Stagno (elemento chimico)

Lo stagno è un elemento chimico nella tavola periodica che ha numero atomico 50 e simbolo Sn, derivante da stannum, il nome latino dell'elemento. È il quarto elemento del gruppo 14 del sistema periodico, collocato tra germanio e piombo. Questo metallo di post-transizione argenteo e malleabile, che non si ossida facilmente all'aria e resiste alla corrosione, si usa in molte leghe e per ricoprire altri metalli più vulnerabili alla corrosione. Lo stagno si ottiene soprattutto dalla cassiterite, un minerale in cui è presente come biossido (SnO₂), e dalla stannite.

Stagno
50 Sn                                                                                                                                                                                                                                               indio ← stagno → antimonio
Aspetto
Aspetto dell'elemento grigio argenteo, lucido
Linea spettrale Linea spettrale dell'elemento
Generalità
Nome, simbolo, numero atomico	stagno, Sn, 50
Serie	metalli del blocco p
Gruppo, periodo, blocco	14 (IVA), 5, p
Densità	7 310 kg/m³
Durezza	1,5
Configurazione elettronica	Configurazione elettronica
Termine spettroscopico	3P0
Proprietà atomiche
Peso atomico	118,710 u
Raggio atomico (calc.)	145(145) pm
Raggio covalente	141 pm
Raggio di van der Waals	217 pm
Configurazione elettronica	[Kr]4d10 5s2 5p2
e− per livello energetico	2, 8, 18, 18, 4
Stati di ossidazione	±4,2 (anfotero)
Struttura cristallina	tetragonale
Proprietà fisiche
Stato della materia	solido
Punto di fusione	505,08 K (231,93 °C)
Punto di ebollizione	2 875 K (2 602 °C)
Volume molare	16,29×10−6 m³/mol
Entalpia di vaporizzazione	295,8 kJ/mol
Calore di fusione	7,029 kJ/mol
Tensione di vapore	5,78×10−21 Pa a 505 K
Velocità del suono	2500 m/s a 293,15 K
Altre proprietà
Numero CAS	7440-31-5
Elettronegatività	1,96 (Scala di Pauling)
Calore specifico	228 J/(kg·K)
Conducibilità elettrica	9,17×106 /(m·Ω)
Conducibilità termica	66,6 W/(m·K)
Energia di prima ionizzazione	708,6 kJ/mol
Energia di seconda ionizzazione	1 411,8 kJ/mol
Energia di terza ionizzazione	2 943,0 kJ/mol
Energia di quarta ionizzazione	3 930,3 kJ/mol
Energia di quinta ionizzazione	7 456 kJ/mol
Isotopi più stabili
iso NA TD DM DE DP 112Sn 0,97% Sn è stabile con 62 neutroni 114Sn 0,66% Sn è stabile con 64 neutroni 115Sn 0,34% Sn è stabile con 65 neutroni 116Sn 14,54% Sn è stabile con 66 neutroni 117Sn 7,68% Sn è stabile con 67 neutroni 118Sn 24,22% Sn è stabile con 68 neutroni 119Sn 8,59% Sn è stabile con 69 neutroni 120Sn 32,58% Sn è stabile con 70 neutroni 121mSn sintetico 55 anni IT β− 0,006 0,394 121Sb 122Sn 4,63% Sn è stabile con 72 neutroni 124Sn 5,79% >1×1017 anni β−β− 2,2870 124Te 126Sn sintetico 1×105 anni β− 0,380 126Sb
iso: isotopo NA: abbondanza in natura TD: tempo di dimezzamento DM: modalità di decadimento DE: energia di decadimento in MeV DP: prodotto del decadimento

Caratteristiche

Lo stagno è un metallo molto malleabile e molto duttile bianco argenteo, con una struttura cristallina particolare che provoca uno stridio caratteristico quando una barra di stagno viene piegata (il rumore è causato dalla rottura dei cristalli): se riscaldato, perde la sua duttilità e diventa fragile. Questo metallo resiste alla corrosione da acqua marina, da acqua distillata e da acqua potabile, ma può essere attaccato da acidi forti, da alcali e da sali acidi. Lo stagno agisce da catalizzatore in presenza di ossigeno disciolto nell'acqua e accelera l'attacco chimico.

Forme allotropiche

Lo stagno solido a temperature normali ha due forme allotropiche. Sotto i 13,2 °C è stabile la forma allotropica alfa, detta stagno grigio, che ha una struttura cristallina cubica analoga a quella del silicio e del germanio. Sopra la temperatura limite di 13,2 °C invece è stabile la seconda forma allotropica, stagno beta, detto anche stagno bianco con una struttura cristallina tetragonale.

Stagno alfa: densità 5,769 g/cm³; numero di coordinazione 4

Stagno beta: densità 7,265 g/cm³; numero di coordinazione 6

Se raffreddato da solido, lo stagno bianco si riconverte lentamente nella forma allotropica alfa. Questo fenomeno, noto come peste dello stagno, viene sfavorito da impurità di alluminio e zinco presenti nel metallo che ne abbassano la transizione a 0 gradi. Per impedire del tutto questa trasformazione vengono aggiunte allo stagno puro piccole quantità di antimonio e bismuto.

Mentre lo stagno bianco è un metallo, lo stagno grigio, come il silicio e il germanio, è un materiale semiconduttore intrinseco, ma con un band gap nullo.

Applicazioni

Lo stagno si lega facilmente col ferro ed è stato usato in passato per rivestire piombo, zinco e acciaio per impedirne la corrosione. I contenitori, lattine e scatolette, in banda stagnata (lamierino di acciaio stagnato) sono tuttora largamente usati per conservare i cibi, un uso che copre gran parte del mercato mondiale dello stagno metallico. Oltre alla forma metallica trovano largo impiego industriale diversi dei numerosi composti, organici ed inorganici, dello stagno IV.

Altri usi:

• Alcune importanti leghe dello stagno sono: il bronzo nelle sue varie formulazioni (come la lega campanaria, il bronzo fosforoso e il bronzo statuario), il metallo di Babbitt, leghe die casting, il peltro, la lega da saldatore, il princisbecco e il White metal.
• Il sale di stagno più importante è il cloruro di stagno che si usa come agente riducente e come mordente nella stampa calico. Quando dei sali di stagno vengono spruzzati sul vetro, si forma un rivestimento elettricamente conduttivo: questo fenomeno viene sfruttato nella fabbricazione di pannelli luminosi e per frangivento antighiaccio.
• Il vetro delle finestre è molto spesso fabbricato raffreddando il vetro fuso facendolo galleggiare sopra una massa di stagno fuso, per ottenere una superficie piatta (è il famoso processo Pilkington).
• Lo stagno si usa anche nelle saldature per unire tubi di rame e di piombo ed entra nella composizione delle più diffuse leghe per saldatura utilizzate per componenti e circuiti elettronici, in leghe per bronzine, nella fabbricazione del vetro e in una vasta gamma di processi chimici.
• Fogli di stagno (carta stagnola) erano un imballaggio per cibo e medicinali. Ormai sono stati soppiantati da sottilissimi fogli di alluminio laminato.
• Composti organici dello stagno si usano nelle vernici antivegetative con cui è dipinta l'opera viva delle navi per impedire il proliferare di alghe, crostacei e molluschi su di essa (per esempio il Tributil Stagno Ossido – TBTO).

Lo stagno diventa superconduttore sotto 3,72 K: è stato uno dei primi superconduttori scoperti (il primo è mercurio allo stato solido) e l'effetto Meissner, una delle caratteristiche dello stato di superconduttività, è stato osservato per la prima volta in cristalli superconduttori di stagno. La lega niobio-stagno Nb₃Sn è usata commercialmente per fabbricare cavi per magneti superconduttori grazie all'alta temperatura critica (18 K) e l'alto valore critico di campo magnetico (25 T). Un magnete superconduttore di un paio di chilogrammi di massa può generare lo stesso campo di un magnete convenzionale pesante molte tonnellate.

Storia

Lo stagno (dal latino stannum) è stato uno dei primi metalli ad essere scoperto, e fin dall'antichità venne intensivamente usato per il suo effetto come legante del rame, di cui aumenta di molto la durezza e le doti meccaniche formando la lega nota come bronzo, in uso fino dal 3500 a.C. L'attività di estrazione mineraria dello stagno iniziò presumibilmente in Cornovaglia e a Dartmoor in età classica: grazie ad esso queste regioni svilupparono un fitto commercio con le aree civilizzate del Mar Mediterraneo. Lo stagno puro non venne usato in metallurgia fino al 600 a.C.

Le attività estrattive ebbero un'impennata verso la metà del XIX secolo dopo la scoperta delle proprietà del metallo nella conservazione dei cibi e la sua conseguente diffusione. Nel 1900 la Malaysia produceva la metà di tutto lo stagno a livello mondiale; le estrazioni erano aumentate dopo che nel 1853 l'Inghilterra aveva soppresso l'imposta su questo metallo.

Nell'epoca moderna l'alluminio ha soppiantato alcuni usi dello stagno, ma il termine stagnola è ancora usato per ogni metallo argenteo in forma di fogli sottili.

Abbondanza

Circa 35 paesi nel mondo hanno miniere di stagno in attività e praticamente in ogni continente c'è un importante produttore di stagno. Lo stagno metallico si produce riducendo il minerale con carbone in una fornace a riverbero. L'elemento stagno è relativamente scarso nella crosta terrestre, con un'abbondanza relativa di circa 2 ppm, a paragone con le 94 ppm per lo zinco, le 63 ppm per il rame e le 12 ppm per il piombo. La maggior parte dei giacimenti di stagno del mondo sono di natura alluvionale e metà di essi è nel sudest asiatico. L'unico minerale importante dal punto di vista estrattivo è la cassiterite (SnO₂), ma piccole quantità di stagno si possono ottenere anche da solfuri complessi come stannite, cilindrite, franckeite, canfieldite e teallite.

Produzione mondiale

I maggiori produttori di stagno nel 2020
Posizione	Paese	Produzione (mille tonnellate)
1	Cina	81
2	Indonesia	66
3	Birmania	33
4	Perù	18
5	RD del Congo	17
6	Bolivia	15
7	Brasile	13
8	Australia	6,8
9	Nigeria	5
10	Vietnam	4,9

Composti

Ossidi

• Diossido di stagno (SnO₂)
• Monossido di stagno (SnO)

Alogenuri

• Cloruro stannico (SnCl₄)
• Cloruro stannoso (SnCl₂)
• Bromuro stannico (SnBr₄)

Altri

• ITO Ossido di indio-stagno

Isotopi

Lo stagno è l'elemento con il maggior numero di isotopi stabili, dieci; questi comprendono tutti quelli con numeri di massa che vanno da 112 e 124, ad eccezione di 113, 121 e 123. Di questi, quelli più abbondanti sono ¹²⁰Sn (almeno un terzo di tutto lo stagno), ¹¹⁸Sn e ¹¹⁶Sn, mentre quello meno abbondante è ¹¹⁵Sn. Gli isotopi che possiedono numeri di massa pari non hanno spin nucleare, mentre quelli dispari hanno uno spin di ½+. Lo stagno, insieme ai suoi tre isotopi più comuni ¹¹⁵Sn, ¹¹⁷Sn e ¹¹⁹Sn, è tra gli elementi più facili da rilevare e analizzare mediante la spettroscopia NMR e i suoi spostamenti chimici sono raffrontati rispetto allo SnMe₄.

Si pensa che questo ampio numero di isotopi sia un risultato diretto dello stagno che ha numero atomico di 50, che nella fisica nucleare è un "numero magico". Ci sono 28 isotopi instabili aggiuntivi che sono noti, che abbracciano tutti quelli rimanenti con numeri di massa compresi tra 99 e 137. A parte lo ¹²⁶Sn, che ha un'emivita di 230 000 anni, tutti gli isotopi radioattivi hanno un'emivita di meno di un anno. Lo ¹⁰⁰Sn radioattivo è uno dei pochi nuclidi che possiedono un nucleo "doppiamente magico" e fu scoperto in tempi relativamente recenti, nel 1994. Altri 30 isomeri metastabili sono stati caratterizzati per gli isotopi tra 111 e 131, il più stabile dei quali è lo ^121mSn, con un'emivita di 43,9 anni.

Precauzioni

Le piccole quantità di stagno che si possono trovare nei cibi in scatola non sono dannose per gli esseri umani. Però, i composti trialchilici e triarilici dello stagno sono biocidi, e devono essere maneggiati con molta attenzione.

Bibliografia

• Francesco Borgese, Gli elementi della tavola periodica. Rinvenimento, proprietà, usi. Prontuario chimico, fisico, geologico, Roma, CISU, 1993, ISBN 88-7975-077-1.
• R. Barbucci, A. Sabatini e P. Dapporto, Tavola periodica e proprietà degli elementi, Firenze, Edizioni V. Morelli, 1998 (archiviato dall'url originale il 22 ottobre 2010).

Voci correlate

• Solfato stannoso
• Stagno nativo
• Bromuro stannico
• Diossido di stagno

Altri progetti

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Collegamenti esterni

• stagno, su Treccani.it – Enciclopedie on line, Istituto dell'Enciclopedia Italiana.
• (EN) tin, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
• (EN) Tin, su periodic.lanl.gov, Los Alamos National Laboratory. URL consultato il 19 settembre 2004 (archiviato dall'url originale il 27 maggio 2010).
• (EN) Tin, su WebElements.com.
• (EN) Tin, su EnvironmentalChemistry.com.