قلع و کاربردهایش را بشناسید 6

فلز قلع یکی از قدیمی ترین فلزات شناخته شده توسط بشر است که شکل خالص آن تقریبا تا 600 سال قبل از میلاد هیچگونه کاربردی نداشت. فلز برنز که به عنوان یکی از مهم ترین آلیاژها در ریخته گری (Casting) و متالوژی (metallurgy) محسوب می شود نیز بر پایه مس و قلع است. رونق تجارت قلع در دوران باستان (ancient times) بین معادن کورنوال و تمدن های مدیترانه وجود داشته است و کشف و استفاده از این فلز به هزاران سال پی بر می گردد. در این مقاله از همگام شاپ به معرفی فلز قلع، ویژگی ها و کاربرد های آن می پردازیم 😊

تاریخچه فلز قلع

قلع برای هزاران سال توسط انسان‌ها استفاده شده است. قدیمی‌ترین شواهد استفاده از قلع به عصر برنز، حدود ۳۰۰۰ سال پیش، برمی‌گردد. قلع برای ساخت برنز استفاده می‌شد که یک آلیاژ از مس و قلع است. این فلز برای ساخت اسلحه، ابزار و سایر اشیاء مورد استفاده قرار می‌گرفت.

تمدن‌های باستانی منطقه دریای مدیترانه، از جمله یونانیان و رومیان، به طور گسترده از قلع استفاده می‌کردند. فنیقیان که برای مهارت‌های دریایی‌شان شناخته می‌شدند، قلع را از جزایر بریتانیا به منطقه دریای مدیترانه صادر می‌کردند. کلمه “قلع” در واقع از کلمه قدیمی انگلیسی “قلع” که به معنی “گرفتن” است، گرفته شده است.

قلع چیست؟

کاسیتیت معدنی منبع فلز نرم و آبی نقره‌ای به نام قلع است. این یک فلز پایه است که اغلب برای ساخت آلیاژ با فلزات دیگر استفاده می شود. محبوب ترین آلیاژهای قلع برنز و اسپند هستند. قلع دارای دو حالت اکسیداسیون اولیه، 2+ و تا حدودی پایدارتر 4+ است. این ماده همچنین دارای خواص شیمیایی با هر دو همسایه خود در گروه 14، ژرمانیوم و سرب است.

قلع آنقدر نرم است که با نیروی کمی بریده شود و یک میله قلع را می توان با دست و با تلاش کمی خم کرد. این ویژگی با ایندیم، کادمیوم، روی و جیوه در حالت جامد مشترک است. قلع خالص پس از انجماد ظاهری آینه مانند شبیه بیشتر فلزات دارد. در اکثر آلیاژهای قلع (مانند پیوتر) فلز با رنگ خاکستری مات جامد می شود. قلع شباهت شیمیایی به هر دو همسایه خود در گروه 14، ژرمانیوم و سرب نشان می دهد و دارای دو حالت اکسیداسیون اصلی، +2 و کمی پایدارتر +4 است. قلع چهل و نهمین عنصر فراوان روی زمین است و با داشتن 10 ایزوتوپ پایدار، بیشترین تعداد ایزوتوپ های پایدار را در جدول تناوبی به لطف تعداد جادویی پروتون هایش دارد.

قلع عنصری است شیمیایی (Chemical) با عدد اتمی 50، چکش خوار، انعطاف پذیر در دماهای معمولی، شکننده در صورت گرم شدن، بلورین، براق و به رنگ خاکستری درخشان یا نقره ای که ساختار بلوری آن هنگام خم شدن قطعه ای از قلع به علت شکست بلورها صدای خاصی ایجاد می کند. این فلز یکی از پر مصرف ترین فلزات در ساخت ترکیبات فلزی و آلیاژهای صنعتی (Industrial alloys) است، از جمله اولین ابر رساناها محسوب می شود و به صورت سنگ معدنی (mineral stone) از دل زمین استخراج می گردد. فلز قلع معمولا از ماده معدنی کاسی تریت که در آن به صورت اکسید وجود دارد، بدست می آید و دارای دو شکل مختلف جامد است. این فلز در دماهای پایین به شکل خاکستری یا قلع آلفا وجود دارد و دارای ساختاری بلوری مکعبی مانند سیلیکون (Silicon) و ژرمانیوم است؛ اما وقتی دما بالاتر از 2/13 باشد به رنگ سفید یا قلع بتا تبدیل می شود که فلزی و دارای ساختار 4 وجهی است.

رایج‌ترین خواص قلع

فلز قلع دارای خواص مختلفی است که رایج‌ترین آن‌ها به شرح زیر می‌باشد:

عدد اتمی (تعداد پروتون‌های هسته): 50

نماد اتمی (در جدول تناوبی عناصر): Sn

وزن اتمی (جرم متوسط اتم): 118.710

چگالی: 7.287 گرم بر سانتی متر مکعب

فاز در دمای اتاق: جامد

نقطه ذوب: 449.47 درجه فارنهایت (123.93 درجه سانتی گراد)

نقطه جوش: 4715 درجه فارنهایت (2602 درجه سانتی گراد)

تعداد ایزوتوپ‌ها (اتم‌های همان عنصر با تعداد نوترون‌های متفاوت): 8.51 پایدار

رایج‌ترین ایزوتوپ ها: Sn-112 (فراوانی طبیعی 0.97 درصد)، Sn-114 (0.66 درصد)، Sn-115 (0.34 درصد)، Sn-116 (14.54 درصد)، Sn-117 (7.68 درصد)، Sn-118 (24.22 درصد)، Sn-119 (8.59 درصد)، Sn-120 (32.58 درصد)، Sn-122 (4.63 درصد) و Sn-124 (5.79 درصد)

نحوه استخراج قلع

استخراج قلع یک فرآیند تخصصی و پیچیده است که شامل مراحل زیر می‌شود:

1. ابتدا معدن قلع مورد بررسی قرار می‌گیرد و اقدامات لازم برای استخراج آن انجام می‌شود.
2. بسته به نوع ذخایر قلع، روش‌های مختلفی مانند حفاری شناور یا حفر معدن‌های باز برای حفر معدن مورد استفاده قرار می‌گیرد.
3. در برخی موارد از حفر پنوماتیک یا حفر با استفاده از انفجار نیز به منظور افزایش قلع استفاده می‌شود.
4. قلع از معدن استخراج می‌شود و مورد آسیاب قرار می‌گیرد تا به اندازه استاندارد برسد.
5. در این مرحله، قلع توسط فرآیندی که شامل استفاده از مواد شیمیایی مانند سیانید یا تیوریویوکنات است از مواد دیگر جدا می‌شود.
6. سپس قلع به کارخانه‌های فرآوری انتقال داده می‌شود تا مراحل بعدی را در آن جا طی کند.
7. در این مرحله، قلع مورد فرآوری قرار می‌گیرد تا به قلع مسافتی، آلیاژ‌های خاص و… تبدیل شود.

قلع بسیار سمی است و اثرات زیان باری برای انسان‌ها و محیط زیست دارد، به همین دلیل استخراج آن از معادن باید طبق استاندارد صورت گیرد و موارد ایمنی مربوطه نیز جدی گرفته شود.

ویژگی های فلز قلع

قلع فلزی نرم و چکش خوار با رنگ سفید مایل به آبی و عدد اتمی 50 است. طبق برآوردها، قلع حدود دو قسمت در میلیون از پوسته زمین را تشکیل می دهد. آب و اکسیژن در دمای اتاق تأثیر کمی بر قلع دارند. علاوه بر این، در برابر خوردگی مقاوم است. به همین دلیل به عنوان پوششی برای فلزات دیگر استفاده می شود. هنگامی که فلز در دمای بالاتر با اکسیژن و آب واکنش می دهد، اکسید خود را تولید می کند.

قلع در برابر خوردگی آب مقاومت می کند، اما می تواند توسط اسیدها و قلیاها خورده شود. قلع را می توان به شدت جلا داد و به عنوان یک پوشش محافظ برای فلزات دیگر استفاده می شود، یک لایه اکسید محافظ (غیرفعال) از اکسیداسیون بیشتر جلوگیری می کند. قلع به عنوان یک کاتالیزور عمل می کند و باعث واکنش شیمیایی محلول حاوی اکسیژن می شود و به افزایش سرعت واکنش شیمیایی که منجر می شود کمک می کند.

• قلع به عنوان سنگ معدن (Ore) از دل زمین استخراج می شود.
• اسید ها و باز های ضعیف به سختی بر روی قلع تاثیر می گذارند اما توسط اسید های قوی، مواد قلیایی و نمک های اسیدی، مورد حله و اکسید قرار می گیرد.
• این فلز به راحتی خورده و اکسید نمی شود و در برابر خوردگی مقاوم است.
• قلع در برابر فرسایش ناشی از آب دریا و آب شیر مقاوم است.
• این فلز حاوی دانه های سفید و ریز نمک قلع است.
• بلور های قلع با فلز نقره همرنگ و هم شکل است.
• در برابر فرسایش (Erosion) مقاوم است و در واکنش با هوا اکسید نمی شود.
• بسیار انعطاف پذیر و قابل خم شدن
• شکل پذیری بالایی دارد.
• خواص چکش خواری بالایی دارد.
• فلزی پر مصرف در ساخت ترکیبات فلزی و آلیاژ های صنعتی است.
• این فلز در حضور آزمایش های هدایت گرما توسط Sn2 که اسیدی ضعیف است و نمک های قلع با اکسید های پایه تولید می کند، بدست می آید.

کاربرد فلز قلع ✅

از قلع در لحیم کاری فولاد و همچنین در تولید آلیاژهای دیگر از جمله مس و برنز استفاده می شود. شیشه، سرامیک و حسگرها از آن به عنوان یک عامل کاهنده و رنگ آمیزی استفاده می کنند. این ماده در بخش کشتیرانی به عنوان یک ماده شیمیایی ضد رسوب برای کشتی ها و قایق ها عمل می کند تا آنها را در برابر بارناکل ها محافظت کند. همچنین در الکترودهای باتری، مانند الکترودهایی که در باتری‌های لیتیوم یون استفاده می‌شوند، استفاده می‌شود.

• استفاده به عنوان روکش فلزات برای جلوگیری از زنگ زدگی و فرسایش
• پوشش کاری قطعات صنعتی مواد غذایی و صنعت کنسروسازی
• ساخت آلیاژهای مهم از جمله برنز، مفرغ، بابیت و…
• ساخت آهن رباهای ابررسانا
• استفاده به عنوان کاتالیزور برای تسریع واکنش شیمیایی
• لحیم کاری در صنعت برق
• استفاده از نمک قلع در شیشه های عایق در برابر مه و یخ زدگی
• تابلو های شب نما
• تثبیت پلاستیک های پی وی سی در صنعت پلیمر
• تولید رنگ های چاپی و چاپ روی پارچه در صنعت نساجی

فرآیند تولید قلع

قلع، یکی از فلزات سنگین است که برای تولید آن، معدن قلع باید استخراج شود. بعد از استخراج، قلع به صورت خام در معرض هوا و آب قرار می‌گیرد تا اکسید شود و در نهایت به فرم اکسید قلع (PbO) برسد. پس از این مرحله، اکسید قلع با استفاده از کک، کربنات سدیم و فرآیندی به نام پردازش تک‌مرحله‌ای، به فلز قلع تبدیل می‌شود. سپس فلز قلع در قالب‌های مختلفی از جمله تیرهای قلع و یا بلوک‌های قلع به بازار عرضه می‌شود.

مراحل تولید قلع بسیار پیچیده و دقیق هستند و به دلیل سمی بودن قلع، باید از احتیاط و ایمنی کامل در هر مرحله رعایت شود.

فلزات روکش قلع

آبکاری قلع اغلب برای محافظت در برابر خوردگی، اکسیداسیون و فرسایش در هنگام قرار گرفتن در معرض محیط استفاده می شود. آبکاری قلع یک روش صنعتی است که در آن یک لایه نازک قلع بر روی اقلام فلزی اعمال می شود تا از خوردگی جلوگیری کند. فولاد، آهن و مس تنها تعدادی از بسیاری از فلزات اساسی هستند که می توان با استفاده از این روش فرآوری کرد.

آبکاری فلز قلع

آبکاری عبارت است از پوشاندن یک جسم با یک لایه نازک از یک فلز که با کمک یک سلول الکترولیتی انجام می شود و جسمی که روکش فلزی روی آن ایجاد می شود باید رسانای جریان برق باشد. بهتر است برای آبکاری از آلیاژ هایی استفاده کنیم که مقدر زیادی سرب دارند زیرا سرب کمک می کند تا جسم مورد نظر در برابر خزش به خوبی مقاوم شود. به طور کلی آبکاری این فلز می تواند به شیوه ای نظیر غوطه ور کردن از نوع گرم، غوطه ور کردن معمولی که با نام جا به جایی شیمیایی هم شناخته می شود و آبکاری کردن از نوع الکتریکی صورت گیرد.

✍️ جمع بندی

عنصر قلع با علامت اختصاری Sn در گروه 14 جدول تناوبی قرار دارد و عدد اتمی آن 50 است. این فلز 49 امین عنصر فراوان در پوسته زمین است و عمدتا از ماده معدنی کاسی تریت که حاوی ترکیبات اکسیدی قلع است، بدست می آید. فلز قلع دارای ویژگی های بسیار خوبی است و در صنایع مختلفی از جمله صنعت نساجی، صنعت غذایی، صنعت برق و… کاربرد دارد.

قلع احتمالاً از نظر تاریخی در تولید برنز، آلیاژی از مس و سایر فلزات که عصر برنز و تمدن را تغییر داد، بسیار مفید بوده است. در مقایسه با روی، مس و سرب که دارای فراوانی 94، 63 و 12 قسمت در میلیون ppm هستند، قلع عنصر نسبتا کمیابی با فراوانی 2 ppm در پوسته زمین است. از رسوبات Placer برای ساخت اکثریت قلع جهان استفاده می شود که حداقل نیمی از آن از آسیای جنوب شرقی منشا می گیرد.