серое олово можно помянутьдобрым словом: вреда оно принесло больше, тем пользы. Мы еще вернемся к этойразновидности элемента №50 после рассказа о еще одной большой и важной группесоединений олова.
Оловоорганика. Элементоорганических соединений, в составкоторых входит олово, известно великое множество. Первое из них получено еще в1852 г.
Сначала вещества этого класса получали лишь одним способом — в обменной реакции между неорганическими соединениями олова и реактивамиГриньяра. Вот пример такой реакции:
SnCl4 + 4RMgX SnR4 + 4MgXCl
(R здесь — углеводородный радикал, X — галоген).
Соединения состава SnR4 широкого практического применения ненашли.
Впервые интерес к оловоорганике возник в годы первой мировойвойны. Почти все органические соединения олова, полученные к тому времени, былитоксичны. В качестве отравляющих веществ эти соединения не были использованы,их токсичностью для насекомых, плесневых грибков, вредных микробоввоспользовались позже. На основе ацетата трифенилолова (C6H5) 3SnOOCCH3 былсоздан эффективный препарат для борьбы с грибковыми заболеваниями картофеля исахарной свеклы. У этого препарата оказалось еще одно полезное свойство: онстимулировал рост и развитие растений.
Для борьбы с грибками, развивающимися в аппаратахцеллюлозно-бумажной промышленности, применяют другое вещество — гидроокисьтрибутилолова (С4Н9) 3SnOH. Это намного повышает производительность аппаратуры.
Много «профессий» у дилаурината дибутилолова (C4H9)2Sn (OCOC11H23) 2. Его используют в ветеринарной практике как средство противгельминтов (глистов). Это же вещество широко применяют в химическойпромышленности как стабилизатор поливинилхлорида и других полимерных материалови как катализатор. Скорость реакции образования уретанов (мономерыполиуретановых каучуков) в присутствии такого катализатора возрастает в 37 тыс.раз.
На основе оловоорганических соединений созданы эффективныеинсектициды; оловоорганические стекла надежно защищают от рентгеновскогооблучения, полимерными свинец — и оловоорганическими красками покрываютподводные части кораблей, чтобы на них не нарастали моллюски.
Все это соединения четырехвалентного олова. Органическиесоединения двухвалентного олова, напротив, немногочисленны и практическогоприменения пока почти не находят.
Серое олово. Как и многие другие элементы, олово имеетнесколько аллотропических модификаций, несколько состояний. (Слово «аллотропия»переводится с греческого как «другое свойство», «другой поворот»)При нормальной плюсовой температуре олово выглядит так, что никто не можетусомниться в принадлежности его к классу металлов.
Белый металл, пластичный, ковкий. Кристаллы белого олова (егоназывают еще бета-оловом) тетрагональные. Длина ребер элементарнойкристаллической решетки — 5,82 и 3,18. Но при температуре ниже 13,2°C «нормальное»состояние олова иное. Едва достигнут этот температурный порог, вкристаллической структуре оловянного слитка начинается перестройка. Белое оловопревращается в порошкообразное серое, или альфа-олово, и чем ниже температура,тем больше скорость этого превращения. Максимума она достигает при минус 39°C.
Кристаллы серого олова кубической конфигурации; размеры ихэлементарных ячеек больше — длина ребра 6,49. Поэтому плотность серого оловазаметно меньше, чем белого: 5,76 и 7,3 г/см3 соответственно.
Результат превращения белого олова в серое иногда называют«оловянной чумой». Пятна и наросты на армейских чайниках, вагоны соловянной пылью, швы, ставшие проницаемыми для жидкости, — следствия этой«болезни».
Почему сейчас не случаются подобные истории? Только по однойпричине: оловянную чуму научились «лечить». Выяснена еефизико-химическая природа, установлено, как влияют на восприимчивость металла к«чуме» те или иные добавки. Оказалось, что алюминий и цинкспособствуют этому процессу, а висмут, свинец и сурьма, напротив,противодействуют ему.
Кроме белого и серого олова, обнаружена еще однааллотропическая модификация олова — гамма-олово, устойчивое при температуревыше 161°C. Отличительная черта такого олова — хрупкость. Как и все металлы, сростом температуры олово становится пластичнее, но только при температуре ниже161°C. Затем оно полностью утрачивает пластичность, превращаясь в гамма-олово,и становится настолько хрупким, что его можно истолочь в порошок.
Изотопы. Олово — один из самых «многоизотопных» элементов:природное олово состоит из десяти изотопов с массовыми числами 112, 114...120,122 и 124. Самый распространенный из них 120Sn на его долюприходится около 33% всего земного олова. Почти в 100 раз меньше олова-115 — самого редкого изотопа элемента №50. Еще 15 изотопов олова с массовыми числами108...111, 113, 121, 123, 125...132 получены искусственно. Время жизни этихизотопов далеко не одинаково. Так, олово-123 имеет период полураспада 136 дней,а олово-132 всего 2,2 минуты.
Изотопы олова 117Sn и 119Sn являются мёссбауэровскимиизотопами и применяются в гамма-резонансной спектроскопии.
Дефицит олова. Несколько лет назад американское Горное бюроопубликовало расчеты, из которых следовало, что разведанных запасов оловахватит миру самое большее на 35 лет. Правда, уже после этого было найденонесколько новых месторождений, в том числе крупнейшее в Европе, расположенноена территории Польши. И тем не менее дефицит олова продолжает тревожитьспециалистов.
Список литературы
1. Беленький М.А., Иванов А.Ф. Электроосаждение металлическихпокрытий. Справ. изд. М.: «Металлургия», 1985.
2. Вячеславов П.М. Электролитическое осаждение сплавов. Л.: «Машиностроение»,1986
3. Томашов Н.Д., Чернова Г.П. Коррозия и коррозионностойкие сплавы.М.: «Металлиргия», 1973.
4. Россошинский А.А., Лапшов Ю.К., Яценко Б.П., Олово в процессахпайки, К., 1985;
5. Часть стати Н.В. Одноралова «СЕКРЕТЫ МАСТЕРА» в ж.«СДЕЛАЙ САМ» №2, 1991 стр.61-68