Уравнение реакции взаимодействие олово с кислотами

Олово: степени окисления и реакции с ним

Химические свойства олова

Олово – это легкий металл с атомным номером 50, который находится в 14-й группе периодической системы элементов. Этот элемент был известен еще в древности и считался одним из самых редких и дорогих металлов, поэтому изделия из олова могли позволить себе самые богатые жители Римской Империи и Древней Греции. Из олова изготавливали специальную бронзу, которой пользовались еще в третьем тысячелетии до нашей эры. Тогда бронза была самым прочным и популярным сплавом, а олово служило одной из примесей и использовалось более двух тысяч лет.

На латыни этот металл называли словом «stan­num», что означает стойкость и прочность, однако таким названием ранее обозначался сплав свинца и серебра. Только в IV веке этим словом начали называть само олово. Само же название «олово» имеет множество версий происхождения. В Древнем Риме сосуды для вина делались из свинца. Можно предположить, что оловом называли материал свинец, из которого изготавливали сосуды для хранения напитка оловина, употребляемого древними славянами.

В природе этот металл встречается редко, по распространенности в земной коре олово занимает всего лишь 47-е место и добывается из касситерита, так называемого оловянного камня, который содержит около 80 процентов этого металла.

Применение в промышленности

Так как олово является нетоксичным и весьма прочным металлом, он применяется в сплавах с другими металлами. По большей части его используют для изготовления белой жести, которая применяется в производстве банок для консервов, припоев в электронике, а также для изготовления бронзы.

Физические свойства олова

Этот элемент представляет собой металл белого цвета с серебристым отблеском.

Если нагреть олово, можно услышать потрескивание. Этот звук обусловлен трением кристалликов друг о друга. Также характерный хруст появится, если кусок олова просто согнуть.

Олово весьма пластично и ковко. В классических условиях этот элемент существует в виде «белого олова», которое может модифицироваться в зависимости от температуры. Например, на морозе белое олово превратится в серое и будет иметь структуру, схожую со структурой алмаза. Кстати, серое олово очень хрупкое и буквально на глазах рассыпается в порошок. В связи с этим в истории есть терминология «оловянная чума».

Раньше люди не знали о таком свойстве олова, поэтому из него изготавливались пуговицы и кружки для солдат, а также прочие полезные вещи, которые после недолгого времени на морозе превращались в порошок. Некоторые историки считают, что именно из-за этого свойства олова снизилась боеспособность армии Наполеона.

Получение олова

Основным способом получения олова является восстановление металла из руды, содержащей оксид олова(IV) с помощью угля, алюминия или цинка.

Особо чистое олово получают электрохимическим рафинированием или методом зонной плавки.

Химические свойства олова

При комнатной температуре олово довольно устойчиво к воздействию воздуха или воды. Это объясняется тем, что на поверхности металла возникает тонкая оксидная пленка.

На воздухе олово начинает окисляться только при температуре свыше 150 °С:

Если олово нагреть, этот элемент будет реагировать с большинством неметаллов, образуя соединения со степенью окисления +4 (она более характерна для этого элемента):

Взаимодействие олова и концентрированной соляной кислоты протекает довольно медленно:

Sn + 4HCl → H₂[SnCl₄] + H₂

С концентрированной серной кислотой олово реагирует очень медленно, тогда как с разбавленной в реакцию не вступает вообще.

Очень интересна реакция олова с азотной кислотой, которая зависит от концентрации раствора. Реакция протекает с образованием оловянной кислоты, H₂S­nO₃, которая представляет собой белый аморфный порошок:

3Sn + 4H­NO₃ + nH₂O = 3H₂S­nO₃·nH₂O + 4NO

Если же олово смешать с разбавленной азотной кислотой, этот элемент будет проявлять металлические свойства с образованием нитрата олова:

4Sn + 10H­NO₃ = 4Sn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O

Нагретое олово нагреть может реагировать со щелочами с выделением водорода:

Sn + 2KOH + 4H₂O = K₂[Sn(OH)₆] + 2H₂

Здесь вы найдете безопасные и очень красивые эксперименты с оловом.

Степени окисления олова

В простом состоянии степень окисления олова равняется нулю. Также Sn может иметь степень окисления +2: оксид олова(II) SnO, хлорид олова(II) SnCl₂, гидроксид олова(II) Sn(OH)₂. Степень окисления +4 наиболее характерна для оксида олова(IV) SnO₂, галогенидах(IV), например хлорид SnCl₄, сульфид олова(IV) SnS₂, нитрид олова(IV) Sn₃N₄.

Олово

Общие сведения и методы получения

Олово ( Sn )—серебристо-белый блестящий металл с голубоватым от­тенком. Известно с глубокой древности, начало промышленного приме­нения относится к XIV в.

Содержание олова в земной коре 4*10 —3 % (по массе). Всего извест­но 16 оловосодержащих минералов, представленных оксидами, сульфи­дами, силикатами, тиостаннатами, боратами, танталитами. Промышлен­ное значение имеют касситерит (оловянный камень) Sn 0₂ и станнин (оловянный колчедан) CuS — FeS — SnS ₂ .

Олово получают нз руд, содержащих касситерит; руды, содержащие олово в виде станнина, в промышленном масштабе не разрабатываются. Руду обогащают методами гравитационного разделения, флотации и магнитной сепарации. Концентрат подвергают предварительной очистке от примесей обжигом (для удаления серы н мышьяка), выщелачиванием соляной кислотой (для удаления железа, висмута, сурьмы, мышьяка) с последующим отделением магнетита и вольфрамита. Очищенный кон­центрат, содержащий 40—70 % Sn , плавят в смеси с углем н флюсами, получая черновой металл.

Восстановительную плавку ведут в условиях, при которых оксид олова ( Sn 0₂) восстанавливается до металла, а оксид железа (III) —до оксида (II), переходящего в шлак. Из бедных концентратов олово из­влекают хлорированием, основанным на летучести хлоридов олова.

Для получения нз чернового олова металла стандартных сортовых марок его подвергают рафинированию. Наиболее распространенные ме­тоды рафинирования — пирометаллургическое (огневое), вакуумное, электролитическое.

Огневое рафинирование состоит из ряда последовательных операций, в каждой из которых удаляется одна-две примеси. От железа черное олово очищают медленным охлаждением расплава и отфильтрованием выпадающих в осадок интерметаллидов, от меди — добавлением в рас­плав серы и отделением всплывающих ее сульфидов, от мышьяка и сурьмы — введением в расплав алюминия и удалением всплывающих интерметаллидов AlSb и AlAs , от свинца — присадкой хлористого олова, которое взаимодействует со свинцом, образуя удаляемый хлористый свинец. Огневым рафинированием получают металл марки 01, повторе­нием цикла рафинирования —металл марки 01пч.

Вакуумная дистилляция позволяет наиболее эффективно удалять свинец, висмут, а также заметное количество алюминия, кальция, индия.

Прн электролитическом рафинировании достигается высокое прямое извлечение олова в катодный металл, основная масса примесей концент­рируется при этом в одном продукте — шламе. Олово высокой чистоты (99,999 %) получают зонной плавкой в кварцевых или графитовых кю­ветах

Олово всех марок изготавливают в виде чушек, олово марки ОВЧ-000— также в слитках, в виде прутков, а марок 01пч н 01—в виде блоков, пригодных для механизированной транспортировки. Олово следует хранить в закрытом помещении при температуре не ниже 12 «С. В случае обнаружения на олове признаков «оловянной чумы» все слит­ки направляют на переплавку.

Атомные характеристики. Атомный номер 50, атомная масса 118,69 а. е. м, атомный объем 16,29-10^ 6 м 3 /моль, атомный раднус 0,158 п v , ионный радиус Sn 2+ 0,093 им, Sn ‘ ,+ 0,071 нм. Конфигурация внешних электронных оболочек атома олова 5 s 2 5р 2 . Электроотрица-телыюсть 1,8. Природное олово состоит из десяти изотопов: 112 Sn (0,95%), 1,4 Sn (0,65%), «» Sn (0,34%), 116 Sn (14,24%), ‘» Sn (7,57%), ,18 Sn (24,01%), «» Sn (8,58%), 120 Sn (32,97 %), 122 Sn (4,71%), ,2 » Sn (5,98 %). Последний изотоп слабо радиоактивен.

В соединениях проявляет степень окисления +2 и +4. Нормальный электродный потенциал реакции Sn —2 e ** Sn 2 +ф₀=—0,136 В, окисли­тельно-восстановительный потенциал +0,15. Электрохимический эквива­лент олова составляет 0,61388 мг/Кл (степень окисления +2); 0,30833 мг/Кл (степень окисления +4).

В атмосферных условиях олово устойчиво, скорость коррозии в за­крытом помещении 0,0004 г/(м 2 -сут), в промышленной атмосфере 0,0067 г/(м 2 -сут), в морской атмосфере 0,011 г/(см 2 -сут).

В мягкой пресной н дистиллированной воде олово не корродирует, в жесткой воде при рН = 7,4 и 8,6 скорость коррозии соответственно равна 0,001 н 0,0045 г/(м 2 -сут). В минеральных и галогеноводородных кислотах олово в присутствии кислорода и при повышенной температу­ре корродирует быстро. Плавиковая и циаинсто-водородная (синильная) кислоты действуют на олово медленно; в лимонной и уксусной кисло­тах при концентрации их

0,75 % и комнатной температуре скорость коррозии 0,05—0,1 г/(м 2 -сут). В молочной и масляной кислотах кон­центрацией

1 % при комнатной температуре коррозия незначительна. Олеиновая, стеариновая и щавелевая кислоты сильно действуют иа оло­во при высоких температурах. Коррозия олова под воздействием фрук­товых соков при комнатной температуре составляет 0,1—2,5 г/(м 2 -сут), при температуре кипения возрастает более чем в 10 раз. Смазочные ма­сла, бензин, керосин на олово практически не влияют. Олово сильно кор­родирует в хлоре, броме и иоде при комнатной температуре, а во фторе при температуре выше 100 °С.

Разбавленные соляная и серная кислоты слабо взаимодействуют с оловом. В концентрированных растворах этих кислот, особенно при на­греве, олово быстро растворяется.

При взаимодействии олова с соляной кислотой образуется хлорид олова (II), а с серной — сульфат олова (IV). С азотной кислотой олово взаимодействует тем интенсивнее, чем выше концентрация кислоты и температура; в случае разбавленной кислоты образуется нитрат олова (II) [ Sn ( N 0₃)₂], а в случае концентрированной — соединения олова (IV), в основном нерастворимая 6-оловянная кислота ( H ₂ Sn 0₃).

Концентрированные щелочи также растворяют олово, прн этом об­разуются станниты — соли оловянистой кислоты H ₂ Sn 0₂.

На воздухе при комнатной температуре олово не окисляется, благо­даря наличию поверхностной пленки Sn 0₂. Выше 150°С окисляемость увеличивается с образованием SnO и Sn 0₂.

Оксид олова (II) SnO черного цвета, плотность 6,446 Мг/м 3 , темпе­ратура плавления 1040″С, температура кипения 1425°С. При нагреве до 400—500 °С SnO легко переходит к оксид олова (IV) Sn 0₂. Оксид олова (IV) представляет собой белый порошок плотностью 7,009 Мг/м 3 ; температура плавления около 2000 °С.

Сера, сероводород и сернистый газ образуют с оловом сульфиды SnS , Sn ₂ S ₃ ; SnS ₂ .

Сульфид олова (II) SnS получают нагреванием олова с серой и уг­лем примерно до 900 °С. SnS — твердое вещество синевато-черного цве­та, плотность 5,080 Мг/м 3 , температура плавления 880 °С, температура кипения 1270°С.

Сульфид олова (IV) SnS ₂ получают в виде золотисто-желтых пла­стинок нагреванием амальгамы олова с серным цветом и хлористым ам­монием до

300°С, а аморфный — нагреванием в инертном газе аморф­ного SnS с серой при —450 °С.

Сульфид олова Sn ₂ S ₃ — синевато-черные кристаллы; выше 640 °С раз­лагаются на SnS и S .

Хлорид олова (II) SnCls получают растворением олова в концентри­рованной соляной кислоте; из растворов оно кристаллизуется в виде бе­лых кристаллов SnCl ₂ -2 H ₂ 0. Плотность SnCl ₂ 3,950 Мг/м 3 ; температура плавления 247°С, температура кипения 652°С. Хлорид олова (IV) SnCl ₄ —бесцветная жидкость, сильно дымящая на воздухе, температура кипения Н4°С, температура плавления —33 °С, плотность 2,230 Мг/м 3 ; хлорид олова (IV) получают действием сухого хлора на жидкое олово.

Другие галогениды Sn (II) и Sn (IV) по способам получения и свойствам во многом сходны с хлоридами.

Гидрид олова SnH ₄ можно получить, воздействуя на кислые раство­ры солей Sn (II) цинком. Это бесцветный ядовитый газ; он сжижается при —52 °С, а при комнатной температуре постепенно разлагается на олово н водород.

С азотом и аммиаком олово ие реагирует, поэтому карбиды олова получают косвенным путем.

С фосфором олово образует белые кристаллические нерастворимые в воде фосфиды: SnP , SnP ₃ , Sn ₄ P ₃ плотностью 6,560, 4,100 и 5,181 Мг/м 3 соответственно.

С углеродом, бором, молибденом, осмием, рением и вольфрамом олово не взаимодействует. С алюминием, висмутом, кадмием, галлием, германием, индием, свинцом, кремнием, таллием и цинком образует про­стые эвтектические смеси. В твердом состоянии заметно растворяются в олове висмут, кадмий, индий, свинец, сурьма и цинк. Многие металлы в твердом олове практически не растворяются, но образуют металличе­ские соединения.

Олово хорошо поддается выдавливанию ка прутки и проволоку, а также прокатке и ковке. Волочение и вытяжка затруднены, так как оло­во не упрочняется при комнатной температуре, что приводит к обрывам в местах уменьшенного сечения При изготовлении фольги для улучше­ния обрабатываемости давлением добавляют сурьму. Линейная усадка олова 2,7 %, объемная усадка 2,8 %, жидкотекучесть 80 см. Обрабаты­ваемость резанием олова удовлетворительная, свариваемость хорошая, возможна пайка мягким припоем.

Рекристаллизация деформированного олова начинается при комнат­ной температуре; температура рекристаллизации олова при наличии при­месей сурьмы, свинца, висмута, меди и алюминия повышается в порядке последовательности перечисления этих элементов.

Олово применяют главным образом дли производства белой жести, раз­личных припоев, баббитов, предохранительных легкоплавких сплавов, бронз, латуней, для изготовления фольги и типографских сплавов. Оло­во высокой чистоты используют в полупроводниковой технике.

Олово имеет высокую химическую стойкость, соли его безвредны, поэтому этот металл широко применяют для лужения консервных ба­нок и пищевой посуды. Оксид олова (IV) используют в производстве эмалей и глазурей, для полирования стекла. Оксид олова (II) приме­няют для получения рубинового стекла. Кристаллическое SnS ₂ («су­сальное золото») входит в состав красок, имитирующих позолоту. Оло­во является основной легирующей добавкой к серебряным сплавам, применяемым в медицине.

Sn — Олово

ОЛОВО (лат. Stannum), Sn, химический элемент с атомным номером 50, атомная масса 118,710. О происхождении слов «stannum» и «олово» существуют различные догадки. Латинское «stannum», которое иногда производят от саксонского «ста» — прочный, твердый, первоначально означало сплав серебра и свинца. «Оловом» в ряде славянских языков называли свинец. Возможно, русское название связано со словами «ол», «оловина» — пиво, брага, мед: сосуды из олова использовались для их хранения. В англоязычной литературе для названия олова используется слово tin. Химический символ олова Sn читается «станнум».

Природное олово состоит из девяти стабильных нуклидов с массовыми числами 112 (в смеси 0,96% по массе), 114 (0,66%), 115 (0,35%), 116 (14,30%), 117 (7,61%), 118 (24,03%), 119 (8,58%), 120 (32,85%), 122 (4,72%), и одного слабо радиоактивного олова-124 (5,94%). 124 Sn — b -излучатель, его период полураспада очень велик и составляет T_1/2 = 10 16 –10 17 лет. Олово расположено в пятом периоде в IVА группе периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Конфигурация внешнего электронного слоя 5s 2 5p 2 . В своих соединениях олово проявляет степени окисления +2 и +4 (соответственно валентности II и IV).

Металлический радиус нейтрального атома олова 0,158 нм, радиусы иона Sn 2+ 0,118 нм и иона Sn 4+ 0,069 нм (координационное число 6). Энергии последовательной ионизации нейтрального атома олова равны 7,344 эВ, 14,632, 30,502, 40,73 и 721,3 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность олова 1,96, то есть олово находится на условной границе между металлами и неметаллами.

Физические и химические свойства: простое вещество олово полиморфно. В обычных условиях оно существует в виде b -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 b -Sn 7,228 г/см 3 . Температура плавления 231,9°C, температура кипения 2270°C.

При охлаждении, например, при морозе на улице, белое олово переходит в a -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 b -Sn a -Sn сопровождается увеличением удельного объема на 25,6% (плотность a -Sn составляет 5,75 г/см 3 ), 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. (Подробнее об «оловянной чуме» см. интересные факты об олове, ссылка внизу этой страницы).

Из-за сильного различия структур двух модификаций олова разнятся и их электрофизические свойства. Так, b -Sn — металл, а a -Sn относится к числу полупроводников. Ниже 3,72 К a -Sn переходит в сверхпроводящее состояние. Стандартный электродный потенциал E °Sn 2+ /Sn равен –0.136 В, а E пары °Sn 4+ /Sn 2+ 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:

При нагревании олово реагирует с большинством неметаллов. При этом образуются соединения в степени окисления +4, которая более характерна для олова, чем +2. Например:

С концентрированной соляной кислотой олово медленно реагирует:

Возможно также образование хлороловянных кислот составов HSnCl₃, H₂SnCl₄ и других, например:

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:

При взаимодействии с разбавленной азотной кислотой олово проявляет свойства металла. В результате реакции образуется соль нитрат олова (II):

При нагревании олово, подобно свинцу, может реагировать с водными растворами щелочей. При этом выделяется водород и образуется гидроксокомплекс Sn (II), например:

Гидрид олова — станнан SnH₄ — можно получить по реакции:

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:

При сильном нагреве оксид олова (II) диспропорционирует:

При хранении на воздухе монооксид SnO постепенно окисляется:

При гидролизе растворов солей олова (IV) образуется белый осадок — так называемая a -оловянная кислота:

Свежеполученная a -оловянная кислота растворяется в кислотах и щелочах:

При хранении a -оловянная кислота стареет, теряет воду и переходит в b -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):

Этот сульфид может быть легко окислен до SnS₂ раствором полисульфида аммония:

Образующийся дисульфид SnS₂ растворяется в растворе сульфида аммония (NH₄)₂S:

Четырехвалентное олово образует обширный класс оловоорганических соединений, используемых в органическом синтезе, в качестве пестицидов и других.

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.

Нахождение в природе: олово — редкий рассеянный элемент, по распространенности в земной коре олово 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).

Получение: для добычи олова в настоящее время используют руды, в которых его содержание равно или немного выше 0,1%. На первом этапе руду обогащают (методом гравитационной флотации или магнитной сепарации). Таким образом удается повысить содержание олова в руде до 40-70%. Далее проводят обжиг концентрата в кислороде для удаления примесей серы и мышьяка. Затем полученный таким образом оксид SnO₂ восстанавливают углем или алюминием (цинком) в электропечах:

Особо чистое олово полупроводниковой чистоты готовят электрохимическим рафинированием или методом зонной плавки.

Применение: важное применение олова — лужение железа и получение белой жести, которая используется в консервной промышленности. Для этих целей расходуется около 33% всего добываемого олова. До 60% производимого олова используется в виде сплавов с медью, медью и цинком, медью и сурьмой (подшипниковый сплав, или баббит), с цинком (упаковочная фольга) и в виде оловянно-свинцовых и оловянно-цинковых припоев. Олово способно прокатываться в тонкую фольгу — станиоль, такая фольга находит применение при производстве конденсаторов, органных труб, посуды, художественных изделий. Олово применяют для нанесения защитных покрытий на железо и другие металлы, а также на металлические изделия (лужение). Дисульфид олова SnS₂ применяют в составе красок, имитирующих позолоту («сусальное золото»).

Искусственный радионуклид олова 119 Sn — источник v -излучения в мессбауэровской спектроскопии.

Физиологическое действие: о роли олова в живых организмах практически ничего не известно. В теле человека содержится примерно (1-2)·10 –4 % олова, а его ежедневное поступление с пищей составляет 0,2-3,5 мг. Олово представляет опасность для человека в виде паров и различных аэрозольных частиц, пыли. При воздействии паров или пыли олова может развиться станноз — поражение легких. Очень токсичны некоторые оловоорганические соединения. Временно допустимая концентрация соединений олова в атмосферном воздухе 0,05 мг/м 3 , ПДК олова в пищевых продуктах 200 мг/кг, в молочных продуктах и соках — 100 мг/кг. Токсическая доза олова для человека — 2 г.