50 Sn 锡 118.71
后过渡金属 p区 第5周期 第14族

锡

Sn · 元素50 · 后过渡金属

青铜的另一半:锡把石器时代带入了青铜时代。

20°C时的状态 固态
原子量 118.71 u
电子排布[Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p²

结构

锡原子

这不是环上点阵图,而是对每个已占据亚层的实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。

轨道云

测量值

属性表

每个条形图显示锡在全部118种元素中该属性所处的位置。

物理

密度 7.265 g/cm³ 47%
熔点 505.1 K 25%
沸点 2875 K 57%
比热容 0.228 J/g·K
热导率 66.8 W/m·K 72%

原子

原子半径 140 pm 34%
共价半径 139 pm
范德华半径 217 pm

电子

电负性 1.96 67%
电离能 708.2 kJ/mol 51%
电子亲和能 107.1 kJ/mol 72%

存在情况

地壳中的丰度 2.3 mg/kg 58%

身份

符号Sn
原子序数50
原子量118.71 u
类别后过渡金属
区p
晶体结构四方晶系
氧化态-4, -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4
发现ancient
发现者自古以来已知

来源:IUPAC 2021标准原子量、CRC《化学与物理手册》、NIST。标有~的数值为预测值,而非测量值。

尺寸,按比例显示

锡的原子有多大?

半径140 pm——即0.14 nm,因此大约3.57百万个这样的原子并排起来才有一毫米长。

温度范围

固态、液态、气态——以及转变时机

锡在2370 K的范围内呈液态,温度从505 K到2875 K。

所在位置

在表中的位置

锡位于第5周期、第14族。 第14族中的所有元素具有相同的最外层电子数,因此它们的性质非常相似。

其他后过渡金属

所有后过渡金属

背后的故事

锡是什么,以及我们如何发现它

青铜的另一半:锡把石器时代带入了青铜时代。

锡的发现

古代发现——冶金术的黎明

史前起源(公元前3200年)

锡的发现早于有文字记载的历史,它出现在人类最初的冶金实验时期。来自土耳其、伊朗和巴尔干地区的考古证据表明,这些地区存在可追溯至公元前3200年的锡青铜器物,标志着人类从石器时代向青铜时代的过渡。

青铜时代革命

古代冶金学家发现,在铜中加入10-12%的锡可以制成青铜。青铜比纯铜更硬、更耐用,也更易铸造。这一发现极具变革性,塑造了持续超过2000年的人类文明时代。

“他第一个将锡与铜混合,从而发明了青铜;在用途上,青铜胜过这两种金属。”——古希腊关于早期冶金术的记载

腓尼基人的锡贸易

腓尼基人在公元前1200年前后成为锡贸易大师,建立了从英格兰康沃尔(“卡西特里德群岛”或“锡群岛”)通往地中海的贸易路线。他们的紫色染帆船运载着贵重的锡,其价值与等重量的白银相当。

罗马帝国与锡

罗马人称锡为“plumbum album”(白铅),并大规模开采英国锡矿。康沃尔成为罗马帝国的主要锡来源,拥有包括水力采矿和先进冶炼技术在内的复杂采矿作业。

科学认识

安托万·拉瓦锡(1789年)在其开创性著作《化学基础》中首次正确地将锡确定为一种化学元素。他将锡与其他金属区分开来,并确立了锡在新兴化学元素认识体系中的地位。

工业革命的影响

工业革命将锡从奢侈材料转变为工业必需品:

  • 1810年:Peter Durand发明用于食品保藏的锡罐
  • 1820年代:热浸镀锡工艺得到发展,用于大规模镀锡
  • 1876年:首台锡罐制造机彻底改变了食品包装

现代矿床发现

主要锡矿的发现塑造了全球经济:

  • 1850年代:在马来西亚和印度尼西亚发现大型锡矿床
  • 1870年代:在高海拔地区发现玻利维亚锡矿
  • 1980年代:确认中国锡储量为世界最大
历史影响:锡的发现和掌握直接推动了古代文明的兴起,从埃及青铜工具到罗马军事装备均受到其影响。没有其他金属的发现对人类技术发展产生过如此深远的影响!

用途

锡的用途

工业用途

镀锡革命:锡最著名的用途是用于食品罐头的镀锡钢,每年保护全球超过3000亿个罐头。薄锡层可防止腐蚀,并多年保持食品安全,彻底改变了食品保藏和全球贸易。

电子与焊接

现代电子产品依赖锡基焊料,尤其是用于无铅焊接的SAC合金(锡-银-铜)。每部智能手机、计算机和电子设备中,都包含数百个锡焊点,用于连接元件与电路板。

合金制造

  • 青铜生产:锡将铜转化为青铜(含8-12%的锡),形成了定义人类文明整个时代的合金
  • 锡器制作:高锡含量的锡器(含85-99%的锡)用于装饰品和历史文物
  • 轴承合金:含80-90%锡的巴比特合金用于低摩擦发动机轴承
  • 字模合金:锡铅合金用于铸造印刷字模和整行铸排机字模

化学应用

有机锡化合物:用作聚氨酯泡沫生产中的催化剂、PVC稳定剂;过去还用作船舶防污剂,但因环境问题现已受到限制。

玻璃工业

浮法玻璃工艺:熔融玻璃漂浮在熔融锡液上,制成用于窗户和镜子的完美平整玻璃板,生产全球超过95%的平板玻璃。

防护涂层

锡涂层可为恶劣环境中的钢材提供耐腐蚀性,应用范围从食品加工设备到船舶领域。热浸镀锡和电镀是主要的应用方法。

日常用途

食品与厨房

  • 锡罐:保护全球数十亿种食品,从汤品到宠物食品
  • 烘焙模具:内衬锡的铜模具用于专业烘焙和糖果制作
  • 食品安全涂层:罐内涂层可防止金属味和污染
  • 锡器餐具:用于特殊场合的盘子、杯子和餐具

电子产品

  • 焊点:连接手机、计算机和家电中的电子元件
  • 电路板:在铜导线上镀锡,以防止氧化
  • 元件引脚:在电子元件引脚上镀锡,便于焊接

建筑与工具

  • 屋面材料:镀铅锡合金钢材,用于制造耐用、耐候的屋面
  • 管道焊料:用于水管连接的无铅锡基焊料
  • 装饰品:锡制标牌、复古广告和民间艺术品

汽车

  • 发动机轴承:锡基巴比特合金,用于实现平稳、低摩擦运行
  • 燃油箱涂层:为汽油和柴油储存装置提供防腐保护
  • 电子系统:汽车电子设备和传感器中的焊接连接

艺术与手工艺

  • 锡器制作:手工珠宝、装饰物和收藏品
  • 彩色玻璃:锡铅条用于连接艺术窗中的玻璃片
  • 模型制作:锡制士兵、微缩模型和业余铸造
你知道吗?“tin ear”一词并不是指真正的锡,而是源于廉价锡制容器相较于优质陶瓷或银器所发出的金属般的平直声音!

来源

自然存在

地壳中含量为2.3 mg/kg · 比58%的元素更丰富

全球分布

主要矿物:锡石

锡石(SnO₂)几乎是锡唯一的商业来源,按质量计含锡量最高可达78.8%。这种质重且有光泽的矿物形成独特的棕色至黑色晶体,常见于与花岗岩有关的环境中。

全球主要矿床

  • 中国:产量占全球锡产量的40%,主要来自云南省个旧地区,该地被称为“世界锡都”
  • 印度尼西亚:邦加岛和勿里洞岛拥有丰富的冲积锡矿床
  • 缅甸(Burma):历史上的重要来源,在花岗岩地层中拥有丰富的锡石矿床
  • 玻利维亚:安第斯山脉的高海拔矿山,尤其集中在奥鲁罗附近
  • 秘鲁:安第斯地区拥有重要的锡产量
  • 巴西:朗多尼亚州从硬岩矿床和砂矿床中生产锡

地质形成

锡矿床通过热液过程形成:冷却中的花岗岩侵入体释放含锡流体,将锡石沉积到周围岩石中。这些矿床通常出现在:

  • 云英岩:含有石英、云母和锡石的蚀变花岗岩
  • 矽卡岩矿床:花岗岩侵入体周围的接触变质带
  • 砂矿床:风化后的锡石集中在河流砾石中
  • 脉状系统:锡石存在于穿过花岗岩的石英脉中

冲积采矿

世界上许多锡来自冲积矿床,风化作用使锡石集中在河流砾石和海岸沉积物中。马来西亚历史上的锡矿业就是建立在这类矿床之上。

丰度与稀有性

锡是地壳中丰度排名第47的元素,含量约为2.3 ppm,比铅稀有,但比银常见。经济矿床中的锡富集需要特定的地质条件,因此全球锡矿相对少见。

宇宙视角:锡通过大质量恒星中的恒星核合成形成,并在超新星爆炸期间散布到太空中,最终融入新的行星系统。

处理

安全

锡的安全特性

通常安全的金属

金属锡被认为无毒,可安全用于食品接触应用。FDA批准锡镀层容器用于食品储存,几个世纪以来锡一直被安全地用于烹饪器具。

食品安全

  • 安全暴露量:来自食品罐头的每日锡摄入量(0.1-1.0 mg)远低于有毒水平
  • 自然存在:锡以痕量水平自然存在于许多食物中
  • 不会生物累积:人体通过正常代谢可有效排出多余的锡

有机锡化合物——注意

有机锡化合物的毒性明显高于金属锡,必须谨慎处理:

  • 三丁基锡(TBT):过去用于船舶涂料,现因环境毒性而被禁用
  • 工业用途:PVC稳定剂和催化剂的使用需要防护设备
  • 环境影响:某些有机锡化合物会在沉积物中持久存在并发生生物累积

工作场所安全

  • 锡尘:长期吸入可能导致“锡尘肺”——一种良性肺部沉积
  • 防护设备:研磨或加工锡合金时使用防尘口罩
  • 焊接安全:确保通风充足,避免吸入助焊剂烟雾
  • 皮肤接触:金属锡不会引起皮肤刺激或致敏

物理危害

  • 锡叫声:纯锡弯曲时会发出独特的“叫声”——无害,但表示材料受到应力
  • 熔点:低熔点(232°C)使锡易于加工,但处理高温表面时需要小心

环境因素

  • 可回收:锡可以100%回收,且不会损失质量
  • 环境影响低:金属锡对环境的威胁极小
  • 可持续使用:锡罐涂层极薄,可最大限度减少资源消耗
安全提示:虽然金属锡非常安全,但焊接时务必保持适当通风,并避免接触有机锡工业化学品。

快速解答

锡:常见问题

锡是什么?

锡(符号Sn)是元素周期表中的第50号元素,属于5周期14族的后过渡金属。 青铜的另一半:锡把石器时代带入了青铜时代。 在室温下为固态。

锡的电子排布是什么?

锡的基态电子排布为[Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p²,共有5个已占据的电子层,电子分布为2, 8, 18, 18, 4。 它的最外层有4个电子,这决定了它的成键行为。

锡的熔点和沸点是多少?

锡在505.1 K(231.9 °C)熔化,在2875 K(2601.9 °C)沸腾。

锡的原子量是多少?

锡的标准原子量为118.71 u。这是其自然存在的同位素的加权平均值,因此通常不是整数。

锡的密度是多少?

锡的密度为7.265 g/cm³。水的密度为1.0 g/cm³,因此锡块约重7.3倍。

锡的电负性是多少?

锡的鲍林电负性为1.96。该标度范围为0.70(钫,吸引电子能力最弱)至3.98(氟,吸引电子能力最强)。 处于这一中间范围的数值通常对应共价键,而不是强离子键。

谁发现了锡,是在什么时候?

锡自古以来就已为人所知——它以无需冶炼即可使用的形式存在,因此无法将其发现归功于某一个人。 名称来源于盎格鲁-撒克逊语 tin;符号源自拉丁语 stannum。

锡在地球上有多常见?

锡约占地壳的2.3 mg/kg——不常见,但并不稀有。