01

錫的自然屬性

錫是一種銀白色金屬,微帶淡藍(lán)色,柔軟、可延展,元素符號(hào)為Sn,原子序數(shù)為50,密度為7.365g/cm3(20℃),熔點(diǎn)為231.9℃,沸點(diǎn)為2270℃。錫化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,容易進(jìn)行擠壓、拉伸、鍛造和切割,抗腐蝕、易熔,摩擦系數(shù)小。此外,錫的展性好而延性差,因此能制成很薄的錫箔而不能拉成錫絲。

錫在地殼中的含量為0.004%,幾乎都以錫石(氧化錫,即二氧化錫SnO2)的形式存在,也有極少量的錫的硫化物礦。錫有三種同素異形體——白錫、灰錫、脆錫,我們一般所說(shuō)的錫即指白錫,在-13.2℃~161℃穩(wěn)定。當(dāng)溫度低于-13.2℃時(shí),白錫開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)榉蹱畹幕义a。灰錫的晶體結(jié)構(gòu)是與鉆石、硅和鍺類(lèi)似的鉆石型晶體結(jié)構(gòu)。灰錫因?yàn)槠湓娱g形成了共價(jià)結(jié)構(gòu),電子不能自由轉(zhuǎn)移,所以沒(méi)有任何金屬性?；义a是暗灰色的粉狀物,除了一些非常特殊的半導(dǎo)體應(yīng)用,日常用途不大。在低溫下,白錫轉(zhuǎn)化為灰錫的現(xiàn)象常被稱為“錫疫”。這個(gè)現(xiàn)象最早由亞里士多德發(fā)現(xiàn)。未染上“錫疫”的錫板,一旦和有“錫疫”的錫板接觸,也會(huì)產(chǎn)生灰色的斑點(diǎn)而逐漸“腐爛”掉。這個(gè)過(guò)程的轉(zhuǎn)化溫度會(huì)因存在雜質(zhì)如鋁和鋅而降低。在錫中加入銻或鉍可以防止錫的退化,促進(jìn)錫的延展性。這是由于鉍原子中有多余的電子可供錫的結(jié)晶點(diǎn)陣,使錫的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定化,完全消除“錫疫”的可能性。當(dāng)溫度高于161℃時(shí),白錫轉(zhuǎn)為脆錫,直至達(dá)到熔點(diǎn)(231.9℃)全部呈液態(tài)。因此,可以說(shuō)錫既“怕冷”又“怕熱”。

化學(xué)性質(zhì)方面,錫受水銹蝕的影響很小,但易被酸和堿腐蝕。錫可以被高度地拋光,可被用作其他金屬的保護(hù)層。常溫下錫在空氣中穩(wěn)定,其原因是錫表面生成一層致密的氧化物薄膜,阻止其進(jìn)一步氧化,白錫和其他的錫合金表面都會(huì)形成這樣的保護(hù)層。當(dāng)氧氣存在于溶液中時(shí),錫會(huì)變成一種催化劑,加速化學(xué)腐蝕。在空氣中加熱后錫可以形成SnO2。SnO2是弱酸性的,與熔融堿反應(yīng)可以形成錫酸鹽。SnO2可以直接與氯和氧反應(yīng)。在稀酸中SnO2可以取代氫離子。由于在周期表中處于金屬和非金屬之間,錫同時(shí)具有兩者的特性。作為金屬,可氧化至二價(jià)錫和較穩(wěn)定的四價(jià)錫,作為非金屬,錫可和碳、氧等非金屬組成分子。尤其是碳可以和錫形成很多有機(jī)錫化合物,應(yīng)用很廣泛(見(jiàn)圖1)。

圖1　錫錠

資料來(lái)源:公開(kāi)資料。

02

錫的主要用途

錫很容易與鐵結(jié)合,被用來(lái)做鉛、鋅和鋼的防腐層。涂錫的鋼罐多用于貯藏食物,這是金屬錫的一個(gè)重要市場(chǎng)。錫是一些重要合金如青銅、巴氏合金等的組成部分。氯化錫在印刷術(shù)中被用作還原劑和媒染劑。錫鹽噴在玻璃上可以形成導(dǎo)電的涂層。這些涂層被用在防凍玻璃上。一般玻璃板是將熔化的玻璃澆在錫板上形成的,來(lái)保證玻璃面的平坦和光滑。

由于錫具有熔點(diǎn)低、展性好、易與許多金屬形成合金、無(wú)毒、耐腐蝕以及外觀美觀等特性,被廣泛應(yīng)用于電子、食品、汽車(chē)、醫(yī)藥、紡織、建筑、工藝品制造等多個(gè)行業(yè)。錫的用途主要集中在錫焊料、鍍錫板(馬口鐵)、錫化工等領(lǐng)域,大體可分為四類(lèi)。

一是在電子工業(yè)中用作錫焊料。主要是指用錫基合金做的熔點(diǎn)較低的焊料,錫焊料是錫在電子行業(yè)中的主要應(yīng)用,用于電子焊接,該領(lǐng)域目前占我國(guó)錫下游應(yīng)用的60%,起著機(jī)械連接、電連接和熱交換等作用。

二是用于制造鍍錫薄板。俗稱馬口鐵,其具有良好的密封性、保藏性、避光性、堅(jiān)固性、抗腐蝕性,無(wú)毒且有特有的金屬裝飾魅力,被廣泛應(yīng)用在罐頭、飲料等食品的包裝行業(yè)、軍工、儀表、電器以及其他工業(yè)中。

三是錫化合物。錫的有機(jī)化合物主要用作木材防腐劑、農(nóng)藥等,錫的無(wú)機(jī)化合物主要用作催化劑、穩(wěn)定劑、添加劑、和陶瓷工業(yè)的乳化劑等?；び缅a主要集中在五個(gè)方面:PVC熱穩(wěn)定劑、殺蟲(chóng)劑、催化劑、農(nóng)業(yè)化肥和玻璃鍍膜。

四是錫合金。最常見(jiàn)的合金有錫、銻、銅合成的錫基軸承合金,以及鉛、錫、銻合成的鉛基軸承合金,它們可以用來(lái)制造汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、飛機(jī)等承受高速高壓機(jī)械設(shè)備的軸承。其他錫合金還被廣泛應(yīng)用于船舶、化工、建筑、貨幣、活字印刷等工業(yè),以及原子能、航空、超導(dǎo)材料和宇宙飛船制造等尖端技術(shù)領(lǐng)域。

錫在其他領(lǐng)域也有應(yīng)用。例如電子工業(yè)用材料,用作高純?cè)噭?用于還原劑以及有機(jī)合成;用于制造電碳制品、摩擦材料、含油軸承以及粉末冶金結(jié)構(gòu)材料、在冶金工業(yè)中和合金鋼的添加劑;也用于耐火材料與特種玻璃、集成電路、天線等多方面(見(jiàn)圖2)。

圖2　錫箔

資料來(lái)源:公開(kāi)資料。

03

錫的歷史

錫是人類(lèi)最早發(fā)現(xiàn)并得到廣泛應(yīng)用的金屬之一,英文名稱:Tin,元素符號(hào)Sn,源于拉丁文Stannum,史前時(shí)代就已被發(fā)現(xiàn)。由于自然界的錫很少呈游離狀態(tài)存在,因此就很少有純凈的金屬錫。含錫的主要礦物是錫石,其化學(xué)成分為二氧化錫,只要把錫石與木炭放在一起燒,木炭便會(huì)把錫從錫石中還原出來(lái)。公元前4000—前3000年,人類(lèi)就開(kāi)始使用錫。根據(jù)歷史文獻(xiàn)記載,錫于公元前3500年在美索不達(dá)米亞南部的烏爾市(現(xiàn)稱為伊拉克)首次以合金形式被使用,于土耳其首次被開(kāi)采和提煉,當(dāng)合金經(jīng)過(guò)開(kāi)采后變成一種用于抗腐蝕的銀色金屬。錫也是大名鼎鼎的“五金”——金、銀、銅、鐵、錫之一。在我國(guó)古代,錫被用來(lái)與銅鑄成合金制成“青銅”,這不僅會(huì)使其熔點(diǎn)更低,也能使其更易于加工,但生產(chǎn)出來(lái)的金屬則會(huì)更堅(jiān)硬,是工具和武器的理想材料。此項(xiàng)應(yīng)用,成就了歷史上一個(gè)著名的文明發(fā)展階段——“青銅器時(shí)代”,也由此開(kāi)啟了人類(lèi)利用金屬的序幕。

大規(guī)模開(kāi)采錫礦始于19世紀(jì)工業(yè)化以后,尤其是20世紀(jì)初,隨著錫工業(yè)的不斷發(fā)展,錫逐漸成為現(xiàn)代工業(yè)不可缺少的關(guān)鍵稀有金屬,主要用于生產(chǎn)馬口鐵、電鍍、腐蝕科學(xué)、焊接、材料、錫化工產(chǎn)品及錫的其他冶金用途,被廣泛應(yīng)用于電子、信息、電器、化工、冶金、建材、機(jī)械、食品包裝、航天、船舶、燃料、原子能及宇宙飛船等尖端科技領(lǐng)域。被稱為“工業(yè)味精”。1970年后,人們把錫用于防止空氣污染。汽車(chē)廢氣中的有毒氣體一氧化碳,在300℃時(shí),在二氧化錫的催化下,可大部分轉(zhuǎn)化為二氧化碳。隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展,錫在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn),以及尖端科技部門(mén)中,有了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

延伸閱讀

在古代,最早被發(fā)現(xiàn)并得到廣泛應(yīng)用的金屬就是銅和錫。錫和銅的合金就是青銅,由于性能優(yōu)良,一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就很快得到了廣泛的應(yīng)用,并在人類(lèi)文明史上寫(xiě)下了極為輝煌的一頁(yè)——青銅器時(shí)代。錫器的使用可以追溯到公元前3700年。在公元前36世紀(jì)錫就被用來(lái)硬化銅。古時(shí)候,人們常在井底放上錫塊,凈化水質(zhì)。在日本宮廷中,精心釀制的御酒也是用錫器作為盛酒的器皿。大約公元前3000年,埃及、美索不達(dá)米亞和印度河流域的人們就開(kāi)始使用青銅(錫銅之比為3∶7)了。考古學(xué)家在埃及第十八王朝(公元前1580—1350年)的墳?zāi)怪邪l(fā)現(xiàn)了一個(gè)錫環(huán)和朝圣瓶。我國(guó)最早開(kāi)采和使用錫大約在公元前700年,現(xiàn)在的云南地區(qū)是我國(guó)最早發(fā)現(xiàn)有錫開(kāi)采使用的地區(qū)。戰(zhàn)國(guó)時(shí)期錫就是制造武器的主要材料,相傳無(wú)錫在戰(zhàn)國(guó)時(shí)期盛產(chǎn)錫,但戰(zhàn)爭(zhēng)使錫礦被用盡,無(wú)錫因此得名,人們以此作為天下沒(méi)有戰(zhàn)爭(zhēng)的寄望。在我國(guó)的一些古墓中,便常發(fā)掘到一些錫壺、錫燭臺(tái)之類(lèi)的錫器。據(jù)考證,我國(guó)周朝時(shí),錫器的使用已十分普遍了。純凈的錫也被發(fā)現(xiàn)于馬丘比丘,印加人的山上城堡。在埃及的古墓中,也發(fā)現(xiàn)有錫制的日常用品。錫器平和柔滑的特性,高貴典雅的造型,歷久常新的光澤,歷來(lái)深受貴族人士的青睞,在歐洲更成為古典文化的一種象征,能制成多種酒具、燭臺(tái)、茶具、花瓶等。