Förtenning

Kemisk bakgrund

Tenn

Förekomst och historia

Enligt studier är den genomsnittliga halten av tenn i jordskorpan låg. På några ställen har emellertid en koncentration skett till brytvärda fyndigheter. Det enda tennmineral, som har verklig betydelse som malm, är kassiterit (tennsten) SnO2. De viktigaste tennfyndigheterna ligger i sydöstra Asien (Indonesien med öarna Banka och Billiton, Malackahalvön, Tailand), Bolivia samt Katanga. Sverige saknar egentliga tennförekomster.

Tenn användes mycket tidigt både som rent tenn och legerat med koppar till brons. Under antiken utvanns det i Cornwall men dessa fyndigheter saknar numera betydelse. Dess latinska namn är stannum, därav den kemiska beteckningen Sn.

Egenskaper

Tenn
Kemiskt tecken:   Sn
Atomnummer:   50
Atommassa:   118,69 u
Densitet (vitt, β-tenn):   7,31 g/cm3
Densitet (grått, α-tenn):   5,75 g/cm3
Smältpunkt:   232°C
Kokpunkt:   2623°C

Tenn är ett silvervitt metalliskt grundämne. Det kan valsas ut till, s.k. stanniol (efter latinets stannum = tenn) . Tenn ingår i många typer av legeringar, t.ex. brons.

Metalliskt tenn kan vid temperatur under 13°C ombildas till pulverformigt tenn, så kallad tennpest. Tennpesten kan hindras genom att tenn legeras med några tiondels procent antimon, bly eller vismut. Undvik därför att välja förtenning för detaljer som ska användas eller förvaras under denna temperatur.

Tenn har alltså en omvandlingspunkt vid 13°C. Stabilt under denna temperatur är α-tenn med kubisk diamantstuktur, som vanligen bildar ett grått pulver (grått tenn). Alfa-tenn är egenhalvledare. Stabilt över 13°C är β- tenn, en smidig, glänsande silvervit metall (vitt tenn) med tetragonal struktur. Vid böjning av en stav av vitt tenn hörs ett gnisslande ljud (tennet skriker), som beror på kristalliternas gnidning mot varandra. α-tennstrukturen är mindre kompakt än β-tennstrukturen. I närheten av omvandlingspunkten är densiteten för α-tenn 5,75 och för β-tenn 7,31 g /cm3.

Vid vanlig temperatur angrips tenn knappast av luft eller vatten. Ett tunt oxidskikt bildas dock på ytan, och vid upphettning i luft tillväxer detta i tjocklek. Vid hög temperatur kan förbränning ske till SnO2 (tenndioxid). Vid upphettning kokar tenn vid cirka 2600 °C. Tenn angrips långsamt av utspädda syror under bildning av tenn(II)salter och vätgas. Högre syrastyrka och uppvärmning gynnar angreppet men med oxiderande syror fås andra reaktioner. Koncentrerad salpetersyra bildar finkornig, vit SnO2 med absorberat vatten i växlande mängd. Varm koncentrerad svavelsyra angriper trögare under reduktion till svaveldioxid. Vid kokning med alkalihydroxidlösning fås hexahydroxostannat(ΙV)joner:

Sn(s) + 2OH + 4H2O → Sn(OH)62− + 2H2(g)

Tenn ingår i många legeringar, varav här endast nämns de i vilka tenn är huvudbeståndsdel (de övriga, t. ex. brons, nämns under huvudmetallen). Tennlagermetaller (vitmetall , babbitt ) innehåller förutom tenn 7-20% antimon och några procent koppar. På senare tid har man i stor utsträckning bytt ut tenn mot bly (blylagermetall).

Till hushålls- och prydnadsföremål av tenn används förr tenn-blylegeringar (hit hör även engelsk ”pewter”). Högre glans och ogiftighet får man genom legering av tenn med 4-8% antimon och ca 2% koppar (britanniametall). Tenn för tuber och folie (stanniol) har numera nästan helt ersatts med aluminium. Planglas tillverkas nu alltmer genom att glassmälta hälls ut på en stor yta av smält tenn.

Legeringen tennbrons

Kopparbaserade legeringar med mindre än 98 vikts-% koppar kallas brons. Tennbrons kan innehålla 5-30, numera dock sällan över 10 vikts-% tenn. Dess stora betydelse i gamla tider berodde på att den var ganska hård och samtidigt lätt att smälta och gjuta.

Tennframställning och användning

Efter anrikning och eventuell rostning för att avlägsna svavel och arsenik, fåss tenn ur kassiterit genom reduktion med kol i schakt- eller flamugn:

SnO2 + 2C → Sn + 2CO(g)

Det mesta tennet används för korrosionsskydd på metaller. Skyddet sker genom förtenning, så att underliggande täcks av tennskiktet på ytan. Vanligast är att förtenna järnplåt som används i konservburksindustrin. Den förtennade järnplåten benämns vitplåt. Tennet är ganska sällsynt och därför dyrt. Överdraget av tenn görs numera vanligen på elektrolytisk väg. Elektrolytisk förtenning ger bättre möjlighet att kontrollera det utfällda tennskiktets tjocklek än vid varmförtenning (doppförtenning). Tennskiktet blir då tunnare och man sparar på det dyra tennet. För användes uteslutande doppförtenning, så som i detta experiment, men tennskiktet blev då mycket tjockare. Förtenning av konservburksplåt blir allt ovanligare. I stället lackar man plåten för att skydda järnet mot korrosion.

Tenn används också till lödning, vanligen som blylegeringar (lödtenn, mjuklod). Dessa legeringar är lättsmälta, men ganska mjuka. Eftersom bly är giftigt kan man inte använda blylegeringar m,ed tenn för att löda samman konservburkar. Både vid förtenning och lödning måste metallytan vara alldeles ren och fri från oxider, annars fäster inte tennet.

Tenn kan användas vid tillverkning av fönsterglas enligt Pilkintonprocessen. Då får smält glas flyta ut på smält tenn för att ge en plan yta. En annan tillämpning är att spraya tennsalter på glas för att få en elektriskt ledande hinna. Detta kan utnyttjas för uppvärmning av glasrutor så att de avfrostas, t.ex. i bakrutor på bilar.

Förtenning

Som sagt sker den mesta förtenningen på stål. Stål med kolhalter över 2% är dock svåra att förtenna. Förtenningen kan ske genom varmdoppning eller på elektrolytisk väg. Var sig man använder den ena elle andra metoden kan man efter förtenningen glanssmälta ytan. Ytan blir då spegelblank, den blir tätare och man undviker s.k "whiskers".

Varmdoppning

Varmdoppning innebär att föremålet doppas i en smälta av beläggningsmetallen. I gränszonen mellan tennet och basmetallen bildas ett tunt skikt där metallerna löser sig och bildar legering. Doppförtenning är möjlig tack vare tennets förmåga att väta rena metallytor.

Stål med högre kolhalt än 2 % är svårt att förtenna vare sig elektrolytisk eller genom varm förtenning.

Metallbeläggning med zink, aluminium, aluminium-zinklegering och bly utförs också genom varmdoppning. Den stora användningen av tenn inom livsmedelsindustrin hänför sig till att tenn anses oskadligt för människor och djur.

Elektrolytisk beläggning

Elektrolytisk förtenning ger ett tunnare tennskikt som också är lättare ett kontrollera. Den går till så att föremålet som ska förtennas sänks ned i ett bad med tennsalter. Föremålet kopplas till den negativa polen hos en spänningskälla och blir därför katod, dvs. den plats där tennjoner reduceras till tenn. Det reducerade tennet faller ut på föremålets yta.

Fluss

Före förtenning löses oxiderna genom syrabehandling, betning, ofta med utspädd svavel- eller saltsyra. Under själva processen fordras för avlägsnade av kvarvarande oxider och undvikande av ny oxidation närvaro av fluss- eller lödmedel. Flussmedlet ska skydda metallytan genom att flyta ut på denna men samtidigt kunna skjutas undan av lödtennet. Dessutom skall det kunna lösa oxiderna. Flussmedel används också vid lödning. I lödtråd, som används vid lödning av elektronikkomponenter, är flussmedlet inbakat i tråden. Vid förtenning eller lödning med tenn eller tennlegeringar (mjuklödning) används bl.a. NH4Cl (ammoniumklorid, salmiak) men oftare ”lödvatten”, en vattenlösning av ZnCl2 och NH4Cl som flussmedel.

Fördjupning