주석이란? – 합금, 특성 및 용도

주석이란?

주석(Sn)은 주기율표의 14족(IVa) 탄소 계열의 탄소 계열에 있는 화학 원소입니다. 주석은 가볍고 녹기 쉬운 은백색의 부드러운 금속입니다. 그것은 고대인들에게 구리 합금인 청동으로 알려졌습니다. 주석은 일반적으로 식품 용기, 베어링 금속 및 땜납으로 사용되는 도금 강철 캔에 사용됩니다.

주석은 부드러움 때문에 순수한 금속으로 거의 사용되지 않습니다. 대신에 다른 금속과 혼합되어 주석 품질이 좋은 합금을 만듭니다. 이러한 특성에는 최소한의 독성과 강한 내식성이 포함됩니다.

주석은 결정성이 높고 가단성이 있으며 연성입니다. 주석 막대를 구부리면 수정이 깨지면서 "주석 외침"이라는 독특한 균열 소리가 발생합니다. 강산, 알칼리, 산성염은 금속을 부식시키지 않으나 증류수, 바다, 연수에는 취약합니다. 용액에 산소가 있으면 촉매로 작용하여 화학적 공격을 가속화합니다.

 

 

주석의 역사

주석은 알려진 가장 오래된 금속 중 하나이며 오랫동안 청동의 구성 요소로 활용되었습니다. 주석은 기원전 3500년에 청동 기구에 사용되었습니다. 구리에 대한 경화 효과. 주석 채광은 고전 시대에 콘월과 데본(특히 다트무어)에서 시작된 것으로 생각됩니다. 당시의 문명과 함께 발전한 활기찬 양철 거래. 지중해 문명과 함께 상업이 풍부해졌습니다.

그러나 순수한 금속은 기원전 600년경까지 사용되지 않았습니다. Camborne 근처의 South Crofty에서는 1998년에 마지막 Cornish 주석 광산이 폐쇄되어 카운티의 광산 역사가 4천년 만에 중단되었습니다. 많은 게르만어와 켈트어에는 "주석"이라는 단어의 동족어가 있습니다.

American Heritage Dictionary에 따르면이 단어는 인도 유럽 이전 언어에서 파생되었습니다. 현대에서 "주석"이라는 용어는 얇은 판의 은빛 금속을 설명하는 데 자주 사용됩니다.

알루미늄 호일, 맥주 캔, 깡통과 같이 일반적으로 주석 품목이라고 하는 품목은 강철 또는 알루미늄으로 만들어집니다. 그러나 깡통에는 녹을 방지하기 위해 얇은 주석 코팅이 있습니다. 유사하게, 소위 "양철 장난감"은 녹을 방지하기 위해 얇은 주석 코팅이 있거나 없는 강철로 구성된 경우가 많습니다.

 

주석의 제조 공정

1. 광석 농도
자갈 펌핑은 대부분의 주석 광석을 추출하는 데 사용됩니다. 이 절차에는 드래그라인이나 삽으로 불모의 과도한 짐을 제거한 다음 고압 물 분사로 주석 함유 모래를 부수고 제거하는 작업이 포함됩니다. 진흙과 물의 슬러리는 잠긴 자갈 펌프에 의해 빨아들여지고 일련의 수문 상자 또는 팔롱으로 올라갑니다.

캐시라이트(cassiterite)와 같은 더 무거운 광물은 이동하면서 슬러리 바닥으로 가라앉는 반면, 가벼운 폐기물은 상자 끝을 통해 광미 덤프로 쏟아집니다. 조 농축물을 주기적으로 추출하고 흐름을 멈춥니다.

지그 및 쉐이킹 테이블과 같은 중력 분리 절차는 광석을 농축합니다. 그런 다음 농축물은 수집되어 추가 처리를 위해 육지로 옮겨지는 동안 불모의 물질은 준설선의 선미 위로 배출됩니다. 주석 금속은 제련소로 보내지는 정광의 약 70~75%를 만듭니다.

2. 제련
복합 광석의 저품위 정광은 제련되기 전에 반사 또는 다중 노상 용광로에서 550 ~ 650 °C의 온도에서 황을 제거하기 위해 먼저 배전됩니다. 불순물의 종류와 양에 따라 산화, 환원, 염소화 반응이 일어난다. 로스팅에 의해 용해되어 생성되는 오염 물질을 제거하기 위해 일반적으로 물 또는 산성 용액으로 침출됩니다.

제련을 위한 용광로 공급물에는 광물 처리 또는 배소 과정에서 제거되지 않은 산화철과 같은 불순물과 산화주석이 포함되어 있습니다. 반사로, 고로 및 전기로는 세 가지 유형의 주석 제련로입니다. 일반적으로 작업은 일괄 처리로 완료됩니다.

불순한 주석은 제련 과정이 끝나면 도청하여 큰 슬래브로 주조되고 슬래그는 수조에 넣어 과립으로 굳어집니다. 여전히 약간의 주석을 포함할 수 있는 입상 슬래그는 회수되고 불순한 주석 슬래브는 추가로 정제됩니다.

3. 정제
불순한 주석은 두 가지 방법 중 하나로 정제할 수 있습니다. 가장 널리 사용되는 방법은 일반적인 상업적 사용에 적합한 주석을 생성하는 내화 정제(99.85%까지)입니다. 전해 정제는 복잡한 광석 제품에 사용되어 고품질 주석(최대 99.999%)을 생성합니다.

끓는 것은 불을 정제하는 기술입니다. 이 과정에서 제련소의 불순한 주석이나 청산로의 주석은 용기나 케틀에서 가열되고 압축 공기에 의해 교반됩니다. 그 결과 불순물이 산화되어 표면으로 상승하여 찌꺼기가 형성됩니다.

액체화는 불을 정제하는 또 다른 방법입니다. 불순한 주석에서 주석보다 용융 온도가 높은 불순물과 제련에서 나오는 찌꺼기를 제거합니다. 반사로에서 재료는 경사진 난로에 놓여지고 주석의 녹는점 바로 위까지 가열됩니다.

주석은 천천히 녹아서 경사면을 따라 흘러내려 용기에 모이고 녹지 않은 찌꺼기는 난로에 남아 있습니다. 그 후에 이것들을 제거하고 치료합니다.

불순한 주석은 전해 정제 과정에서 양극으로 주조되고, 고순도 주석으로 주조된 얇은 시트로 구성된 시작 음극은 산성 전해질에 놓입니다. 전해질이 조밀하고 조밀한 음극 침전물을 얻기 위해서는 특정 제제가 필요합니다. 음극은 약 일주일 후에 제거됩니다. 주석은 일반적으로 정제된 주석으로 만든 주괴 또는 돼지로 판매됩니다.

 

주석 합금

1. 브론즈
청동은 기원전 3000년(청동기 시대의 시작)으로 거슬러 올라가는 의미 있게 활용된 최초의 주석 합금이었습니다. 청동은 주석, 기타 금속(예: 알루미늄, 망간, 니켈 또는 아연) 및 비금속 또는 준금속(예: 비소, 인 또는 실리콘)이 약 12-12.5% ​​포함된 구리 기반 합금입니다.

이러한 첨가로 인해 구리보다 더 단단하거나 강성, 연성 또는 기계가공성과 같은 다른 품질을 갖는 다양한 합금이 생성됩니다. 고급 주석 청동은 교회 종과 콘서트 종(카리용)을 주조합니다. 장식적 가치 외에도 내구성 및 우수한 음질과 같은 유용한 기능이 있습니다.

2. 땜납
다양한 오래된 합금 조성이 있지만 가장 중요한 것은 로마인들이 사용하고 오늘날에도 여전히 사용되는 주석-납 땜납입니다. 주석은 232°C에서 녹고 납은 327°C에서 녹습니다. 공융은 이 혼합물에 주어진 이름입니다.

산업 및 전자 산업에서 사용되는 땜납은 주석 사용량이 많습니다. 주석은 물론 안티몬(Sb), 비스무트(Bi), 은(Ag) 및 구리를 포함한 기타 금속이 무연 솔더(Cu)에 사용됩니다.

3. Babbitt 금속 또는 베어링 금속
주석은 마찰 계수가 낮습니다. 베어링을 만들 때 고려해야 할 가장 중요한 요소입니다. 주석은 근본적으로 약한 금속입니다. 따라서 베어링 응용 분야에서 구리 및 안티몬과 합금하여 경도, 인장 강도 및 피로 저항을 향상시킵니다.

4. 백랍
백랍은 85-95%의 주석으로 구성된 가단성 금속 합금이며 나머지는 구리, 안티몬, 비스무트 및 덜 자주 납입니다. 은도 때때로 사용됩니다. 납은 푸르스름한 색조를 띠는 가장 낮은 등급의 백랍에 풍부하며 구리와 안티몬은 경화제 역할을 합니다.

합금에 따라 녹는점은 화씨 338~446도(섭씨 170~230도)입니다. Pewter는 견고성을 위해 다른 금속을 추가하면서 주석으로 작업할 때의 아름다움과 편리함을 활용합니다.

 

주석 화합물

1. 주석 할로겐화물
주석의 4가지 사할로겐화물이 모두 확인되었습니다. SnF4를 제외한 이들 할로겐화물은 모두 자연에서 발견되는 휘발성 물질과 공유 결합에 의해 생성됩니다. SnF4는 SnCl4가 무수 HF로 처리될 때 형성되는 흡습성 백색 고체입니다. 다른 SnX4 화합물은 금속과 할로겐화물을 직접 결합하여 더 잘 형성됩니다. 무색 액체 SnCl4 및 SnBr4는 밝은 주황색 고체 SnI4와 함께 존재합니다.

Sn은 4가 상태보다 2가 상태에서 더 안정적입니다. 결과적으로 Sn은 모든 안정한 디할로겐화물을 생성합니다. Sn의 유독성 때문에 디할로겐화물 SnF2는 치약에서 NaF로 대체되었습니다.

2. 주석 수소화물
14족 원소는 모두 MH4와 같은 기체 수소화물을 형성합니다. Ge에서 Pb로, 14족 수소화물의 안정성은 빠르게 떨어집니다. 실온에서 SnH4는 천천히 분해되며 묽은 수성 산과 알칼리의 영향을 받지 않습니다.

반면에 농축된 산이나 알칼리는 그것을 파괴합니다. 무기 화학, SnH4는 유용한 환원제입니다. 벤즈알데히드를 벤질 알코올로, 니트로벤젠을 아닐린으로 바꾸는 데 사용됩니다.

3. 산화주석
주석은 일반적으로 자연계에서 캐시라이트 또는 주석석(SnO2)으로 발견됩니다. 양쪽성인 단색의 흰색입니다. Sn과 융합된 NaOH 및 농축된 H2SO4의 반응은 양쪽성 특성을 나타냅니다.

SnO2 + 2NaOH + H2O → Na2Sn(OH)6
SnO2 + 2H2SO4 → Sn(SO4)2 + 2H2O

Sn은 또한 화학식 SnO로 안정한 2가 산화물을 형성할 수 있습니다. SnO2보다 염기도가 높습니다. 공기가 없는 상태에서 옥살산주석은 열분해되어 SnO를 생성합니다.

SnC2O4 → SnO + CO + CO2

 

주석의 속성

▷ 청백색이며 원자번호 50번의 부드럽고 유연한 금속입니다.
▷ 주석은 흰색과 회색의 두 가지 주요 형태(또는 동소체)로 제공됩니다.
▷ 실온에서 산소와 물은 주석에 영향을 미치지 않습니다. 또한 부식에 강합니다. 이 때문에 다른 금속의 코팅으로 활용됩니다.
▷ 주석은 지각의 약 200만분의 2를 차지합니다.
▷ 이 원소는 지각의 화성암에서 약 0.001%의 농도로 발견되어 희소성보다는 희소성이 있습니다.
▷ 코발트, 구리, 니켈, 세륨 및 납과 같은 다른 원소와 함께 풍부하게 발견됩니다.
▷ 고온에서 물 및 산소와 반응하면 금속이 산화물을 형성합니다.
▷ 13.2 °C 이상의 온도와 100 °C 이상의 매우 빠른 온도에서 회색 금속은 흰색으로 변합니다. 이 금속은 각각 다른 질량 수를 가진 대략 10개의 별개의 동위원소로 제공됩니다.

 

주석의 용도

▷ 주석은 선사 시대 문명에서 필수적인 금속이었습니다. 무독성 부식 방지 코팅으로 식품 포장에 주로 사용됩니다.
▷ 다른 원소와 결합하여 다양한 합금을 만들 수 있습니다. 예를 들어, 백랍은 90~95%의 Sn, 1~8%의 Sb, 0.5~3%의 Cu를 포함합니다. 쟁반, 접시, 트로피가 모두 그것으로 만들어집니다. 오르간 파이프는 90~95%가 Sn과 Pb 합금입니다.
▷ 주석과 납을 결합하여 땜납을 만들며 주로 파이프와 전기 회로를 연결하는 데 사용됩니다.
▷ 주석은 납, 아연 및 강철의 부식을 방지하는 데 사용됩니다. 식품 보존은 일반적으로 주석 도금 강철 용기에서 수행됩니다. 루핑 및 가솔린 탱크는 Pb-Sn 합금으로 덮인 강판입니다.
▷ 주석은 때때로 미국 및 캐나다 동전 생산에 사용됩니다. 구리는 이러한 동전에서 가장 흔한 요소입니다.
▷ 코일은 니오븀 주석 화합물로 만들어집니다. 임계 온도가 높기 때문에 이 코일은 초전도 자석을 만드는 데 사용됩니다.

 

주석의 장점

▷ 주석은 부드럽고 연성이며 가단성이 있는 은백색 금속입니다. 주석은 탄력성으로 인해 쪼개지지 않고 다양한 모양으로 성형 및 신축이 가능합니다.
▷ 주석은 또한 무독성, 전도성 및 내식성으로 간주됩니다.

주석의 단점

▷ 유기농 주석은 건강에 가장 위험합니다. 눈과 피부 자극, 두통, 메스꺼움, 현기증, 호흡 곤란, 극심한 발한 및 비뇨기 장애와 같은 인간에게 심각한 부작용을 일으킬 수 있습니다.
▷ 금속은 생분해되지 않아 가장 큰 단점입니다. 그 결과 환경에 영향을 미칠 수 있습니다.