Калай, известен с химическия символ Sn и атомен номер 50, е метал от групата на преходните метали в периодичната таблица. Той е сребристо-бял и мек, с отлична корозионна устойчивост, което го прави ценен материал в различни индустриални приложения.
| Калай | |
 | |
| Информационна таблица | |
| Параметър | Информация |
|---|---|
| Име на елемента (български) | Калай |
| Латинско / международно наименование | Stannum |
| Химичен символ | Sn |
| Пореден номер (атомно число) | 50 |
| Период и група в таблицата | Период 5, Група 14 |
| Блок | p-блок |
| Категория / тип елемент | Постпреминаващ метал |
| Атомна маса | 118.710 u |
| Изотопи | 10 стабилни изотопа, най-разпространен – Sn-120 |
| Средна атомна маса | 118.71 u |
| Плътност | 7.31 g/cm³ |
| Температура на топене | 231.93 °C |
| Температура на кипене | 2602 °C |
| Кристална структура | Тетрагонална (бял калай), кубична (сив калай) |
| Цвят / външен вид | Сребристо-бял метал |
| Агрегатно състояние при 20°C | Твърдо |
| Откривател / година | Познат от древността |
| Място на откриване | Близкият изток и Мала Азия (първи находища) |
| Етимология на името | От латинското „stannum“ – сплав от сребро и олово |
| Химическа формула | Sn |
| Окислителни степени | +2, +4 |
| Електронна конфигурация | [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p² |
| Електроотрицателност | 1.96 (по Полинг) |
| Йонизационна енергия | 708.6 kJ/mol |
| Ковалентен радиус | 139 pm |
| Атомен радиус | 145 pm |
| Топлопроводимост | 66.6 W/m·K |
| Електрическа проводимост | Висока |
| Магнитни свойства | Диамагнитен |
| Състояние на електрони при възбуждане | Преход 5p → 5d |
| Спектрален цвят / линии | Характерни линии в ултравиолетовата област |
| Честота в земната кора | Рядък, около 2.2 ppm |
| Наличие във Вселената | Средно разпространен тежък елемент |
| Основни минерали и съединения | Каситерит (SnO₂), станин (Cu₂FeSnS₄) |
| Разпространение в природата | Най-често като каситерит |
| Начини за получаване / добив | Топлинно редуциране на SnO₂ с въглерод |
| Основни производители в света | Китай, Индонезия, Перу, Боливия |
| Основни приложения | Сплави, покрития, електроника, запояване |
| Участие в сплави / съединения | Бронз, припои, бели метали |
| Биологично значение | Няма доказана жизнена функция |
| Токсичност и безопасност | Металният калай е ниско токсичен; органо-калаевите съединения са силно токсични |
| Пределно допустима концентрация | Зависи от формата; органичните форми са ограничени строги |
| Влияние върху човешкия организъм | В чист вид почти нетоксичен; натрупването е рядко |
| Роля в биохимичните процеси | Не участва активно |
| Използване в индустрията | Запояване, покрития против корозия, електроника |
| Използване в електрониката / енергетиката | Припои, кондензатори, проводящи пасти |
| Използване в медицината / фармацията | Някои диагностични агенти |
| Ядрени свойства | Съдържа стабилни изотопи и няколко радиоактивни |
| Полуживот на радиоактивни изотопи | От минути до хиляди години (в зависимост от изотопа) |
| Тип радиоактивен разпад | β-разпад при нестабилните изотопи |
| Енергия на връзката | 8.52 MeV/нуклон |
| Наличие в атмосферата / океаните | Следи при разпад на минерали |
| Влияние върху околната среда | Органо-калаевите съединения са опасни замърсители |
| Методи за рециклиране / повторна употреба | Топене и рафиниране |
| Глобално годишно производство | ~370 000 тона |
| Годишна консумация | Основно в електроника и металургия |
| Основни вносители / износители | Китай, Малайзия, Сингапур |
| Историческо значение | Основен компонент на бронза в Бронзовата епоха |
| Научна дисциплина | Неорганична химия, металознание |
| Интересни факти | При ниски температури се превръща в „сив калай“ — процес наречен калайна чума |
| CAS номер | 7440-31-5 |
| PubChem CID | 5352425 |
| UN номер / код за транспортна безопасност | UN 3089 |
| Периодични тенденции | Увеличава радиуса, стабилни +2/+4 състояния |
| Спектър на излъчване | Видими и UV линии |
| Енергийно ниво на външния електрон | 5p-орбитали |
| Промишлени рискове и мерки за безопасност | Избягване на органо-калаеви изпарения |
| Състояние при стандартни условия (STP) | Твърдо, метал |
| Класификация по IUPAC | Постпреминаващ метал |
| Символика и културно значение | Елемент, използван от древността за бронз |
Калайът е един от най-старите метали, използвани от човечеството, и неговата история е дълбоко вплетена в развитието на цивилизациите.
Физични и химични свойства
Мек, ковък и пластичен метал, който лесно може да се формова и обработва. Неговата плътност е около 7.31 g/cm³, а точката на топене е 231.93 °C. Относно химичната си активност, калай е относително инертен, но може да реагира с кислород, образувайки калай оксид, който е защитен слой, предотвратяващ по-нататъшна корозия.
В природата обикновено се среща под формата на минерали, от които най-разпространен е каситерит (SnO₂). Калайът има важни електрически свойства, които го правят подходящ за използване в електронната индустрия.
Той е добър проводник на електричество и топлина, което го прави идеален за производството на електрически проводници и спойки. В допълнение, има добра устойчивост на корозия, което го прави предпочитан материал за покрития на метали, които са подложени на агресивни условия.
Исторически контекст
Историята на калая започва още в древността, когато той е бил използван от хората за производството на оръжия, инструменти и бижута. Първите археологически находки, съдържащи калай, датират от около 3000 г. пр.н.е. в региона на Месопотамия.
Древните цивилизации, като египтяните и шумерите, са осъзнали значението на калая и са го използвали в сплави с мед, създавайки бронза, която е играла ключова роля в бронзовата епоха. През вековете добивът и обработката на калай са се развивали, като през 16-ти и 17-ти век той става особено важен в Европа.
Търговията с калай и неговите производни е била важен икономически фактор, а много от съвременните технологии за преработка на метали произлизат от тези ранни практики. През 19-ти век, с развитието на индустриализацията, започва да се използва в по-широк мащаб, включително за производство на сплави, покрития и други промишлени приложения.
Методи на добив и преработка
Добивът на калай обикновено се извършва чрез минно дело, където минералите, съдържащи калай, се извличат от земната кора. Основният минерал, каситерит, често се среща в кварцови и пясъчни находища. Процесът на извличане на калай включва няколко етапа: първоначално минералът се смила и суши, след което се подлага на флуоресцентна обработка, за да се отдели калайът от останалите примеси.
След извличането, калайът може да бъде пречистен чрез различни химични реакции. Най-често срещаният метод е редукцията на каситерит с въглища или въглерод, при което се получава метален калай. След преработката, калайят може да бъде използван в различни сплави, като бронз и сплави с алуминий, които притежават уникални характеристики и приложения.
Приложения в индустрията
Калай е изключително важен метал в съвременната индустрия и намира приложение в различни сфери. Един от най-значимите му приложения е в производството на спойки, които се използват в електроника и електрически устройства.
Калайевите спойки осигуряват надеждни електрически връзки и устойчивост на корозия, което е особено важно при производството на електронни компоненти. Също така се използва за покрития на стомана и желязо, за да се предотврати корозията.
Тези покрития, известни като калайни покрития, се прилагат в различни индустриални приложения, включително производство на опаковки, автомобили и строителни материали. В допълнение, калайът играе важна роля в производството на стъкло, керамика и лепила.
С развитието на новите технологии, калайът намира нови приложения в областта на възобновяемата енергия, включително в производството на слънчеви панели и батерии. Калайевите сплави също така са важен компонент в производството на нови материали, които притежават уникални характеристики и предимства.
Екологични аспекти
Съществуват множество екологични предизвикателства, свързани с добива и преработката на калай. Минната индустрия често е свързана с разрушаване на природни местообитания, замърсяване на водни ресурси и отделяне на вредни вещества в атмосферата.
Важно е да се прилагат устойчиви практики в добива на калай, за да се минимизира влиянието върху околната среда. Производството на калай и неговите сплави също така изисква внимателно управление на отпадъците и токсичните вещества, които могат да бъдат генерирани в процеса.
Научните изследвания и иновации в областта на екологичните технологии са от съществено значение за намаляване на негативното влияние на калайовата индустрия. В последните години, устойчивото управление на ресурсите и рециклирането на калай стават все по-важни.
Рециклирането на калай не само че намалява нуждата от нови ресурси, но също така спомага за намаляване на въглеродните емисии и опазване на околната среда. С развитието на технологиите, рециклирането на калай става все по-ефективно и икономически изгодно.