ცოდნა სინათლეა - Knowledge is light - Знание свет -  

                                    კალა

                                          

                ქიმიური ელემენტი, რომელიც აღინიშნება სიმბოლოთი Sn (ლათ. Stannum - მტკიცე, მდგრადი) და მისი ატომური ნომერია 50. იმყოფება ლითონთა მთავარი ჯგუფის მეთოთხმეტე ჯგუფში ქიმიურ ელემენტთა პერიოდულ სისტემაში. ვერცხლისფერ-თეთრი რბილი, პლასტიკური მ 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, რაც იზოტოპთა რაოდენობის მხრივ უდიდესი რიცხვია პერიოდულ სისტემაში. კალა ძირითადად მოიპოვება მინერალ კასიტერიტიდან, რომელიც შეიცავს კალას, კალის დიოქსიდის (SnO₂) სახით.

ნორმალურ პირობებში მარტივი ნივთიერება კალა — პლასტიკური, ჭედადი და ადვილად დნობადი.

იხ. ვიდეო

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 ტემპერატურაზე მაღლა მდგრადი β-კალა (თეთრი კალა) ტეტრაგონალური კრისტალური მესრით.

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 ქილების სახით (თუმცა კონსერვის ქილებს ამზადებენ ალუმინისაგანაც).

იხ. ვიდეო

წარმოების პროცესში კალაშემცველი მადანი (კასიტერიტი) განიცდის ნაწილაკებად დაქუცმაცებას რომლებიც ზომით არიან მიახლოებით ~ 10 მმ, (სამრეწველო წისქვილებში), რის შემდეგაც კასიტერიტი თავისი შედარებით მაღალი სიმკვრივის და მასის გამო გამოეყოფა ცარიელ ქანებს ვიბრაციულ-გრავიტაციული მეთოდით გამამდიდრებელ მაგიდებზე. დამატებით კი გამოიყენება მადნის გამდიდრება/გაწმენდის ფლოტაციური მეთოდი.

მიღებულ კალას მადნის კონცენტრატს შემდეგ ადნობენ ღუმელებში. გამოდნობის პროცესში ღდგება თავისუფალ მდგომარეობამდე უშუალოდ ხის ნახშირის გამოყენებით, რომლის ფენებს აგებენ რიგრიგობით მადანთან ერთად.

მარტივი ნივთიერება კალა პოლიმორფულია. ჩვეულებრივ პირობებში ის არსებობს b-მოდიფიკაციის სახით (თეთრი კალა), მდგრადია 13,2 °C-ის მაღლა. თეთრი კალა — ეს 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. დნობის ტემპერატურა 231,9 °C, დუღილის ტემპერატურა 2270 °C.

გაცივებისას, მაგალითად, ყინვისას გარეთ, თეთრი კალა გადადის a-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 a-Sn-ში თანხლებს კუთრი მოცულობის ზრდა 25,6 %-ით (სიმკვრივე a-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 განსხვავდებიან მათი ელექტროფიზიკური თვისებებიც. ასე რომ, b-Sn — ლითონია, ხოლო a-Sn მიეკუთვნება ნახევარგამტარებს. 3,72 К-ის ქვევით a-Sn გადადის ზეგამტარ მდგომარეობაში. სტანდარტული ელექტროდული პოტენციალი E °Sn2+/Sn ტოლია −0.136 ვ, ხოლო E ორთქლის °Sn4+/Sn2+ 0.151 ვ.

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 + 2Cl2 = SnCl4

კონცენტრირებულ მარილმჟავასთან კალა ნელა რეაგირებს:

Sn + 4HCl = SnCl4 + H2

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

Sn + 3HCl = 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 b-SnO2·nH2O (ზოგჯერ მის ფორმულას წერენ შემდეგნაირად H2SnO3). ამასთან კალა ავლენს არალითონის თვისებებს:

Sn + 4HNO3 конц. = b-SnO2·H2O + 4NO2 + H2O

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

3Sn + 8HNO3 разб. = 3Sn(NO3)2 + 2NO + 4H2O.

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

Sn + 2KOH +2H2O = K2[Sn(OH)4] + H2

კალას ჰიდრიდი — სტანანი SnH4 — შეიძლება მიღებულ იქნას რეაქციით:

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

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

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:

2SnO = Sn + SnO2

ჰაერზე შენახვისას კალას მონოქსიდი SnO თანდათან იჟანგება:

2SnO + O2 = 2SnO2.

კალას (IV) მარილების ხსნარების ჰიდროლიზის დროს წარმოიქმნება თეთრი ნალექი - ეგერთ წოდებული a-კალას მჟავა:

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

H2[Sn(OH)6] = a-SnO2·nH2O + 3H2O.

ახლად მიღებული a-კალას მჟავა იხსნება მჟავებში და ტუტეებში:

a-SnO2·nH2O + KOH = K2[Sn(OH)6],

a-SnO2·nH2O + HNO3 = Sn(NO3)4 + H2O.

შენახვისას a-კალას მჟავა ბერდება, კარგავს წყალს და გადადის b-კალას მჟავაში, რომელიც გამოირჩევა დიდი ქიმიური ინერტულობით. თვისებების ეს ცვლილებებს უკავშირებენ აქტიური HO-Sn დაჯგუფებების რიცხვის შემცირებას, მათი დგომისა და შეცვლაზე უფრო მეტად ინერტული -Sn-O-Sn- კავშირებით.

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

Sn²⁺ + S^2- = SnS

ეს 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 ქმნის კალაორგანული ნაერთების ფართო კლასს, რომელიც გამოიყენება ორგანული სინთეზისას, როგორც პესტიციდები და სხვა

13,2 °C ტემპერატურაზე ქვემოთ მიმდინარეობს კალას კუთრი მოცულობის ზრდა 25,6 %-ით, და ის სპონტანურად გადადის სხვა ფაზურ მდგომარეობაში — ნაცრისფერი კალა (α-Sn), კრსტალურ მესერში რომელშიც ატომები განლაგებულნი არიან ნაკლებად მჭიდროდ. ერთი მოდიფიკაცია გადადის სხვაში ისე სწრაფად როგორც უფრო ნაკლებია გარემოს ტემპერატურა. ტემპერატურისას −33 °C გარდაქმნის სიჩქარე მაქსიმალურია. კალა იმსხვრევა და გარდაიქმნება ფხვნილად. ასევე თეთრი და ნაცრისფერი კალას ურთიერთშეხებისას ხდება უკანასკნელის «დასნეულება». ამ მოვლენების ერთიანობას უწოდებენ «კალას ჭირს». ამ ფაზური გადასვლის მეცნიერული შესწავლა დაიწყეს 1870 წ. პეტერბურგელი მეცნიერის ი. ფრიცშეს მიერ. დადგენილია რომ, ეს პროცესი არის თეთრი კალას ალოტრიპული გარდაქმნა ნაცრისფერ კალად, ალმასის ტიპის სტრუქტურით.

თეთრი კალა — მოვერცხლისფრო-თეთრი, ბზინვარე ლითონია სპეციფიკური ტეტრაგონალური სტრუქტურით და ელექტრონული s²p²-მდგომარეობით — β-ფაზით. ნაცრისფერი კალა — კოვალენტური კრისტალი ალმასის სტრუქტურით და ელექტრონული sp³-მდგომარეობით — α-ფაზით. კალას ფაზურ გადასვლას თეთრიდან ნაცრისფერში და უკუ თან ახლავს ელექტრო სტრუქტურის გარდაქმნით და ძლიერი (26,6 %) მოცულობითი ეფექტი. თეთრი კალა შეიძლება გაცივებულ იქნას გელურ ტემპერატურამდე (ფაზური α-β-წონასწორობის ტემპერატურა მიახლოებით არის +13,2 °C).

ლიტერატურაში გვხვდება მითითება, იმაზე რომ კალა რომელიც სინჯარაში ხვდება, სადაც ოდესმე იყო საინფექციო ნივთიერება, «დასნებოვნდება»! ნაჩვენებია ექსპერიმენტალურად, რომ თუ რამდენიმე დღეღამით (ოთახის ტემპერატურის დროსაც) მინაზე დავდებთ InSb კრისტალს, მისი აღების შემდეგ ის ინარჩუნებს «მეხსიერებაში» მის იქ ყოფნას. ეს მინა «ასნეულებს» თეთრი კალას ნიმუშს. მაგრამ არა უცებ, არამედ რამდენიმე დღის შემდეგ. და არა 100 %-ით ალბათობით. მინის ტემპერატურის მომატებასთან ერთად მკვეთრად იზრდება «ინკუბაციის პერიოდი» და ეცემა «დასნებოვნების» ალბათობა. ფირფიტის გარეცხვა წყლით, სპირტით და სხვა წყლის მშთანთქავი ნივთიერებებით ასევე «შლიან» ამ «მეხსიერებას». არსებობს ასევე კიდევ ერთი კარგი მოვლენა, დამახასიათებელი «კალას ჭირისათვის», — ესაა თეთრი კალას "მეხსიერება" იმის შესახებ რომ, ის ოდესღაც გადადიოდა ნაცრისფერში. ი. ფრიცშემ ჯერ კიდევ 1870 წ. შენიშნა რომ, თეთრი კალა, მიღებული ნაცრისფერი კალას გახურებით, მეორეჯერ გაცივებისას ნაცრისფერ კალად უფრო ადვილად გარდაიქმნება, ვიდრე პირველად. ნიმუში თითქოსდა «იხსენებს» წინარეისტორიას, რის გამოც ეს მოვლენა, საკმაოდ ფართოდაა ცნობილი, ჩვეულებრივ მას უწოდებენ «მეხსიერებას». კოენმა «კალას ჭირის» ერთ-ერთი ნიშნად მიიჩნია კალას «გაფუჭება» «გამოჯანმრთელების» შემდეგ.

ერთ-ერთი შესაძლებლობას «კალას ჭირის» თავიდან ასაცილებლად წარმოედგენს კალას შემადგენლობაში სტაბილიზატორების დამატება, მაგალითად ბისმუტის.

საინტერესო ფაქტები:

• «კალას ჭირი» — რობერტ ფოლკონ სკოტის სამხრეთ პოლუსის ექსპედიციის დაღუპვის ერთ-ერთი მიზეზი იყო 1912 წ. ის დარჩა საწვავის გარეშე, იმიტომ რომ, ის დაიღვარა კალათი მირჩილული ავზებიდან, რომლებმაც «კალას ჭირი» განიცადეს, ასე უწოდა მას კოენმა 1911 წ.
• ზოგი ისტორიკოსი მიანიშნებს «კალას ჭირზე» როგორც ნაპოლეონის არმიის დამარცხების ერთ-ერთ გარემოებაზე რუსეთში 1812 წ. — ძლიერი ყინვებმა კალას ნივთები აქცია ფხვნილად.
• «კალას ჭირმა» გაანადგურა ბევრი ძვირადღირებული კალას ჯარისკაცების კოლექციები. მაგალითად, პეტერბურგის ალექს. სუვოროვის მუზეუმის რეზერვში არსებული ფიგურები გარდაიქმნენ ფხვნილად — ისინი ინახებოდნენ სარდაფში სადაც ზამთარში გათბობის ბატარეები დასკდა.

გამოყენება

• კალა გამოიყენება ძირითადად როგორც უსაფრთხო, არატოქსიკური, კოროზიამდგრადი საფარი სუფთა სახით ან სხვა ლითონებთან შენადნობში. კალას მთავარი სამრეწველო გამოყენება ხდება — თეთრი თუნუქის წარმოებაში (მოკალული რკინა) კვების პროდუქტების ტარის დასამზადებლად, რჩილვაში ელექტრონიკაში, სახლის მილსადენებში, მზიდების შენადნობებში და კალას საფარებისათვის. კალას ყველაზე მნიშვნელოვანი შენადნობია — ბრინჯაო (სპილენძთან). შემდეგი ცნობილი შენადნობია — პიუტერი — გამოიყენება ჭურჭლეულის დასამზადებლად. ბოლო დროს ღორძინდება ლითონის გამოყენებისადმი ინტერესი, რადგანაც ის ყველაზე «ეკოლოგიურია» ფერად ლითონებს შორის. გამოიყენება ზეგამტარი სადენების შესაქმნელად ინტერლითონური ნაერთების საფუძველზე Nb₃Sn.
• ლითონურ კალაზე ღირებულება 2006 წ. შეადგენდა საშუალოდ 12—18 დოლ/კგ, მაღალი სიწმინდის კალას ორჟანგი მიახლოებით 25 დოლ/კგ, განსაკუთრებული სიწმინდის მონოკრისტალური კალა მიახლოებით 210 დოლ/კგ.
• კალასა და ცირკონიუმის ინტერლითონიდურ შენაერთებს აქვთ მაღალი დნობის ტემპერატურა (2000 °C) და ჟანგვისადმი მდგრადობა ჰაერზე გახურებისას და გამოიყენებიან მთელი რიგი მიმართულებებით.
• კალა წარმოადგენს ლეგირების მნიშვნელოვან კომპონენტს კონსტრუქციული შენადნობების მიღებისას ტიტანთან.
• კალას ორჟანგი — ძალიან ეფექტიანი 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 აკუმულატორს აქვს 2,5-ჯერ მეტი ტევადობა და 5-ჯერ მეტი ენერგოსიმკვრივე მოცულობის ერთეულზე, მისი შიდა წინააღმდეგობა მნიშვნელოვნად დაბალია.

კალას ჯარისკაცების მასიური გამოჩენა როგორც სათამაშო განეკუთვნება XVI ს., როდესაც ნიუნბერგის მცხოვრებმა ერნსტ ჰენრიხსენმა საფუძველი ჩაუყარა სათამაშო ფიგურების დამზადებას გარკვეული მასშტაბით. კალა კი როგორც მასალა გამოიყენეს XVIII ს-ნის ბოლოს, მის შემდეგ როდესაც გაჩნდა იაფი ფაიანსის ჭურჭელი, და ბევრი ჩამომსხმელი, რომლებმაც დაკარგეს შეკვეთები სასადილო ჭურჭლეულზე, გადაერთვენ კალას ჯარისკაცების და მინიატურების წარმოებაზე.

გერმანიის იმპერიის გაჩენის შემდეგ ბაზარი აავსო პრუსიის არმიის ყველა ეპოქის ჯარისკაცების ფიგურებმა. როგორ არ გამოსახავდნენ მათ: აღლუმზე, ლაშქრობაზე, ბრძოლაში. პირველი მსოფლიო ომის დროს გამოჩნდა სხვადასხვაგვარი აქსესუარები: საარტილერიო ქვემეხები, სატვირთო მანქანები, სამხედრო ხომალდები და სხვა.

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, რაც დაკავშირებულია იმ ფაქტთან რომ, 50 (კალას ბირთვის პროტონების რიცხვი) წარმოადგენს მაგიურ რიცხვს — ის ქმნის შევსებულ მჭიდრო გარსს ბირთვში და ამით ამაღლებს კავშირის ენერგიას და ბირთვის სტაბილურობას.

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

ფიზიოლოგიური მოქმედება

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 სახ. სტანდარტით. დიდი ხნის განმავლობაში (15—20 წლის განმ.) კალას მტვრის ზემოქმედება იწვევს ფილტვებზე ფიბროგენულ ზემოქმედებას და შეიძლება გამოიწვიოს პნევმოკონიოზით დაავადება.