Оксид олова IV

Оксид олова IV (диоксид олова, двуокись олова) — 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:

 Sn + O₂ →^>220oC SnO₂

Окисление кислородом воздуха монооксида олова:

 2 SnO + O₂ →^220oC 2 SnO₂

Диспропорционирование при нагревании монооксида олова:

 2 SnO →^400oC SnO₂ + Sn

Окисление олова горячей концентрированной азотной кислотой:

 Sn + 4 HNO₃ →^T SnO₂ + 4 NO₂↑ + 2 H₂O

Разложение сульфата олова при нагревании:

 Sn(SO₄)₂ →^150−200oC SnO₂ + 2 SO₃↑

или взаимодействием сульфата олова с разбавленной щёлочью:

 Sn(SO₄)₂ + 4 NaOH ⟶ SnO₂↓ + 2 Na₂SO₄ + H₂O

Прокаливание на воздухе моносульфида олова:

 SnS + 2 O₂ → T SnO₂ + SO₂

Физические свойства

Оксид олова IV из раствора при осаждении выделяется в виде гидрата переменного состава SnO₂·nH₂O, где  1 ≤ n ≤ 2, так называемая α-модификация). При стоянии осадка переходит химически пассивную β-модификацию ( n ≤ 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.

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.

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

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

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

Химические свойства

Гидратированная форма переходит в кристаллическую при нагревании:

 SnO₂ ⋅ nH₂O →^600oC SnO₂ + nH₂O

Растворяется в концентрированных кислотах:

 SnO₂ + 6 HCl ⟶ H₂(SnCl₆) + 2 H₂O

При нагревании растворяется в разбавленных кислотах:

 SnO₂ + 2 H₂SO₄ →^100oC Sn(SO₄)₂ + 2 H₂O

Растворяется в растворах концентрированных щелочей:

 SnO₂ + 2 NaOH + 2 H₂O →^60−70oC Na₂[Sn(OH)₆]

При сплавлении с щелочами и карбонатами образует метастаннаты:

 SnO₂ + 2 NaOH →^350−400oC Na₂SnO₃ + H₂O

а с оксидами щелочных металлов образует ортостаннаты:

 SnO₂ + 2 K₂O →^500oC K₄SnO₄

• Восстанавливается водородом или углеродом до металлического олова:

 SnO₂ + 2 H₂ →^500−600oC Sn + 2 H₂O

 SnO₂ + 2 C →^800−900oC Sn + 2 CO

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. Для применения в датчиках газа изучалось легирование диоксида олова различными соединениями, например, оксидом меди II.

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 2—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.

Легирование диоксида олова оксидами железа или марганца образует высокотемпературный ферромагнитный материал.

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.

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 ( Na₂O , K₂O) и оксида бора  B₂O₃ и снижается при увеличении содержания оксидов щелочноземельных металлов ( CaO , BaO ), оксидов алюминия, цинка и свинца. 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.

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 их 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.