Калай

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
50 индийкалайантимон
германий

Sn

олово
Външен вид
Sn-Alpha-Beta.jpg
Общи данни
Име, символ, № калай, Sn, 50
Химическа серия Преходен метал
Група, период, блок 14, 5, p
Свойства на атома
Атомна маса 118,71 u
Атомен радиус 162 pm
Ковалентен радиус 139±4 pm
Радиус на ван дер Ваалс 217 pm
Електронна конфигурация 4d10 5s2 5p2
Физични свойства
Агрегатно състояние Твърдо вещество
Плътност 7 365 kg/m³
Температура на топене 505,08 K (231,93 °C)
Температура на кипене 2875 K (2602 °C)
Специф. топлина на топене kJ/mol
Специф. топлина на изпарение kJ/mol
Скорост на звука m/s при K
Други
Топлопроводимост W/(m·K)
Йонизационен потенциал kJ/mol

Калай (от турски kalay) е химичен елемент от главната подгрупа на четвърта група, пети период на периодичната таблица на Менделеев. Обозначава се със символа Sn (на латински: Stannum), а атомният му номер е 50. Отнася се към групата на леките метали. Калаят има две алотропни модифицации: устойчив под 13,2 °C α-калай с кубична кристална решетка и устойчивият над 13,2 °C β-калай с тетрагонална кристална решетка. Има общо 10 стабилни изотопа. Поради много слабата си оксидация се използва да покрива други метали и да ги предпазва от корозия. Поради ниската си токсичност се използва при изработване на консервни кутии и други контейнери. Една от първите сплави, изработена от хората, е бронзът, който представлява сплав на мед и калай.

История[редактиране | edit source]

Голям церемониален кинжал от 1500–1300 г. пр.н.е., Франция

Добивът и употребата на калай могат да бъдат проследени чак до началото на бронзовата ера — около 3000 г. пр.н.е., когато е наблюдавано, че мед с различни концентрации на други метали има различни характеристики.[1] Най-ранните бронзови предмети съдържат калай или арсен по-малко от 2% и по тази причина се счита, че са случайно попаднали в сплавта от медните руди[2] Прибавянето на арсен или калай към медта я прави по-твърда и прави леенето и коването значително по-лесно. Това води до революционизиране на техниките за направа на метални предмети и извежда човечеството от медната до бронзовата епоха около 3000 пр.н.е.[2][3]

Първото доказателство за използване на калай при направата на бронз датира от 3000 г. пр.н.е. и идва от Близкия изток и Балканите.[2] Все още не е ясно къде за първи път е започнал да се добива калаят, тъй като мините са рядкост и са на големи разстояния. Първата мина в Европа изглежда е била на границата между Германия и Чехия около 2500 г. пр.н.е. и оттам калаят е пренесен до Балтийско и Средиземно море. Около 2000 г. пр.н.е. калаят е разпространен в цяла Европа.[2] Минното дело е в разцвета си по време на Римската империя - 300 г.пр.н.е. до 100 г.[4] Търсенето на калай става значително и търговията с него сред срдиземноморските държави става една от най-важните.[5][6] По време на средновековието Иберия и Германия загубват значението си в добива на калай, докато Корнуол и Девън започват да доминират европейския пазар.[4]

В Далечния изток, от Китай до Малайзия, калаят започва да се добива между 3-тото и 2-рото хилядолетие преди новата ера, като най-добре разработените залежи са в Юнан, но тяхната експлоатация започва около 700 г. пр.н.е., както свидетелстват запазени документи от династиите Хан, Сун и Тан.[7]

В останалите части на света добивът на калай започва значително по-късно. Така например в Африка народите банту добиват и използват калая между 11-ти и 15-ти век,[2] в Америка добивът му започва около 1000 година, а в Австралия - около 17-ти век. В днешно време след срива на пазара през октомври 1985 година, цената на калая става наполовина.[8]

Характеристики[редактиране | edit source]

Физични свойства[редактиране | edit source]

Капка разтопен калай

Калаят е сребристобял, мек и ковък метал с кристална структура. Съществува в 2 алотропни модификации - белият (метален) калай при ниски температури се превръща в прах - сив калай. Когато парче калай се извие, се чува пукане, известно като „плачът на калая“[9].

β-калай (метална форма), която съществува при стайна температура и по-високи температури, е мек и ковък, α-калай (неметална форма) се образува, когато се охлади под 13,2 °C и е крехък. Той има диамантена кристална структура, подобно на диамант, силиций или германий. α-калаят има само неметални свойства. Той е сив прахообразен материал, без обща употреба, само с няколко специализирани полупроводникови приложения.[9] α-калай и β-калай са по-известни като сив калай и бял калай съответно. Още две алотропни форми, γ и σ, съществуват при температура над 161 °С и налягане над няколко GPa.[10] Макар α-β трансформацията да става при температура 13,2 °C, примеси (напр. Al, Zn и т.н.), снижават температурата на прехода под 0 °С и при добавянето на Sb или Bi преобразуването може изобщо да не се прояви, което повишава издръжливостта на калая.[11]

Това преобразуване е известно като калаена болест или калаена чума. То представлява особен проблем в северната част на Европа през 18-ти век, когато тръбите на органи от калаена сплав понякога се повреждат по време на дълги студени зими. Някои източници също твърдят, че по времето на Наполеон и Руската кампания от 1812 г., температурите стават ниски и е толкова студено, че калаените копчетата на войнишките униформи се разпадат постепенно, което допринася за разгрома на Великата армия.[12]

Търговският калай (99,8%) устоява на тези трансформации поради действието на малки количества от бисмут, антимон, олово, сребро и други примеси. Сплавни елементи като мед, антимон, бисмут, кадмий и сребро увеличават твърдостта на калая, който като правило, обикновено доста лесно образува твърди, крехки интерметални фази, които често са нежелани.

Химични свойства[редактиране | edit source]

Калаят реагира с халогени и сяра. Устойчив е на корозия от всякакъв вид вода - морска, питейна, дестилирина, но може да бъде атакуван с киселини и някои киселинни соли. Той може да бъде полиран до съвършенство и се използва като защитно покритие на други метали, за да се предотвати корозия и други химични реакции. Калаят може да играе роля на катализатор при наличие на кислород в разтвора.[9]

Изотопи[редактиране | edit source]

Калаят е елемент с най-голям брой стабилни изотопи - десет, като те включват всички с атомните маси между 112 и 124, с изключение на 113, 121 и 123. От тях най-разпространените са 120Sn (почти една трета от всичкия калай), 118Sn и 116Sn , а най-слабо разпространеният е 115Sn. Калаят, с трите си най-разпространени изотопа 115Sn, 117Sn и 119Sn, е сред най-лесните за откриване и анализиране елементи с помощта на ЯМР (ядрен магнитен резонанс)спектроскопия .[13]

Този голям брой стабилни изотопи се смята за пряк резултат от факта, че калаят има атомно число 50, което се счита за „магическо число“ в ядрената физика. Има още 28 допълнителни известни нестабилни изотопи, които включват всички останали с атомни маси между 99 и 137. Почти всички радиоактивни изотопи имат период на полуразпад по-малък от една година.[14]

Разпространение, добив и приложение[редактиране | edit source]

Кристали на каситерит

Добива се от минералите каситерит и станин, които се срещат в природата.

Получаване: SnO2 + 2C → Sn + 2CO

Употребата му се състои в калайдисване на консервени кутии (метално покритие против корозия), а също така участва при направата на припой (тинол) за запояване, както и на бронз.

Източници[редактиране | edit source]

  1. The "Bronze Age tin mines in Central Asia. // The Problem of Early Tin. Oxford, Archaeopress, 2003. ISBN 1841715646.
  2. а б в г д Penhallurick, R.D.. Tin in Antiquity: its Mining and Trade Throughout the Ancient World with Particular Reference to Cornwall. London, The Institute of Metals, 1986. ISBN 0904357813.
  3. The development of the usage of tin and tin-bronze: some problems. // The Search for Ancient Tin. Washington D.C., A seminar organized by Theodore A. Wertime and held at the Smithsonian Institution and the National Bureau of Standards, Washington D.C. March 14–15, 1977, 1979.
  4. а б Gerrard, S.. The Early British Tin Industry. Stroud, Tempus Publishing, 2000. ISBN 0752414526.
  5. The problem of early tin from the point of view of Nuragic Sardinia. // The Problem of Early Tin. Oxford, Archaeopress, 2003. ISBN 1841715646.
  6. The cargo of the Uluburun ship and evidence for trade with the Aegean and beyond. // Italy and Cyprus in Antiquity: 1500–450 BC. Nicosia, The Costakis and Leto Severis Foundation, 2001. ISBN 9963810233.
  7. Murowchick, R.E.. The Ancient Bronze Metallurgy of Yunnan and its Environs: Development and Implications. Michigan, Ann Arbour, 1991.
  8. Thoburn, John T.. Tin in the World Economy. Edinburgh University Press, 1994. ISBN 0748605169.
  9. а б в Holleman, Arnold F. и др. Tin. // Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 91–100. Walter de Gruyter, 1985. ISBN 3110075113. с. 793–800.
  10. Molodets, A. M. и др. Thermodynamic Potentials, Diagram of State, and Phase Transitions of Tin on Shock Compression. // High Temperature 38 (5). 2000. DOI:10.1007/BF02755923. с. 715–721.
  11. Schwartz, Mel. Tin and Alloys, Properties. // Encyclopedia of Materials, Parts and Finishes. 2nd. CRC Press, 2002. ISBN 1566766613.
  12. Le Coureur, Penny и др. Napoleon's Buttons: 17 Molecules that Changed History. New York, Penguin Group USA, 2004.
  13. Interactive NMR Frequency Map. // Посетен на 2009-05-05.
  14. Walker, Phil. Doubly Magic Discovery of Tin-100. // Physics World 7 (June). 1994.