Grundlegende physikalische Eigenschaften von Zinn. Was ist Zinn und wofür wird es verwendet? Atommasse von Zinn
Zinn ist ein chemisches Element mit dem Symbol Sn (von lateinisch: Stannum) und der Ordnungszahl 50. Es ist ein Post-Übergangsmetall in der Gruppe 14 des Periodensystems der Elemente. Zinn wird hauptsächlich aus dem Mineral Zinnerz gewonnen, das Zinndioxid SnO2 enthält. Zinn hat chemische Ähnlichkeiten mit seinen beiden Nachbarn der Gruppe 14, Germanium und Blei, und hat zwei Hauptoxidationsstufen, +2 und die etwas stabilere +4. Zinn ist das 49. häufigste Element und weist dank seiner „magischen“ Protonenzahl die höchste Anzahl stabiler Isotope im Periodensystem auf (mit 10 stabilen Isotopen). Zinn hat zwei Hauptallotrope: Bei Raumtemperatur ist das stabile Allotrop β-Zinn, ein silberweißes, formbares Metall, aber bei niedrigen Temperaturen verwandelt sich Zinn in das weniger dichte graue α-Zinn, das eine diamantähnliche kubische Struktur aufweist . Zinnmetall oxidiert an der Luft nicht leicht. Die erste in großem Maßstab verwendete Legierung war ab 3000 v. Chr. Bronze, hergestellt aus Zinn und Kupfer. e. Nach 600 v. Chr e. Es wurde reines metallisches Zinn hergestellt. Eine Zinn-Blei-Legierung aus 85–90 % Zinn, meist bestehend aus Kupfer, Antimon und Blei, wurde von der Bronzezeit bis ins 20. Jahrhundert zur Herstellung von Geschirr verwendet. Heutzutage wird Zinn in vielen Legierungen verwendet, am häufigsten in weichen Zinn-Blei-Legierungen, die typischerweise 60 % oder mehr Zinn enthalten. Eine weitere häufige Verwendung von Zinn ist die korrosionsbeständige Beschichtung von Stahl. Anorganische Zinnverbindungen sind eher ungiftig. Aufgrund seiner geringen Toxizität wird Metallkonserven zum Verpacken von Lebensmitteln in Blechdosen verwendet, die eigentlich hauptsächlich aus Stahl oder Aluminium bestehen. Eine übermäßige Exposition gegenüber Zinn kann jedoch zu Problemen beim Stoffwechsel essentieller Spurenelemente wie Kupfer und Zink führen, und einige Organozinnverbindungen können fast so giftig sein wie Cyanid.
Eigenschaften
Körperlich
Zinn ist ein weiches, formbares, duktiles und hochkristallines silberweißes Metall. Wenn eine Zinnplatte gebogen wird, ist durch die Verzwillingung der Kristalle ein Knackgeräusch zu hören, das als „Zinnriss“ bekannt ist. Zinn schmilzt bei einer niedrigen Temperatur, etwa 232 °C, der niedrigsten in Gruppe 14. Der Schmelzpunkt sinkt weiter auf 177,3 °C für 11-nm-Partikel. β-Zinn (metallische Form oder weißes Zinn, BCT-Struktur), das bei Raumtemperatur und darüber stabilisiert ist, ist formbar. Im Gegensatz dazu ist α-Zinn (die nichtmetallische Form oder Grauzinn), das bei Temperaturen bis 13,2 °C stabilisiert ist, spröde. α-Zinn hat eine kubische Kristallstruktur ähnlich wie Diamant, Silizium oder Germanium. α-Zinn hat überhaupt keine metallischen Eigenschaften, da seine Atome eine kovalente Struktur bilden, in der sich Elektronen nicht frei bewegen können. Es handelt sich um ein mattgraues, pulverförmiges Material, das über einige spezielle Halbleiteranwendungen hinaus keine weitverbreitete Verwendung findet. Diese beiden Allotrope, α-Zinn und β-Zinn, sind besser bekannt als graues Zinn bzw. weißes Zinn. Zwei weitere Allotrope, γ und σ, existieren bei Temperaturen über 161 °C und Drücken über mehreren Gigapascal. Unter kalten Bedingungen wandelt sich β-Zinn spontan in α-Zinn um. Dieses Phänomen ist als „Zinnpest“ bekannt. Obwohl die α-β-Umwandlungstemperatur nominell 13,2 °C beträgt und Verunreinigungen (z. B. Al, Zn usw.) unterhalb der Übergangstemperatur unter 0 °C liegen und bei Zugabe von Sb oder Bi die Umwandlung möglicherweise überhaupt nicht stattfindet, Erhöhung der Haltbarkeit von Zinn. Handelsübliche Zinnqualitäten (99,8 %) widerstehen der Umwandlung aufgrund der hemmenden Wirkung kleiner Mengen an Wismut, Antimon, Blei und Silber, die als Verunreinigungen vorhanden sind. Legierungselemente wie Kupfer, Antimon, Wismut, Cadmium, Silber erhöhen die Härte des Stoffes. Zinn bildet recht leicht harte, spröde intermetallische Phasen, die oft unerwünscht sind. Zinn bildet in anderen Metallen im Allgemeinen nicht viele feste Lösungen, und mehrere Elemente weisen eine nennenswerte feste Löslichkeit in Zinn auf. Einfache eutektische Systeme werden jedoch mit Wismut, Gallium, Blei, Thallium und Zink beobachtet. Zinn wird unterhalb von 3,72 K supraleitend und ist einer der ersten Supraleiter, die untersucht wurden; Der Meissner-Effekt, eines der charakteristischen Merkmale von Supraleitern, wurde erstmals in supraleitenden Zinnkristallen entdeckt.
Chemische Eigenschaften
Zinn widersteht der Korrosion durch Wasser, kann jedoch durch Säuren und Laugen angegriffen werden. Zinn lässt sich hochglanzpolieren und dient als Schutzschicht für andere Metalle. Eine schützende Oxidschicht (passiv) verhindert eine weitere Oxidation, wie sie sich auch bei Zinn-Blei und anderen Zinnlegierungen bildet. Zinn wirkt als Katalysator, wenn Sauerstoff in Lösung ist, und trägt zur Beschleunigung der chemischen Korrosion bei.
Isotope
Zinn hat zehn stabile Isotope mit den Atommassen 112, 114, 120, 122 und 124, die größte Zahl aller Elemente. Die häufigsten davon sind 120Sn (fast ein Drittel des gesamten Zinns), 118Sn und 116Sn, während 115Sn am seltensten vorkommt. Isotope mit geraden Massenzahlen haben keinen Kernspin, während Isotope mit ungeraden Zahlen einen Spin von +1/2 haben. Zinn ist mit den drei gemeinsamen Isotopen 116Sn, 118Sn und 120Sn eines der Elemente, das sich mithilfe der NMR-Spektroskopie am einfachsten nachweisen und analysieren lässt. Es wird angenommen, dass diese große Anzahl stabiler Isotope eine direkte Folge der Ordnungszahl 50 ist, der „magischen Zahl“ in der Kernphysik. Zinn kommt außerdem in 29 instabilen Isotopen vor und deckt alle anderen Atommassen von 99 bis 137 ab. Außer 126Sn mit einer Halbwertszeit von 230.000 Jahren haben alle Radioisotope Halbwertszeiten von weniger als einem Jahr. Das 1994 entdeckte radioaktive 100Sn und 132Sn gehören zu den wenigen Nukliden mit einem „doppelten magischen“ Kern: Obwohl sie instabil sind und ein sehr ungleichmäßiges Protonen-Neutronen-Verhältnis aufweisen, stellen sie Endpunkte dar, jenseits derer die Stabilität schnell abnimmt. Weitere 30 metastabile Isomere waren charakteristisch für Isotope zwischen 111 und 131, wobei das stabilste 121mCH mit einer Halbwertszeit von 43,9 Jahren war. Relative Unterschiede in der Häufigkeit stabiler Zinnisotope können durch ihre unterschiedlichen Bildungsmodi bei der Sternnukleosynthese erklärt werden. 116Sn bis einschließlich 120Sn werden in den meisten Sternen durch den S-Prozess (langsame Neutronen) gebildet und sind daher die häufigsten Isotope, während 122Sn und 124Sn nicht nur durch den R-Prozess (schnelle Neutronen) in Supernovae und seltener gebildet werden. (Die Isotope 117Sn bis 120Sn profitieren ebenfalls vom r-Prozess.) Schließlich können die seltensten protonenreichen Isotope, 112Sn, 114Sn und 115Sn, im s- und r-Prozess nicht in nennenswerten Mengen produziert werden und werden daher als solche angesehen unter den p-Kernen, deren Ursprung nicht vollständig geklärt ist. Zu den vorgeschlagenen Mechanismen für ihre Bildung zählen Protoneneinfang und Photozerfall, obwohl 115Sn teilweise auch im s-Prozess erzeugt werden kann, sowohl auf einmal als auch als „Tochter“ von langlebigem 115In.
Etymologie
Das englische Wort tin (Zinn) ist in den germanischen Sprachen üblich und kann auf das rekonstruierte protogermanische *tin-om zurückgeführt werden; Verwandte sind deutsches Zinn, schwedisches Tenn und niederländisches Zinn. Das Wort kommt in anderen Zweigen indoeuropäischer Sprachen nicht vor, außer als Entlehnung aus dem Germanischen (zum Beispiel stammt das irische Wort tinne vom englischen tin). Der lateinische Name Stannum bedeutete ursprünglich eine Legierung aus Silber und Blei und wurde im 4. Jahrhundert v. e. Es bedeutete „Zinn“ – das frühere lateinische Wort dafür war plumbum quandum oder „weißes Blei“. Das Wort Stannum scheint vom früheren Wort „stāgnum“ (dieselbe Substanz) abgeleitet worden zu sein, dem Ursprung der romanischen und keltischen Bezeichnung für Zinn. Der Ursprung von Stannum/Stagnum ist unbekannt; es könnte vorindoeuropäisch sein. Laut Meyer's Encyclopedic Dictionary hingegen wird Stannum als Ableitung des kornischen Stannums angesehen und ist ein Beweis dafür, dass Cornwall in den ersten Jahrhunderten n. Chr. die Hauptquelle für Zinn war.
Geschichte
Die Gewinnung und Verwendung von Zinn begann in der Bronzezeit, etwa 3000 v. Chr. Chr., als festgestellt wurde, dass Kupfergegenstände, die aus polymetallischen Erzen mit unterschiedlichen Metallgehalten bestehen, unterschiedliche physikalische Eigenschaften haben. Die frühesten Bronzegegenstände enthielten weniger als 2 % Zinn oder Arsen und sind daher vermutlich das Ergebnis einer unbeabsichtigten Legierung, indem man den Metallgehalt des Kupfererzes zurückverfolgt. Die Zugabe eines zweiten Metalls zu Kupfer erhöht seine Festigkeit, senkt seinen Schmelzpunkt und verbessert den Gießprozess, indem eine dünnere Schmelze entsteht, die beim Abkühlen dichter und weniger schwammig ist. Dadurch war es möglich, wesentlich komplexere Formen geschlossener Bronzeobjekte zu schaffen. Bronzegegenstände mit Arsen tauchten vor allem im Nahen Osten auf, wo Arsen häufig in Verbindung mit Kupfererz gefunden wird. Allerdings wurden die mit der Verwendung solcher Gegenstände verbundenen Gesundheitsrisiken bald klar und die Suche nach Quellen für viel weniger gefährliche Zinnerze begann frühe Bronzezeit. Dadurch entstand eine Nachfrage nach dem seltenen Metall Zinn und es entstand ein Handelsnetzwerk, das entfernte Zinnquellen mit den Märkten bronzezeitlicher Kulturen verband. Kassiterit oder Zinnerz (SnO2), ein Zinnoxid, war in der Antike höchstwahrscheinlich die ursprüngliche Zinnquelle. Andere Formen von Zinnerzen sind weniger verbreitete Sulfide wie Stannit, die einen aktiveren Schmelzprozess erfordern. Kassiterit reichert sich häufig in alluvialen Kanälen als Seifenablagerungen an, da es schwerer, zäher und chemisch beständiger als Granit ist. Kassiterit ist normalerweise schwarz oder im Allgemeinen dunkel gefärbt und seine Ablagerungen sind an Flussufern gut sichtbar. Alluviale (Seifen-)Ablagerungen können mit Methoden, die dem Goldwaschen ähneln, leicht gesammelt und abgetrennt werden.
Verbindungen und Chemie
In den allermeisten Fällen weist Zinn die Oxidationsstufe II oder IV auf.
Anorganische Verbindungen
Halogenidverbindungen sind für beide Oxidationsstufen bekannt. Für SN(IV) sind alle vier Halogenide bekannt: SnF4, SnCl4, SnBr4 und SnI4. Die drei schwersten Elemente sind flüchtige Molekülverbindungen, während Tetrafluorid polymer ist. Alle vier Halogenide für Sn(II) sind ebenfalls bekannt: SnF2, SnCl2, SnBr2 und SnI2. Dies sind alles polymere Feststoffe. Von diesen acht Verbindungen sind nur Iodide gefärbt. Zinn(II)-chlorid (auch bekannt als Zinnchlorid) ist das kommerziell wichtigste Zinnhalogenid. Chlor reagiert mit Zinnmetall unter Bildung von SnCl4, während die Reaktion von Salzsäure und Zinn SnCl2 und Wasserstoffgas erzeugt. Darüber hinaus verbinden sich SnCl4 und Sn mit Zinnchlorid durch einen Prozess namens Co-Proportionierung: SnCl4 + CH → 2 Sncl2 Zinn kann viele Oxide, Sulfide und andere Chalkogenidderivate bilden. SnO2-Dioxid (Kassiterit) entsteht, wenn Zinn in Gegenwart von Luft erhitzt wird. SnO2 ist amphoterer Natur, das heißt, es löst sich in sauren und basischen Lösungen. Stannate mit der Struktur Sn(OH)6]2 sind wie K2 ebenfalls bekannt, obwohl freie Zinnsäure H2[CH(on)6] unbekannt ist. Zinnsulfide gibt es in den Oxidationsstufen +2 und +4: Zinn(II)-sulfid und Zinn(IV)-sulfid (Mosaikgold).
Hydride
Stannan (SnH4) mit Zinn in der Oxidationsstufe +4 ist instabil. Organozinnhydride sind jedoch gut bekannt, beispielsweise Tributylinhydrid (Sn(C4H9)3H). Diese Verbindungen setzen vorübergehende Tributylzinn-Zinn-Radikale frei, die seltene Beispiele für Zinn(III)-Verbindungen sind.
Organozinnverbindungen
Organozinnverbindungen, manchmal auch Stannane genannt, sind chemische Verbindungen mit Zinn-Kohlenstoff-Bindungen. Von den Zinnverbindungen sind die organischen Derivate die kommerziell nützlichsten. Einige zinnorganische Verbindungen sind sehr giftig und werden als Biozide eingesetzt. Die erste bekannte Organozinnverbindung war Diethylzinndiodid (C2H5)2SnI2), das 1849 von Edward Frankland entdeckt wurde. Die meisten organischen Zinnverbindungen sind farblose Flüssigkeiten oder Feststoffe, die gegenüber Luft und Wasser beständig sind. Sie nehmen eine tetraedrische Geometrie an. Tetraalkyl- und Tetraaryltinverbindungen können mit Grignards Reagenzien hergestellt werden:
4 + 4 RMgBr → R
Gemischte Alkylhalogenide, die häufiger vorkommen und einen größeren kommerziellen Wert haben als tetraorganische Derivate, werden durch Umlagerungsreaktionen hergestellt:
4Sn → 2 SnCl2R2
Zweiwertige Organozinnverbindungen sind selten, jedoch häufiger als zweiwertige Organogermanium- und Organosiliciumverbindungen. Die stärkere Stabilisierung von Sn(II) wird dem „Inert-Pair-Effekt“ zugeschrieben. Organozinn(II)-Verbindungen umfassen sowohl Stannylene (Formel: R2Sn, wie sie bei Singulettcarbenen zu finden sind) als auch Distannylene (R4Sn2), die in etwa den Alkenen entsprechen. Beide Klassen zeigen ungewöhnliche Reaktionen.
Entstehung
Zinn entsteht im langfristigen S-Prozess in Sternen niedriger und mittlerer Masse (mit Massen vom 0,6- bis 10-fachen der Sonnenmasse) und schließlich beim Beta-Zerfall schwerer Indiumisotope. Zinn ist mit 2 ppm das am häufigsten vorkommende 49. Element in der Erdkruste, verglichen mit 75 mg/L für Zink, 50 ppm für Kupfer und 14 ppm für Blei. Zinn kommt nicht als natives Element vor, sondern muss aus verschiedenen Erzen gewonnen werden. Kassiterit (SnO2) ist die einzige kommerziell wichtige Zinnquelle, obwohl geringe Mengen Zinn aus komplexen Sulfiden wie Stannit, Cypindrit, Frankeit, Canfieldit und Tillit gewonnen werden. Zinnmineralien sind fast immer mit Granitgestein verbunden, normalerweise mit einem Zinnoxidgehalt von 1 %. Aufgrund des hohen spezifischen Gewichts von Zinndioxid stammen etwa 80 % des geförderten Zinns aus sekundären Lagerstätten, die aus primären Lagerstätten gewonnen wurden. Zinn wird häufig aus Granulat gewonnen, das in der Vergangenheit flussabwärts geschwemmt und in Tälern oder im Meer abgelagert wurde. Die wirtschaftlichsten Methoden zur Gewinnung von Zinn sind Schöpfen, Hydraulik oder Tagebau. Der größte Teil des weltweiten Zinns wird aus Seifenlagerstätten gewonnen, die nur 0,015 % Zinn enthalten können. Weltweite Zinnminenreserven (Tonnen, 2011)
Indonesien 800000
Brasilien 590000
Bolivien 400000
Russland 350000
Australien 180000
Thailand 170000
Andere 180000
Insgesamt 4800000
China 1500000
Malaysia 250000
Im Jahr 2011 wurden rund 253.000 Tonnen Zinn gefördert, hauptsächlich aus China (110.000 Tonnen), Indonesien (51.000 Tonnen), Peru (34.600 Tonnen), Bolivien (20.700 Tonnen) und Brasilien (12.000 Tonnen). Die Schätzungen zur Zinnproduktion schwankten in der Vergangenheit je nach der Dynamik der wirtschaftlichen Rentabilität und den Entwicklungen in der Bergbautechnologie. Bei den derzeitigen Verbrauchs- und Technologieraten geht man jedoch davon aus, dass der Zinnabbau innerhalb von 40 Jahren auf der Erde aufgebraucht sein wird. Lester Brown vermutete, dass Zinn innerhalb von 20 Jahren aufgebraucht sein könnte, basierend auf einer äußerst konservativen Hochrechnung von 2 % Wachstum pro Jahr. Wirtschaftlich gewinnbare Zinnreserven: Millionen. Tonnen pro Jahr
Auch recyceltes Zinn oder Altzinn ist eine wichtige Quelle für dieses Metall. Die Zinnrückgewinnung durch Sekundärproduktion oder Recycling von Altzinn nimmt rasant zu. Obwohl die Vereinigten Staaten seit 1993 kein Zinn mehr abgebaut und seit 1989 kein Zinn mehr geschmolzen haben, waren sie mit einer Verarbeitung von fast 14.000 Tonnen im Jahr 2006 der größte Sekundärproduzent von Zinn. Neue Vorkommen wurden im Süden der Mongolei gefunden, und 2009 wurden in Kolumbien von der Seminole Group Colombia CI, SAS neue Zinnvorkommen entdeckt.
Produktion
Zinn wird durch carbothermische Reduktion von Oxiderz unter Verwendung von Kohlenstoff oder Koks hergestellt. Es können Flammöfen und Elektroöfen verwendet werden.
Preis und Umtausch
Aufgrund komplexer Vereinbarungen zwischen Erzeuger- und Verbraucherländern aus dem Jahr 1921 ist Zinn unter anderen mineralischen Rohstoffen einzigartig. Frühere Abkommen waren eher informell und sporadisch und führten 1956 zum „Ersten Internationalen Zinnabkommen“, dem ersten einer dauerhaften Reihe von Abkommen, die 1985 faktisch aufhörten zu existieren. Durch diese Reihe von Vereinbarungen hatte der International Tin Council (ITC) erheblichen Einfluss auf die Zinnpreise. MCO stützte den Zinnpreis in Zeiten niedriger Preise, indem es Zinn für seinen Puffervorrat kaufte, und konnte den Preis in Zeiten hoher Preise durch den Verkauf von Zinn aus diesem Vorrat halten. Dabei handelte es sich um einen marktfeindlichen Ansatz, der einen ausreichenden Zinnfluss in die Verbraucherländer und Gewinne für die Erzeugerländer sicherstellen sollte. Der Puffervorrat war jedoch nicht groß genug, und in den meisten dieser 29 Jahre stiegen die Zinnpreise teilweise stark an, insbesondere von 1973 bis 1980, als viele Volkswirtschaften der Welt von einer grassierenden Inflation geplagt wurden. In den späten 1970er und frühen 1980er Jahren befanden sich die Zinnbestände der US-Regierung in einem aggressiven Verkaufsmodus, teilweise um von den historisch hohen Zinnpreisen zu profitieren. Der Einbruch von 1981-82 war für die Zinnindustrie ziemlich hart. Der Zinnverbrauch ging stark zurück. MCO konnte einen wirklich drastischen Rückgang vermeiden, indem es den Einkauf seiner Pufferbestände beschleunigte; Für diese Aktivitäten mussten MCOs in großem Umfang Kredite bei Banken und Metallhandelsunternehmen aufnehmen, um ihre Ressourcen zu erhöhen. MCO nahm weiterhin Kredite auf, bis es Ende 1985 sein Kreditlimit erreichte. Unmittelbar danach kam es zur großen „Zinnkrise“, und dann wurde Zinn für einen Zeitraum von drei Jahren vom Handel an der London Metal Exchange ausgeschlossen, die MCO brach bald zusammen und die Zinnpreise, die sich bereits auf einem freien Markt befanden, stürzten auf 4 Dollar pro Pfund ab (453 g) und blieb bis in die 1990er Jahre auf diesem Niveau. Der Preis stieg bis 2010 erneut an, mit einer Erholung des Konsums nach der Weltwirtschaftskrise 2008–2009, die mit einem erneuten und anhaltenden Wachstum des Konsums in den Entwicklungsländern einherging. Die London Metal Exchange (LME) ist die wichtigste Handelsplattform für Zinn. Weitere Zinnmärkte sind der Kuala Lumpur Tin Market (KLTM) und die Indonesia Tin Exchange (INATIN).
Anwendungen
Im Jahr 2006 wurde etwa die Hälfte des gesamten produzierten Zinns in Loten verwendet. Die übrigen Verwendungszwecke verteilten sich auf Verzinnung, Zinnchemikalien, Messing- und Bronzelegierungen sowie Nischenanwendungen.
Lot
Zinn wird seit langem in Legierungen mit Blei als Lot verwendet, und zwar in Mengen zwischen 5 und 70 %. Zinn bildet mit Blei ein eutektisches Gemisch im Verhältnis 63 % Zinn und 37 % Blei. Solche Lote werden zum Verbinden von Rohren oder Stromkreisen verwendet. Am 1. Juli 2006 traten die Richtlinie über Elektro- und Elektronik-Altgeräte (WEEE-Richtlinie) und die RoHS-Richtlinie der Europäischen Union in Kraft. Der Bleigehalt in solchen Legierungen ist zurückgegangen. Der Ersatz von Blei bringt viele Probleme mit sich, darunter höhere Schmelzpunkte und die Bildung von Zinnwhiskern. Bei bleifreien Loten kann es zur Zinnpest kommen.
Verzinnen
Zinnbindungen lassen sich gut bügeln und werden zum Beschichten von Blei, Zink und Stahl verwendet, um Korrosion zu verhindern. Verzinnte Stahlbehälter werden häufig zur Lebensmittelkonservierung verwendet und machen einen großen Teil des Zinnmetallmarktes aus. 1812 wurde in London der erste Blechbehälter zur Konservierung von Lebensmitteln hergestellt. Im britischen Englisch heißen diese „tins“, in Amerika jedoch „cans“ oder „tin cans“. Die Umgangssprache für eine Dose Bier ist „tinnie“ oder „tinny“. Kochgefäße aus Kupfer wie Töpfe und Pfannen sind oft mit einer dünnen Zinnschicht ausgekleidet, da die Kombination von säurehaltigen Lebensmitteln mit Kupfer giftig sein kann.
Speziallegierungen
Zinn verbindet sich mit anderen Elementen zu vielen nützlichen Legierungen. Zinn wird am häufigsten mit Kupfer legiert. Zinn-Blei-Legierung enthält 85–99 % Zinn; Lagermetall enthält außerdem einen hohen Anteil an Zinn. Bronze besteht hauptsächlich aus Kupfer (12 % Zinn), während durch die Zugabe von Phosphor Phosphorbronze entsteht. Glockenbronze ist ebenfalls eine Kupfer-Zinn-Legierung mit 22 % Zinn. Zinn wurde manchmal in Münzen zur Herstellung amerikanischer und kanadischer Pennys verwendet. Da in diesen Münzen oft Kupfer das Grundmetall war, manchmal auch Zink, können sie als Bronze- und/oder Messinglegierungen bezeichnet werden. Die Niob-Zinn-Verbindung Nb3Sn wird aufgrund ihrer hohen kritischen Temperatur (18 K) und ihres kritischen Magnetfelds (25 T) kommerziell in supraleitenden Magnetspulen verwendet. Ein supraleitender Magnet mit einem Gewicht von nur zwei Kilogramm kann das gleiche Magnetfeld erzeugen wie Elektromagnete mit normalem Gewicht. Zur Umhüllung von Kernbrennstoffen wird Zirkoniumlegierungen ein geringer Anteil Zinn zugesetzt. Die meisten Metallpfeifen einer Orgel enthalten unterschiedliche Mengen an Zinn/Blei, wobei 50/50-Legierungen am häufigsten vorkommen. Die Menge an Zinn in der Pfeife bestimmt den Klang der Pfeife, da Zinn dem Instrument die gewünschte Resonanz verleiht. Wenn eine Zinn-Blei-Legierung abkühlt, kühlt das Blei etwas schneller ab und erzeugt einen melierten oder melierten Effekt. Diese Metalllegierung wird Spotted Metal genannt. Die Hauptvorteile der Verwendung von Zinn für Rohre sind sein Aussehen, seine Leistung und seine Korrosionsbeständigkeit.
Andere Anwendungen
Perforierter verzinnter Stahl ist eine aus Mitteleuropa stammende Handwerkstechnik zur Herstellung von Haushaltsgegenständen, die sowohl funktional als auch dekorativ sind. Perforierte Blechlaternen sind die häufigste Anwendung dieser Technik. Kerzenlicht, das durch die Perforationen dringt, erzeugt ein dekoratives Lichtmuster. Laternen und andere perforierte Zinngegenstände wurden in der Neuen Welt seit den frühesten europäischen Siedlungen hergestellt. Ein berühmtes Beispiel ist die Revere-Laterne, benannt nach Paul Revere. Vor der Neuzeit wurden in einigen Gebieten der Alpen Ziegen- oder Widderhörner geschärft und Metall in Form des Alphabets und der Zahlen von eins bis neun durchstanzt. Dieses Lehrmittel wurde einfach „Horn“ genannt. Moderne Reproduktionen zeigen Motive wie Herzen und Tulpen. In Amerika wurden Holzschränke verschiedener Stile und Größen für Kuchen und Lebensmittel vor der Kühlung verwendet, um Schädlinge und Insekten abzuwehren und verderbliche Lebensmittel vor Staub zu schützen. Dabei handelte es sich entweder um Stand- oder Hängeschränke. Diese Schränke hatten Zinneinsätze in den Türen und manchmal auch an den Seiten. Fensterglas wird am häufigsten durch Aufbringen von geschmolzenem Glas auf geschmolzenes Zinn (Floatglas – aus geschmolzenem Metall hergestelltes Tafelglas) hergestellt, wodurch eine vollkommen glatte Oberfläche entsteht. Dies wird auch Pilkington-Prozess genannt. Auch in modernen Lithium-Ionen-Batterien wird Zinn als negative Elektrode verwendet. Seine Verwendung wird dadurch etwas eingeschränkt, dass einige Zinnoberflächen die Zersetzung von Carbonatelektrolyten katalysieren, die in Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden. Stann(II)-Fluorid wird einigen Zahnpflegeprodukten zugesetzt (SnF2). Zinn(II)-Fluorid kann mit Kalzium-Strahlmitteln gemischt werden, während das häufiger vorkommende Natriumfluorid in Gegenwart von Kalziumverbindungen allmählich biologisch inaktiv wird. Es hat sich auch gezeigt, dass es bei der Bekämpfung von Gingivitis wirksamer ist als Natriumfluorid.
Organozinnverbindungen
Unter allen chemischen Verbindungen des Zinns werden organische Zinnverbindungen am häufigsten verwendet. Ihre weltweite Industrieproduktion übersteigt wahrscheinlich 50.000 Tonnen.
PVC-Stabilisatoren
Die wichtigste kommerzielle Verwendung von Organozinnverbindungen liegt in der Stabilisierung von PVC-Kunststoff. Ohne solche Stabilisatoren würde sich PVC bei Einwirkung von Hitze, Licht und Luftsauerstoff sonst schnell zersetzen, was zu einem verfärbten und spröden Produkt führen würde. Zinn fängt labile Chloridionen (Cl−) ab, die andernfalls dazu führen würden, dass HCl aus Kunststoff verloren geht. Typische Zinnverbindungen sind Carbonsäurederivate von Dibutylzinndichlorid, wie beispielsweise Dibutylzinndilaurat.
Biozide
Einige Organozinnverbindungen sind relativ giftig, was ihre Vor- und Nachteile hat. Sie werden aufgrund ihrer bioziden Eigenschaften als Fungizide, Pestizide, Algizide, Holzschutzmittel und Fäulnisschutzmittel eingesetzt. Als Holzschutzmittel wird Tributylzinnoxid verwendet. Tributylzinn wurde als Additiv für Meeresfarben verwendet, um das Wachstum von Meeresorganismen auf Schiffen zu verhindern. Allerdings ging die Verwendung zurück, nachdem Organozinnverbindungen als persistente organische Schadstoffe mit extrem hoher Toxizität für einige Meeresorganismen (z. B. Scharlachgras) erkannt wurden. Die EU verbot 2003 die Verwendung zinnorganischer Verbindungen, obwohl Bedenken hinsichtlich der Toxizität dieser Verbindungen für Meereslebewesen und der Schädigung der Fortpflanzung und des Wachstums einiger Meeresarten bestehen (einige Berichte beschreiben biologische Auswirkungen auf Meereslebewesen bei Konzentrationen von 1 Nanometer pro Liter). führte zu einem weltweiten Verbot durch die Internationale Seeschifffahrtsorganisation. Derzeit beschränken viele Staaten die Verwendung zinnorganischer Verbindungen auf Schiffe mit einer Länge von mehr als 25 m.
Organische Chemie
Einige Zinnreagenzien sind in der organischen Chemie nützlich. In seiner häufigsten Anwendung ist Zinnchlorid ein häufiges Reduktionsmittel für die Umwandlung von Nitro- und Oximgruppen in Amine. Die Style-Reaktion verknüpft Organozinnverbindungen mit organischen Halogeniden oder Pseudohalogeniden.
Lithium-Ionen-Batterien
Zinn bildet mit Lithiummetall mehrere intermetallische Phasen, was es zu einem potenziell attraktiven Material für Batterieanwendungen macht. Die große volumetrische Ausdehnung von Zinn bei der Lithiumdotierung und die Instabilität der Organozinn-Elektrolytgrenzfläche bei niedrigen elektrochemischen Potentialen sind die größten Herausforderungen für den Einsatz in kommerziellen Zellen. Das Problem wurde teilweise von Sony gelöst. Intermetallische Zinnverbindungen mit Kobalt und Kohlenstoff werden von Sony in seinen Ende der 2000er Jahre auf den Markt gebrachten Nexelion-Zellen vermarktet. Die Zusammensetzung des Wirkstoffs beträgt ca. Sn0,3Co0,4C0,3. Neuere Studien haben gezeigt, dass nur bestimmte kristalline Facetten von tetragonalem (Beta)Sn für unerwünschte elektrochemische Aktivität verantwortlich sind.
Zinn(lat. Stannum), sn, chemisches Element der Gruppe IV des Periodensystems von Mendelejew; Ordnungszahl 50, Atommasse 118,69; weiß glänzendes Metall, schwer, weich und dehnbar. Das Element besteht aus 10 Isotopen mit den Massenzahlen 112, 114-120, 122, 124; Letzteres ist schwach radioaktiv; Das Isotop 120 sn ist am häufigsten (ca. 33 %).
Historische Referenz. Legierungen von Gold mit Kupfer – Bronze – waren bereits im 4. Jahrtausend v. Chr. bekannt. h., und reines Metall im 2. Jahrtausend v. Chr. e. In der Antike wurden Schmuck, Geschirr und Utensilien aus Salbe hergestellt. Der Ursprung der Namen „stannum“ und „tin“ ist ungewiss.
Verbreitung in der Natur. O. ist ein charakteristisches Element des oberen Teils der Erdkruste, sein Gehalt in der Lithosphäre beträgt 2,5·10–4 Massen-%, in sauren magmatischen Gesteinen 3·10–4 % und in tieferen Grundgesteinen 1,5·10– 4 %; noch weniger O. im Mantel. Die Sauerstoffkonzentration ist sowohl mit magmatischen Prozessen (es sind „zinnhaltige Granite“ und mit Sauerstoff angereicherte Pegmatite bekannt) als auch mit hydrothermalen Prozessen verbunden; Von den 24 bekannten O-Mineralien entstanden 23 bei hohen Temperaturen und Drücken. Der wichtigste industrielle Wert ist Kassiterit sno 2, Stannin cu 2 fesns 4 ist von geringerer Bedeutung. O. wandert in der Biosphäre nur schwach, im Meerwasser sind es nur 3·10–7 %; Es sind Wasserpflanzen mit einem hohen Sauerstoffgehalt bekannt. Der allgemeine Trend in der Geochemie von Sauerstoff in der Biosphäre geht jedoch in Richtung Ausbreitung.
Physikalische und chemische Eigenschaften. O. hat zwei polymorphe Modifikationen. Das Kristallgitter von gewöhnlichem b-sn (weißes O.) ist tetragonal mit Perioden a = 5.813 å, Mit=3,176 å; Dichte 7,29 G/ cm 3. Bei Temperaturen unter 13,2 °C ist eine -sn (graues O.) kubische diamantartige Struktur stabil; Dichte 5,85 G/ cm 3. Der b ® a-Übergang geht mit der Umwandlung des Metalls in Pulver einher, T pl 231,9 °C, T Kip 2270 ° C. Temperaturkoeffizient der linearen Ausdehnung 23·10 –6 (0-100 ° C); spezifische Wärmekapazität (0 °C) 0,225 kj/(kg K), also 0,0536 Kot/(G°C); Wärmeleitfähigkeit (0 °C) 65,8 Di/(M K), also 0,157 Kot/(cm·- Sek°C); elektrischer Widerstand (20 ° C) 0,115 · 10 –6 Ohm· M, also 11,5·10 –6 Ohm· cm. Zugfestigkeit 16,6 Mn/ M 2 (1,7 kgf/ mm 2) " , relative Dehnung 80-90 %; Brinellhärte 38,3-41,2 Mn/ M 2 (3,9-4,2 kgf/ mm 2). Beim Biegen von O.-Stäben ist ein charakteristisches Knirschen durch die gegenseitige Reibung der Kristallite zu hören.
Entsprechend der Konfiguration der Außenelektronen von Atom 5 S 2 5 P 2 O. hat zwei Oxidationsstufen: +2 und +4; Letzteres ist stabiler; sn(P)-Verbindungen sind starke Reduktionsmittel. O. oxidiert in trockener und feuchter Luft bei Temperaturen bis zu 100 °C praktisch nicht: Es ist durch einen dünnen, haltbaren und dichten Film SNO 2 geschützt. O. ist gegenüber kaltem und kochendem Wasser stabil. Das Standardelektrodenpotential von O. in saurer Umgebung beträgt - 0,136 V. Aus verdünntem HCl und H2SO4 in der Kälte verdrängt Sauerstoff langsam Wasserstoff und bildet SNCL2-Chlorid bzw. SNSO4-Sulfat. In heißem konzentriertem H 2 SO 4 löst sich beim Erhitzen Sauerstoff auf und bildet Sn (SO 4) 2 und SO 2. Kalte (O ° C) verdünnte Salpetersäure wirkt auf Sauerstoff gemäß der Reaktion:
4sn + 10hno 3 = 4sn (Nr. 3) 2 + nh 4 Nr. 3 + 3h 2 o.
Beim Erhitzen mit konzentriertem HNO 3 (Dichte 1,2–1,42). G/ cm 3) O. oxidiert unter Bildung eines Niederschlags von Metatinsäure h 2 sno 3, dessen Hydratationsgrad variabel ist:
3sn+ 4hno 3+ N h 2 o = 3h 2 sno 3 · N h 2 o + 4nr.
Beim Erhitzen von Sauerstoff in konzentrierten Alkalilösungen wird Wasserstoff freigesetzt und es entsteht Hexahydrostannat:
sn + 2KOH + 4H 2 O = k 2 + 2h 2.
Der Sauerstoff in der Luft passiviert den Sauerstoff und hinterlässt einen Film aus Sno 2 auf seiner Oberfläche. Chemisch ist SNO2-Dioxid sehr stabil, SNO2-Oxid oxidiert jedoch schnell und wird indirekt gewonnen. sno 2 weist überwiegend saure, sno basische Eigenschaften auf.
O. verbindet sich nicht direkt mit Wasserstoff; Hydrid snh 4 entsteht durch die Wechselwirkung von mg 2 sn und Salzsäure:
mg 2 sn + 4hcl = 2mgcl 2 + snh 4.
Es ist ein farbloses giftiges Gas T Kip -52 °C; Es ist sehr zerbrechlich, bei Raumtemperatur zerfällt es innerhalb weniger Tage in Sn und H 2 und über 150 ° C sofort. Es entsteht auch durch die Einwirkung von Wasserstoff im Moment der Freisetzung auf Sauerstoffsalze, zum Beispiel:
sncl 2 + 4hcl + 3 mg = 3 mgcl 2 + snh 4.
Sauerstoff erzeugt mit Halogenen Verbindungen der Zusammensetzung snx 2 und snx 4. Erstere sind salzartig und erzeugen in Lösungen Sn 2+-Ionen, Letztere (außer Snf 4) werden durch Wasser hydrolysiert, sind aber in unpolaren organischen Flüssigkeiten löslich. Durch Reaktion von O. mit trockenem Chlor (sn + 2cl 2 = sncl 4) wird Tetrachlorid sncl 4 erhalten; Es ist eine farblose Flüssigkeit, die Schwefel, Phosphor und Jod gut löst. Zuvor wurde die obige Reaktion verwendet, um Sauerstoff aus ausgefallenen verzinnten Produkten zu entfernen. Heutzutage findet die Methode aufgrund der Toxizität von Chlor und der hohen O-Verluste keine breite Anwendung.
Tetrahalogenide SNX 4 bilden komplexe Verbindungen mit H 2 O, NH 3, Stickoxiden, PCL 5, Alkoholen, Ethern und vielen organischen Verbindungen. Sauerstoffhalogenide bilden mit Halogenwasserstoffsäuren komplexe Säuren, die in Lösungen stabil sind, beispielsweise h 2 sncl 4 und h 2 sncl 6 . Bei Verdünnung mit Wasser oder Neutralisation hydrolysieren Lösungen einfacher oder komplexer Chloride und ergeben weiße Niederschläge sn (oh) 2 oder h 2 sno 3 N h 2 o. Sauerstoff erzeugt mit Schwefel Sulfide, die in Wasser und verdünnten Säuren unlöslich sind: braunes SNS und goldgelbes SNS 2.
Empfang und Bewerbung. Die industrielle Produktion von Sauerstoff ist sinnvoll, wenn sein Gehalt in Seifen 0,01 %, in Erzen 0,1 % beträgt; normalerweise Zehntel und Prozenteinheiten. O. wird in Erzen häufig von W, Zr, Cs, rb, Seltenerdelementen, Ta, nb und anderen wertvollen Metallen begleitet. Primärrohstoffe werden angereichert: Placer – hauptsächlich durch Schwerkraft, Erze – auch durch Flotation, Schwerkraft oder Flotation.
Konzentrate mit 50–70 % Sauerstoff werden gebrannt, um Schwefel zu entfernen und durch die Einwirkung von HCl von Eisen gereinigt. Bei Verunreinigungen von Wolframit (Fe, Mn) Wo 4 und Scheelit Cawo 4 wird das Konzentrat mit HCl behandelt; Das resultierende Wo 3 ·h 2 o wird mit nh 4 oh extrahiert. Durch das Schmelzen von Konzentraten mit Kohle in Elektro- oder Flammöfen wird Rohkohlenstoff (94-98 % Sn) mit den Verunreinigungen Cu, Pb, Fe, As, Sb, Bi erhalten. Beim Austritt aus den Öfen wird Roheisen bei einer Temperatur von 500–600 °C durch Koks gefiltert oder zentrifugiert, wodurch der Großteil des Eisens abgetrennt wird. Der Rest von Fe und Cu wird durch Einmischen von elementarem Schwefel in das flüssige Metall entfernt; Verunreinigungen schweben in Form von festen Sulfiden an der Oberfläche, die von der Oberfläche des Sauerstoffs entfernt werden. Aus Arsen und Antimon wird Sauerstoff auf die gleiche Weise raffiniert – durch Mischen von Aluminium, aus Blei – mit SNCL 2. Manchmal werden Bi und Pb im Vakuum verdampft. Um besonders reinen Sauerstoff zu gewinnen, werden elektrolytische Raffination und Zonenrekristallisation relativ selten eingesetzt.
Etwa 50 % aller produzierten Metalle sind Sekundärmetalle; Es wird aus Weißblechabfällen, Schrott und verschiedenen Legierungen gewonnen. Bis zu 40 % des O. werden für die Verzinnung von Weißblech verwendet, der Rest wird für die Herstellung von Loten, Lager- und Drucklegierungen aufgewendet. Sno 2 -Dioxid wird zur Herstellung hitzebeständiger Emails und Glasuren verwendet. Salz - Natriumstannit na 2 sno 3 ·3h 2 o wird zum Beizenfärben von Stoffen verwendet. Crystal SNS 2 („Blattgold“) ist in Farben enthalten, die Vergoldungen imitieren. Niobstannid nb 3 sn ist eines der am häufigsten verwendeten supraleitenden Materialien.
N. N. Sevryukov.
Die Toxizität von O. selbst und den meisten seiner anorganischen Verbindungen ist gering. Akute Vergiftungen durch den in der Industrie weit verbreiteten elementaren Sauerstoff kommen praktisch nicht vor. Einige in der Literatur beschriebene Vergiftungsfälle werden offenbar durch die Freisetzung von Asche 3 verursacht, wenn Wasser versehentlich in Abfälle aus der Arsenreinigung gelangt. Arbeiter in Zinnhütten, die über längere Zeit Staub ausgesetzt sind, können Sauerstoffoxid (sogenannten schwarzen Sauerstoff, SNO) entwickeln. Pneumokoniose Bei Arbeitern, die in der Herstellung von Alufolie tätig sind, kommt es manchmal zu chronischen Ekzemen. O. Tetrachlorid (sncl 4 5h 2 o) bei einer Konzentration in der Luft von über 90 mg/ M 3 reizt die oberen Atemwege und verursacht Husten; Wenn O.-Chlorid auf die Haut gelangt, verursacht es Geschwüre. Ein starkes Krampfgift ist Zinnwasserstoff (Stannomethan, SNH 4), die Wahrscheinlichkeit seiner Bildung unter industriellen Bedingungen ist jedoch vernachlässigbar. Schwere Vergiftungen beim Verzehr von Konserven, die über einen längeren Zeitraum hergestellt wurden, können mit der Bildung von SNH 4 in den Dosen verbunden sein (aufgrund der Wirkung organischer Säuren im Inhalt der Hälfte der Dosen). Eine akute Vergiftung mit Zinnwasserstoff ist durch Krämpfe und Ungleichgewicht gekennzeichnet; Möglicher Tod.
Organische Sauerstoffverbindungen, insbesondere Di- und Trialkylverbindungen, haben eine ausgeprägte Wirkung auf das Zentralnervensystem. Anzeichen einer Vergiftung mit Trialkylverbindungen: Kopfschmerzen, Erbrechen, Schwindel, Krämpfe, Paresen, Lähmungen, Sehstörungen. Es kommt häufig zu Koma, Herz- und Atemstörungen, die zum Tod führen. Die Toxizität von Dialkyl-O.-Verbindungen ist etwas geringer; das klinische Bild einer Vergiftung wird von Symptomen einer Schädigung der Leber und der Gallenwege dominiert. Prävention: Einhaltung arbeitshygienischer Regeln.
O. als künstlerisches Material. Hervorragende Gusseigenschaften, Formbarkeit, Biegsamkeit gegenüber dem Fräser und eine edle silberweiße Farbe bestimmten die Verwendung von O. in der dekorativen und angewandten Kunst. Im alten Ägypten wurde Schmuck aus O. hergestellt, das mit anderen Metallen verlötet war. Ab Ende des 13. Jahrhunderts. In westeuropäischen Ländern erschienen Gefäße und Kirchengeräte aus Gold, ähnlich wie Silber, jedoch weicher im Umriss, mit tiefem und abgerundetem Gravurstrich (Inschriften, Ornamente). Im 16. Jahrhundert F. Briot (Frankreich) und K. Enderlein (Deutschland) begannen mit dem Guss von Prunkschalen, Schalen und Bechern aus O. mit Reliefbildern (Wappen, Mythologie, Genreszenen). A. Sh. Boule führte O. ein Einlegearbeit beim Fertigstellen von Möbeln. In Russland verbreiteten sich im 17. Jahrhundert Produkte aus Glas (Spiegelrahmen, Utensilien); Im 18. Jahrhundert Im Norden Russlands florierte die Produktion von Kupfertabletts, Teekannen und Schnupftabakdosen, veredelt mit Weißblech und Emaille. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts. O.-Gefäße wichen Fayence-Gefäßen und die Verwendung von O. als künstlerisches Material wurde selten. Die ästhetischen Vorteile moderner Dekorationsgegenstände aus Salbe liegen in der klaren Erkennbarkeit der Objektstruktur und der spiegelnden Sauberkeit der Oberfläche, die durch den Guss ohne Nachbearbeitung erreicht wird.
Zündete.: Sevryukov N.N., Tin, im Buch: Brief Chemical Encyclopedia, Bd. 3, M., 1963, S. 738-39; Metallurgie von Zinn, M., 1964; Nekrasov B.V., Fundamentals of General Chemistry, 3. Auflage, Bd. 1, M., 1973, S. 620-43; Ripan p., Ceteanu I., Anorganische Chemie, Teil 1 – Chemie der Metalle, trans. aus Rum., M., 1971, S. 395-426; Berufskrankheiten, 3. Aufl., M., 1973; Schadstoffe in der Industrie, Teil 2, 6. Aufl., M, 1971; verspätet, Les Étains, français, pt. 1-4, S. 1957-64; Mory L., Schön Zinn, München, 1961; Haedeke H., Zinn, Braunschweig, 1963.
DEFINITION
Zinn- das fünfzigste Element des Periodensystems. Bezeichnung - Sn vom lateinischen „stannum“. Befindet sich in der fünften Periode der IVA-Gruppe. Bezieht sich auf Metalle. Die Grundgebühr beträgt 50.
Zinn gehört nicht zu den weit verbreiteten Metallen (sein Gehalt in der Erdkruste beträgt 0,04 %), lässt sich aber leicht aus Erzen erschmelzen und ist daher dem Menschen seit der Antike in Form von Legierungen mit Kupfer (Bronze) bekannt. Zinn kommt üblicherweise in Form der Sauerstoffverbindung SnO 2 – Zinnstein vor, aus der es durch Reduktion mit Kohle gewonnen wird.
Im freien Zustand ist Zinn ein silbrig-weißes (Abb. 1) weiches Metall. Beim Biegen eines Zinnstabes ist ein charakteristisches Knackgeräusch zu hören, das durch die Reibung einzelner Kristalle aneinander entsteht. Zinn ist weich und formbar und lässt sich leicht zu dünnen Blechen rollen, die als Zinnfolie oder Zinnfolie bezeichnet werden.
Reis. 1. Zinn. Aussehen.
Atom- und Molekülmasse von Zinn
DEFINITION
Relative Molekülmasse des Stoffes (M r) ist eine Zahl, die angibt, wie oft die Masse eines bestimmten Moleküls größer als 1/12 der Masse eines Kohlenstoffatoms ist, und relative Atommasse eines Elements (A r)— Wie oft ist die durchschnittliche Masse der Atome eines chemischen Elements größer als 1/12 der Masse eines Kohlenstoffatoms?
Da Zinn im freien Zustand in Form einatomiger Sn-Moleküle vorliegt, stimmen die Werte seiner Atom- und Molekülmassen überein. Sie betragen 118,710.
Allotropie und allotrope Modifikationen von Zinn
Neben dem üblichen weißen Zinn, das im tetragonalen System kristallisiert, gibt es eine weitere Modifikation von Zinn – graues Zinn, das im kubischen System kristallisiert und eine geringere Dichte aufweist.
Weißes Zinn ist bei Temperaturen über 14 °C stabil. Daher wird weißes Zinn beim Abkühlen grau. Aufgrund einer deutlichen Dichteänderung zerfällt das Metall zu grauem Pulver. Dieses Phänomen wird als Zinnpest bezeichnet. Die schnellste Umwandlung von Weißzinn in Grau findet bei einer Temperatur von etwa (-30 °C) statt; es beschleunigt sich in Gegenwart grauer Zinnkristallkeime.
Zinnisotope
Es ist bekannt, dass Zinn in der Natur in Form von zehn stabilen Isotopen vorkommt: 112 Sn (0,96 %), 114 Sn (0,66 %), 115 Sn (0,35 %), 116 Sn (14,3 %), 117 Sn (7,61). %), 118 Sn (24,03 %), 119 Sn (8,58 %), 120 Sn (32,85 %), 122 Sn (4,72 %) und 124 Sn (5,94 %). Ihre Massenzahlen betragen 112, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 120, 122 bzw. 124. Der Kern eines Atoms des Zinnisotops 112 Sn enthält fünfzig Protonen und zweiundsechzig Neutronen, und die übrigen Isotope unterscheiden sich von ihm nur durch die Anzahl der Neutronen.
Es gibt künstliche instabile Zinnisotope mit Massenzahlen von 99 bis 137 sowie mehr als zwanzig Isomerzustände von Kernen, darunter das langlebigste Isotop 113 Sn mit einer Halbwertszeit von 115,09 Tagen.
Zinnionen
Auf dem äußeren Energieniveau des Zinnatoms befinden sich vier Elektronen, bei denen es sich um Valenzelektronen handelt:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 5s 2 5p 2 .
Durch chemische Wechselwirkung gibt Zinn seine Valenzelektronen ab, d.h. ist ihr Donor und verwandelt sich in ein positiv geladenes Ion:
Sn 0 -2e → Sn 2+ ;
Sn 0 -4e → Sn 4+ .
Molekül und Atom aus Zinn
Im freien Zustand liegt Zinn in Form einatomiger Sn-Moleküle vor. Hier sind einige Eigenschaften, die das Zinnatom und -molekül charakterisieren:
Zinnlegierungen
Zur Herstellung von Lagern werden Zinnlegierungen mit Antimon und Kupfer verwendet. Diese Legierungen (Zinn-Babbits) haben reibungsmindernde Eigenschaften. Zum Löten werden häufig Legierungen aus Zinn und Blei – Lote – verwendet. In einigen Kupferlegierungen ist Zinn als Legierungsbestandteil enthalten.
Beispiele für Problemlösungen
BEISPIEL 1
Jedes chemische Element des Periodensystems und die daraus gebildeten einfachen und komplexen Substanzen sind einzigartig. Sie haben einzigartige Eigenschaften und viele leisten unbestreitbar einen bedeutenden Beitrag zum menschlichen Leben und zur Existenz im Allgemeinen. Das chemische Element Zinn bildet da keine Ausnahme.
Die Bekanntschaft der Menschen mit diesem Metall reicht bis in die Antike zurück. Dieses chemische Element spielte eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung der menschlichen Zivilisation; bis heute werden die Eigenschaften von Zinn vielfach genutzt.
Zinn in der Geschichte
Die ersten Erwähnungen dieses Metalls, das, wie man früher glaubte, sogar über magische Eigenschaften verfügte, finden sich in biblischen Texten. Zinn spielte in der Bronzezeit eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung des Lebens. Die haltbarste Metalllegierung, die der Mensch damals besaß, war Bronze, die durch Zugabe des chemischen Elements Zinn zu Kupfer gewonnen werden kann. Mehrere Jahrhunderte lang wurde alles aus diesem Material hergestellt, von Werkzeugen bis hin zu Schmuck.
Nach der Entdeckung der Eigenschaften von Eisen hörte die Verwendung der Zinnlegierung natürlich nicht auf, aber Bronze sowie viele ihrer Legierungen werden heute vom Menschen aktiv in der Industrie eingesetzt , Technik und Medizin, zusammen mit Salzen dieses Metalls, zum Beispiel dem Chloridzinn, das durch Reaktion von Zinn mit Chlor gewonnen wird, siedet diese Flüssigkeit bei 112 Grad Celsius, löst sich gut in Wasser, bildet kristalline Hydrate und raucht an der Luft.
Elementposition im Periodensystem
Das chemische Element Zinn (der lateinische Name Stannum – „Stannum“, geschrieben mit dem Symbol Sn) wurde von Dmitri Iwanowitsch Mendelejew in der fünften Periode zu Recht auf Platz fünfzig gesetzt. Es hat eine Reihe von Isotopen, das häufigste Isotop ist 120. Dieses Metall gehört neben Kohlenstoff, Silizium, Germanium und Flerovium auch zur Hauptuntergruppe der sechsten Gruppe. Sein Standort weist auf amphotere Eigenschaften hin; Zinn zeichnet sich gleichermaßen durch saure und basische Eigenschaften aus, die im Folgenden ausführlicher beschrieben werden.
Das Periodensystem zeigt auch die Atommasse von Zinn, die 118,69 beträgt. Die elektronische Konfiguration ist 5s 2 5p 2, was es dem Metall in der Zusammensetzung komplexer Substanzen ermöglicht, die Oxidationsstufen +2 und +4 anzunehmen, wobei nur zwei Elektronen vom p-Unterniveau oder vier vom s- und p- vollständig abgegeben werden Entleerung der gesamten Außenebene.
Elektronische Eigenschaften des Elements
Entsprechend der Ordnungszahl befinden sich im perinuklearen Raum eines Zinnatoms bis zu fünfzig Elektronen, die sich auf fünf Ebenen befinden, die wiederum in mehrere Unterebenen unterteilt sind. Die ersten beiden haben nur s- und p-Unterebenen, und ab der dritten erfolgt eine dreifache Aufspaltung in s-, p-, d-.
Betrachten wir das Äußere, denn seine Struktur und seine Füllung mit Elektronen bestimmen die chemische Aktivität des Atoms. Im nicht angeregten Zustand weist das Element eine Wertigkeit von zwei auf; bei Anregung geht ein Elektron vom s-Unterniveau auf eine freie Position im p-Unterniveau über (es kann maximal drei ungepaarte Elektronen enthalten). In diesem Fall weist Zinn eine Wertigkeit und Oxidationsstufe von 4 auf, da es keine gepaarten Elektronen gibt, was bedeutet, dass sie während der chemischen Wechselwirkung nichts auf den Unterebenen hält.
Einfache Substanz Metall und seine Eigenschaften
Zinn ist ein silberfarbenes Metall, das zur Gruppe der schmelzbaren Metalle gehört. Das Metall ist weich und relativ leicht verformbar. Ein Metall wie Zinn weist eine Reihe von Eigenschaften auf. Eine Temperatur unter 13,2 ist die Grenze des Übergangs der Metallmodifikation von Zinn in Pulverform, der mit einem Farbumschlag von silberweiß nach grau und einer Abnahme der Dichte des Stoffes einhergeht. Zinn schmilzt bei 231,9 Grad und siedet bei 2270 Grad Celsius. Die kristalline tetragonale Struktur von weißem Zinn erklärt das charakteristische Knirschen des Metalls, wenn es gebogen und an der Biegung durch Reibung der Kristalle der Substanz aneinander erhitzt wird. Grauzinn hat ein kubisches System.
Die chemischen Eigenschaften von Zinn sind dual; es geht sowohl saure als auch basische Reaktionen ein und weist amphotere Eigenschaften auf. Das Metall reagiert mit Alkalien sowie Säuren wie Schwefel- und Salpetersäure und reagiert aktiv mit Halogenen.
Zinnlegierungen
Warum werden anstelle reiner Metalle häufiger Legierungen mit einem bestimmten Anteil an Bestandteilen verwendet? Tatsache ist, dass die Legierung Eigenschaften aufweist, die das einzelne Metall nicht hat, oder dass diese Eigenschaften viel stärker sind (z. B. elektrische Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit, ggf. Passivierung oder Aktivierung der physikalischen und chemischen Eigenschaften von Metallen usw.). Zinn (das Foto zeigt eine Probe aus reinem Metall) ist Bestandteil vieler Legierungen. Es kann als Ergänzung oder Basissubstanz verwendet werden.
Heutzutage ist eine große Anzahl von Legierungen eines Metalls wie Zinn bekannt (ihr Preis variiert stark). Betrachten wir die beliebtesten und am häufigsten verwendeten (die Verwendung bestimmter Legierungen wird im entsprechenden Abschnitt besprochen). Im Allgemeinen weisen Zinnlegierungen die folgenden Eigenschaften auf: hohe Duktilität, geringe Härte und Festigkeit.
Einige Beispiele für Legierungen
Die wichtigsten Naturstoffe
Zinn bildet eine Reihe natürlicher Verbindungen – Erze. Das Metall bildet 24 Mineralverbindungen, die wichtigsten für die Industrie sind Zinnoxid – Kassiterit, sowie Stanin – Cu 2 FeSnS 4. Zinn ist in der Erdkruste verstreut und die daraus gebildeten Verbindungen sind magnetischen Ursprungs. In der Industrie werden auch Salze von Polyzinnsäuren und Zinnsilikaten eingesetzt.
Zinn und der menschliche Körper
Das chemische Element Zinn ist mengenmäßig ein Spurenelement im menschlichen Körper. Seine Hauptanreicherung erfolgt im Knochengewebe, wo der normale Metallgehalt zu seiner rechtzeitigen Entwicklung und der allgemeinen Funktion des Bewegungsapparates beiträgt. Neben den Knochen kommt Zinn vor allem im Magen-Darm-Trakt, in der Lunge, den Nieren und im Herzen vor.
Es ist wichtig zu beachten, dass eine übermäßige Anreicherung dieses Metalls zu einer allgemeinen Vergiftung des Körpers führen kann und eine längere Exposition sogar zu ungünstigen Genmutationen führen kann. In letzter Zeit ist dieses Problem sehr relevant geworden, da der ökologische Zustand der Umwelt zu wünschen übrig lässt. Bei Bewohnern von Megastädten und Gebieten in der Nähe von Industriegebieten besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit einer Zinnvergiftung. Am häufigsten kommt es zu Vergiftungen durch die Ansammlung von Zinnsalzen in der Lunge, beispielsweise Zinnchlorid und anderen. Gleichzeitig kann ein Mangel an Mikroelementen zu Wachstumsverzögerungen, Hörverlust und Haarausfall führen.
Anwendung
Das Metall ist in vielen Hüttenwerken und Unternehmen zum Verkauf erhältlich. Erhältlich in Form von Barren, Stäben, Drähten, Zylindern und Anoden aus einer reinen einfachen Substanz wie Zinn. Der Preis liegt zwischen 900 und 3000 Rubel pro kg.
Zinn in reiner Form wird selten verwendet. Hauptsächlich werden seine Legierungen und Verbindungen – Salze – verwendet. Zinn zum Löten wird bei der Befestigung von Teilen verwendet, die keinen hohen Temperaturen und starken mechanischen Belastungen aus Kupferlegierungen, Stahl, Kupfer ausgesetzt sind, wird jedoch nicht für solche aus Aluminium oder seinen Legierungen empfohlen. Die Eigenschaften und Eigenschaften von Zinnlegierungen werden im entsprechenden Abschnitt beschrieben.
Zum Löten von Mikroschaltungen werden Lote verwendet; in dieser Situation sind auch Legierungen auf Metallbasis wie Zinn ideal. Das Foto zeigt den Prozess der Verwendung einer Zinn-Blei-Legierung. Mit ihm können recht heikle Arbeiten ausgeführt werden.
Aufgrund der hohen Korrosionsbeständigkeit von Zinn wird es zur Herstellung von verzinntem Eisen (Weißblech) – Blechdosen für Lebensmittel – verwendet. In der Medizin, insbesondere in der Zahnheilkunde, wird Zinn zum Füllen von Zähnen verwendet. Hausrohrleitungen sind mit Zinn bedeckt und Lager werden aus Zinnlegierungen hergestellt. Auch der Beitrag dieses Stoffes zur Elektrotechnik ist von unschätzbarem Wert.
Als Elektrolyte werden wässrige Lösungen von Zinnsalzen wie Fluorboraten, Sulfaten und Chloriden verwendet. Zinnoxid ist eine Glasur für Keramik. Durch die Einbringung verschiedener Zinnderivate in Kunststoffe und synthetische Materialien scheint es möglich, deren Entflammbarkeit und die Emission schädlicher Dämpfe zu verringern.
TIN (lat. Stannum), Sn, chemisches Element mit der Ordnungszahl 50, Atommasse 118,710. Über den Ursprung der Wörter „stannum“ und „tin“ gibt es verschiedene Vermutungen. Das lateinische „stannum“, das manchmal vom sächsischen „sta“ – stark, hart – abgeleitet ist, bedeutete ursprünglich eine Legierung aus Silber und Blei. „Zinn“ war in mehreren slawischen Sprachen die Bezeichnung für Blei. Vielleicht ist der russische Name mit den Wörtern „ol“, „tin“ – Bier, Maische, Honig – verbunden: Zur Aufbewahrung wurden Zinngefäße verwendet. In der englischen Literatur wird das Wort „tin“ zur Bezeichnung von Zinn verwendet. Das chemische Symbol für Zinn Sn lautet „Stannum“.
Natürliches Zinn besteht aus neun stabilen Nukliden mit den Massenzahlen 112 (im Gemisch von 0,96 Masse-%), 114 (0,66 %), 115 (0,35 %), 116 (14,30 %), 117 (7,61 %), 118 ( 24,03 %), 119 (8,58 %), 120 (32,85 %), 122 (4,72 %) und ein schwach radioaktives Zinn-124 (5,94 %). 124Sn ist ein B-Strahler, seine Halbwertszeit ist sehr lang und beträgt T1/2 = 1016-1017 Jahre. Zinn befindet sich in der fünften Periode der Gruppe IVA des Periodensystems der Elemente von D.I. Die Konfiguration der äußeren elektronischen Schicht beträgt 5s25p2. Zinn weist in seinen Verbindungen die Oxidationsstufen +2 und +4 (Wertigkeit II bzw. IV) auf.
Der Metallradius des neutralen Zinnatoms beträgt 0,158 nm, die Radien des Sn2+-Ions betragen 0,118 nm und die des Sn4+-Ions betragen 0,069 nm (Koordinationszahl 6). Die aufeinanderfolgenden Ionisierungsenergien des neutralen Zinnatoms betragen 7,344 eV, 14,632, 30,502, 40,73 und 721,3 eV. Nach der Pauling-Skala beträgt die Elektronegativität von Zinn 1,96, das heißt, Zinn liegt an der konventionellen Grenze zwischen Metallen und Nichtmetallen.
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