锡元素符号来源于锡的拉丁文stannum。在远古时代,人们已知锡和铜的合金——青铜。在约公元前2000年,人类就已经开始使用纯锡制作装饰品,中国的一些古墓中,常发掘到一些锡壶、锡烛台之类的锡器。锡是人类最早发现的金属元素之一。
化学元素,元素符号Sn,原子序数50,原子量118.71,属周期系ⅣA族。
锡元素符号来源于锡的拉丁文stannum。在远古时代,人们已知锡和铜的合金——青铜。在约公元前2000年,人类就已经开始使用纯锡制作装饰品,中国的一些古墓中,常发掘到一些锡壶、锡烛台之类的锡器。锡是人类最早发现的金属元素之一。
锡约占地壳重量的2.3×10-4%。自然界中有16种含锡矿物,其中有工业价值的主要是锡石SnO2,其次是黄锡矿Cu2FeSnS4。中国云南个旧锡矿山闻名于世。锡有24种同位素,其中10种为稳定同位素,它们是112Sn、114~120Sn、122Sn、124Sn。124Sn具有弱β-放射性,半衰期(T1/2)为1016~1017年。另有10种人工放射性同位素,其中117Sn(T1/2为118天)、119Sn(T1/2为175天)、123Sn(T1/2为136天)可以用作示踪原子。
锡是具有金属光泽的银白色金属,质地较软,易弯曲,熔点231.93℃、沸点2260℃。锡有3种同素异形体:白锡为四方晶系(β型),晶胞参数:a=0.5832纳米,c=0.3181纳米,晶胞中含4个Sn原子,在>13.2℃稳定存在,密度7.287克/厘米3,莫氏硬度2,延展性好;冷却至<13.2℃时,转变为灰锡(α型)。灰锡为金刚石型立方晶系,晶胞参数:a=0.6489纳米,晶胞中含8个Sn原子,密度5.769克/厘米3。由白锡转变为灰锡时,由于体积膨胀25.6%,灰锡就分解成灰色粉末,这种转变在-33℃加速进行,一旦有一点灰锡籽晶生成,就立刻蔓延到整个锡锭,所以将这种转变形象地称为“锡疫”;当白锡加热到161℃以上会转变成脆锡。脆锡为正交晶系(γ型),密度6.52~6.56克/厘米3,在161℃到231.93℃温度区间内是稳定存在的,此时的锡易磨成细粉,液态锡固化时体积约收缩2.8%。
锡原子的电子组态为(Kr)4d105s25p2,氧化态有+2和+4。常温下,在空气中锡的表面生成二氧化锡保护膜而稳定,加热下氧化反应加快;锡与卤素加热下反应生成四卤化锡,也能与硫反应;锡对水稳定,能缓慢溶于稀酸,较快溶于浓酸中;锡能溶于强碱性溶液;在氯化铁、氯化锌等盐类的酸性溶液中会被腐蚀。
①一氧化锡SnO。为蓝黑色金属结晶粉末,立方晶系,密度6.45克/厘米3,熔点977℃,无臭或稍微带盐酸臭味;不溶于水、乙醇,溶于酸和浓NaOH、KOH溶液,在空气中加热转变为SnO2。锡(Ⅱ)盐与强碱共热可制备SnO。中性水溶液易水解生成沉淀,溶于浓盐酸,以及浓苛性碱,具有强还原性。用于催化剂、还原剂、亚锡盐的制备,在电镀中用于配制氟硼酸亚锡和其他可溶性亚锡盐。②二氧化锡SnO2。白色或淡黄色,呈粉末状,四方晶系;密度6.85克/厘米3,熔点1630℃,1800~1900℃升华。不溶于水,难溶于酸,在浓硫酸中长时间加热可溶解,与强碱共熔生成可溶性锡(Ⅳ)酸盐。金属锡在空气中加热或溶于浓硝酸中加热脱水可制备SnO2。它是制备金属锡和媒染剂的原料,也用于制作瓷釉、珐琅和玻璃的磨料。
①二氯化锡SnCl2,白色晶体,正交晶系,密度3.90克/厘米3,熔点247.0℃,沸点623℃;易溶于水,溶解度178克/100克水(10℃),水溶液易水解。将金属锡溶于30%的盐酸中,在35~37℃和CO2气氛下蒸发、冷却、结晶、干燥可制得二氯化锡。主要用于电镀锡,在染料工业中作还原剂。②四氯化锡SnCl4,无色液体易流动液体;密度2.234克/厘米3,熔点-34.07℃,沸点114.15℃,易挥发,在潮湿空气中因水解而发烟,有腐蚀性;盐酸可抑制其水解作用。在19~56℃范围内,盐酸可使四氯化锡从浓溶液中以无色的水合晶体SnCl4·5H2O析出。易溶于乙醇、乙醚、苯、四氯化碳、丙酮等非水溶剂中。溶于水时,因水解而析出α-锡酸:
3SnCl4+4H2O→Sn(OH)4+2H2SnCl6
干燥的氯气和熔融的金属锡反应生成四氯化锡。它主要用作媒染剂、有机合成中氯化反应的催化剂和制糖业中的漂白剂等。还用于导电性涂层和镀锡等。
有α-锡酸和β-锡酸,它们都是二氧化锡的水合物xSnO2·yH2O。α-锡酸常称作氢氧化锡(Ⅳ),为白色无定形粉末或凝胶,难溶于水,可溶于酸和碱。α-锡酸可由锡(Ⅳ)盐或四卤化锡在室温下水解,或与适量碱或氨水反应制得。α-锡酸长时间放置或加热会逐渐转变为β-锡酸。β-锡酸是白色细晶,具有SnO2四方晶体结构,不溶于水、酸和碱,由锡与浓硝酸作用可制得β-锡酸。
①锡酸钠Na2[Sn(OH)6],无色六角板状结晶或白色粉末。易溶于水,水溶液呈碱性,水溶液相对密度1.438,不溶于醇和丙酮。加热至140℃时失去结晶水形成无水物。在空气中吸收二氧化碳形成碳酸钠和氢氧化锡。与二氧化碳反应生成碳酸钠,140℃时脱水分解。主要用于电镀行业碱性镀锡和镀铜,以及锡合金、锌锡合金、铝合金等合金的电镀和化学镀。在纺织行业用作防火剂,增重剂,也用于玻璃、陶瓷等工业。②亚锡酸钠,化学式一般用Na2SnO2,也可用Na2[Sn(OH)4]表示。亚锡酸钠只存在于较浓的强碱溶液中,在溶液中含有亚锡酸根离子,实际是[Sn(OH)4]2-。亚锡酸钠溶液用水稀释时,会产生白色胶状的氢氧化亚锡沉淀;久置或加热会产生黑色的氧化亚锡SnO;亚锡酸钠的浓碱溶液放置过久会变黑,产生细粒状锡;亚锡酸钠溶液具有强还原性,可用作强还原剂。
锡矿石中含锡量不超过1%,需经重选、磁选和浮选得到含锡40%~70%的精矿。将精锡矿在600~700℃煅烧,使其中的硫和砷转变成挥发性氧化物除去,再用浓盐酸浸出Fe、Bi、Sb等杂质,然后再用碳与助熔剂和精矿石在反射炉中熔烧,得到含锡97%~99%的粗锡,经多次精炼,可得纯度达99.56%~99.90%的纯锡。半导体工业用的99.99985%的高纯锡是用区域熔融法得到的。
金属锡主要用于制备合金,如锡和铅的低熔点合金,用作焊锡;铜和锡的合金俗称青铜,可制作器具;铜、锑和锡合金用于制作轴承;铅、锑、锡合金可铸铅字。约40%的锡是用于制锡箔和制作镀锡防锈的马口铁板。锡在生活中常用于食品保鲜、罐头内层的防腐膜等。锡是一种质地较软的金属,熔点较低,可塑性强,有各种表面处理工艺,能制成多种款式的产品,如传统典雅的欧式酒具、烛台、高贵大方的茶具等。锡在中国古代常被用来制作青铜,锡和铜的比例为3∶7。
锡无毒,但长期吸入其粉尘会患慢性支气管炎。空气中最高容许浓度为2毫克/米3(以锡计)。