Олово

Олово 2 Як одержують олово з руд .. 2 Ще одне джерело .. 3 .. 4 Сполуки з неметалами .. 5 .. 6 Про сiре олово .. 7 Ще раз про дефiцит ... 8 Додаткова iнформацiя .. 9 ІЗОТОПИ. 9 .. 9 .. 9 ЖЕРСТЬ ДЛЯ КОНСЕРВУВАННЯ. 9 Загальнi вiдомостi Олово – один з небагатьох металiв, вiдомих людинi ще з доiсторичних часiв. Олово i мiдь були вiдкритi ранiше залiза, а їхнiй сплав, бронза, – це, очевидно, найперший «штучний» матерiал, перший матерiал, виготовлений людиною. Результати археологiчних розкопок дозволяють вважати, що ще за п'ять тисячолiть до нашої ери люди умiли виплавляти й чисте олово. Вiдомо, що древнi єгиптяни олово для виробництва бронзи возили з Персiї. За назвою «траповi» цей метал описаний у давньоiндiйськiй лiтературi. Латинська назва олова stannum походить вiд санскритського «ста», що означає «твердий». Згадування про олово зустрiчається й у Гомера. Майже за десять столiть до нової ери фiнiкiйцi доставляли олов'яну руду з Британських островiв, що називалися тодi Касситеридами. Звiдси назва каситериту – найважливiшого з мiнералiв олова; сполука його SnО2 . Інший важливий мiнерал – станин, або олов'яний колчедан: Cu2 FeSn4 Мiж iншим, нашi предки мали у своєму розпорядженнi багатшi олов'янi руди, нiж ми. Можна було виплавляти метал безпосередньо з руд, що знаходяться на поверхнi Землi i збагачених у ходi природних процесiв вивiтрювання i вимивання. У наш час таких руд уже немає. У сучасних умовах процес одержання олова багатоступiнчастий i трудомiсткий. Руди, з яких виплавляють олово тепер, складнi за складом, окрiм елемента № 50 (у видi окислу або сульфiду) у них звичайно присутнi кремнiй, залiзо, свинець, мiдь, цинк, миш'як, алюмiнiй, кальцiй, вольфрам та iншi елементи. Нинiшнi олов'янi руди рiдко мiстять бiльше 1 % Sn. Це значить, що для одержання кiлограму олова необхiдно добути i переробити щонайменше центнер руди. Як одержують олово з руд Виробництво елементу № 50 з руд i розсипiв завжди починається зi збагачення. Методи збагачення олов'яних руд досить рiзноманiтнi. Застосовують, зокрема, гравiтацiйний метод, заснований на розходженнi густини основного i супутнього мiнералiв. При цьому не можна забувати, що супутнi далеко не завжди бувають порожньою породою. Часто вони мiстять коштовнi метали, наприклад вольфрам, титан, лантаноїди. У таких випадках з олов'яної руди намагаються витягти усi цiннi компоненти. Сполука отриманого олов'яного концентрату залежить вiд сировини й вiд того, яким способом цей концентрат одержували. Вмiст олова в ньому коливається вiд 40 до 70 %. Концентрат направляють у печi для випалу (при 600– 700° С), де з нього вiддаляються вiдносно леткi домiшки миш'яку та сiрки. А велику частину залiза, сурми, вiсмуту i деяких iнших металiв уже пiсля випалу видiляють соляною кислотою. Пiсля того як це зроблено, залишається вiдокремити олово вiд кисню i кремнiю. Тому остання стадiя виробництва чорнового олова – плавка з вугiллям i флюсами у вiдбивних або електричних печах. З фiзико-хiмiчної точки зору цей процес аналогiчний доменному: вуглець «вiднiмає» в олова кисень, а флюси перетворюють двоокис кремнiю в легкий у порiвняннi з металом шлак. У чорновому оловi домiшок ще досить багато: 5– 8 %. Щоб одержати метал сортових марок (96,5–99,9 % Sn), використовують вогневе або рiдше електролiтичне рафiнування. А потрiбне напiвпровiдниковiй промисловостi олово чистотою майже шiсть дев'яток – 99,99985 % Sn – одержують переважно методом зонної плавки. Ще одне джерело Для того, щоб одержати кiлограм олова, не обов'язково переробляти центнер руди. Можна вчинити iнакше: «обдерти» 2000 старих консервних банок. Усього лише пiвграма олова приходиться на кожну банку. Але помноженi на масштаби виробництва цi «пiвграми» перетворюються в десятки тонн… Частка «вторинного» олова в промисловостi капiталiстичних країн становить приблизно третину загального виробництва. У нашiй країнi працюють десятки промислових установок по регенерацiї олова. Як же знiмають олово з бiлої жерстi? Механiчними способами зробити це майже неможливо, тому використовують розходження в хiмiчних властивостях залiза й олова. Найчастiше жерсть обробляють газоподiбним хлором. Залiзо пiд час вiдсутностi вологи з ним не реагує. Олово ж з'єднується з хлором дуже легко. Утвориться паруюча рiдина – хлорне олово SnCl4 , що застосовують у хiмiчнiй i текстильнiй промисловостi або вiдправляють у електролiзер, щоб одержати там з нього металiчне олово. І знову почнеться «круговерть»: цим оловом покриють сталевi аркушi, одержать бiлу жерсть. З неї зроблять банки, банки заповнять їжею й закриють. Потiм їх розкриють, консерви з'їдять, банки викинуть. А потiм вони (не всi, на жаль) знову потраплять на заводи «вторинного» олова. Іншi елементи роблять круговорот у природi за участю рослин, мiкроорганiзмiв i т. д. Круговорот олова – справа рук людських. Олово у сплавах На консервнi банки йде приблизно половина свiтового виробництва олова. Інша половина – у металургiю, для одержання рiзних сплавiв. Ми не будемо докладно розповiдати про найвiдомiший зi сплавiв олова – бронзу, адресуючи читачiв до статтi про мiдь – iнший найважливiший компонент бронзи. Це тим бiльше виправдано, що є безолов'янi бронзи, але немає «безмiдних». Одна з головних причин – створення безолов'яних бронз – дефiцитнiсть елементу № 50. Проте бронза, що мiстить олово, як i ранiше залишається важливим матерiалом i для машинобудування, i для мистецтва. важливi технiчнi задачi при порiвняно невеликих витратах матерiалу. Найчастiше олов'янi сплави застосовують як антифрикцiйнi матерiали або припої. Першi дозволяють зберiгати машини й механiзми, зменшуючи втрати на тертя; другi з'єднують металевi деталi. З усiх антифрикцiйних сплавiв найкращими властивостi мають олов'янi бабiти, у складi яких до 90 % олова. М'якi i легкоплавкi свинцевоолов’янi припої добре змочують поверхню бiльшостi металiв, мають високу пластичнiсть. Однак область їхнього застосування обмежується через недостатню механiчну мiцнiсть самих припоїв. Олово входить також до складу типографського сплаву гарту. Нарештi, сплави на основi олова дуже потрiбнi електротехнiцi. Найважливiший матерiал для електроконденсаторiв – станiоль; це майже чисте олово, перетворене в тонкi аркушi (частка iнших металiв у станiолi не перевищує 5 %). Мiж iншим, багато сплавiв олова – справжнi хiмiчнi сполуки елемента № 50 з iншими металами. Сплавляючись, олово взаємодiє з кальцiєм, магнiєм, цирконiєм, титаном, багатьма рiдкоземельними елементами. Сполуки, що утворюються при цьому, вiдрiзняються досить великою тугоплавкiстю. Так, станiд цирконiю Zr3 Sn2 плавиться лише при 1985° С. І «винна» тут не тiльки тугоплавкiсть цирконiю, але i характер сплаву, хiмiчний зв'язок мiж утворюючими його речовинами. Або iнший приклад. Магнiй до числа тугоплавких металiв не вiднесеш, 651° С – далеко не рекордна температура плавлення. Олово плавиться при ще бiльш низькiй температурi – 232° С. А їхнiй сплав – сполука Mg2 Sn – має температуру плавлення 778° С. Той факт, що елемент № 50 утворює досить численнi сплави такого роду, змушує критично поставитися до твердження, що лише 7 % виробленого у свiтi олова витрачається у виглядi хiмiчних сполук. Певно, мова тут йде тiльки про сполуки з неметалами. Сполуки з неметалами З цих речовин найбiльше значення мають хлориди. 4 розчиняються йод, фосфор, сiрка, багато органiчних речовин. Тому i використовують його головним чином як досить специфiчний розчинник. Дихлорид олова SnCl22 SnО3 . Крiм того, з його допомогою збiльшують масу шовку. 2 – бiлої глазурi. Золотаво-жовтi кристали дисульфiду олова SnО нерiдко називають сухозлiтним золотом, яким «золотять» дерево, гiпс. Це, якщо можна так виразитися, «найантисучаснiше» застосування сполук олова. А найсучаснiше? 3 у радiотехнiку як чудовий дiелектрик. А один з iзотопiв олова зiграв помiтну роль при вивченнi ефекту Месбауера – явища, завдяки якому був створений новий метод дослiдження – гамма-резонансна спектроскопiя. І це не єдиний випадок, коли древнiй метал послужив службу сучаснiй науцi. На прикладi сiрого олова – однiєї з модифiкацiй елемента № 50 – був виявлений зв'язок мiж властивостями i хiмiчною природою напiвпровiдникового матерiалу. І це, певно, єдине, за що сiре олово можна пом'янути добрим словом: шкоди воно принесло бiльше, нiж користi. Ми ще повернемося до цього рiзновиду елемента № 50 пiсля розповiдi про ще одну велику i важливу групу сполук олова. Про оловоорганiку Органiчних сполук, до складу яких входить олово, вiдомо безлiч. Перша з них отримана ще в 1852 р. Спочатку речовини цього класу одержували лише одним способом – в обмiннiй реакцiї мiж неорганiчними сполуками олова i реактивами Гриньяра. Ось приклад такої реакцiї: SnCl4 + 4RMg - SnR + 4MgCl2 (R тут – вуглеводневий радикал). Вперше iнтерес до оловоорганiки виник у роки першої свiтової вiйни. Майже всi органiчнi сполуки олова, отриманi на той час, були токсичнi. Як отруйнi речовини цi сполуки не були використанi, їх токсичнiстю для комах, цвiлевих грибкiв, шкiдливих мiкробiв скористалися пiзнiше. На основi ацетату трифенiлолова (С6 Н5 )3 SnООССН3 був створений ефективний препарат для боротьби з грибковими захворюваннями картоплi та цукрового буряка. У цього препарату виявилася ще одна корисна властивiсть: вiн стимулював рiст i розвиток рослин. Для боротьби з грибками, що розвиваються в апаратах целюлозно-паперової промисловостi, застосовують iншу речовину – гiдроокис трибутилолова (C4 H9 )3 SnOH. Це набагато пiдвищує продуктивнiсть апаратури. 4 H9 )2 Sn (ОСОС11 Н23 )2 i як каталiзатор. Швидкiсть реакцiї утворення уретанiв (мономери полiуретанових каучукiв) у присутностi такого каталiзатора зростає в 37 тис. раз. На основi оловоорганiчних сполук створенi ефективнi iнсектициди; оловоорганiчне скло надiйно захищає вiд рентгенiвського опромiнення, полiмерними свинець- та оловоорганiчними фарбами покривають пiдводнi частини кораблiв, щоб на них не наростали молюски. Усе це сполуки чотирьохвалентного олова. Обмеженi рамки статтi не дозволяють розповiсти про багато iнших корисних речовин цього класу. Про сiре олово Морозною зимою 1916 р. партiя олова була вiдправлена по залiзницi з Далекого Сходу в європейську частину Росiї. Але на мiсце прибули не срiблясто-бiлi зливки, а переважно дрiбний сiрий порошок. За чотири роки до цього вiдбулася катастрофа з експедицiєю полярного дослiдника Роберта Скотта. Експедицiя, що направлялася до Пiвденного полюса, залишилася без палива: воно витекло з залiзних судин крiзь шви, пропаянi оловом. Приблизно в тi ж роки до вiдомого росiйського хiмiка В. В. Марковникова звернулися з iнтендантства з проханням пояснити, що вiдбувається з лудженими чайниками, якими постачали росiйську армiю. Чайник, що принесли в лабораторiю як наочний приклад, був покритий сiрими плямами i наростами, що обсипалися навiть при легкому постукуваннi рукою. Аналiз показав, що i пил, i нарости складалися тiльки з олова, без будь-яких домiшок. Що ж вiдбувалося з металом у всiх цих випадках? Як i багато iнших елементiв, олово має трохи алотропiчних модифiкацiй, кiлька станiв. (Слово «алотропiя» перекладається з грецької як «iнша властивiсть», «iнший поворот»). При нормальнiй плюсовiй температурi олово виглядає так, що нiхто не може засумнiватися в приналежностi його до класу металiв. Бiлий метал, пластичний, ковкий. Кристали бiлого олова (його називають ще бета-оловом) тетрагональнi. Довжина ребер елементарних кристалiчних ґрат – 5,82 i 3,18 А. Але при температурi нижче 13,2° С «нормальний» стан олова iнший. Ледь досягають цей температурний порiг, у кристалiчнiй структурi олов'яного зливка починається перебудова. Бiле олово перетворюється в порошкоподiбне сiре, або альфа-олово, i чим нижче температура, тим бiльше швидкiсть цього перетворення. Максимуму вона досягає при мiнус 39° С. Кристали сiрого олова кубiчної конфiгурацiї; розмiри їхнiх елементарних осередкiв бiльше – довжина ребра 6,49 А. Тому густина сiрого олова помiтно менша, нiж бiлого: 5,76 i 7,3 г/см3 вiдповiдно. Результат перетворення бiлого олова в сiре iнодi називають «олов'яною чумою». Плями i нарости на армiйських чайниках, вагони з олов'яним пилом, шви, що стали проникними для рiдини – наслiдки цiєї «хвороби». тi або iншi добавки. Виявилося, що алюмiнiй i цинк сприяють цьому процесовi, а вiсмут, свинець i сурма, навпаки, протидiють йому. Ще раз про дефiцит металу, безсумнiвно, дуже корисного – неясно. Неясно тiльки по однiй причинi. Кiлька рокiв тому американське Гiрське бюро опублiкувало розрахунки, з яких випливало, що розвiданих запасiв елемента № 50 вистачить свiтовi якнайбiльше на 35 рокiв. Правда, уже пiсля цього було знайдено кiлька нових родовищ, у тому числi найбiльше в Європi, розташоване на територiї Польщi. І проте дефiцит олова продовжує тривожити фахiвцiв. Недостача цього металу хвилювала навiть класикiв лiтератури. Пам’ятаєте в Андерсена? «Двадцять чотири солдатики були зовсiм однаковi, а двадцять п'ятий солдатик був одноногий. Його вiдливали останнiм, i олова небагато не вистачило». Тепер олова не вистачає не небагато. Недарма навiть двоногi олов'янi солдатики стали рiдкiстю – частiше зустрiчаються пластмасовi. Але при всiй повазi до полiмерiв замiнити олово вони можуть далеко не завжди. Додаткова iнформацiя ІЗОТОПИ. Олово – один iз «багатоiзотопних» елементiв: природне олово складається з десяти iзотопiв з масовими числами 112, 114–120, 122 i 124. Найпоширенiший з них 120 123, 125–134 отриманi штучно. Час життя цих iзотопiв далеко не однаковий. Так, олово-123 має перiод напiврозпаду 136 днiв, а олово-132 всьго 2,2 хвилини. ЧОМУ БРОНЗУ НАЗВАЛИ БРОНЗОЮ? Слово «бронза» майже однаково звучить на багатьох європейських мовах. Його походження пов'язують з назвою невеликого iталiйського порту на березi Адрiатичного моря – Бриндизи. Саме через цей порт доставляли бронзу до Європи в старовину, i в Давньому Римi цей сплав називали «ес бриндиси» – мiдь iз Бриндизи. НА ЧЕСТЬ ВИНАХІДНИКА . Латинське слово frictio означає «тертя». Звiдси назва антифрикцiйних матерiалiв, тобто матерiалiв «проти тертя». Вони мало стираються, вiдрiзняються м'якiстю i тягучiстю. Головне їхнє застосування – виготовлення пiдшипникових вкладишiв. Перший антифрикцiйний сплав на основi олова i свинцю запропонував у 1839 р. iнженер Бабiт. Звiдси назва великої i дуже важливої групи антифрикцiйних сплавiв – бабiтiв. ЖЕРСТЬ ДЛЯ КОНСЕРВУВАННЯ. Спосiб тривалого збереження харчових продуктiв консервуванням у банках з бiлої жерстi, покритої оловом, першим запропонував французький кухар Ф. Аппер у 1809 р.»