Уравнения взаимодействия олова с концентрированной серной 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.

Химические свойства олова

Сообщение об ошибке

Содержание

Химические свойства олова

Превращение белого олова в серое – явление, которое называют оловянной чумой. Обычно медленно идущее превращение ускоряется при соприкосновении с уже превращенным металлом, при этом резко изменяются свойства олова, оно превращается в порошок.

Чем чище олово и чем большей деформации оно подверглось перед хранением, тем быстрее при низких температурах происходит превращение белого олова в серое. Высокая скорость превращения наблюдается в присутствии примесей Те, Мn, Со, Zn, А1, Ga и As, в меньшей мере Fe и Au; сильно уменьшают скорость превращения Pb, Cd, Sb и Ag, в меньшей мере Ni и Сu; добавка 0,5 % Bi полностью предотвращает оловянную чуму.

Серое олово обладает полупроводниковыми свойствами.

Прочная тонкая поверхностная пленка окислов делает олово устойчивым но отношению к воздуху и воде. Медленное окисление олова на воздухе с образованием SnO и SnO₂ наблюдается лишь выше 150 °С. Бидистиллят совершенно не растворяет олово. При высокой температуре олово легко и полностью сгорает, образуя двуокись олова.

С хлором и бромом олово взаимодействует при обычной температуре, с иодом – при слабом нагревании. Реакция с фтором протекает при обычной температуре чрезвычайно медленно, при 100 °С идет очень бурно – с появлением пламени. При нагревании олово энергично реагирует с серой, селеном и теллуром, взаимодействует с фосфором, а с азотом, углеродом, кремнием и водородом непосредственно не взаимодействует, однако косвенным путем можно получить гидриды, нитриды и имиды олова.

Близость нормального потенциала олова и водорода, а также высокое перенапряжение водорода на олове объясняют малую скорость взаимодействия этого металла с разбавленными кислотами (особенно в отсутствие кислорода). В присутствии кислорода скорость растворения существенно возрастает. Устойчиво олово также в атмосфере газообразного сероводорода, насыщенного влагой, и в его насыщенном водном растворе.

Концентрированная соляная кислота легко (особенно при нагревании) растворяет олово с образованием SnCl₂ и водорода. Интересно отметить, что реакция β -олова с 37 %-ной НCl при – 17 °С идет с образованием SnCl₂ и водорода. В этих условиях α -олово образует SnCl₄.

Скорость бесстружкового растворения олова в 5,54N НСl при 17 °С лимитируется скоростью анодно-катодного процесса, в то время как скорость растворения таких металлов, как магний и цинк, значительно больше и лимитируется скоростью диффузии растворителя к поверхности металла.

Сильно разбавленная холодная азотная кислота медленно растворяет олово и образует Sn(NO₃)₂. При этом не происходит выделения водорода, а идет восстановление азотной кислоты. Концентрированная азотная кислота энергично взаимодействует с оловом и образует нерастворимую β -оловянную кислоту. С концентрированной серной кислотой олово взаимодействует гораздо медленнее.

Олово очень хорошо растворяется в царской водке. Реакция протекает по уравнению

Растворы (1%-ные) уксусной и молочной кислот взаимодействуют с оловом примерно с такой же скоростью, как серная кислота, и приблизительно в 3 раза медленнее, чем соляная кислота.

0,1N раствор лимонной кислоты при 25 °С растворяет олово почти с такой же скоростью, как соляная кислота при тех же условиях. Олово реагирует со стеариновой и олеиновой кислотами при высоких температурах. Наиболее агрессивной из изученных органических кислот по отношению к олову оказалась щавелевая.

Щелочи медленно растворяют олово даже на холоду и при низких концентрациях. Скорость растворения значительно повышается в присутствии воздуха. При этом в растворе образуются гидроксостаннат-ионы [Sn(OH)₂] 2- . Растворимость олова в щелочах используют для снятия его со старых консервных банок, после чего металл выделяют из раствора электролитически. Для переведения олова в раствор применяют метод анодного растворения олова в концентрированном растворе NaOH. При этом, однако, возможно пассивирование олова, если плотность тока превышает определенную величину.

Негидролизующиеся соли соляной, серной и других кислот не разрушают окисную пленку на олове; в случае коррозионного процесса либо происходит утолщение окисной пленки и поверх¬ность олова тускнеет, либо появляются черные пятна и коррозия носит точечный характер. Соли, подвергающиеся гидролизу и имеющие в растворах кислую реакцию (FeCl₃, АlСl₃), в присутствии окислителей вызывают коррозию олова.

В таблице представлена стойкость олова против некоторых реагентов.

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.