კალა

ქიმიური ელემენტი კალა აღინიშნება სიმბოლოთი Sn (ლათ. Stannum - მტკიცე, მდგრადი). მისი ატომური ნომერია 50. ელემენტების პერიოდულობის ცხრილში მოთავსებულია  მეთოთხმეტე ჯგუფში. კალა ამჟღავნებს ქიმიურ მსგავსებას მისი ჯგუფის ორივე მოსაზღვრე ელემენტთან: გერმანიუმთან და ტყვიასთან, რაც გამოიხატება დაჟანგვის ორი შესაძლებლობით, +2 და +4 (ვალენტობა). კალა 49-ე ყველაზე გავრცელებული ელემენტია და აქვს ათი მდგრადი იზოტოპი. ელემენტთა პერიოდულობის ცხრილში მდგრად იზოტოპთა რაოდენობის მხრივ ლიდერი ელემენტია. კალა ძირითადად მოიპოვება მინერალ კასიტერიტიდან, რომელიც შეიცავს კალას კალის დიოქსიდის (SnO₂) სახით.

გამლღვალი კალის წვეთი

ნორმალურ პირობებში მარტივი ნივთიერება კალა  პლასტიკური, ჭედადი და ადვილად დნობადი, ბრჭყვიალა, მბზინვარე მოვერცხლისფრო-თეთრი ფერის რბილი ლითონია. კალა წარმოქმნის ორ ალოტროპულ მოდიფიკაციას: 13.2 °С ტემპერატურაზე დაბლა მდგრადი α-კალა (ნაცრისფერი კალა) ალმასის ტიპის კუბური კრისტალური მესერით, 13.2 °С-ზე მაღლა კალა გადადის მდგრად β-კალის (თეთრი კალა) ფორმაში, რომელსაც აქვს ტეტრაგონალური კრისტალური მესერი.

კალა მიეკუთვნება მსუბუქ ლითონებს. ჰაერზე ადვილად არ იჟანგება, რის გამოც გამოიყენება სხვა ლითონების დასაფარად კოროზიისგან დასაცავად. ფართოდ გამოიყენება კალას შენადნობები, განსაკუთრებით ტყვიასთან. კალასა და ტყვიის შენადნობი ადვილად ლღვება დაბალ ტემპერატურაზე და გამოიყენება სადენების ერთმანეთზე მისარჩილავად. კოროზიასთან ბრძოლის კიდევ ერთი მაგალითია, ფოლადის მოკალვა. კალას დაბალი ტოქსიკურობის გამო, მოკალული ფოლადი გამოიყენება საკვების შესაფუთად, კონსერვის ბანკების სახით (თუმცა კონსერვის ბანკებს ამზადებენ ალუმინისაგანაც).

ისტორია

კალა ადამიანისათვის ცნობილი იყო ჯერ კიდევ IV ათასწლეულში ჩ.წ.ა-მდე. იგი ნაკლებად მისაწვდომი იყო და ძვირად ფასობდა. ამიტომ ამ ლითონის ნაკეთობები იშვიათად გვხვდება ძველ რომსა და საბერძნეთში. კალა მოხსენიებულია ბიბლიაში, მოსეს მეოთხე წიგნში. კალა (სპილენძთან ერთად) წარმოადგენს ბრინჯაოს ერთერთ კომპონენტს, რომელიც გამოგონილ იქნა ჩ.წ.ა-მდე. III ათასწლეულის შუა ან ბოლო პერიოდში. რადგანაც იმ დროისათვის ბრინჯაო წარმოადგენდა ყველაზე მტკიცე მასალას  ცნობილ ლითონებსა და შენადნობებს შორის, კალა იყო „სტარტეგიული ლითონი“ მთელი ბრინჯაოს ხანის განმავლობაში (2000 წელზე მეტი დროის განმავლობაში).

ლათინური სახელწოდება stannum, დაკავშირებულია სანსკრიტულ სიტყვასთან, რომელიც ნიშნავს “მდგრადს, მტკიცეს“.  

გავრცელება

კალა იშვიათი, გაბნეული ელემენტია. დედამიწის ქერქში გავრცელების მიხედვით ის 47-ე ადგილზეა. კლარკის შემცველობა დედამიწის ქერქში შეადგენს, სხვადასხვა მონაცემებით მასის 2×10⁻⁴-დან 8×10⁻³ %-მდე.

კალას მსოფლიო საბადოები მდებარეობენ სამხრეთ-აღმოსავლეთ აზიაში, ძირითადად ჩინეთში, ინდონეზიაში, მალაიზიაში და ტაილანდში. ასევე დიდი საბადოები განლაგებულია სამხრეთ ამერიკაში (ბოლივიაში, პერუში, ბრაზილიაში) და ავსტრალიაში.

კალის ძირითადი მინერალია - კასიტერიტი (კალის ქვა) SnO₂, რომელიც შეიცავს 78.8 %-მდე კალას. შედარებით იშვიათია სტანინი (კალის კოლჩედანი) - Cu₂FeSnS₄ (27.5 % Sn).

კალა წარმოადგენს ამფოტერულ ელემენტს, ანუ ელემენტს, რომელიც ავლენს როგორც მჟავა ასევე ფუძე თვისებებს. კალას ეს თვისება განსაზღვრავს მის გავრცელების თავისებურებებს ბუნებაში. ამ ორმაგი თვისებებიდან გამომდინარე კალა ავლენს ლიტოფილურ, ხალკოფილურ და სიდეროფილურ თვისებებს.

იზოტოპები

ბუნებრივი კალა შედგება ათი სტაბილური ნუკლიდისაგან მასური რიცხვით 112 (ნარევში წონის 0.96 %), 114 (0.66 %), 115 (0.35 %), 116 (14.30 %), 117 (7.61 %), 118 (24.03 %), 119 (8.58 %), 120 (32.85 %), 122 (4.72 %) და 124Sn (5,94 %). ამ ელემენტს გააჩნია ყველაზე მეტი რაოდენობის სტაბილური იზოტოპები.

კალას იზოტოპები ¹¹⁷Sn და ¹¹⁹Sn  გამოიყენება გამა-რეზონანსულ სპექტროსკოპიაში.

ფიზიკური თვისებები

მარტივი ნივთიერება კალა პოლიმორფულია. ჩვეულებრივ პირობებში ის არსებობს b-მოდიფიკაციის სახით (თეთრი კალა), მდგრადია 13.2 °C-ის მაღლა. თეთრი კალა მოვერცხლისფრო-თეთრი, რბილი, პლასტიკური ლითონია, რომელსაც ტეტრაგონალური ელემენტალურ უჯრედებიანი მესერი აქვს, პარამეტრებია a = 0.5831, c = 0.3181 ნმ. კალას ყოველი ატომის საკოორდინაციო გარემოცვა ოქტაედრია. სიმკვრივე  b--Sn 7.228 გ/სმ³. T_ლღ =231.9 °C, T_დუღ = 2270 °C.

გაცივებით თეთრი კალა გადადის α-მოდიფიკაციაში (ნაცრისფერი კალა). ნაცრისფერი კალას აქვს ალმასის სტრუქტურა (კუბურ კრისტალური მესერი პარამეტრებით а = 0,6491 ნმ). ნაცრისფერ კალაში ყოველი ატომის საკოორდინაციო პოლიედრი - ტეტრაედრია, საკოორდინაციო რიცხვია 4. ფაზურ გადასვლას b-Sn α-Sn-ში თან ახლავს კუთრი მოცულობის ზრდა 25.6 %-ით (სიმკვრივე α-Sn შეადგენს 5.75 გ/სმ³), რაც იწვევს კალას დაშლას ფხვნილად. ძველ დროში ყინვების დროს კალას ნაკეთობების ფხვნილად გარდაქმნას «კალას ჭირს» უწოდებდნენ. ამ «ჭირის» შედეგად ფოლაქები მუნდირებზე, რგოლები, კოვზები იშლებოდნენ, და არმიას შეეძლო ბრძოლისუნარიანობის დაკარგვა. (დაწვრილებით «კალას ჭირის» საინტერესო ფაქტების შესახებ იხილეთ ქვემოთ ნაჩვენებ წყაროზე).

კალას ორი მოდიფიკაციის სტრუქტურების განსხვავების გამო განსხვავდება მათი ელექტრო ფიზიკური თვისებებიც. ასე რომ, b-Sn — ლითონია, ხოლო α -Sn მიეკუთვნება ნახევარგამტარებს. 3.72 К-ის ქვევით α -Sn გადადის ზეგამტარ მდგომარეობაში. სტანდარტული ელექტროდული პოტენციალი E °Sn²⁺/Sn ტოლია −0.136 ვ, ხოლო E ორთქლის °Sn⁴⁺/Sn²⁺ 0.151 ვ.

ქიმიური თვისებები

ოთახის ტემპერატურისას კალა, ჯგუფში მეზობელის გერმანიუმის მსგავსად, მდგრადია წყლის ან ჰაერის ზემოქმედებისაგან. ასეთი ინერტულობა აიხსნება ზედაპირზე ოქსიდების ფენის წარმოქმნით. კალას შესამჩნევი ჟანგვა ჰაერზე იწყება 150°C უფრო მაღალი ტემპერატურის დროს:

Sn + O₂  → SnO₂

გახურებისას კალა რეაგირებს უმეტეს არალითონებთან. ამასთან წარმოიქმნებიან ნაერთები ჟანგვის ხარისხით +4, რომელიც კალასათვის უფრო დამახასიათებელია, ვიდრე +2. მაგალითად:

Sn + 2 Cl₂  → SnCl₄

კონცენტრირებულ მარილმჟავასთან კალა ნელა რეაგირებს:

Sn + 4 HCl → SnCl₄ + H₂

ასევე შესაძლებელია ქლორკალა მჟავას წარმოქმნა, შემადგენლობით HSnCl₃, H₂SnCl₄ და სხვა, მაგალითად:

Sn + 3 HCl → HSnCl₃ + 2H₂

გაზავებულ გოგირდმჟავაში კალა არ იხსნება, ხოლო კონცენტრირებულთან - რეაგირებს ძალიან ნელა.

კალასა და აზოტმჟავას რეაქციის პროდუქტის შემადგენლობა დამოკიდებულია მჟავას კონცენტრაციაზე. კონცენტრირებულ აზოტმჟავაში წარმოიქმნება კალას მჟავა SnO₂·nH₂O (ზოგჯერ მის ფორმულას წერენ შემდეგნაირად H₂SnO₃). ამასთან კალა ავლენს არალითონის თვისებებს:

 Sn + 4 HNO₃ (კონც.) → SnO₂·H₂O + 4NO₂ + H₂O

კალა განზავებულ აზოტმჟავასთან ურთიერთქმედებისას ავლენს ლითონის თვისებებს. რეაქციის შედეგად წარმოიქმნება მარილი კალას ნიტრატი (II):

 3 Sn + 8 HNO₃(განზ.) → 3 Sn(NO₃)₂ + 2 NO + 4 H₂O

კალას გახურებისას, ტყვიის მსგავსად, შეუძლია რეაგირება ტუტეების წყლიან ხსნარებთან. რეაქციის დროს გამოიყოფა წყალბადი და წარმოიქმნება ჰიდროქსოკომპლექსი Sn (II), მაგალითად:

Sn + 2 KOH + 2H₂O → K₂[Sn(OH)₄] + H₂

კალას ჰიდრიდი - სტანანი SnH₄ - შეიძლება მივიღოთ:

SnCl₄ + Li[AlH₄] = SnH₄ + LiCl + AlCl₃

 ეს ჰიდრიდი ძალიან არამდგრადია და ნელა იშლება უკვე 0 °C.

კასიტერიტის მინერალის კრისტალი

კალის მოპოვება 2005 წელს

კალას პასუხობს ორი ოქსიდი SnO₂ (წარმოიქმნება კალას მჟავეების გაუწყლოებისას) და SnO. ბოლო შეიძლება მივიღოთ კალას ჰიდროქსიდის (II) Sn(OH)₂ ნელი გაცხელებით ვაკუუმში:

Sn(OH)₂ → SnO + H₂O

 კალას ოქსიდის (II) ძლიერი გახურებით დისპროპორციონირდება:

2 SnO → Sn + SnO₂

 ჰაერზე შენახვისას კალას მონოქსიდი SnO თანდათან იჟანგება:

2 SnO + O₂ → 2SnO₂

კალას (IV) მარილების ხსნარების ჰიდროლიზის დროს წარმოიქმნება თეთრი ნალექი - ე.წ. ალფა-კალას მჟავა:

SnCl₄ + 4 NH₃ + 6 H₂O → H₂[Sn(OH)₆] + 4 NH₄Cl.

H₂[Sn(OH)₆] → α-SnO₂·nH₂O + 3 H₂O

ახლად მიღებული a-კალას მჟავა იხსნება მჟავებში და ტუტეებში:

α -SnO₂·nH₂O + KOH → K₂[Sn(OH)₆]

α -SnO₂· nH₂O + HNO₃ → Sn(NO₃)₄ + H₂O

შენახვისას α -კალას მჟავა „ბერდება“, კარგავს წყალს და გადადის b-კალას მჟავაში, რომელიც გამოირჩევა დიდი ქიმიური ინერტულობით.

კალას Sn (II) მარილების ხსნარებზე სულფიდების ხსნარების ზემოქმედებით გამოიყოფა კალას (II) სულფიდის ნალექი:

Sn²⁺ + S^2- → SnS

მიღებული სულფიდი შეიძლება ადვილად დაიჟანგოს SnS₂-მდე, ამონიუმის პოლისულფიდის ხსნარით:

SnS + (NH₄)₂S₂ → SnS₂ + (NH₄)₂S

წარმოქმნილი დისულფიდი SnS₂ იხსნება ამონიუმის სულფიდის (NH₄)₂S ხსნარში:

SnS₂ + (NH₄)₂S → (NH₄)₂SnS₃

ოთხვალენტიანი კალა იძლევა კალაორგანული ნაერთების ფართო კლასს, რომელიც გამოიყენება ორგანული სინთეზში.

მიღება

წარმოების პროცესში კალაშემცველ მადანს (კასიტერიტი) მიახლოებით ~ 10 მმ ზომის ნაწილაკებად აქუცმაცებენ სამრეწველო წისქვილებში. კასიტერიტი შედარებით მაღალი სიმკვრივის და მასის გამო გამოეყოფა ცარიელ ქანებს ვიბრაციულ-გრავიტაციული მეთოდით გამამდიდრებელ მაგიდებზე. დამატებით  გამდიდრება/გაწმენდისათვის ზოგჯერ იყენებენ ფლოტაციურ მეთოდს. მიღებულ კალას მადნის კონცენტრატს ადნობენ ღუმელებში. გამოდნობის პროცესში კალა აღდგება თავისუფალ მდგომარეობამდე ხის ნახშირის გამოყენებით, რომლის ფენებს აგებენ რიგრიგობით მადანთან ერთად.

გამოყენება

კალა სუფთა სახით ან სხვა ლითონებთან შენადნობში  გამოიყენება ძირითადად როგორც უსაფრთხო, არატოქსიკური, კოროზიამდგრადი დანაფარი. კალას მთავარი სამრეწველო გამოყენება ხდება - თეთრი თუნუქის წარმოებაში (მოკალული რკინა) კვების პროდუქტების ტარის დასამზადებლად, ელექტრონიკაში, სახლის მილსადენებში, მზიდების შენადნობებში და კალას დანაფარებისათვის.

კალას ყველაზე მნიშვნელოვანი შენადნობია  ბრინჯაო (სპილენძთან). ასევე ფართო გამოყენება აქვს პიუტერს (მზადდება ჭურჭლეული). ითვლება, რომ ფერად ლითონებს შორის კალა ყველაზე «ეკოლოგიურია».

გამოიყენება ზეგამტარი სადენების შესაქმნელად ინტერლითონური ნაერთების Nb₃Sn სახით.

კალასა და ცირკონიუმის ინტერლითონიდურ შენაერთებს აქვთ მაღალი დნობის ტემპერატურა (2000 °C) და ჟანგვისადმი მდგრადობა ჰაერზე გახურებისას და გამოიყენებიან მთელი რიგი მიმართულებებით.

კალა წარმოადგენს ტიტანის ლეგირების მნიშვნელოვან კომპონენტს საკონსტრუქტორო შენადნობების მიღებისას.

კალას ორჟანგი ძალიან ეფექტური აბრაზიული მასალაა, რომელიც გამოიყენება ოპტიკური მინის ზედაპირის დასამუშავებლად.

კალას მარილების ნარევები - «ყვითელი კომპოზიცია» - ადრე გამოიყენებოდა როგორც შალის საღებავი.

კალა ასევე გამოიყენება დენის ქიმიურ წყაროებში ანოდის სახით, მაგალითად: მანგანუმ-კალას ელემენტი. პერსპექტიულია კალას გამოყენება ტყვია-კალას აკუმულატორებში; ასე მაგალითად, ტოლი ძაბვისას, ტყვიის აკუმულატორებთან შედარებით ტყვია-კალას აკუმულატორის აქვს 2.5-ჯერ მეტი ტევადობა და 5-ჯერ მეტი ენერგოსიმკვრივე მოცულობის ერთეულზე, მისი შიდა წინააღმდეგობა მნიშვნელოვნად დაბალია.

ფიზიოლოგიური როლი

ლითონური კალა არატოქსიკურია, რაც იძლევა საშუალებას ის გამოყენებულ იქნას კვების მრეწველობაში. მავნე მინარევები, რომელსაც შეიცავს კალა შენახვისა და გამოყენების ჩვეულებრივ პირობებში, მათ შორის შენადნობებში 600 °С-მდე, არ გამოიყოფიან სამუშაო ზონის ჰაერში, ზღვრულ დასაშვებ ნორმაზე მეტი ვიდრე გათვალისწინებულია სტანდარტით. დიდი ხნის განმავლობაში (15-20 წელი) კალას მტვრის ზემოქმედება იწვევს ფილტვებზე ფიბროგენულ ზემოქმედებას და შეიძლება გამოიწვიოს პნევმოკონიოზით დაავადება.

მასალა მომზადებულია www.wikipedia.com -ის მიხედვით