Оксид олова(IV)

Оксид олова​(IV)​
Общие
Систематическое наименование	Оксид олова​(IV)​
Традиционные названия	Окись олова, двуокись олова, диоксид олова; касситерит
Хим. формула	SnO2
Рац. формула	SnO2
Физические свойства
Состояние	белые кристаллы
Молярная масса	150,71 г/моль
Плотность	7,0096 г/см3[1]
Термические свойства
Температура
• плавления	1630 °C[1]
• кипения	2500 (разл.)[1] °C
• разложения	−
Мол. теплоёмк.	53,2[1] Дж/(моль·К)
Энтальпия
• образования	−577,63[1] кДж/моль
Давление пара	0 ± 1 мм рт.ст.[3]
Химические свойства
Растворимость
• в воде	нерастворим
Оптические свойства
Показатель преломления	2,006 (D-линия натрия 589,29 нм)[2]
Структура
Кристаллическая структура	тетрагональная типа рутила
Классификация
Рег. номер CAS	18282-10-5
PubChem	29011
Рег. номер EINECS	242-159-0
SMILES	O=[Sn]=O
InChI	InChI=1S/2O.Sn XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N
RTECS	XQ4000000
ChEBI	52991
ChemSpider	26988
Безопасность
ЛД50	крысы, перорально 20 000 мг/кг
Токсичность	низкая
NFPA 704	0 1 0
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.

Окси́д о́лова(IV) (диокси́д олова, двуо́кись олова, касситерит) — бинарное неорганическое соединение, оксид металла олова с формулой SnO₂. Белые кристаллы, нерастворимые в воде.

Нахождение в природе

В природе встречается минерал касситерит — SnO₂, основная руда олова, который в чистом виде бесцветен, однако примеси придают ему самые различные цвета.

Получение

Сжигание олова в воздухе или в кислороде при высокой температуре:

${\displaystyle {\ce {Sn + O2 ->[>220^oC] SnO2}}}$.

Окисление кислородом воздуха монооксида олова:

${\displaystyle {\ce {2SnO + O2 ->[220^oC] 2SnO2}}}$.

Диспропорционирование при нагревании монооксида олова:

${\displaystyle {\ce {2SnO ->[400^oC] SnO2 + Sn}}}$.

Окисление олова горячей концентрированной азотной кислотой:

${\displaystyle {\ce {Sn + 4HNO3 ->[T] SnO2 + 4NO2 ^ + 2H2O}}}$.

Разложение сульфата олова при нагревании:

${\displaystyle {\ce {Sn(SO4)2 ->[150-200^oC] SnO2 + 2SO3 ^}}}$,

или взаимодействием сульфата олова(IV) с разбавленной щёлочью:

${\displaystyle {\ce {Sn(SO4)2 + 4NaOH -> SnO2 v + 2Na2SO4 + H2O}}}$.

Прокаливание на воздухе моносульфида олова:

${\displaystyle {\ce {SnS + 2O2 ->[T] SnO2 + SO2 ^}}}$.

Физические свойства

Оксид олова(IV) из раствора при осаждении выделяется в виде гидрата переменного состава SnO₂·nH₂O, где ${\displaystyle 1\leq n\leq 2,}$ так называемая α-модификация). При стоянии осадка переходит химически пассивную β-модификацию (${\displaystyle n\leq 1}$). Соединения со стехиометрическим составом гидратов не выделены.

В воде практически нерастворим, рПР = 57,32. Нерастворим также в этаноле и других не взаимодействующих с веществом растворителях.

При высушивании гидрата диоксида олова образуется аморфный белый порошок с плотностью 7,036 г/см³, переходящий при нагревании в кристаллическую модификацию с плотностью 6,95 г/см³.

Оксид олова(IV) образует прозрачные бесцветные кристаллы тетрагональной сингонии, пространственная группа P 4₂/mnm, параметры ячейки a = 0,4718 нм, c = 0,3161 нм, Z = 2, — кристаллическая структура типа рутила (диоксида титана).

Молярная энтропия So
298 = 49,01 Дж/(моль·К). Теплоёмкость Co
p = 53,2 Дж/(моль·К). Стандартная энтальпия образования ΔHo
обр = −577,63 кДж/моль^[1].

Является широкозонным полупроводником n-типа, при 300 К ширина запрещённой зоны 3,6 эВ, подвижность электронов 7 см²/(В·с), концентрация носителей 3,5·10¹⁴ см⁻³, удельное электрическое сопротивление 3,4·10³ Ом·см. Легирование элементами V группы, например, сурьмой увеличивает электрическую проводимость на 3—5 порядков^[1].

Диамагнитен. Молярная магнитная восприимчивость χ_mol = −4,1·10⁻⁵ моль^−1[4].

Диоксид олова прозрачен в видимом свете, отражает инфракрасное излучение с длиной волны более 2000 нм^[1].

Температура плавления 1630 °C^[1]. При высокой температуре испаряется с разложением на монооксид олова (и его ди-, три- и тетрамеры) и кислород^[1].

Химические свойства

Гидратированная форма переходит в кристаллическую при нагревании:

${\displaystyle {\ce {SnO2.nH2O ->[600^oC] SnO2 + nH2O}}}$.

Растворяется в концентрированных кислотах:

${\displaystyle {\ce {SnO2 + 6HCl -> H2(SnCl6) + 2H2O}}}$.

При нагревании растворяется в разбавленных кислотах:

${\displaystyle {\ce {SnO2 + 2H2SO4 ->[100^oC] Sn(SO4)2 + 2H2O}}}$.

Растворяется в растворах концентрированных щелочей:

${\displaystyle {\ce {SnO2 + 2NaOH + 2H2O ->[60-70^oC] Na2[Sn(OH)6]}}}$.

При сплавлении с щелочами и карбонатами образует метастаннаты:

${\displaystyle {\ce {SnO2 + 2NaOH ->[350-400^oC] Na2SnO3 + H2O}}}$,

а с оксидами щелочных металлов образует ортостаннаты:

${\displaystyle {\ce {SnO2 + 2K2O ->[500^oC] K4SnO4}}}$.

• Восстанавливается водородом или углеродом до металлического олова:

${\displaystyle {\ce {SnO2 + 2H_2 ->[500-600^oC] Sn + 2H2O}}}$,

${\displaystyle {\ce {SnO2 + 2C ->[800-900^oC] Sn + 2CO}}}$.

Применение

В качестве катализатора

В сочетании с оксидами ванадия его используют в качестве катализатора для окисления ароматических соединений в синтезе карбоновых кислот и ангидридов кислот, катализатора реакций замещения и гидролиза.

В датчиках газообразных горючих газов.

Плёнки из диоксида олова, нанесённые на стекло или керамику применяются в датчиках горючих газов в воздухе — метана, пропана, оксида углерода и других горючих газов. Нагретый до температуры в несколько сотен градусов Цельсия материал в присутствии горючих газов обратимо частично восстанавливается с изменением стехиометрического соотношения в сторону обеднения кислородом, что приводит к снижению электрического сопротивления плёнки^[5]. Для применения в датчиках газа изучалось легирование диоксида олова различными соединениями, например, оксидом меди(II)^[6].

В электронной промышленности

Основное применение соединения для создания прозрачных токопроводящих плёнок в различных приборах — жидкокристаллических дисплеях, фотогальванических элементах и в других приборах. Нанесение плёнки вещества производится из газовой фазы разложением летучих соединений олова, для повышения электропроводности соединение обычно легируют сурьмой и соединениями фтора.

Также применяется для создания прозрачных проводящих обогревательных противообледенительных плёнок на стеклянной поверхности окон транспортных средств.

Применяется в материалах контактов электрических коммутационных аппаратов, например, серебряных контактов электромагнитных реле — в материал вводят Шаблон:Nobr2—14 % диоксида олова. Ранее для этой цели использовали весьма токсичный оксид кадмия.

Легирование кобальтом и марганцем дает материал, который можно использовать, например, в высоковольтных варисторах^[7].

Легирование диоксида олова оксидами железа или марганца образует высокотемпературный ферромагнитный материал^[8].

В стекольной и керамической промышленности в качестве белого пигмента

Диоксид олова плохо растворяется в расплавленной силикатной или боросиликатной стекломассе и имеет высокий показатель преломления относительно силикатного связующего, поэтому его микрочастицы в составе стёкол рассеивают свет, придавая стеклянной массе молочно-белый цвет и используется в производстве матовых стёкол, глазурованной керамической настенной плитке, сантехнических фаянсовых изделиях и др.^[9]

Изменяя состав стекломассы и технологию её приготовления можно изменять степень матовости продукта, так как растворимость диоксида олова увеличивается при повышении температуры обжига и увеличении концентрации в стекломассе оксидов щелочных металлов (${\displaystyle {\ce {Na2O, K2O}}}$) и оксида бора ${\displaystyle {\ce {B2O3}}}$ и снижается при увеличении содержания оксидов щелочноземельных металлов (${\displaystyle {\ce {CaO, BaO}}}$), оксидов алюминия, цинка и свинца^[10]. Чистый диоксид олова придаёт глазури белый цвет, который можно изменить добавлением оксидов других элементов, например, оксид ванадия придаёт глазури жёлтый цвет, хрома — розовый, сурьмы — серовато-синий^[11].

Покрытия на стекле

Тончайшие плёнки диоксида олова (~0,1 мкм) применяются в качестве адгезионного подслоя для нанесения на поверхность стеклянной посуды (в основном на бутылках, банках, сортовой посуде) полимерного покрытия, например, полиэтиленового. Нанесение таких тонких плёнок производится разложением на поверхности горячего стеклянного изделия летучих соединений олова, например, тетрахлорида олова или оловоорганических соединений, например, трихлорида бутилолова.

В качестве абразивного материала

Микрокристаллы соединения имеют высокую твёрдость и применяется в составе полировальных паст и суспензий для полировки изделий из металлов, стекла, керамики, природных камней.

Безопасность

Соединение малотоксично, ЛД₅₀ для крыс 20 г/кг перорально. Пыль соединения вредно влияет на органы дыхания. Предельно допустимая концентрация пыли в воздухе производственных помещений 2 мг/м³.

Примечания

Литература

• Лидин Р. А. и др. Химические свойства неорганических веществ: Учеб. пособие для вузов. — 3-е изд., испр. — М.: Химия, 2000. — 480 с. — ISBN 5-7245-1163-0.
• Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия. Химия металлов. — М.: Мир, 1971. — Т. 1. — 561 с.
• Справочник химика / Редкол.: Никольский Б. П. и др. — 2-е изд., испр. — М.—Л.: Химия, 1966. — Т. 1. — 1072 с.
• Справочник химика / Редкол.: Никольский Б. П. и др. — 3-е изд., испр. — Л.: Химия, 1971. — Т. 2. — 1168 с.

п о р Оксиды
H2O
Li2O LiCoO2 Li3PaO4 Li5PuO6 Ba2LiNpO6 LiAlO2 Li3NpO4 Li2NpO4 Li5NpO6 LiNbO3	BeO											B2O3	С3О2 C12O9 CO C12O12 C4O6 CO2	N2O NO N2O3 N4O6 NO2 N2O4 N2O5	O	F
Na2O NaPaO3 NaAlO2 Na2PtO3	MgO											AlO Al2O3 NaAlO2 LiAlO2 AlO(OH)	SiO SiO2	P4O P4O2 P2O3 P4O8 P2O5	S2O SO SO2 SO3	Cl2O ClO2 Cl2O6 Cl2O7
K2O K2PtO3 KPaO3	CaO Ca3OSiO4 CaTiO3	Sc2O3	TiO Ti2O3 TiO2 TiOSO4 CaTiO3 BaTiO3	VO V2O3 V3O5 VO2 V2O5	FeCr2O4 CrO Cr2O3 CrO2 CrO3 MgCr2O4	MnO Mn3O4 Mn2O3 MnO(OH) Mn5O8 MnO2 MnO3 Mn2O7	FeCr2O4 FeO Fe3O4 Fe2O3	CoFe2O4 CoO Co3O4 CoO(OH) Co2O3 CoO2	NiO NiFe2O4 Ni3O4 NiO(OH) Ni2O3	Cu2O CuO CuFe2O4 Cu2O3 CuO2	ZnO	Ga2O Ga2O3	GeO GeO2	As2O3 As2O4 As2O5	SeOCl2 SeOBr2 SeO2 Se2O5 SeO3	Br2O Br2O3 BrO2
Rb2O RbPaO3 Rb4O6	SrO	Y2O3 YOF YOCl	ZrO(OH)2 ZrO2 ZrOS Zr2О3Сl2	NbO Nb2O3 NbO2 Nb2O5 Nb2O3(SO4)2 LiNbO3	Mo2O3 Mo4O11 MoO2 Mo2O5 MoO3	TcO2 Tc2O7	Ru2O3 RuO2 Ru2O5 RuO4	RhO Rh2O3 RhO2	PdO Pd2O3 PdO2	Ag2O Ag2O2	Cd2O CdO	In2O InO In2O3	SnO SnO2	Sb2O3 Sb2O4 Hg2Sb2O7 Sb2O5	TeO2 TeO3	I2O4 I4O9 I2O5
Cs2O Cs2ReCl5O	BaO BaPaO3 BaTiO3 BaPtO3		HfO(OH)2 HfO2	Ta2O TaO TaO2 Ta2O5	WO2Br2 WO2 WO2Cl2 WOBr4 WOF4 WOCl4 WO3	Re2O ReO Re2O3 ReO2 Re2O5 ReO3 Re2O7	OsO Os2O3 OsO2 OsO4	Ir2O3 IrO2	PtO Pt3O4 Pt2O3 PtO2 K2PtO3 Na2PtO3 PtO3	Au2O AuO Au2O3	Hg2O HgO (Hg3O2)SO4 Hg2O(CN)2 Hg2Sb2O7 Hg3O2Cl2 Hg5O4Cl2	Tl2O Tl2O3	Pb2O PbO Pb3O4 Pb2O3 PbO2	BiO Bi2O3 Bi2O4 Bi2O5	PoO PoO2 PoO3	At
Fr	Ra		Rf	Db	Sg	Bh	Hs	Mt	Ds	Rg	Cn	Nh	Fl	Mc	Lv	Ts
		↓
		La2O2S La2O3	Ce2O3 CeO2	PrO Pr2O2S Pr2O3 Pr6O11 PrO2	NdO Nd2O2S Nd2O3 NdHO	Pm2O3	SmO Sm2O3	EuO Eu3O4 Eu2O3 EuO(OH) Eu2O2S	Gd2O3	Tb	Dy2O3	Ho2O3 Ho2O2S	Er2O3	Tm2O3	YbO Yb2O3	Lu2O2S Lu2O3 LuO(OH)
		Ac2O3	UO2 UO3 U3O8	PaO PaO2 Pa2O5 PaOS	ThO2	NpO NpO2 Np2O5 Np3O8 NpO3	PuO Pu2O3 PuO2 PuO3 PuO2F2	AmO2	Cm2O3 CmO2	Bk2O3	Cf2O3	Es	Fm	Md	No	Lr