قلع فلزی با کاربردهای بسیار گسترده !

قلع (Tin) یک عنصر شیمیایی با نماد Sn و عدد اتمی ۵۰ است. قلع فلزی نقره ای رنگ و به اندازه کافی نرم است که بدون نیاز به نیروی زیاد قابل برش باشد.

این عنصر در گروه ۱۴ گروه تناوبی قرار دارد و  پس از متبلور شدن مانند سایر فلزات ظاهری شبیه به آینه به خود می گیرد. با اینحال اکثر آلیاژهای قلع رنگ خاکستری کدر دارند.

این فلز عمدتا از ماده معدنی کاسیتریت بدست می آید که حاوی اکسید استانیک  SnO2 است. قلع شباهت شیمیایی بسیاری با همسایگان خود در گروه ۱۴ از جمله ژرمانیم و سرب دارد. دو حالت اکسیداسیون اصلی این فلز  +۲ و +۴ هستند که نوع دوم ثبات بیشتری دارد. برای آگاهی بیشتر در این رابطه با ما در نشریه جهان شیمی فیزیک همراه باشید.

حقایقی در مورد فلز قلع

قلع چهل و نهمین عنصر موجود در کره زمین از نظر فراوانی است. این عنصر با دارا بودن ۱۰ ایزوتوپ پایدار بیشترین تعداد ایزوتوپ های پایدار را در جدول تناوبی دارد. این فلز به راحتی در هوا اکسیده نمی شود.

اولین آلیاژ قلع مورد استفاده در مقیاس بزرگ ، برنز ساخته شده از قلع  و مس در اوایل ۳۰۰۰ سال قبل از میلاد بود. پس از  آن قلع فلزی خالص تولید شد و مفرغ که آلیاژ قلع ۸۵-۹۰٪ است تا قرن ۲۰ میلادی برای ظروف مورد استفاده قرار گرفت.

در حال حاضر این فلز در بسیاری از آلیاژها مورد استفاده قرار می گیرد. این آلیاژها در ساخت فیلم های شفاف ، رساناهای الکتریکی و کاربردهای نوری استفاده می شوند. یکی دیگر از کاربردهای بزرگ این فلز آبکاری مقاوم در برابر خوردگی  فولاد است.

به دلیل سمیت پایین قلع معدنی، فولاد اندود شده با این فلز به طور گسترده برای بسته بندی مواد غذایی مخصوصا به عنوان قوطی استفاده می شود. با این حال ، برخی از ترکیبات ارگانوتین تقریبا به اندازه سیانید سمی هستند.

ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی قلع

قلع یک فلز نرم ، چکش خوار ، انعطاف پذیر و کریستالی به رنگ سفید نقره ای است. این فلز در دماهای پایین در حدود ۲۳۲ درجه سانتیگراد (۴۵۰ درجه فارنهایت) ذوب می شود که  کمترین مقدار در گروه ۱۴ است.

گرید تجاری این فلز (۹۹.۸٪) به دلیل اثر مهاری مقادیر اندکی بیسموت ، آنتیموان ، سرب و نقره به عنوان ناخالصی در برابر تغییر مقاومت می کنند. البته آلیاژ عناصری مانند مس ، آنتیموان ، بیسموت ، کادمیوم و نقره سختی آن را افزایش می دهد. این ماده به طور کلی طیف گسترده ای از محلول های جامد را تشکیل نمی دهد و عناصر کمی حلالیت جامد قابل توجهی در قلع دارند. با این حال ، سیستم های ساده یوتکتیکی با بیسموت ، گالیم ، سرب ، تالیم و روی ایجاد می شوند.

این فلز در کمتر از k 3.72  به یک ابررسانا تبدیل می شود و یکی از اولین ابررساناهایی است که مورد مطالعه قرار گرفت. اثر میسنر  یکی از ویژگی های خاص ابررساناهاست که اولین بار در کریستال های قلع ابررسانا کشف شد.

این فلز در برابر خوردگی در برابر آب مقاومت می کند اما می تواند توسط اسیدها و قلیاها مورد حمله قرار گیرد. این ماده بسیار جلا داده می شود و به عنوان روکش محافظ برای فلزات دیگر استفاده می شود. یک لایه اکسید محافظ (غیرفعال ساز) که روی مفرغ و سایر آلیاژهای قلع تشکیل می شود مانع از اکسیداسیون بیشتر می شود. این فلز هنگامی که اکسیژن در محلول وجود داشته باشد به عنوان یک کاتالیزور عمل می کند و به تسریع در واکنش شیمیایی کمک می کند.

کاربردهای فلز قلع

لحیم کاری

این فلز از دیرباز در آلیاژهای سرب در مقادیر ۵ تا ۷۰% وزنی استفاده می شود. این آلیاژها در درجه اول برای اتصال لوله ها یا مدارهای الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرند. همچنین به دلیل کاهش خطرات ناشی از ضایعات الکتریکی و الکترونیکی از سال ۲۰۰۶  محتوای سرب در این آلیاژها کاهش یافته است. کاهش سرب مشکلات زیادی از جمله نقطه ذوب بالاتر و تشکیل شارب های قلعی را به دنبال دارد که باعث مشکلات الکتریکی می شود. علاوه بر این لحیم های فاقد سرب به سرعت دچار آسیب دیدگی شده و باعث از بین رفتن اتصالات می شوند.

آبکاری قلع

این فلز به سادگی به آهن متصل شده و برای روکش کردن سرب ، روی و فولاد جهت جلوگیری از  خوردگی استفاده می شود. ظروف فولادی با روکش قلع به طور گسترده برای نگهداری مواد غذایی مورد استفاده قرار می گیرد و این بخش بزرگی از بازار این فلز را تشکیل می دهد. اولین قوطی قلعی برای نگهداری از مواد غذایی در سال ۱۸۱۲ در لندن ساخته شد.

در حال حاضر ظروف پخت و پز مسی مانند قابلمه و ماهی تابه غالبا با آبکاری نازک قلع تولید می شوند زیرا ترکیب غذاهای اسیدی با مس می تواند سمی باشد.

تولید آلیاژ

این فلز در ترکیب با سایر عناصر طیف گسترده ای از آلیاژهای مفید را تشکیل می دهد و اغلب با مس آلیاژ می شود. به عنوان مثال ۸۵-۹۹% مفرغ از قلع است و برنز بیشتر از مس تشکیل می شود و فقط ۱۲% آنرا این فلز تشکیل می دهد. این ماده گاهی اوقات برای تولید سکه کم ارزش معمولا به میزان ۵ درصد یا کمتر مورد استفاده قرار می گیرد.از مزایای عمده استفاده از این فلز برای لوله ها می توان به ظاهر آن ، کارایی و مقاومت در برابر خوردگی اشاره کرد.

الکترونیک نوری

اکسیدهای ایندیوم و قلع از نظر الکتریکی رسانا و شفاف هستند و از آنها برای ساختن فیلم های رسانای الکتریکی شفاف با کاربرد در دستگاه های اپتوالکترونیک مانند نمایشگرهای کریستال مایع استفاده می شود.

عوارض و خطرات فلز قلع برای سلامتی

موارد مسمومیت ناشی از این فلز ، اکسیدها و نمکهای آن تقریباً ناشناخته است. از طرف دیگر ، برخی از ترکیبات ارگانوتین تقریباً به اندازه سیانید سمی هستند.

قرار گرفتن در معرض این ترکیب در محیط کار ممکن است با استنشاق ، تماس پوست و تماس چشمی ایجاد شود. اداره ایمنی و بهداشت شغلی (OSHA) محدودیت قانونی (حد مجاز قرار گرفتن در معرض) برای قرار گرفتن در معرض این فلز در محیط کار را به میزان ۲ میلی گرم در متر مکعب در طی یک روز کاری ۸ ساعته تعیین کرده است. در سطح ۱۰۰ میلی گرم بر متر مکعب این فلز بلافاصله برای زندگی و سلامتی خطرناک است.

این فلز عمدتا در مواد آلی مختلف استفاده می شود. پیوندهای آلی قلع خطرناکترین اشکال این فلز برای انسان هستند. علیرغم خطرات بسیار آنها در صنایع زیادی مانند صنعت رنگ و پلاستیک و در کشاورزی از طریق سموم دفع آفات کاربرد دارند. با اینکه ما از عواقب مسمومیت با این فلز خبر دار هستیم کاربرد مواد حاوی قلع آلی همچنان در حال افزایش است. اثرات این ترکیبات می تواند متفاوت باشد و خطر آنها به نوع ماده موجود و ارگانیسم  در معرض آن بستگی دارند.

تأثیر فلز قلع روی محیط زیست

قلع به صورت اتمهای منفرد یا مولکول برای انواع ارگانیسم ها خیلی سمی نیست ولی شکل ارگانیک آن سمی است. اجزای قلع آلی می توانند برای مدت طولانی در محیط باقی بمانند . آنها بسیار پایدار و نسبتاً تخریب ناپذیر هستند . میکروارگانیسم ها با تجزیه این ترکیبات که سالهاست در خاک ها انباشته شده اند ، مشکل زیادی دارند و غلظت آنها هنوز هم به همین دلیل افزایش می یابد.

این ترکیبات وقتی جذب لجن می شوند ، می توانند از طریق سیستم های آب در محیط پخش شوند. مشخص شده  که آنها به اکوسیستم های آبی آسیب زیادی وارد می کنند ، زیرا برای قارچ ها ، جلبک ها و فیتوپلانکتون ها بسیار سمی هستند. فیتوپلانکتون در اکوسیستم آب بسیار مهم هستند زیرا اکسیژن مورد نیاز سایر موجودات آبی را  فراهم می کنند. همچنین بخش مهمی از زنجیره غذایی آبزیان را تشکیل می دهند.

قلع آلی به دلیل اختلال در رشد ، تولید مثل ، سیستم های آنزیمی و الگوهای تغذیه موجودات آبزی کاملا شناخته شده است و  قرار گرفتن در معرض آن عمدتا در لایه بالایی آب صورت می گیرد.