01

锡的自然属性

锡是一种银白色金属,微带淡蓝色,柔软、可延展,元素符号为Sn,原子序数为50,密度为7.365g/cm3(20℃),熔点为231.9℃,沸点为2270℃。锡化学性质稳定,容易进行挤压、拉伸、锻造和切割,抗腐蚀、易熔,摩擦系数小。此外,锡的展性好而延性差,因此能制成很薄的锡箔而不能拉成锡丝。

锡在地壳中的含量为0.004%,几乎都以锡石(氧化锡,即二氧化锡SnO2)的形式存在,也有极少量的锡的硫化物矿。锡有三种同素异形体——白锡、灰锡、脆锡,我们一般所说的锡即指白锡,在-13.2℃~161℃稳定。当温度低于-13.2℃时,白锡开始转变为粉状的灰锡。灰锡的晶体结构是与钻石、硅和锗类似的钻石型晶体结构。灰锡因为其原子间形成了共价结构,电子不能自由转移,所以没有任何金属性。灰锡是暗灰色的粉状物,除了一些非常特殊的半导体应用,日常用途不大。在低温下,白锡转化为灰锡的现象常被称为“锡疫”。这个现象最早由亚里士多德发现。未染上“锡疫”的锡板,一旦和有“锡疫”的锡板接触,也会产生灰色的斑点而逐渐“腐烂”掉。这个过程的转化温度会因存在杂质如铝和锌而降低。在锡中加入锑或铋可以防止锡的退化,促进锡的延展性。这是由于铋原子中有多余的电子可供锡的结晶点阵,使锡的晶体结构稳定化,完全消除“锡疫”的可能性。当温度高于161℃时,白锡转为脆锡,直至达到熔点(231.9℃)全部呈液态。因此,可以说锡既“怕冷”又“怕热”。

化学性质方面,锡受水锈蚀的影响很小,但易被酸和碱腐蚀。锡可以被高度地抛光,可被用作其他金属的保护层。常温下锡在空气中稳定,其原因是锡表面生成一层致密的氧化物薄膜,阻止其进一步氧化,白锡和其他的锡合金表面都会形成这样的保护层。当氧气存在于溶液中时,锡会变成一种催化剂,加速化学腐蚀。在空气中加热后锡可以形成SnO2。SnO2是弱酸性的,与熔融碱反应可以形成锡酸盐。SnO2可以直接与氯和氧反应。在稀酸中SnO2可以取代氢离子。由于在周期表中处于金属和非金属之间,锡同时具有两者的特性。作为金属,可氧化至二价锡和较稳定的四价锡,作为非金属,锡可和碳、氧等非金属组成分子。尤其是碳可以和锡形成很多有机锡化合物,应用很广泛(见图1)。

图1　锡锭

资料来源:公开资料。

02

锡的主要用途

锡很容易与铁结合,被用来做铅、锌和钢的防腐层。涂锡的钢罐多用于贮藏食物,这是金属锡的一个重要市场。锡是一些重要合金如青铜、巴氏合金等的组成部分。氯化锡在印刷术中被用作还原剂和媒染剂。锡盐喷在玻璃上可以形成导电的涂层。这些涂层被用在防冻玻璃上。一般玻璃板是将熔化的玻璃浇在锡板上形成的,来保证玻璃面的平坦和光滑。

由于锡具有熔点低、展性好、易与许多金属形成合金、无毒、耐腐蚀以及外观美观等特性,被广泛应用于电子、食品、汽车、医药、纺织、建筑、工艺品制造等多个行业。锡的用途主要集中在锡焊料、镀锡板(马口铁)、锡化工等领域,大体可分为四类。

一是在电子工业中用作锡焊料。主要是指用锡基合金做的熔点较低的焊料,锡焊料是锡在电子行业中的主要应用,用于电子焊接,该领域目前占我国锡下游应用的60%,起着机械连接、电连接和热交换等作用。

二是用于制造镀锡薄板。俗称马口铁,其具有良好的密封性、保藏性、避光性、坚固性、抗腐蚀性,无毒且有特有的金属装饰魅力,被广泛应用在罐头、饮料等食品的包装行业、军工、仪表、电器以及其他工业中。

三是锡化合物。锡的有机化合物主要用作木材防腐剂、农药等,锡的无机化合物主要用作催化剂、稳定剂、添加剂、和陶瓷工业的乳化剂等。化工用锡主要集中在五个方面:PVC热稳定剂、杀虫剂、催化剂、农业化肥和玻璃镀膜。

四是锡合金。最常见的合金有锡、锑、铜合成的锡基轴承合金,以及铅、锡、锑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。其他锡合金还被广泛应用于船舶、化工、建筑、货币、活字印刷等工业,以及原子能、航空、超导材料和宇宙飞船制造等尖端技术领域。

锡在其他领域也有应用。例如电子工业用材料,用作高纯试剂;用于还原剂以及有机合成;用于制造电碳制品、摩擦材料、含油轴承以及粉末冶金结构材料、在冶金工业中和合金钢的添加剂;也用于耐火材料与特种玻璃、集成电路、天线等多方面(见图2)。

图2　锡箔

资料来源:公开资料。

03

锡的历史

锡是人类最早发现并得到广泛应用的金属之一,英文名称:Tin,元素符号Sn,源于拉丁文Stannum,史前时代就已被发现。由于自然界的锡很少呈游离状态存在,因此就很少有纯净的金属锡。含锡的主要矿物是锡石,其化学成分为二氧化锡,只要把锡石与木炭放在一起烧,木炭便会把锡从锡石中还原出来。公元前4000—前3000年,人类就开始使用锡。根据历史文献记载,锡于公元前3500年在美索不达米亚南部的乌尔市(现称为伊拉克)首次以合金形式被使用,于土耳其首次被开采和提炼,当合金经过开采后变成一种用于抗腐蚀的银色金属。锡也是大名鼎鼎的“五金”——金、银、铜、铁、锡之一。在我国古代,锡被用来与铜铸成合金制成“青铜”,这不仅会使其熔点更低,也能使其更易于加工,但生产出来的金属则会更坚硬,是工具和武器的理想材料。此项应用,成就了历史上一个著名的文明发展阶段——“青铜器时代”,也由此开启了人类利用金属的序幕。

大规模开采锡矿始于19世纪工业化以后,尤其是20世纪初,随着锡工业的不断发展,锡逐渐成为现代工业不可缺少的关键稀有金属,主要用于生产马口铁、电镀、腐蚀科学、焊接、材料、锡化工产品及锡的其他冶金用途,被广泛应用于电子、信息、电器、化工、冶金、建材、机械、食品包装、航天、船舶、燃料、原子能及宇宙飞船等尖端科技领域。被称为“工业味精”。1970年后,人们把锡用于防止空气污染。汽车废气中的有毒气体一氧化碳,在300℃时,在二氧化锡的催化下,可大部分转化为二氧化碳。随着现代科技的飞速发展,锡在工农业生产,以及尖端科技部门中,有了越来越广泛的应用。

延伸阅读

在古代,最早被发现并得到广泛应用的金属就是铜和锡。锡和铜的合金就是青铜,由于性能优良,一经发现就很快得到了广泛的应用,并在人类文明史上写下了极为辉煌的一页——青铜器时代。锡器的使用可以追溯到公元前3700年。在公元前36世纪锡就被用来硬化铜。古时候,人们常在井底放上锡块,净化水质。在日本宫廷中,精心酿制的御酒也是用锡器作为盛酒的器皿。大约公元前3000年,埃及、美索不达米亚和印度河流域的人们就开始使用青铜(锡铜之比为3∶7)了。考古学家在埃及第十八王朝(公元前1580—1350年)的坟墓中发现了一个锡环和朝圣瓶。我国最早开采和使用锡大约在公元前700年,现在的云南地区是我国最早发现有锡开采使用的地区。战国时期锡就是制造武器的主要材料,相传无锡在战国时期盛产锡,但战争使锡矿被用尽,无锡因此得名,人们以此作为天下没有战争的寄望。在我国的一些古墓中,便常发掘到一些锡壶、锡烛台之类的锡器。据考证,我国周朝时,锡器的使用已十分普遍了。纯净的锡也被发现于马丘比丘,印加人的山上城堡。在埃及的古墓中,也发现有锡制的日常用品。锡器平和柔滑的特性,高贵典雅的造型,历久常新的光泽,历来深受贵族人士的青睐,在欧洲更成为古典文化的一种象征,能制成多种酒具、烛台、茶具、花瓶等。