Smältpunkten för legeringen lödtenn

Kemisk bakgrund

Metallerna i experimentet

Bly (Pb)

Metallen bly är gråaktigt blåvit och mycket mjuk, smidbar och böjlig. Bly är inget vidare att ha som elektrisk ledare eftersom den elektriska resistansen är ganska hög. Bly är mycket motståndskraftigt mot korrosion. I fuktig luft bildas det en oxidhinna på ytan som hindrar blyet att oxideras vidare i luft. Rent bly har blåvit metallglans, men oxidhinnan medför att färgen ändras till matt blågrå. Bly har en smältpunkt vid 328°C och kokpunkt vid 1740°C.

I naturen är isotopsammansättningen för bly 204Pb (1,48%), 206Pb (23,6%), 207Pb (22,6%) och 208Pb (52,3%). En isotop är en variant av samma ämne med olika masstal men med samma atomnummer. Det innebär att isotoper av ett element har atomkärnor med samma antal protoner men antalet neutroner är olika. De tre sist uppräknade isotoperna är slutprodukter för tre naturligt förekommande sönderfallsserier: 206Pb för uranserien, 207Pb för actiniumserien och 208Pb för toriumserien. Sönderfallserier uppstår genom att den radioaktiva isotop som sönderfaller bildar en isotop (av ett annat grundämne) som också är radioaktiv. Den sönderfaller i sin tur. Detta forstätter ända till dess det bildats en icke-radioaktiv, stabil isotop. Den ursprungliga nukliden kallas modernuklid, och de nuklider som bildas kallas dotternuklider eller sönderfallsprodukter. Ordet nuklid syftar på atomkärnan. Anledningen att man talar om nuklider är att radioaktivt sönderfall inte är kemiska reaktioner utan kärnreaktioner.

Romarna använde blyrör som avloppsrör från baden, och det används fortvarande. Bly används till kärl för att förvara korroderande vätskor såsom svavelsyra. Stora mängder bly används i elektriska ackumulatorer. Mycket metall åtgår också till kabelskydd, skydd mot radioaktiv strålning och till blymantlad ammunition. Metallen är också effektiv som ljudabsorbator och som vibrationsdämpare. På grund av sitt skydd mot röntgen- och gammastrålning används det i förkläden för röntgenläkare och sköterskor. Eftersom blyets biologiska skadeverkningar idag är väl kända har användningen av blyföreningar i färger, bensin och till insektsbekämpning på senare tid minskat drastiskt. Föreningen blyoxid används till finare glas t.ex. kristallglas och flintglas.

Tenn (Sn)

Tenn är en s.k. mjukmetall. Vitmetall är tenn med tillsats av olika legeringsämnen. Man började utvinna tenn ur malmer vid ca 4000 f Kr. Kassiterit (tennsten) är den enda tennmineral som har betydelse som malm. Den kemiska beteckningen för tennsten är SnO2 (tenndioxid). De viktigaste tennfyndigheterna ligger i sydöstra Asien, Katanga och i Bolivia. Sverige saknar egentliga tennförekomster. Vid anrikning av tenn avlägsnar man mineraler som arsenik och svavel. I en schakt- eller flamung där man tillsätter kol får man ut råtenn:

 SnO2  + 2 C  →   Sn  + 2 CO

Tenn kan inte angripas av luft och vatten vid vanlig temperatur. Ett tunt oxidsikt bildas på ytan. Tenn har en smältpunkt vid 232°C och kokpunkt vid 2623°C.

Det mesta tennet används för korrosionsskydd av metaller. Det sker genom att man lägger på ett överdrag av tenn. Mest förtennas järnplåt i konservburksindustrin. Överdraget anbringas på elektrolytisk väg, vilket sparar tenn i förhållande till den tidigare så vanliga doppförtenningen. Tenn ett av de material man använder för att ersätta det giftiga blyet.

Tenn förekommer i två former, grått alfa-tenn (α-tenn) som har kubisk kristallstruktur och glänsande silvervitt beta-tenn (β-tenn) som har tetragonal kristallstruktur. Omvandling mellan dessa två former sker vid 13,2°C. Beta-tenn är stabilt över denna temperatur. Vid böjning av alfa-tennet hörs ett gnisslande ljud, "tennskriket", som beror på kristallernas gniding mot varandra. Alfa-tennstrukturen, som är stabil under 13,2°C, är mindre kompakt än beta-tennets. Vid omvandlingstemperaturen är densiteten för alfa-tenn 5,75 g/cm3 och för beta-tenn 7,31 g/cm3. Tennföremål som förvaras under 13,2°C deformeras när strukturen ändras från beta-tenn till alfa-tenn. Detta kallas för "tennpest". Förvara alltså inte dina värdefulla tennförremål på en kall vind eller i ett kallt uthus.

Legeringar

Olika metaller som smälts samman till ett homogent material kallas för legering. Egenskaperna hos en legering skiljer sig ifrån metallernas som ingår i den. Smältpunkten blir lägre, den elektriska ledningsförmågan blir sämre medan hårdheten ökar och man får bättre korrosionmotstånd. I konstruktionssammanhang används så gott som alltid metaller i form av legeringar.

Lödtennets faser

Lödtenn är en legering mellan bly och tenn.

Bly har smältpunkten 327,43°C och tenn smältpunkten 231,9°C. Metallerna är ömsesidigt lösliga i varandra. Vid tillräckligt hög temperatur smälter såväl blyet som tennet. Tillsätts mer av det ena ämnet så löses det i det andra intill en viss gräns, då lösningen har blivit mättad. En speciell blandning, då bägge ämnena innehåller en mättad lösning av den andra, kallas den eutektiska blandningen, eutektikum (ordet kommer ifrån grekiskan och betyder lättsmält). Den eutektiska blandningen av tenn och bly innehåller 61,9% tenn och 38,1% bly med en väldefinierad smältpunkt på 183°C. Legeringarna mellan bly och tenn som inte utgör en eutektisk blandning har inte en definierad smältpunkt, utan smältningen sker inom ett temperaturintervall. Inom detta temperaturintervall har lödtennet en grötig konsistens beroende på att smält material och fasta kristaller förekommer i en blandning.

Legeringen lödtenn har en sammansättning som oftast ligger nära eutektikum, men inte exakt. Vanligast är lödtenn Sn60Pb40 med sammansättningen 60% tenn + 40% bly. Det har en undre smältgräns vid 183°C och först vid temperaturen 191°C är det helt flytande. Den övre smältgränsen varierar med sammansättningen av lödtennet. Högre inblandning av tenn gör att det krävs högre temperatur för att lödtennet ska bli helt flytande. En blandning med 50% tenn + 50% bly har sin smältpunkt vid 183°C, men bli helt flytande först vid 220°C. Lödtenn används för att löda ihop olika elektriska komponenter.

Tenn (%) Bly (%) Övre smält-
temperatur (°C)
100 0 234
90 10 220
80 20 207
75 25 200
70 30 193
63 37 183
60 40 189
50 50 212
40 60 234
30 70 258
25 75 269
20 80 281
15 85 292
10 90 304
5 95 315
0 100 327

Jämför tabellen med fasdiagrammet nedan.

Lödtennets fasdiagram i jämförelse med en glykollösning

När vi diskuterar smältpunkter, så kan vi lika gärna tala om fryspunkter, för värdet är detsamma. Vatten både fryser smälter vid 0°C. I själva verket utgör smältpunkten/fryspunkten ett jämviktsläge mellan fast och flytande form.

Låt oss titta på det konkreta värdet för smältpunkten. Rent vatten har fryspunkten 0°C och ren etylenglykol har fryspunkten -13°C. Man skulle tro att en blandning av vatten och etylenglykol skulle ha en fryspunkt mellan 0°C, och -13°C, men i själva verket blir fryspunkten lägre än både 0°C, och -13°C. I diagrammet nedan så ser du fryspunkten för alla olika bladningsförhållanden mellan etylenglykol och vatten.

En blandning av glykol och vatten har lägre fryspunkt (= smältpunkt) än de rena ämnena.
Bild: © Svante Åberg

Det är ett generellt fenomen att när man löser ett ämne i ett annat, så sjunker fryspunkten. Vad som löses i vad är en smakfråga, men fryspunktssänkningen inträffar hur du än gör. Lödtennet är också en lösning, nämligen av bly i tenn (eller tenn i bly om man föredrar det). I fasdiagrammet över lödtennet så gäller också att blandningen har lägre smältpunkt än det rena ämnet.

Fördjupning

Aggregationsform

Faserna och fasövergångarna

Allt som finns runtomkring oss är antingen fast, flytande (vätska) eller i gasform. Dessa former kallas aggregationsformer (aggregation = hopklumpning) eller faser. Atomerna (eller molekylerna) i de olika faserna har olika stort energiinnehåll, olika stor rörelse, och har därför olika volym.

Fast form vid låg temperatur

Vid den absoluta nollpunkten, -273°C = 0 K, finns ingen atomrörelse (K är Kelvin, enheten för absolut temperatur). Alla ämnen är fasta och atomerna ligger regelbundet ordnade så tätt som möjligt. Om temperaturen höjs börjar atomerna vibrera kring sina jämviktslägen. Det fasta ämnet behåller sin form och inom måttliga temperaturintervall och volymen är nästan konstant. Massan är densamma.

Den lilla utvidgning som sker vid värme kan räcka för att lossa en mutter genom att värma på den. Förr var man tvungen att lägga järnvägsräls med mellanrum i skarvarna, för att undvika att rälsen böjde sig under varma dagar, s.k. solkurva. Nutidens järnvägsräls läggs av en formbeständigare metallblandning.

Övergår till vätska (blir flytande) när temperaturen når smältpunkten

När temperaturen stiger ytterligare rubbas atomerna ur sina jämviktslägen. De börjar glida i förhållande till varandra och har blivit en vätska. Fasövergången sker vid smältpunkten. Så länge det finns fast material ligger temperaturen kvar på smältpunkten och stiger inte, även om man tillför värme. Det beror på att all energi går åt till fasövergången. Vätskor ändrar form efter de kärl de förvaras i och har i allmänhet något större volym än samma ämne i fast form (Känt undantag är is, som har större volym än samma mängd vatten pga lucker kristallstruktur hos isen). Mellan molekylerna i vätskan finns sammanhållande krafter. Massan är densamma i vätskan som i den fasta fasen.

Övergår till gas när temperaturen når kokpunkten
En gas fyller upp hela det kärl som den förvaras i.
Bild: © Svante Åberg

Om temperaturen i vätskan höjs, ökar molekylernas rörelseenergi och till slut får några så stor energi att de lämnar den flytande fasen. Övergången från vätska till gas sker när temperaturen nått kokpunkten. Det har bildats en gas. Gasen har ingen bestämd form. Den anpassar sig efter det utrymme den finns i, eftersom molekylerna är helt fria från varandra och färdas rakt fram ända till dess de stöter på någonting, som kan vara kärlets väggar. De krockar också med varandra och byter riktning men dessemellan färdas de "långa" sträckor i absolut tomrum. Gasen har mycket större volym än samma mängd ämne i flytande form och molekylerna i en gas är så långt ifrån varann att de inte påverkar varann. Därför blandas olika gaser lätt. Volymen hos en gas är beroende av temperaturen. Med högre temperatur ökar molekylernas rörelsehastighet, krockarna mellan molekylerna och väggarna blir hårdare. Kollisionerna med väggarna är det vi kallar tryck. Kan väggen utvidgas ökar volymen, i annat fall ökar trycket. Massan är densamma.


Fasövergångarna har bestämda namn. När temperaturen öker sker smältning och förångning (kokning). När temperaturen minsakar sker de motsatta processerna som kallas kondensation och stelning. Observera att smältpunkten och stelningspunkten är exakt samma temperatur. På motsvarande sätt är kokpunkten och kondensationspunkten (för den rena gasen) samma temperatur.


Sublimering


Fasdiagram för koldioxid.
Ben Finney Mark Jacobs: CC0

Fasta ämnen kan övergå direkt till gas utan att först bli vätska. Förutsättningen är att temperatur och tryck befinner sig under ämnets trippelpunkt i ett fasdiagram. Man säger att ämnet sublimerar. Det är en endoterm process, dvs. en process som kräver energitillförsel. Oftast tas energin i form av värme från om givningen, vilket innebär att temperaturen sjunker.

Den motsatta processen när gas övergår direkt till fast form utan att först bilda en vätska kallas desublimering eller deposition. Den processen är exoterm, dvs. avger energi, vanligen i form av värme. Även denna process kan bara ske när tryck och temperatur ligger under ämnets trippelpunkt.

Superkritisk vätska

Över en viss temperatur och visst tryck går det inte längre att urskilja någon fasgräns mellan vätska och gas. Densiteten är hög, praktiskt taget som hos en vätska. Den höga temperaturen får molekylerna att fritt röra sig mellan faserna så att fasgränsen upplöses.

Den superkritiska vätskan har egenskaper utöver det vanliga. Den har förmåga att diffundera genom många fasta material på samma sätt som en gas gör. Samtidigt har den förmåga att lösa ämnen på samma sätt som en vätska gör. Förmågan att fungera som lösningsmedel gör att den i vissa tillämpningar kan ersätta organiska lösningsmedel, till exempel i extraktioner.

Koldioxid är ett ämne som ofta används i tillämpningar med superkritiska vätskor.

Plasma är en fjärde aggregationsform

De tre vanliga aggregationsformerna fast, flytande och gas bestäms av bindningarna mellan atomerna eller molekylerna. Ju varmare det är, desto lösare är atomer och molekyler kopplade till varandra.

Men vid tillräckligt hög temperatur sker någon helt annorlunda, nämligen att elektroner i atomerna slits loss och man får en blandning av positiva atomjoner och fria elektroner. Det är en typ av gasblandning som är elektriskt ledande.

Solen innehåller plasma

Sådan plasma finns i solens atmosfär. Eftersom den är elektriskt ledande, så fångar plasman också upp de starka magnetfälten från solens inre. Vid soleruptioner slungas plasma ut i världsrymden och man kan se hur magnetlinjerna i plasman håller samman plasman i böljande stråk. Dessa utkastningar av laddade partiklar strålar sedan vidare ut från solen och når så småningom jorden. Eftersom rymden är så tom har elektronerna och atomjonerna svårt att hitta varandra igen och återförenas till normala atomer. Därför är partikelstrålningen från solen elektriskt laddad. När partiklarna kommer in i jordens magnetfält tunnlas de ned via magnetfälten vid nord- och sydpolen. När de laddade partiklarna kommer ned till jordatmosfären sker kollisioner med luftens atomer och molekyler. De energier som då utvecklas ger det norr- och sydsken som man kan se mörka, klara vinternätter.

Andra exempel på plasma

I blixtar blir också temperaturen tillräckligt hög för att luftens atomer ska bilda plasma. Det gör att elektriska urladdningar kan ske via blixtens väg mellan molnen och jorden.

En eldslåga innehåller plasma. Faktiskt avger en stearinljuslåga joner till den omgivande luften. Dessa joner kan urladda statisk elektricitet. Om du har en dammvippa av syntetiska fibrer och du har laddat upp den med statisk elektricitet, så kan du observera vad som händer om du närmar den ett brinnande ljus. Redan på håll, så urladdas den statiska elektriciteten. Det beror på att jonerna accelereras till vippan av det elektriska fältet kring den statiskt uppladdade vippan. Detta experiment fungerar bara om luften är tillräckligt torr, annars kan man inte ladda upp vippan. Därför fungerar experimentet bäst vintertid då inomhusluften är torrare.

Konstgjord plasma finns också i lysrör och i plasmaskärmar för datorer.

Fasövergångar och bindningar

Det är lätt att konstatera att smält- och kokpunkter för ämnen kan variera mycket. Vissa ämnen är svåra att tänka sig på annat än ett sätt till vardags. Sten, koksalt och stål är fasta, bensin och alkohol är flytande och luft och gasol är gaser. Många vet också att i extrema fall, t ex i vulkaner, flyter mineralerna (stenen) och att när man svetsar flyter stålet. Det enda ämne man i vardagen möter i alla tre aggregationsformerna är vatten.

Starka bindningar ger höga smält- och kokpunkter

Mineraler och metaller är alltså exempel på ämnen med hög smältpunkt. Att det är så beror på styrkan hos de bindningar som håller ihop ämnena. Alla salter är uppbyggda av joner.

Attraktionskraften mellan positiva och negativa joner, jonbindning, är stark och salter har därför hög smältpunkt.

Mellan de enskilda atomerna i en metall finns metallbindning. Metallbindningen utgörs av de ingående atomernas valenselektroner som bildar ett gemensamt elektronmoln för hela "metallbiten". För att bryta den bindningen krävs mycket energi, vilket ger hög smältpunkt. Ett känt undantag är kvicksilver, en metall som är vätska vid rumstemperatur och alltså har svagare metallbindning.

Även kovalent bindning när atomer delar elektroner kan vara mycket stark. Faktum är att diamant och grafit, kolatomer sammanhållna av kovalenta bindningar har högre smältpunkt än alla metaller.

Svaga bindningar ger låga smält- och kokpunkter

Ämnen uppbyggda av molekyler (eller atomer som i ädelgaserna) har starka kovalenta bindningar mellan atomerna inom molekylerna men svagare bindningar mellan molekylerna. Det gör att smält- och kokpunkten blir relativt låg.

Den svagaste bindningen finns mellan molekyler och atomer är van der Waalsbindning. Den uppkommer pga mycket tillfälligt ojämnt fördelade elektronmoln hos opolära molekyler (atomer). Bindningarna finns både i fast fas och vätskefas. Eftersom bindningen är så svag blir smältpunkten låg, i många fall nedåt eller under -200°C. Den svaga bindningen gör också att skillnaden mellan smält- och kokpunkt blir liten.

Mellan ämnen som är dipoler förekommer dipol-dipolbindning där den positiva polen hos en molekyl attraherar den negativa hos nästa. Smält- och kokpunkten blir låg men högre än med enbart van der Waalsbindning.

För vissa ämnen som är dipoler är smält- och kokpunkten oväntat hög och avståndet mellan smält- och kokpunkten relativt stort. Vatten är ett bra exempel på detta. Det måste bero på starkare bindning än enbart mellan dipoler. De ämnen som har de egenskaperna innehåller alla väte. Vätet är bundet till en fluor-, syre- eller kväveatom, som drar till sig elektronparet i bindningen. Vätet blir positivt och kan attraheras av icke-bindande elektronpar på t ex en syreatom på en intilliggande molekyl. Det bildas en vätebindning. Den är starkare än van der Waalsbindningen och dipol-dipolbindningen. Vätebindningar har stor betydelse för att stabilisera strukturen i bl a proteiner och DNA.