元素

50 锡 焊接的元素

锡是一种历史十分悠久的金属材料,它和铜的合金青铜很早就被人们所利用。锡器作为一种精美的容器具有很高的审美价值。“锡疫”的神奇现象则引发了很多故事。如今,人们广泛将锡合金用于制造罐头、焊料、轴承材料等领域。

 

锡的基本物理性质

分类 第ⅣA族▪金属
原子序号原子量 50(118.71)
电子配置 5s25p2
密度 7.28g/cm 
熔点 231.89°C
沸点 2260°C
形状 银白色金属
丰度 2.2ppm(地壳)
发现者 远古人们
主要的同位素 112Sn,114Sn, 115Sn, 116Sn, 117Sn, 118Sn, 119Sn, 120Sn, 122Sn, 124Sn
用途例 青铜器、易拉罐
前后的元素 铟-锡-锑

锡的发现

在自然界中,锡很少成游离状态存在,因此很少有纯净的金属锡。最重要的锡矿是锡石,其化学成分为二氧化锡。炼锡比炼铜、炼铁、炼铝都容易,只要把锡石与木炭放在一起烧,木炭就会把锡从锡石中还原出来。古代的人们在有锡矿的地方烧篝火烤野物时,地上的锡石就会被木炭还原,银光闪闪的、熔化了的锡液便流了出来。正因为这样,锡很早就被人们发现了。锡是大名鼎鼎的“五金”——金、银、铜、铁、锡之一。早在远古时代,人们便发现并使用锡了。一个锡环和朝圣瓶在第十八王朝(公元前1580-1350)的埃及坟墓被发现。纯净的锡也被发现于马丘比丘,印加人的山上城堡中。中国人开采锡大约在公元前700年,在云南地区。在我国的一些古墓中,经常发掘到一些锡壶、锡烛台之类锡器。据考证,我国周朝时,锡器的使用已十分普遍了。

人类最早发现并得到广泛应用的金属却是铜和锡。锡和铜的合金就是青铜,它的熔点比纯铜低,铸造性能比纯铜好,硬度也比纯铜大。青铜的发现和使用在人类文明史上写下了极为辉煌的一页,这便是“青铜器时代”。后来,由于铁的发现和使用,青铜在我们祖先的生产和生活中才逐渐退居次要地位。

金属锡很柔软,用小刀就能切开它,它的熔点很低,只有232℃,因此,只要用酒精灯或蜡烛火焰就能使它熔化成象水银一样的流动性的液体,电烙铁使用的焊接合金就是锡合金。锡的符号Sn由stannum而来,这是锡的拉丁名。[1-2]

 

自然界中的锡                                                    固化的熔化锡滴

锡疫

锡在不同的温度下,有3种性质大不相同的形态。在-13.2~161℃的温度范围内,锡的性质最稳定,叫做“白锡”。如果温度升高到160℃以上,白锡就会变成一碰就碎的“脆锡”。当温度低到零下13.2℃以下时,它就会由银白色逐渐地转变成一种煤灰状的粉,这叫做“灰锡”。另外,从白锡到灰锡在转变还有一个有趣的现象,这就是灰锡有“传染性”,白锡只要一碰上灰锡,哪怕是碰上一小点,白锡马上就会向灰锡转变,直到把整块白锡都转化为灰锡为止。这种现象被称为“锡疫”。灰锡既是生成物又是催化剂。这种转化现象不是单方向的,如果我们把灰锡再熔化一次,就又可以得到白锡。造成锡疫的原因,是由于锡的晶格发生了变化:在常温下,锡是正方晶系的晶体结构(白锡),而在-13.2℃以下,白锡转变成的灰锡则是无定形的结构。由于“锡疫”的对于锡器的毁坏,人们也想了一些办法来阻止“锡疫”的发生:如在锡中加入锑或铋,这样改变结构之后就可以抑制灰锡的产生。

“锡疫”曾造成过一些历史上的悲剧:1912年,斯科特、鲍尔斯、威尔逊、埃文斯、奥茨等人登上冰天雪地的南极洲探险,但是他们带去的汽油却全部离奇地漏光了,致使燃料短缺,探险队遭到了全军覆灭的灭顶之灾。这是什么原因呢?原来汽油桶是用锡焊接的,南极的气温极低,这导致汽油桶会发生“锡疫”。(南极的气温低于-13.2℃,部分区域可能更低,在-33℃或含有红盐(SnCl4·2NH4Cl)的酒精溶液存在时,“锡疫”发生的速度会大大加快。)“锡疫”导致汽油桶破裂,致使汽油漏得无影无踪,造成这样一场惨祸。[3-5]

另外一个“锡疫”的故事发生在俄国。19世纪的一个冬天,俄国彼得堡的天气异常寒冷。彼得堡军用仓库管理员向军队发放了崭新的军大衣。官兵们接到这批军大衣后,发现所有的军大衣都没有纽扣。他们非常气愤,于是上告到沙皇那里。沙皇听了勃然大怒,下令要严惩监制军装的大臣。大臣哀求沙皇宽限他几天,以便进行调查。大臣到了仓库,一看别的军装也都没有扣子。管理员告诉他,军装入库时是有扣子的。为什么军装在仓库里纽扣就消失了呢?大臣非常惊奇。他又仔细观察了一会儿,发现钉扣子的线没有割断的痕迹,只是在每个钉扣子的地方有一小堆灰色粉末。管理员告诉他,军装上原来钉的是锡做的纽扣。“为什么锡扣子在仓库里变成灰色粉末了呢?”大臣百思不解,找到了彼得堡科学院,请他们给予解释。科学家们为这个问题搅尽了脑汁。后来,一位科学家跑到大臣那里,说他能解开这个谜。大臣半信半疑,就和科学家一起去拜见沙皇,说锡纽扣变成粉末是天冷冻的。沙皇不相信,非要科学家拿出证据不可。科学家要了一把锡酒壶放到花园里的一个石头桌子上。几天以后,科学家和大臣陪同沙皇一起到花园去观察锡壶。一看,锡壶仍旧放在那里,沙皇、大臣不约而同地怒视着科学家。科学家胸有成竹地走到锡壶跟前,轻轻地用手指一捅,锡酒壶就像沙子堆似的塌了下来,变成一堆粉末。科学家解释说,因为今年冬天天气特别冷,发生了“锡疫”,所以把军大衣上的锡纽扣和锡酒壶冻成锡粉末了。[3-5]

 

南极探险队                                                                                   锡疫

焊锡

锡是一种低熔点金属,其熔点只有232℃。因此锡合金是一种非常重要的焊料。焊锡是在焊接线路中连接电子元器件的重要工业原材料,它广泛应用于电子工业、家电制造业、汽车制造业、维修业和日常生活中。焊锡材料是电子行业的生产与维修工作中必不可少的,通常来说,常用焊锡材料有锡铅合金焊锡、加锑焊锡、加镉焊锡、加银焊锡、加铜焊锡。具体又可分为高温的Sn-Ag(-Cu)系、Sn-Cu系、Sn-Sb系、中温的Sn-Bi-Ag(Cu)系、Sn-Zn系和低温的Sn-Bi系。由于铅的毒性,早期广泛使用的锡铅合金目前已被逐渐淘汰。

标准焊接作业时使用的线状焊锡被称为松香芯焊锡线或焊锡丝。在焊锡中加入了助焊剂。这种助焊剂主要由活性剂(松香、有机卤化物等)、表面活性剂(以烷烃类或氟碳类等高效表面活性剂为主)和溶剂组成。除以上组分外,助焊剂往往根据具体的要求而添加不同的添加剂,如成膜剂、抗氧化剂、缓蚀剂、消光剂、阻燃剂、触变剂等。焊接作业时温度的设定非常重要。焊接作业最适合的温度是在使用的焊接的熔点+50度。[6-7]

 

  焊锡丝                                                                                  焊锡过程

锡的其他工业用途

锡很容易与铁结合,镀锡铁板又称马口铁,1812年马口铁在伦敦刚被制造出来时用于保存食品保鲜,它具有良好的密封性,保藏性,避光性,坚固性,抗腐蚀性。这种马口铁罐被人称为“罐头”,这就是罐头名称的由来。

锡合金也是一种非常重要的合金,最常见的锡合金有锡和锑、合成的锡基轴承合金和铅、锡、合成的铅基轴承合金,它们可以用来制造汽轮机、发电机、飞机等承受高速高压机械设备的轴承。含锡的青铜主要用来制造耐磨零件和耐腐蚀的设备,广泛应用于船舶、化工、建筑、货币等工业。在黄铜中加入锡即可形成锡黄铜,多用于制造船舶零件和焊接条等,素有“海军黄铜”之称。在工业上,还常把锡镀到铜线或其他金属上,以防止这些金属被酸碱等腐蚀。锡还可与其他金属制成活字合金(随着激光印刷技术的推广,铅字将逐渐被淘汰掉)、巴比特合金、基合金和锡合金等,用于原子能工业、航空工业、超导材料以及宇宙飞船制造等尖端技术领域。[8-10]

 


马口铁罐                                         锡合金轴承                                         青铜法兰

 

参考文献

[1]Cierny, J.; Weisgerber, G. (2003). “The “Bronze Age tin mines in Central Asia”. In Giumlia-Mair, A.; Lo Schiavo, F. The Problem of Early Tin. Oxford: Archaeopress. pp. 23–31. ISBN 1-84171-564-6.

[2]Encyclopædia Britannica, 11th Edition, 1911, s.v. ‘tin‘, citing H. Kopp

[3] Molodets, A. M.; Nabatov, S. S. (2000). “Thermodynamic Potentials, Diagram of State, and Phase Transitions of Tin on Shock Compression”. High Temperature. 38 (5): 715–721. doi:10.1007/BF02755923.

[4]Schwartz, Mel (2002). “Tin and Alloys, Properties”. Encyclopedia of Materials, Parts and Finishes (2nd ed.). CRC Press. ISBN 1-56676-661-3.

[5]http://www.sohu.com/a/123541348_354970

[6]Black, Harvey (2005). “Getting the Lead Out of Electronics”. Environmental Health Perspectives. 113 (10): A682–5. doi:10.1289/ehp.113-a682PMC 1281311PMID 16203230.

[7]无铅焊锡膏的研究进展及应用现状叶明娟; 揭晓华; 郭黎; 曹正热加工工艺 2014-12-18

[8]Childs, Peter (July 1995). “The tin-man’s tale”Education in Chemistry. Vol. 32 no. 4. Royal Society of Chemistry. p. 92. Retrieved 19 June 2018.

[9]Brakes, James (2009). “Introduction”. Analysis of Babbit. BiblioBazaar, LLC. pp. 1–2. ISBN 978-1-110-11092-6.

[10]“The Composition of the Cent”. US Mint. Archived from the original on 2011-10-25. Retrieved 2011-10-28.

 

本文版权属于 Chem-Station化学空间, 欢迎点击按钮分享,未经许可,谢绝转载!

Related post

  1. 67 钬 消灭结石的元素
  2. 25 锰 用途广泛的金属元素
  3. 17 氯 Chlorine 漂白・杀菌剂与聚氯乙烯的成分
  4. 22 钛 探索太空的元素
  5. 49 铟 手机屏幕上的元素
  6. 77 铱 小行星的元素
  7. 氢 Hydrogen -最基本的元素、燃料电池的原料
  8. 46 钯 有机反应的催化剂元素

Comment

  1. No comments yet.

  1. No trackbacks yet.

You must be logged in to post a comment.

Pick UP!

微信

QQ

PAGE TOP