Олово

Олово (Sn)
Атомний номер	50
Зовнішній вигляд простої речовини	сріблясто-білий, м'який метал
Властивості атома
Атомна маса (молярна маса)	118,71 а.о.м. (г/моль)
Радіус атома	162 пм
Енергія іонізації (перший електрон)	708,2(7,34) кДж/моль (еВ)
Електронна конфігурація	[Kr] 4d10 5s2 5p2
Хімічні властивості
Ковалентний радіус	141 пм
Радіус іона	( 4e)71 ( 2)93 пм
Електронегативність (за Полінгом)	1,96
Електродний потенціал	0
Ступені окиснення	4, 2
Термодинамічні властивості
Густина	7,31 г/см³
Молярна теплоємність	27,112 Дж/(К·моль)
Теплопровідність	66,8 Вт/(м·К)
Температура плавлення	505,1 К
Теплота плавлення	7,07 кДж/моль
Температура кипіння	2543 К
Теплота випаровування	296 кДж/моль
Молярний об'єм	16,3 см³/моль
Кристалічна ґратка
Структура ґратки	тетрагональна
Період ґратки	5,820 Å
Відношення с/а	n/a
Температура Дебая	170,00 К
Інші властовості
Критична точка	н/д
H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og * La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu ** Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
Олово у Вікісховищі

О́лово, ста́нум(хімічний знак — ${\ce {Sn}}$, лат. stannum — стійкий, міцний), у нефаховій літературі також ста́ній, ци́на — хімічний елемент з атомним номером 50, що належить до 14-ї групи, 5-го періоду періодичної системи хімічних елементів. Утворює просту речовину — метал о́лово.

В художній літературі зустрічається також застаріла назва о́ливо.

Походження назви

Латинська назва олова — stannum, первісно означала стоп срібла зі свинцем, а свого сучасного значення набула у IV ст. до н. е. До цього часу для позначення олова у Давньому Римі уживали слово plumbum album («білий плюмбум», «білий свинець», на відміну від простого, «чорного» свинця — plumbum nigrum). Судячи з усього, римляни вважали олово видозміною свинцю. Stannum походить від ранішої форми stāgnum, походження якої неясне. Припускають, що це може бути запозичення з мови доіндоєвропейського населення Італії. Енциклопедичний словник Мейєра пропонує версію походження слова stāgnum з давньокорнської мови (пор. сучасне корн. stean), наводячи за доказ те, що Корнуолл був значним постачальником цього металу у перших століттях нашої ери. Малопереконливою є версія, яка пов'язує це слово з санскритським stha («стояти», «стійко триматися») або sthavan («міцно», «стійко»).

Українське «олово» (застаріле «оливо») походить від прасл. *olovo, звідки також біл. волава («олово», «свинець») і рос. олово («олово»). У більшості слов'янських мов похідними від *olovo зовуть інший метал — свинець (пол. ołów (від нього походить українське «олівець»), чеськ., словац. і хорв. olovo, болг. і мак. олово, серб. олово/olovo, застаріле українське оливо в цім значенні), а щодо олова уживають інші слова: пол. cyna, чеськ. і словац. cín, болг. калай, мак. калаj, серб. kalaj/калаj, хорв. kositar, словен. kositer. У східнослов'янських мовах теж існують інші назви олова: біл. цына, укр. цина.

Праслов'янське *olovo споріднене з лит. alavas («олово») та латис. alva, alvs («олово»), прусськ. alwis («свинець»), і можливо, з давн.в-нім. ёlo («жовтий»), лат. albus («білий»), грец. ἀλφός («білий лишай», «проказа»), разом з якими виводять з пра-і.є. *h₂élbʰos, *álbʰos, *albʰós («білий»). Тобто «олово» — «білий метал». Друга версія виводить *olovo від прасл. *liti («лити»), тобто «метал, який відливають». Інші виводять *olovo від нім. Blei, лат. plumbum та грец. μολυβδος («свинець», звідси і назва молібдену), від лат. oleum («олія» — начебто від того, що з олова робили посуд для її зберігання).

Слово «цина» походить через пол. cyna з нім. Zinn, що, в свою чергу, є похідним від прагерм. *tinom («олово»), з якого походить також англ. tin.

Загальна характеристика

Олово — поширений елемент, його кларк у земній корі 0,8·10⁻³ % за масою. Він має тенденцію до накопичення в пізніх продуктах еволюції магматичних розтопів — пегматитах, а також в гідротермальних утвореннях. Відомо понад 20 основних мінералів олова, з яких промислове значення мають каситерит SnO₂ (78,6 %) — головний мінерал олов'яних руд, а також станін Cu₂FeSnS₄ (27,7 %), тиліт PbSnS₂ (30,4 %), франкеїт Pb₅Sn₃Sb₂S₁₄ (17 %) і циліндрит Pb₃Sn₄Sb₂S₁₄.

Проста речовина олова за нормальних умов — м'який сріблясто-білий метал, стійкий до хімічних реагентів. Його густина 7310 кг/м³, t_плав. 231,93 °C; t_кип 2602 °C, питомий електричний опір 11,5·10⁻⁸ Ом·м (20 °C). Границя міцності при розтягненні 16,6 МПа, відносне подовження 80-90 %, твердість за Брінеллем 38,3–41,2 МПа.

Олово поліморфне. За звичайних умов елемент існує у вигляді β-модифікації (біле олово, β-Sn), яка є стійкою при температурі вищій від 13,2 °C. Біле олово — це м'який, пластичний метал, з тетрагональною кристалічною ґраткою, параметри a = 0,5831, c = 0,3181 нм. Координаційне оточення кожного атома олова в ньому — октаедр.

При охолодженні біле олово переходить в α-модифікацію (сіре олово, α-Sn). Хоча температура рівноваги взаємопереходу модифікацій становить 13,2 °С, в реальних умовах поліморфне перетворення стає помітним лише при температурі нижчій за 0 °С. Сіре олово має структуру алмаза (кубічна кристалічна ґратка з параметром а = 0,6491 нм). В сірому олові координаційний поліедр кожного атома — тетраедр, координаційне число 4. Фазове перетворення β-Sn в α-Sn супроводжене зростанням питомого об'єму на 25,6 % (густина α-Sn становить 5769 кг/м³), що спричиняє розсипання олова у порошок (явище отримало назву «олов'яна чума»). Найшвидший перехід з білого олова в сіре відбувається при -48 °C.

Ще дві алотропні форми γ і σ, виявлено при температурах вищих за 161 °C і тисках, що перевищують декілька ГПа.

Історія

Олово в стопах з міддю визначило «бронзову добу» (~4000-1000 рр. до н. е.) матеріальної культури людства. У старовину його видобували на території Англії, Болівії, Китаю і на Кавказі.

Ізотопи

Олово (станум) має найбільшу кількість стабільних ізотопів з усіх хімічних елементів — 9. Вони мають атомні маси від 112 до 124, за винятком мас 113, 121 та 123. Найбільше в рудах ізотопів ¹²⁰Sn — майже третина, ¹¹⁸Sn та ¹¹⁶Sn, найменше ¹¹⁵Sn. Ізотопи з парним масовим числом не мають ядерного спіна, а ізотопи з непарним масовим числом мають спін 1/2. Ізотопи ¹¹⁵Sn, ¹¹⁷Sn та ¹¹⁹Sn серед тих, які найпростіше детектують за допомогою ядерного магнітного резонансу.

Таке велике число стабільних ізотопів вважають наслідком того, що атомний номер олова 50 — одне з магічних чисел. Існує також 28 нестабільних ізотопів, а весь діапазон можливих атомних мас простягяється від 99 до 137. Крім ¹²⁶Sn, у якого період напіврозпаду 230 тис. років, усі решту живуть менше року. Серед цих ізотопів подвійно-магічний ¹⁰⁰Sn.

Утворення

Олово утворюється внаслідок s-процесу в зорях із масою від 0,6 до 10 сонячних. Цей процес проходить при бета-розпаді ядра атома Індію після захоплення ним нейтрона.

Хімічні сполуки

При нагріванні в кисневій атмосфері олово утворює діоксид SnO₂ (каситерит). SnO₂ амфотерний і утворює солі станатів (SnO²⁻
₃) з основами та солі олова(IV) з кислотами. Існують також станати зі структурою [Sn(OH)₆]²⁻, на кшталт K₂[Sn(OH)₆], хоча у вільному стані кислота H₂[Sn(OH)₆] невідома.

Олово об'єднюється безпосередньо з хлором утворюючи хлорид олова(IV), але при реакції з хлоридною кислотою утворюється хлорид олова(II) з виділенням водню у вигляді газу. Існує кілька інших сполук олова зі ступенями окиснення 2 та 4, наприклад сульфід олова(II) та сульфід олова(IV). Проте існує тільки один гідрид — станан (SnH₄), в якому олово має ступінь окиснення 4.

Найбільше практичне значення має хлорид олова(II), який використовують як відновник та як протрава при фарбуванні тканин. При нанесенні сполук олова на скло методом розпилювання утворюються електропровідні покриття, що знайшли застосування в панельному освітленні та при виготовленні морозостійкого вітрового скла для автомобілів.

Такі сполуки олова, як флуорид олова(II) SnF₂ додають до деяких продуктів, котрі використовують при догляді за зубами. SnF₂ можна змішувати з абразивами на основі кальцію, тоді як звичний флуорид натрію в суміші з кальцієвими сполуками поступово втрачає свою хімічну активність. Показано також, що він ефектившіний від флуориду натрію при запобіганні гінгівіту.

Отримання

Світові запаси та
річний видобуток олова
(тис. т) станом на 2014 рік

Країна	Запаси	Видобуток
КНР	1500	100
Індонезія	800	40
Бразилія	700	11,9
Болівія	400	18
Росія	350	0,3
Малайзія	250	3,7
Австралія	240	5,9
Таїланд	170	0,3
Перу	91	26,1
Інші	180	0,07
Всього у світі	4700	230

Олово добувають з олов'яних, олово-вольфрамових, олово-срібних і олово-поліметалічних руд.

Кристали каситериту в олов'яній руді

У процесі переробки рудоносна порода, що містить каситерит (SnO₂) піддається подрібненню до розмірів частинок в середньому ~10 мм, в промислових млинах, після чого каситерит за рахунок своєї більшої густини та маси відокремлюється від пустої породи вібраційно-гравітаційним методом на збагачувальних столах. На додаток застосовується флотаційний метод збагачення/очищення руди. Таким методом вдається підвищити вміст олова у руді до 40-70 %. Далі проводять обпалювання концентрату у кисні для видалення домішок сірки та арсену.

Концентрат у подальшому піддається плавці у печах з відновленням олова із застосування як відновника деревного вугілля, шари якого вкладаються почергово із шарами руди або алюмінію (цинку) в електропечах:

SnO₂ C = Sn CO₂.

Особливо чисте олово напівпровідникової чистоти отримують електрохімічним рафінуванням або методом зонного топлення.

Середній вміст Sn в концентратах, що виготовляють в Малайзії — 74,47 %, Індонезії — 70 %, Таїланді — 72%, Болівії — 32 %. У Великій Британії випускають концентрат із вмістом 45 і 55 % Sn. Значну кількість олова отримують через вторинну переробку кольорового металобрухту.

Провідним виробником і водночас споживачем олова у світі є Китай.

Вимоги до олова, що виробляє промисловість, його маркування й використання в залежності від процентного хімічного складу закладені у міждержавному стандарті ГОСТ 860-75:

Хімічний склад олова, що виробляється промислово за ГОСТ 860-75

Марка	Sn, % не менше	As, %	Fe, %	Cu, %	Pb, %	Bi, %	Sb, %	S, %	Zn, %	Al, %	Домішок  %	Використання
ОВЧ 000	99,999	1·10−4	1·10−4	1·10−5	1·10−5	1·10−6	1·10−5	—	1·10−5	1·10−4	1·10−3	Напівпровідникова техніка
О1 пч	99,915	0,01	0,009	0,01	0,025	0,01	0,015	0,007	0,002	0,002	0,085	Виробництво консервної бляхи та приготування хімічних реактивів
О1	99.900	0,01	0,009	0,01	0,04	0,015	0,015	0,008	0,002	0,002	0,1	Виробництво бляхи, прутки та стрічки електротехнічного призначення, виробництво припоїв
О2	99,565	0,015	0,02	0,03	0,25	0,05	0,05	0,016	0,002	0,002	0,435	Виробництво бабітів, припоїв, фольги, лудження кухонного посуду
О3	98,49	0,03	0,02	0,10	1,0	0,06	0,3	0,02	—	—	1,51	Виробництво припоїв
О4	96,43	0,05	0,02	0,10	3,0	0,10	0,3	0,02	—	—	3,51	Виробництво припоїв, бабітів, сплавів, модифікування сірого чавуну

Стопи олова

Найчастіше трапляються стопи олова з міддю (Cu), свинцем (Pb) та стибієм (Sb). Крім названих компонентів використовують Bi, Zn, Cd, Tl. Стопи олова характеризуються, зазвичай, низькою температурою плавлення, відносно малими міцністю та твердістю, високою пластичністю.

З багатьма металами олово утворює евтектики, що мають нижчу температуру плавлення, ніж вихідні компоненти, наприклад сплави (в дужках вказано відсотковий вміст олова за масою й температура плавлення, відповідно) Bi-Sn (45 %, 139 °С); Cd-Sn (67,76 %, 177 °С); Pb-Sn (61,9 %, 183 °С); Tl-Sn (56,76 %, 170 °С), Zn-Sn (91 %, 198 °С); тверді розчини з легувальними металами утворює рідко. Для олова характерним є утворення інтерметалевих сполук (станідів), що мають, переважно, високі температури топлення, наприклад Zr₃Sn₂ (t_плав = 1985 °С), Ti₃Sn (1663 °С), Pt₃Sn (1420 °С), Pr₂Sn (1415 °C), Cl₂Sn (1400 °С), Mg₂Sn (778 °С).

Найвідоміші стопи олова, що знайшли широке використання — це легкотопові припої, антифрикційні стопи олова (бабіти) та п'ютери.

Легкостопні припої — це переважно с стопи на основі олова та свинцю. Вміст олова в них може коливатись ві 1 до 95 %; найпоширенішими є стопи з вмістом 59-61 (ПОС-61 та 49-51 % (ПОССу-50-0,5) олова. Легувальними компонентами можуть служити Sb, Cu, Cd, Zn, Ag, In; шкідливими домішками є Al, As та S. Припої різняться низькими твердістю та міцністю, високими пластичністю та корозійною стійкістю, їх розтопи добре змочують поверхні більшості металів і у тонкому шарі вони характеризуються високою границею витривалості.

Антифрикційні стопи олова (оловянисті бабіти) можуть містити від 6 до 89 % Sn. Найпоширенішими є стопи з вмістом 83 % (марки Б83 та Б83С) та 88 % (марки Б88) олова, леговані 7–12 % Sb та 2,5–6,5% Cu. Високі антифрикційні властивості цих стопів обумовлені їх гетерогенною структурою — у м'якій матриці твердого розчину стибію в олові рівномірно розподілені тверді кристали SnSb та Cu₃Sn. Бабіти характеризуються високою корозійною стійкістю і теплопровідністю, низьким температурним коефіцієнтом лінійного розширення.

П'ютер — стоп олова (вміст якого може бути від 85 до 99 %) з іншими металами, такими як мідь (0,25–2,5 %), стибій (0,5–8 %), вісмут або свинець. Характеризується високою деформівністю, а при вмісті міді та стибію і твердістю. Додавання свинцю до стопу погіршує механічні властивості але надає йому своєрідного блиску з голубуватим відтінком. Температура плавлення стопу може становити 170–230 °C — у залежності від процентного вмісту компонентів.

Застосування

Олово має широке застосування завдяки своїй легкотопності, м'якості, ковкості, хімічній стійкості і здатності давати високоякісні стопи (наприклад, бабітів для вальниць, що працюють при великих ударних навантаженнях). Використовують для виробництва білої жерсті і фольги. До основних галузей споживання олова належать: харчова (40 %), авіаційна, автомобільна, суднобудівна і радіотехнічна промисловість, а також гальванопластика, скляна і текстильна промисловість.

Припої на базі олова використовують при паянні деталей, що зазнають невеликих ударних навантажень за невисоких температур. При паянні міді, мідних сплавів, криць міцність у з'єднанні досягається через утворення оловом твердого розчину (інтерметаліду) з металом виробу. За допомогою припоїв системи Sn-Pb можна паяти практично всі метали і сплави, за винятком алюмінію та його сплавів з яким, навіть при використанні флюсів, шви мають понижену механічну стійкість, яку додатково потрібно захищати від вологи лаковим покриттям. Традиційно більшість припоїв були сплавами олова зі свинцем, в яких вміст олова становив від 5 % до 70 % за вагою. Однак, 2006 року Європейський Союз обмежив застосування свинцю, що, відповідно, збільшило попит на олово.

Досить нова сфера застосування олова, яка розвивається особливо швидко в останні роки — це хімія. Близько 13–15 % олова, яке виробляють, наразі застосовують в хімічних виробництвах, як каталізатори для полімеризації силіконової гуми і виробництва пінополіуретану. Олово використовують в скляній промисловості, наприклад при виробництві кришталю і полірованого скла.

Оксид олова застосовують в глазурі для кераміки. Він надає глазурі непрозорості і служить барвним пігментом. Оксид олова можна також осаджувати з розчину у вигляді тонкої плівки на різні вироби, що підвищує міцність скляних виробів. Введення станату цинку та інших похідних олова в пластичні і синтетичні матеріали зменшує їх здатність до займання і перешкоджає утворенню токсичного диму.

Nb₃Sn є надпровідником II роду із критичною температурою 18 К. Його використовують для виготовлення надпровідних електромагнітів.

Галерея зображень виробів з олова та його сплавів

• 
  Олов'яний кубок з Гданська (Польща)
• 
  Стінка консервної банки з олов'яним покриттям
• 
  Котушка легкоплавкого припою ПОС-61 (Sn₆₀Pb₄₀)
• Корінний підшипник колінчастого вала з нанесеним на робочу поверхню шару бабіту
  Корінний підшипник колінчастого вала з нанесеним на робочу поверхню шару бабіту
• 
  Старовинний пивний кухоль з п'ютера

Біологічна роль

Роль олова в живих організмах вивчено мало. В тілі людини міститься приблизно (1–2)·10⁻⁴ % олова, а його щоденне надходження з їжею становить 0,2–3,5 мг.

Металічне олово не є токсичним, що дозволяє застосовувати його в харчовій промисловості. Олово становить небезпеку для людини у вигляді пари чи різних аерозольних частинок, пилу. Під упливом парів або пилу сполук олова може розвинутися ураження легенів. Дуже токсичними є деякі стануморганічні сполуки, які використовуються як бактерициди (наприклад, бензоат трибутилстанума) і фунгіциди (наприклад, ацетат трифенілстанума), вони входять до складу отрут проти блощиць.

Гранично допустима концентрація (ГДК) сполук олова в атмосферному повітрі 0,05 мг/м³, ГДК в харчових продуктах — 200 мг/кг, в молочних продуктах та соках — 100 мг/кг. Токсична доза олова для людини — 2 г.

Див. також

• Олово самородне
• Олов'яна промисловість
• Олов'яні руди
• Ресурси і запаси олова
• Олов'яний шлях
• Оксиди олова

Джерела

• Глосарій термінів з хімії // Й. Опейда, О. Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет — Донецьк: «Вебер», 2008. — 758 с. ISBN 978-966-335-206-0
• Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Донбас, 2007. — Т. 2 : Л — Р. — 670 с. — ISBN 57740-0828-2.
• Некрасов И. Я. Фазовые соотношения в оловосодержащих системах. — М.: Наука. — 1976. — 140 с.
• Спиваковский В. Б. Аналитическая химия олова / В. Б. Спиваковский ; Академия наук СССР, Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского. — М. : Наука, 1975. — 254 с. — (Серия «Аналитическая химия элементов»)
• Большаков К. А. Химия и технология малых металлов / К. А. Большаков,. П. И. Федоров. — М.: Химия, 1984. — 138 с.
• Россошинский А. А. Олово в процессах пайки / А. А. Россошинский, Ю. К. Лапшов, Б. П. Яценко. — Киев: Наук. думка, 1985. — 197 с.
• Буше Н. А. Подшипниковые сплавы для подвижного состава. — М.: Транспорт. 1967. — 222 с.
• Шпагин А. И. Антифрикционные сплавы. М.: Металлургия, 1956. — 314 с.

Посилання

• Оливо, олово // Українська мала енциклопедія : 16 кн. : у 8 т. / проф. Є. Онацький. — Буенос-Айрес, 1962. — Т. 5, кн. X : Літери Ол — Пер. — С. 1209. — 1000 екз.

• Олово на сайті N-T.ru (електронна бібліотека «Наука і техніка») (рос.)
• Розен Б. Я. Соперник серебра. М.: Металлургия, 1984. (рос.)
• Опыты с оловом Демонстраційні ролики «олов'яної чуми» (рос.)
• Tin у проекті «The Periodic Table of Videos» (Ноттінгемський університет) (англ.)