Калај иликоситар (Sn,лат.stannum)метал јеIVA групе саатомским бројем 50. У природи се јавља у облику једињења. Калај је хемијски сличан са суседним елементима 14. групе,германијумом иоловом, и има два могућаоксидативна стања, +2 и нешто мало стабилније +4. Калај је 49. елемент по заступљености и има више од 10 стабилних изотопа, што је већи број стабилних изотопа од било којег другог елемента. Он је сребрнаст, савитљив метал, који не подлеже лакооксидацији на ваздуху. Он се углавном добија изминералакаситерита, у коме се јавља каокалај диоксид, SnO2.
Његова првалегура, која је коришћена у великим размерама још од 3000. п. н. е., јебронза. Она је легура калаја ибакра. Након 600. п. н. е. је произвођен чист калај. Легура са 85–90% калаја и примесама бакра,антимона и олова је коришћена за прављење стоног посуђа одбронзаног доба до 20. века. У данашње време калај се користи у облику многобројних легура, најпознатија од којих је мекана легура калаја/олова залемљење, која типично садржи више од 60% калаја. Још једна значајна примена калаја је у противкорозивном облагањучелика калајем. Услед његове ниске токсичности, калајисани метал се често користи за паковање хране уконзервама, које су углавном направљене од челика.
Речкалај је у словенске језике, дошла прекотурскогkalay, док се у балтичким језицима користи називalavas, уруском Олово (олово), док је његов назив у романским језицима углавном изведен из латинскогstannum односноstagnum. Угрчком језику назива се Κασσιτερος (Kassiteros), назив који се користи још одХомеровог доба, у значењуmetal из земље Каси (или Kasseterides). Из овог назива изведено је и имекоситар, како се и данас назива у хрватском језику.Арапски назив قصدير (касдир) је заправо позајмица из грчког назива.[6]
Метал калај је познат најраније из периода 3500. п. н. е. на шта указују предмети од бронзе нађени у јужномКавказу, а потичу из Куро-аракске културе. У планинском масивуТаурус у данашњој јужнојТурској постоје докази да се тамо копала руда калаја, а откривени су и антички рудник Кестел и местоКестел где се руда прерађивала, оба датирана око 3000. п. н. е. Међутим, остаје неистражено да ли се ради о највећем извору трговине и потрошње калаја у античком добу.
Проналаском начина израделегуребронзе, чији су састојци калај ибакар, значај калаја је изузетно порастао (бронзано доба). Од 2. миленијума п. н. е. калај се копао у рудницима у великим количинама широм Мале Азије, а највише дуж пута који је касније постао познат каоПут свиле. Од око 1800. п. н. е. (династија Шанг) калај је познат и удревној Кини. Међутим, калај је вероватно био познат и раније, а докази о његовом кориштењу су пронађени у многим налазиштима у Азији, уЈунану и наМалајском полуострву. И у једној египатској гробници из 18. династије (око 1500. п. н. е.) пронађени су предмети од калаја.
Римски писацПлиније Старији дао је калају називplumbum album (белоолово); док је метал олово биоplumbum nigrum (црно олово). Велика потражња за калајем, који је уалхемији био повезан заЈупитером,[7] била је један од узрока римске окупације Британије. У југозападном подручјуКорнвола пронађене су, за то време, велика налазишта руде калаја. У латинском језику, калај се зваоstannum, те се из њега данас изводи његов хемијски симболSn.
Након дугог времена, након што јегвожђе заменило бронзу (гвоздено доба), тек од средине19. века калај је због индустријске производње белог лима поново добио на значају.
Копање руде калаја у Алтенбергу 1976.Октаедарска структура кристалакаситерита из Сечуана, Кина
Примарна налазишта калаја обухватају налазишта унутар греисена, хидротермалних жила и ретких скарнова и ВХМС налазишта. Пошто је индустријски најважнији минерал калајакаситерит (познат и као калајни камен, SnO2) један врло стабилан и тежакминерал, већи део производње калаја долази из секундарних песковитих налазишта. У неким примарним налазиштима могуће је пронаћи и сулфидни минералстанит (Cu2FeSnS4) који такође има одређени значај у производњи калаја. У примарним налазиштима калаја заједно с њим могу се појавити иарсен,волфрам,бизмут,сребро,цинк,бакар илитијум.
За добијање металног калаја, руда се најпре иситни, те се обогаћује различитим поступцима (просејавањем, електричним и магнетским издвајањем). Након хемијске редукцијеугљеником, калај се загрева незнатно изнад тачке топљења, тако да се може одвојити од нечистоћа, без могућности да се и нечистоће отопе заједно с њим. Данас се већи део калаја добија рециклирањем или путемелектролизе.[8]
У континенталној Земљиној кори, калај је заступљен у количини од око 2,3 ppm.[9]
Тренутне резерве калаја у свету се процењују на 5,6 милиона тона, а годишња производња у 2011. години износила је 263.000 тона.[10] Преко 80% калаја се тренутно добија из секундарних налазишта, из песковитих наслага у рекама и обалним подручјима, нарочито су богата подручја од централне Кине, прекоТајланда јужно доИндонезије. Највећа налазишта калаја на Земљи пронађена су 1876. године у долини реке Кинта уМалезији. Тамо се и данас годишње ископа око 2 милиона тона руде.[11] Руда у наслагама из тог налазишта има удео калаја од око 5%. Након неколико фаза обраде и концентрирања до нивоа од 75%, следи процес топљења.
УНемачкој руда калаја има у подручјуРудне горе, где се руда копала од 13. века до 1990. године. Одређена истраживања показала су да се у местуГајер налазе руде калаја у количинама око 160 хиљада тона, што се по неким изворима сматра највећим, до данас неискоришћеним, рудним налазиштем калаја у свету.[12] Иако је удео калаја у тој руди релативно мали (0,27% у налазиштуБогушов-Горце, а 0,37% у налазишту Гајер), а са друге стране постоје техничке потешкоће за издвајање метала из такве руде, ипак се сматра да уколико дође до експлоатације, она ће бити економски исплатива. Осим калаја, на тим налазиштима се процењује се да би се као споредни производи могло добити и доста цинка, бакра ииндијума.[12]
Међу најважније државе произвођаче калаја спадају Кина, након које следеИндонезија иПеру. У Европи највећи произвођач јеПортугал, где се он јавља као споредни производ ВХМС налазишта у рудникуNeves Corvo.
Америчка комисија за вредносне папире (СЕЦ) је калај прогласилаконфликтним минералом[13], тако да се његова употреба и трговина од стране компанија и фирми мора пријављивати овој институцији. Разлог за то је што се он често увози изДемократске Републике Конго, где на истоку те земље побуњеници користе новац зарађен продајом руде калаја за наоружавање и финансирањеоружаних сукоба.[14]
α-калај (кубна дијамантна решетка), (сиви калај) густине 5,75 g/cm3, који је стабилан на температури испод 13,2 °C и има размак трака EG = 0,1 eV
β-калај (покидана октаедарска решетка, густине 7,31 g/cm3,бели калај) постојан до 162 °C
γ-калај (ромбоедарска решетка, густине 6,54 g/cm3) јавља се на температури изнад 162 °C или при високом притиску.
Рекристализација из β-калаја у α-калај при нижим температурама се назива икалајна куга илимузејска болест, јер се јавља на калајним предметима који се зими чувају у музејима. Брзина преласка у алфа модификацију повећава се снижењем температуре, као и непосредним додиром металног калаја са сивом модификацијом. Ломљењем, савијањем релативно меког калаја, на примјер код калајних шипки, долази до карактеристичног шкрипавог звука, такозваногкалајног вриска. Звук настаје трењем β-кристалита један о други. Међутим, звук се јавља само код чистог калаја, док већлегуре калаја са и најмањим примесама других елемената немају ову особину, на пример мање количине олова и антимона онемогућавају настанак овог звука. Бета калај има спљоштену тетраедарску структуру као просторну структуру ћелије, из којег се додатно граде два једињења.
Калај се пресвлачи слојем оксида, који га штити од спољашњих утицаја, па је он врло отпоран. Концентрисанекиселине ибазе га ипак нападају дајући гасводоник. Ипаккалај(IV) оксид је инертан попуттитанијум(IV) оксида. Неплеменити метали, попутцинка, редукују калај, те се при том елементарни калај ослобађа у виду сунђерасте супстанце или сезалепи на цинк.
При собној температури калај је отпоран на дејствоводе иваздуха, слабих киселина и база.[15] Ваљањем се извлачи у танке листиће - станиол. Због доступности, нискетемпературе топљења, лакоће ливења, добрих механичких особина, а такође и због ниске цене, калајни предмети су били веома популарни. Предмети од калаја су највише коришћени између XIV и XVI века.
Калај је метал сребрнобеле боје, мале тврдоће. Чист калај (бели калај) је растегљив, врло кован.[16] Калај се топи на ниској температури од око 232 °C, што се даље редукује до 177,3 °C код 11-nm честица.[17]
β-калај (метални, бели калај), који је стабилан на и изнад собне температуре, је кован. За разлику од њега, α-калај (неметална форма, или сиви калај), који је стабилан испод 13,2 °C, је крт. α-калај имадијамантску кубнукристалну структуру, сличнудијаманту,силицијуму илигерманијуму. α-Калај нема метална својства, зато што његови атоми формирају ковалентну структуру у којој електрони не могу да се слободно крећу. Он је тамно сиви прах који не налази широку примену, осим неколико специјализованихполупроводничких апликација.[16] Ова дваалотропа, α-калај и β-калај, су познатија каосиви калај ибели калај. Два додатна алотропа, γ и σ, постоје на температурама изнад 161 °C и притиску од неколикоGPa.[18] На ниским температурама, β-калај има тенденцију да спонтано прелази у α-калај.[19][20] Мада је температура α-β трансформације номинално 13,2 °C, нечистоће (e.g. Al, Zn, etc.) снижавају температуру прелаза далеко испод 0 °C и, додатком Sb или Bi, до трансформације може и да не дође, чиме се повећава трајност калаја.[21]
Калај индустријског квалитета са (99,8%) калаја не подлеже трансформацији због инхибиционог ефекта малих количина бизмута, антимона, олова и сребра присутних као нечистоће. Легирајући елементи као што су бакар, антимон, бизмут, кадмијум и сребро повећавају његову тврдоћу. Калај је склон лаком формирању тврде, крте интерметалне фазе, што је обично непожељно. Он генерално не формира широк опсег чврстих раствора у другим металима, и постоји мали број елемената који имају знатну чврсту растворљивост у калају. Једноставниеутектички системи, међутим, се јављају сабизмутом,галијумом,оловом,талијумом ицинком.[21]
Калај има укупно 10 природних стабилнихизотопа. Ти изотопи су:112Sn,114Sn,115Sn,116Sn,117Sn,118Sn,119Sn,120Sn,122Sn и124Sn. Изотоп120Sn има удео од 32,4% у природној изотопској смеши калаја и најчешћи је. Међу нестабилним изотопима изотоп126Sn има најдужевреме полураспада од 230.000 година.[22] Сви остали изотопи имају време полураспада од највише 129 дана, мада постојинуклеарни изомер121mSn који има време полураспада од 44 године.[22] Као трејсер унуклеарној медицини се најчешће користе изотопи113Sn,121Sn,123Sn и125Sn. Калај је једини елемент који има три стабилна изотопа са непарним масеним бројем и једини са 10 стабилних изотопа, највише међу свим познатим елементима.
Калај се користи за превлачење другихметала танким слојем, побољшавајући њихову отпорност на корозију. Овај процес се користи за осигуравањечеличних судова који се користе у прехрамбеној индустрији као што су нпр.лименке које се праве од белоглима који је у ствари калајисани гвоздени лим.[23]
Велике количине клаја употребљавају се за израду легура:бронзе (легура сабакром), метала за лемљење (легура саоловом), типографског метала (саантимоном и оловом), британија метала (са антимоном и бакром), а користи се и за израду прибора за јело и за клизне лежајеве. Легура калаја и олова има ниску температуру топљења (нпр. при 60% калаја та температура износи 180 °C) користи се у електротехничкој индустрији.
Калај се дуго времена користи за лемљења, у обликулегура саоловом у којој калаја има од 5 до 70% (по тежини). Калај формира еутектичну смешу са оловом која садржи 63% калаја и 37% олова. Таквилемови се првенствено користе за лемљење цеви или електричних склопова. Легура калаја и олова има ниску температуру топљења, нпр. при 60% калаја та температура износи око 180 °C. Откако је од 1. јула 2006. године на снагу ступила директива ЕУ о збрињавању електронског и електричног отпада, кориштење олова у оваквим легурама је значајно смањено. Замена олова има доста препрека, укључујући вишу тачку топљења и стварањедлачица од калаја што може изазвати проблеме. Калајна куга се такође може јавити у безоловним лемовима, што доводи до губитка споја између лемљених површина. Иако су пронађене бројне заменске легуре, и даље остаје проблем интегритета споја.[24]
Калај се врло добро спаја са гвожђем и користи се за превлачење олова,цинка,челика и другихметала танким слојем побољшавајући њихову отпорност на корозију. Калајисани челични контејнери су се доста користили за чување хране у прехрамбеној индустрији, што представља велики део светске потражње за металним калајем. Лименке обложене калајем за чувањехране први пут су произведене уЛондону 1812. године.[25] Говорници британског енглеског и данас такве посуде називају „калајним конзервама“ (tin cans).
Велике количине калаја употребљавају се за израду легура:бронзе (легура сабакром), типографског метала (саантимоном иоловом), британија метала (са антимоном и бакром), а користи се и за израду прибора за јело и за клизне лежајеве.
На температури нижој од 13 °C метална модификација прелази полагано у неметалну сиву, прашкасту модификацију, а при -40 °C нагло прелази у сиви прах. Због те појаве калајно посуђе постаје с временом неупотребљиво (тзв. калајна куга), зато ваља предмете чувати при температурама изнад 13,5 °C.
Пошто је корозионо отпоран и неотрован и има врло велику електрична проводност и као чврста материја и као растоп, у знатној мери се користи заелектроплатинирање (тј. за стварање танке заштитне превлаке на многим ковинама, посебногвозденимлимовима (тј.челику)) и у прехрамбеној индустрији за израдбу конзерви за храну и лименки за пиће (тзв. бели лим или амбалажна фолија). На месту оштећене превлаке гвожђе јако кородира, па је храна из тако оштећене лименке штетна по здравље. Ит тог разлога се све више примјењујуПЕТ амбалаже.
Калај је изузетно кован, а растопљен лако раствара многе метале, стварајући легуре. Стога је састојак многих легура које служе као заштитне и украсне превлаке (нпр. украси за божићна дрвца), меки лимови и лако растопне легуре (легуре за лемљење), клизни лежајеви (бели метали), водоотпорне и противпожарне фолије, легуре за израдбу посуђа, различитебронзе и других легура попутбританске ковине,Вудове легуре.
Тзв. бели лим је назив за гвоздени лим пресвучен с калајем.
Станиол (нем.Stanniol <лат.stagnolo : листић калаја, према стагно: калај <лат.stagnum: мешавина сребра и олова) је назив за танке сребрнасте лимове (фолије), тзв.станиол-фолије калаја, произведени ваљањем. Као такав се не користи због тзв.калајне куге, већ се употребљава легура калаја иолова у лемљењу (позната је под називом „лем“). Користи се у електротехници при израдикондензатора и за замотавање прехрамбених намирница (чоколаде, десертнога сира, бомбона и др.). У новије доба због олова се замјењује много јефтинијим алуминијским фолијама.
Најважнија руда је кастерит (SnO2) чијом се редукцијом добија елементарни калај.Халогени елементи се лако једине са калајем, тако са сувим хлором гради калај IV хлорид SnCl4, ковалентно једињење са тетраедарском структуром. Употребљава се при бојењу.
Једињења калаја се јављају у оксидацијским стањима +II и IV. Једињења калаја(IV) су нешто стабилнија, а пошто је калај елемент 4. главне групе периодног система, стога ефект инертног електронског пара још увек није тако снажно изражен као код тежих елемената ове групе, на пример код олова. Једињења калаја(II) се због тога могу лакше превести у једињења калаја(IV). Многа једињења калаја су неорганске природе, али постоји и једна група калајно-органских спојева (званакалај-органили)
^David R. Lide (ur.):CRC Handbook of Chemistry and Physics, 90. izd. (internet verzija: 2010), CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL,Properties of the Elements and Inorganic Compounds, pp. 4-142 – 4-147.
^Jörg Barke.Die Sprache der Chymie: am Beispiel von vier Drucken aus der Zeit zwischen 1574-1761. стр. 385., Tübingen 1991 (= Germanistische Linguistik, 111).
^Molodets, A. M.; Nabatov, S. S. (2000). „Thermodynamic Potentials, Diagram of State, and Phase Transitions of Tin on Shock Compression”.High Temperature.38 (5): 715—721.S2CID120417927.doi:10.1007/BF02755923.
^This conversion is known astin disease ortin pest. Tin pest was a particular problem in northern Europe in the 18th century asorgan pipes made of tin alloy would sometimes be affected during long cold winters. Some unverifiable sources also say that, duringNapoleon's Russian campaign of 1812, the temperatures became so cold that the tin buttons on the soldiers' uniforms disintegrated over time, contributing to the defeat of theGrande Armée.Le Coureur, Penny; Burreson, Jay (2004).Napoleon's Buttons: 17 Molecules that Changed History. New York: Penguin Group USA., a persistent legend that probably has no background in real events.Öhrström, Lars (2013).The Last Alchemist in Paris. Oxford: Oxford University Press.ISBN978-0-19-966109-1.
Holleman, Arnold F.; Wiberg, Egon; Wiberg, Nils (1985). „Tin”.Lehrbuch der Anorganischen Chemie (91–100 изд.). Walter de Gruyter. стр. 793—800.ISBN978-3-11-007511-3.
CRC contributors (2006). David R. Lide, ур.Handbook of Chemistry and Physics (87th изд.). Boca Raton, Florida: CRC Press, Taylor & Francis Group.ISBN978-0-8493-0487-3.
MacIntosh, Robert M. (1968). „Tin”. Ур.: Clifford A. Hampel.The Encyclopedia of the Chemical Elements. New York: Reinhold Book Corporation. стр. 722—732.LCCN68-29938.
_NIST_ASD_emission_spectrum.png)
