Kalaj

Sa Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na: navigacija, traži
Kalaj
[Kr] 4d105s25p2 50Sn
   
Periodni sistem elemenata
Općenito
Hemijski element, Simbol, Atomski broj Kalaj, Sn, 50
Serija Metali
Grupa, Perioda, Blok 14, 5, p
Izgled srebreno sivi metal
Zastupljenost 3,5 · 10-3[1] %
Atomske osobine
Atomska masa 118,710 u
Atomski radijus (izračunat) 145 (145) pm
Kovalentni radijus 139 pm
Van der Waalsov radijus 217 pm
Elektronska konfiguracija [Kr] 4d105s25p2
Broj elektrona u energetskom nivou 2, 8, 18, 18, 4
Izlazni rad 4,42[2] eV
1. energija ionizacije 708,6 kJ/mol
2. energija ionizacije 1411,8 kJ/mol
3. energija ionizacije 2943,0 kJ/mol
4. energija ionizacije 3930,3 kJ/mol
Fizikalne osobine
Agregatno stanje čvrsto
Mohsova skala tvrdoće 1,5
Kristalna struktura tetragonalna
Gustoća 5769 (α-kalaj)
7265 (β-kalaj) kg/m3
Magnetizam (α-kalaj) dijamagnetičan
(\chi_{m} = −2,3 · 10−5)
(β-kalaj) paramagnetičan
(\chi_{m} = 2,4 · 10−6)[3]
Tačka topljenja 505,08 K (231,93 °C)
Tačka ključanja 2893 K (2620[4] °C)
Molarni volumen 16,29 · 10-6 m3/mol
Toplota isparavanja 290[4] kJ/mol
Toplota topljenja 7,0 kJ/mol
Pritisak pare 5,78 · 10-21 Pa kod 505 K
Brzina zvuka 2500 m/s kod 293,15 K
Specifična toplota 228 J/(kg · K)
Specifična električna provodljivost 8,69 · 106 S/m
Toplotna provodljivost 67 W/(m · K)
Hemijske osobine
Oksidacijsko stanje (-4) 4, 2
Elektrodni potencijal -0,137 V (Sn2+ + 2e- → Sn)
Elektronegativnost 1,96 (Pauling-skala)
Izotopi
Izo RP t1/2 RA ER (MeV) PR
112Sn

0,97 %

Stabilan
113Sn

sin

115,09 d ε 1,036 113In
114Sn

0,65 %

Stabilan
115Sn

0,34 %

Stabilan
116Sn

14,54 %

Stabilan
117Sn

7,68 %

Stabilan
118Sn

24,23 %

Stabilan
119Sn

8,59 %

Stabilan
120Sn

32,59 %

Stabilan
121Sn

sin

27,06 h β- 0,388 121Sb
122Sn

4,63 %

Stabilan
123Sn

sin

129,2 d β- 1,404 123Sb
124Sn

5,6 %

Stabilan
125Sn

sin

9,64 d β- 2,364 125Sb
126Sn

sin

~230.000 god β- 0,380 126Sb
Sigurnosno obavještenje
Oznake upozorenja
Simbol nepoznat
Obavještenja o riziku i sigurnosti R: nema oznaka upozorenja R
S: nema oznake upozorenja S
Ukoliko je moguće i u upotrebi, koriste se SI osnovne jedinice.
Ako nije drugačije označeno, svi podaci su podaci dobiveni mjerenjima u normalnim uslovima.

Kalaj je hemijski element koji se označava hemijskim simbolom Sn (od lat. stannum) i ima atomski broj 50. U periodnom sistemu nalazi se u 5. periodi i 4. glavnoj grupi (14. grupa, tj. grupa ugljika). Spada u teške metale. Ima srebreno-bijelu boju i metalni sjaj, izrazito je mehak, toliko da se čak može i noktom zagrebati. U poređenju sa drugim metalima, kalaj ima veoma nisko talište.

Etimologija[uredi | uredi izvor]

Riječ kalaj je u slavenske jezike, a tako i u bosanski, došla preko turskog kalay, dok se u baltičkim jezicima koristi naziv alavas, u ruskom Олово (olovo), dok je njegov naziv u romanskim jezicima uglavnom izveden iz latinskog stannum odnosno stagnum. U grčkom jeziku naziva se Κασσιτερος (Kassiteros), naziv koji se koristi još od Homerovog doba, u značenju metal iz zemlje Kassi (ili Kasseterides). Iz ovog naziva izvedeno je i ime kositar, kako se i danas naziva u hrvatskom jeziku. Arapski naziv قصدير (kasdir) je zapravo posuđenica iz grčkog naziva.[5]

Historija[uredi | uredi izvor]

Metal kalaj je poznat najkasnije iz perioda 3500 p.n.e. na šta ukazuju predmeti od bronze nađeni u južnom Kavkazu, a potiču iz Kuro-arakske kulture. U planinskom masivu Taurus u današnjoj južnoj Turskoj postoje dokazi da se tamo kopala ruda kalaja, a otkriveni su i antički rudnik Kestel i mjesto Göltepe gdje se ruda prerađivala, oba datirana oko 3000 p.n.e. Međutim, ostaje neistraženo da li se tamo radi o najvećem izvoru trgovine i potrošnje kalaja u antičkom dobu.

Pronalaskom načina izrade legure bronze, čiji su sastojci kalaj i bakar, značaj kalaja je izuzetno porastao (bronzano doba). Od 2. milenija p.n.e. kalaj se kopao u rudnicima u velikim količinama širom Male Azije, a najviše duž puta koji je kasnije postao poznat kao Put svile. Od oko 1800 p.n.e. (dinastija Shang) kalaj je poznat i u drevnoj Kini. Međutim, kalaj je vjerovatno bio poznati i ranije, a dokazi o njegovom korištenju su pronađeni u mnogim nalazištima u Aziji, u Yunnanu i na Malajskom poluostrvu. I u jednoj egipatskoj grobnici iz 18. dinastije (oko 1500 p.n.e.) pronađeni su predmeti od kalaja.

Rimski pisac Plinije Stariji dao je kalaju naziv plumbum album (bijelo olovo); dok je metal olovo bio plumbum nigrum (crno olovo). Velika potražnja za kalajem, koji je u alhemiji bio povezan za Jupiterom,[6] bila je jedan od uzroka rimske okupacije Britanije. U jugozapadnom području Cornwalla pronađene su, za to vrijeme, velika nalazišta rude kalaja. U latinskom jeziku, kalaj se zvao stannum, te se iz njega danas izvodi njegov hemijski simbol Sn.

Nakon dugog vremena, nakon što je željezo zamijenilo bronzu (željezno doba), tek od sredine 19. vijeka kalaj je zbog industrijske proizvodnje bijelog lima ponovo dobio na značaju.

Dobijanje i rasprostranjenost[uredi | uredi izvor]

Kopanje rude kalaja u Altenbergu 1976.
Oktaedarska struktura kristala kasiterita iz Sečuana, Kina

Primarna nalazišta kalaja obuhvataju nalazišta unutar greisena, hidrotermalnih žila i rijetkih skarnova i VHMS nalazišta. Pošto je industrijski najvažniji mineral kalaja kasiterit (poznat i kao kalajni kamen, SnO2) jedan vrlo stabilan i težak mineral, veći dio proizvodnje kalaja dolazi iz sekundarnih pjeskovitih nalazišta. U nekim primarnim nalazištima moguće je pronaći i sulfidni mineral stanit (Cu2FeSnS4) koji također ima određeni značaj u proizvodnji kalaja. U primarnim nalazištima kalaja zajedno s njim mogu se pojaviti i arsen, volfram, bizmut, srebro, cink, bakar i litij.

Za dobijanje metalnog kalaja, ruda se najprije isitni, te se obogaćuje različitim postupcima (prosijavanjem, električnim i magnetskim izdvajanjem). Nakon hemijske redukcije ugljikom, kalaj se zagrijava neznatno iznad tačke topljenja, tako da se može odvojiti od nečistoća, bez mogućnosti da se i nečistoće otope zajedno s njim. Danas se veći dio kalaja dobija recikliranjem ili putem elektrolize.

U kontinentalnoj Zemljinoj kori, kalaj je zastupljen u količini od oko 2,3 ppm.[7]

Trenutne rezerve kalaja u svijetu se procjenjuju na 5,6 miliona tona, a godišnja proizvodnja u 2011. godini iznosila je 263.000 tona.[8] Preko 80% kalaja se trenutno dobija iz sekundarnih nalazišta, iz pjeskovitih naslaga u rijekama i obalnim područjima, naročito su bogata područja od centralne Kine, preko Tajlanda južno do Indonezije. Najveća nalazišta kalaja na Zemlji pronađena su 1876. godine u dolini rijeke Kinta u Maleziji. Tamo se i danas godišnje iskopa oko 2 miliona tona rude.[9] Ruda u naslagama iz tog nalazišta ima udio kalaja od oko 5%. Nakon nekoliko faza obrade i koncentriranja do nivoa od 75%, slijedi proces topljenja.

U Njemačkoj ruda kalaja ima u rudnom gorju Erzgebirge gdje se ruda kopala od 13. vijeka do 1990. godine. Određena istraživanja pokazala su da se u mjestašcu Geyer nalaze rude kalaja u količinama oko 160 hiljada tona, što se po nekim izvorima smatra najvećim, do danas neiskorištenim, rudnim nalazištem kalaja u svijetu.[10] Iako je udio kalaja u toj rudi relativno mali (0,27% u nalazištu Gottesberg, a 0,37% u nalazištu Geyer), a sa druge strane postoje tehničke poteškoće izdvojiti metal iz takve rude, ipak se smatra da ukoliko dođe do eksploatacije, bit će ekonomski isplativo. Osim kalaja, na tim nalazištima procjenjuje se da bi se kao sporedni proizvodi moglo dobiti i dosta cinka, bakra i indija.[10]

Među najvažnije države proizvođače kalaja spadaju Kina, nakon koje slijede Indonezija i Peru. U Evropi najveći proizvođač je Portugal, gdje se on javlja kao sporedni proizvod VHMS nalazišta u rudniku Neves Corvo.

Američka komisija za vrijednosne papire (SEC) je kasiterit proglasila konfliktnim mineralom[11], tako da se njegova upotreba i trgovina od strane kompanija i firmi mora prijavljivati ovoj instituciji. Razlog za to je što se on često uvozi iz Demokratske Republike Kongo, gdje na istoku te zemlje pobunjenici koriste novac zarađen prodajom rude kalaja za naoružavanje i finansiranje oružanih sukoba.[12]

Države sa najvećom proizvodnjom kalaja u svijetu
(2009. i 2011.) kao i procijenjene rezerve (2011.)[13][8]
Rang
2011.
Država Količina
2009. (u t)
Količina
udio 2009
Količina
2011. (u t)
Količina
udio 2011.
Rezerve 2011.
(u t)
1 Kina 115.000 37% 120.000 46% 1.500.000
2 Flag of Indonesia.svg Indonezija 100.000 33% 51.000 19% 800.000
3 Flag of Peru.svg Peru 38.000 12% 34.600 13% 310.000
4 Flag of Bolivia.svg Bolivija 16.000 5,2% 20.700 7,9% 400.000
5 Flag of Brazil.svg Brazil 12.000 3,9% 12.000 4,6% 590.000
6 Flag of Australia.svg Australija 2.000 0,7% 8.000 3,0% 180.000
7 Flag of Vietnam.svg Vijetnam 3.500 1,1% 6.000 2,3% /
8 Flag of the Democratic Republic of the Congo.svg DR Kongo 12.000 2,2% 5.700 2,2% /
9 Flag of Malaysia.svg Malezija 2.000 0,7% 2.000 0,8% 250.000
10 Flag of Russia.svg Rusija 2.000 0,7% 1.000 0,4% 350.000
11 Flag of Portugal.svg Portugal 100 0,03% 100 0,04% 70.000
12 Flag of Thailand.svg Tajland 100 0,03% 100 0,04% 170.000
Drugi 4.000 1,3% 2.000 0,8% 180.000
Ukupno 306.700 100% 263.200 100% 5.570.000

Osobine[uredi | uredi izvor]

(lijevo) β- i (desno) α-kalaj

Kalaj se može javiti u tri alotropske modifikacije sa različitom kristalnom strukturom i gustoćom. To su:

  • α-kalaj (kubična dijamantna rešetka), (sivi kalaj) gustoće 5,75 g/cm3, koji je stabilan na temperaturi ispod 13,2 °C i ima razmak vrpci EG = 0,1 eV
  • β-kalaj (pokidana oktaedarska rešetka, gustoće 7,31 g/cm3, bijeli kalaj) postojan do 162 °C
  • γ-kalaj (romboedarska rešetka, gustoće 6,54 g/cm3) javlja se na temperaturi iznad 162 °C ili pri visokom pritisku.

Rekristalizacija od β-kalaja u α-kalaj pri nižim temperaturama se naziva i kalajna kuga ili muzejska bolest jer se javlja na kalajnim predmetima koji se zimi čuvaju u muzejima. Brzina prelaska u alfa modifikaciju povećava se sniženjem temperature kao i neposrednim dodirom metalnog kalaja sa sivom modifikacijom. Lomljenjem, savijanjem relativno mehkog kalaja, naprimjer kod kalajnih šipki, dolazi do karakterističnog škripavog zvuka, takozvanog kalajnog vriska. Zvuk nastaje trenjem β-kristalita jedan o drugi. Međutim, zvuk se javlja samo kod čistog kalaja, dok već legure kalaja sa i najmanjim primjesama drugih elemenata nemaju ovu osobinu, naprimjer manje količine olova i antimona onemogućavaju nastanak ovog zvuka. Beta kalaj ima spljoštenu tetraedarsku strukturu kao prostornu strukturu ćelije, iz kojeg se dodatno grade dva spoja.

Kalaj se presvlači slojem oksida, koji ga štiti od vanjskih uticaja, pa je on vrlo otporan. Koncentrirane kiseline i baze ga ipak napadaju dajući otpuštajući gas vodik. Ipak kalaj(IV) oksid je inertan poput titanij(IV) oksida. Neplemeniti metali, poput cinka, reduciraju kalaj, te se pri tom elementarni kalaj oslobađa u vidu spužvaste supstance ili se zalijepi na cink.

Izotopi[uredi | uredi izvor]

Kalaj ima ukupno 10 prirodnih stabilnih izotopa. Ti izotopi su: 112Sn, 114Sn, 115Sn, 116Sn, 117Sn, 118Sn, 119Sn, 120Sn, 122Sn i 124Sn. Izotop 120Sn ima udio od 32,4% u prirodnoj izotopskoj smjesi kalaja i najčešći je. Među nestabilnim izotopima izotop 126Sn ima najduže vrijeme poluraspada od 230.000 godina.[14] Svi ostali izotopi imaju vrijeme poluraspada od najviše 129 dana, mada postoji nuklearni izomer 121mSn koji ima vrijeme poluraspada od 44 godine.[14] Kao trejser u nuklearnoj medicini se najčešće koriste izotopi 113Sn, 121Sn, 123Sn i 125Sn. Kalaj je jedini element koji ima tri stabilna izotopa sa neparnim masenim brojem i jedini sa 10 stabilnih izotopa, najviše među svim poznatim elementima.

Primjena[uredi | uredi izvor]

U 2006. godini, oko polovine proizvedenog kalaja u svijetu se potrošilo za lemljenje. Ostatak je potrošen za kalajisanje (premaz predmeta tankim slojem kalaja), pravljenje kalajnih hemikalija, pravljenje legura bronze i slično.[15]

Lem[uredi | uredi izvor]

Namotaj bezolovne lem žice

Kalaj se dugo vremena koristi za lemljenja, u obliku legura sa olovom u kojoj kalaja ima od 5 do 70% (po težini). Kalaj formira eutektičnu smjesu sa olovom koja sadrži 63% kalaja i 37% olova. Takvi lemovi se prvenstveno koriste za lemljenje cijevi ili električnih sklopova. Legura kalaja i olova ima nisku temperaturu topljenja, npr. pri 60% kalaja ta temperatura iznosi oko 180 °C. Od kako je od 1. jula 2006. godine na snagu stupila direktiva EU o zbrinjavanju elektronskog i električkog otpada, korištenje olova u ovakvim legurama je značajno smanjeno. Zamjena olova ima dosta prepreka, uključujući višu tačku topljenja i stvaranje dlačica od kalaja što može izazvati probleme. Kalajna kuga se također može javiti u bezolovnim lemovima, što dovodi do gubitka spoja između lemljenih površina. Međutim, već su pronađene brojne zamjenske legure, ali i dalje ostaje problem integriteta spoja.[16]

Kalajisanje[uredi | uredi izvor]

Kalaj se vrlo dobro spaja sa željezom i koristi se za prevlačenje olova, cinka, čelika i drugih metala tankim slojem poboljšavajući njihovu otpornost na koroziju. Kalajisani čelični kontejneri su se dosta koristili za čuvanje hrane u prehrambenoj industriji, što predstavlja veliki dio svjetske potražnje za metalnim kalajem. Limenke obložene kalajem za čuvanje hrane prvi put su proizvedene u Londonu 1812. godine.[17] Govornici britanskog engleskog i danas takve posude nazivaju "kalajnim konzervama" (tin cans).

Velike količine kalaja upotrebljavaju se za izradu legura: bronze (legura sa bakrom), tipografskog metala (sa antimonom i olovom), britanija metala (sa antimonom i bakrom), a koristi se i za izradu pribora za jelo i za klizne ležajeve.

Spojevi[uredi | uredi izvor]

Spojevi kalaja se javljaju u oksidacijskim stanjima +II i IV. Spojevi kalaja(IV) su nešto stabilniji, a pošto je kalaj element 4. glavne grupe periodnog sistema, stoga efekt inertnog elektronskog para još uvijek nije tako snažno izražen kao kod težih elemenata ove grupe, naprimjer kod olova. Spojevi kalaja(II) se zbog toga mogu lakše prevesti u spojeve kalaja(IV). Mnogi spojevi kalaja su neorganske prirode, ali postoji i jedna grupa kalajno-organskih spojeva (zvanih kalaj-organili)

Oksidi i hidroksidi[uredi | uredi izvor]

Halogenidi[uredi | uredi izvor]

Soli[uredi | uredi izvor]

Halkogenidi[uredi | uredi izvor]

Organski spojevi[uredi | uredi izvor]

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
  2. ^ Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer, Rainer Kassing: Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 6: Festkörper. 2. izd., Walter de Gruyter, Berlin 2005, ISBN 978-3-11-017485-4, str. 361.
  3. ^ David R. Lide (ur.): CRC Handbook of Chemistry and Physics, 90. izd. (internet verzija: 2010), CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL, Properties of the Elements and Inorganic Compounds, str. 4-142 – 4-147.
  4. ^ a b Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. u: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, str. 328–337, doi:10.1021/je1011086
  5. ^ History & Etymology na vanderkrogt.net
  6. ^ Jörg Barke: Die Sprache der Chymie: am Beispiel von vier Drucken aus der Zeit zwischen 1574-1761, Tübingen 1991 (= Germanistische Linguistik, 111), str. 385.
  7. ^ K.H. Wedepohl: The composition of the continental crust. Geochimica et Cosmoschimica Acta (1995) 59/7, str. 1217–1232; doi:10.1016/0016-7037(95)00038-2.
  8. ^ a b USGS – Tin Statistics and Information – Mineral Commodity Summaries 2012 (PDF)
  9. ^ Tin chapter (PDF), str. 112
  10. ^ a b Christoph Seidler: Probebohrung bestätigt riesiges Zinnvorkommen. Spiegel Online, 30. august 2012. (de)
  11. ^ SEC, Conflict Minerals - Final Rule (2012), str. 34f. (PDF, (en))
  12. ^ SEC Adopts Rule fpr Disclosing Use of Conflict Minerals, (en) pristupljeno 3.9.2012.
  13. ^ USGS – Tin Statistics and Information – Mineral Commodity Summaries 2010 (PDF)
  14. ^ a b G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot, A.H. Wapstra: The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties (PDF), u: Nuclear Physics. Bd. A 729, 2003, str. 3–128.
  15. ^ Tin Use Survey 2007.
  16. ^ Black, Harvey (2005). "Getting the Lead Out of Electronics". Environmental Health Perspectives 113 (10): A682–5. doi:10.1289/ehp.113-a682
  17. ^ A CANNED HISTORY OF TINNED FOOD.
Commons logo
U Wikimedijinom spremniku se nalazi još materijala vezanih uz: