Els empèdocles moderns – L’element 50 (Sn) – estany (nilpentinili, Npn)

De la mateixa manera que la taula periòdica dels elements, a través dels seus períodes, grups i blocs, reprodueix la configuració o estructura de l’escorça electrònica de l’àtom, les taules de núclids reprodueixen l’estructura del nucli atòmic. Els primers models de nucli atòmic, basats en el formulat per Carl Friedrich von Weizsäcker en el 1935, ens presentaven el nucli com una gota líquida rotant, en la qual s’equilibraven les forces electromagnètiques de repulsió amb les forces nuclears d’atracció. Aquest model combina cinc tipus d’energies (de volum, de superfície, de repulsió elèctrica, d’asimetria o exclusió, i d’aparellament). Aquest model explica la massa atòmica de cadascun dels isòtops amb força precisió, així com altres característiques. Però no explica amb precisió el grau d’estabilitat de cada isòtop. Maria Goeppert-Mayer, en el 1950, publicà un model alternatiu basat en capes i orbitals, anàleg al de l’escorça electrònica. La principal pista de com s’estructuren aquestes capes i orbitals les fornien allò que Eugene Wigner, deixeble de Goeppert-Mayer, “nombres màgics”: 2, 8, 20, 28, 50, 82 i 126. Efectivament, els nuclis amb un “nombre màgic” de nucleons presenten una major energia d’unió per nucleó que la que hom esperaria d’acord amb el model de la gota líquida. Els nombres màgics poden fer referència als nucleons, però també específicament a protons o a neutrons. Així hom parla també de núclids que són doblement màgics: l’heli-4 (2 protons i 2 neutrons), l’oxigen-16 (8 protons i 8 neutrons), el calci-40 (20 protons i 20 neutrons), el níquel-48 (20 protons i 28 neutrons), el níquel-78 (20 protons i 50 neutrons), el plom-208 (82 protons i 126 neutrons). El fet que un nucli atòmic disposi d’un o dos nombres màgics el fa més estable que no pas hom esperaria atenent a la seva posició en la taula. Per exemple, nosaltres arribem ara al nombre 50 de la nostra sèrie, la qual cosa confereix als nuclis dels àtoms d’aquest element una certa “protecció”. En conseqüència, l’estany, com veurem, és l’element químic amb el nombre més elevat d’isòtops (observacionalment) estables: un total de deu.

Taula d’isòtops d’acord amb el nombre de neutrons i el nombre de protons (Z). S’hi assenyalen els nombres màgics de 6, 14, 28, 50, 82 i 126. En negre van marcades les caselles corresponents a núclids estables, i en colors els diferents tipus de desintegració que pateixen els isòtops inestables

La descoberta de l’estany

En parlar del coure ja vam esmentar com la primera metal•lúrgia fou basada sobretot en aquest metall (amb continguts d’estany o d’arsènic que no arribaven al 2%). Però el coure aliat en forma de bronze resultà més dur, més fàcil de fondre i de treballar. Un cert coneixement de l’estany com a metall aliat amb el coure ja devia ser present a mitjan del mil•lenni IV a.e.c. El pas de l’Edat del Coure a l’Edat del Bronze, és a dir a una metal•lúrgia més madura, requerí la utilització d’estany. Ara bé, els minerals d’estany o de coure-estany eren força més rars que els minerals de coure. Esdevingueren, doncs, una matèria cercada, importada sovint des de lluny, i al voltant de la qual s’establiren rellevants rutes comercials.

Cristalls de cassiterita (de color negre) damunt de cristalls de quartz

En diferents llengües trobem diferents mots per designar aquest metall. En ocasions, hom empra una polisèmia entre l’estany metàl•lic, l’estany mineral i els aliatges de coure i d’estany. Prenguem, per exemple, el mot hebreu בדיל (bdil), que trobem en el Llibre dels Nombres (31, 21) en una enumeració de metalls, habitualment traduïda com a “objectes d’or, de plata, de bronze, de ferro, d’estany (bdil) i de plom”. El mot “bdil”, però, hauria servit principalment per referir-se a un dels aliatges de coure i d’estany. En la llengua proto-indogermànica, trobem l’arrel *tin, que dóna lloc a “tin” en anglès o “Zinn” en alemany, i que en llengües cèltiques hauria donat lloc a *stin. En llengües bàltiques, trobem “alavas”, que en la derivació posterior ha donat lloc al mot per significar el plom (com passa en les llengües eslaves occidentals) i en d’altres a l’estany (com en el rus Олово) . En turc trobem “kalay”, en armenià “anag”, etc.

Les restes arqueològiques més antigues de l’ús d’estany amb datació més segura són de finals del III mil•lenni a.e.c. En aquella època, la mineria d’estany ja devia ser una activitat molt rellevant per als pobles metal•lúrgics. Hom explotava dipòsits de mineral d’estany (òxid metàl•lic) procedents de granits de dipòsits al•luvials. El mineral cobejat ressaltava en lleres d’alguns rius pel seu color fosc (negre o amb tonalitats porpres). Els dipòsits situats en les zones de major activitat metal•lúrgica s’esgotaren aviat, i cada vegada calia buscar-ne més lluny. En alguns pobles, l’estany fou conegut amb una denominació geogràfica. Així, en Homer, ja trobem l’expressió “κασσιτερος”, potser manllevada d’alguna llengua oriental, i que en qualsevol cas voldria dir “metall [del país] dels cassi”. El país dels cassi, d’on provenia el metall, devia quedar cada vegada més lluny. Fou la seva recerca un motor en l’exploració de l’Extrem Occident, i de les fundacions de colònies per part de fenicis, de grecs i d’altres pobles de la Mediterrània Oriental.

Mapa d’Europa, basat en la geografia d’Estrabó (redactada en l’any 18 e.c.). S’hi assenyalen les illes Cassitèrides, font proverbial d’estany (cassiteros, en grec), com situades davant del litoral nord-occidental d’Ibèria. Fins i tot en l’època imperial romana encara dominava una ofuscació voluntària per part dels importadors d’estany quant a la localització precisa de les principals mines d’aquest metall

Els etruscs, per exemple, van explotar les mines d’estany de la zona de l’actual Monte Valerio (s. VII a.e.c.), però en esgotar-les van haver de recórrer a les mines situades a la Península Ibèrica, on ja s’havien establert colònies gregues i fenícies que, entre d’altres recursos, explotaven l’estany. A banda de les rutes marítimes d’estany, també cal esmentar les rutes continentals, com les procedents dels Erzgebirge. La tendència, com hem dit, fou la d’anar cada vegada més lluny. L’estany estimulà l’establiment de rutes marítimes cap a l’Atlàntic, en direcció a les mines de les Illes Britàniques. Un dels impulsos de la conquesta de les Gàl•lies, en el segle I a.e.c., per part de l’Imperi Romà fou l’explotació de les mines d’estany.

Aquest patró també el trobem en altres regions del món. La metal•lúrgia de les conques Indo-gangètiques importava estany des de l’Àsia Central i del Nord. A la Xina s’importava estany dels dipòsits de la Península de Malaca.

Molts pobles utilitzaven el mateix nom per designar l’estany i el plom. Aquest era el cas dels romans, que utilitzaven el mot “plumbum”. En Plini ja trobem la precisió de distingir entre el “plom blanc” (plumbum album, plumbum candidum) i el “plom negre” (plumbum nigrum), de manera que s’entenia que el primer s’havia d’identificar amb el “cassiteros”, i el segon amb el “molibdos”. El mot “stannum” o “stagnum” es feia servir per a diversos aliatges, particularment d’argent i plom, però progressivament anà identificant-se amb el “plom blanc”. La relació entre el mot “stannum” i el mot germànic “tin” és matèria de discussió. El cas és que l’Imperi Romà, a mesura que s’exhauriren els dipòsits més accessibles d’Hispània, va dependre més i més de l’estany procedent de Cornúbia (Britannia) i d’Armòrica (Gàl•lia).

Peces de peltre. El peltre és un aliatge metàl•lic que conté estany en 85-99%, i quantitats menors de coure, antimoni, bismut o plom. Si bé n’hi ha testimonis a l’Egipte del s. XV a.e.c., en l’antiguitat al major part de la producció d’estany es destinava a la confecció de bronze (on l’estany és minoritari en relació al coure). Especialment a partir del segle XIII e.c., el peltre guanya diversos usos a Europa en detriment d’altres aliatges

L’estany o casíteros apareix en la llista canònica dels “set metalls clàssics” (la seva obtenció en estat pur remunta, com a mínim, al segle VII a.e.c.). La tradició alquímica grega identificà originàriament l’estany amb el déu-planeta Hermes, però en adoptar-se la identificació d’Hermis amb l’argent líquid, hi va haver un desplaçament. En el segle VI e.c., doncs, l’estany ja és identificat amb el déu-planeta Zeus. Aquestes identificacions seran adoptades després pels hereus de l’alquímia grega. El mot àrab de l’estany deriva del grec (قصدير, qasdir). En la tradició llatina, l’stannum és identificat amb el planeta Júpiter, i se’l simbolitza en conseqüència com a ♃. Se’l designa també com a “diabolos metallorum”, en referència a la fragilitat de molts dels seus aliatges. L’anomenada “lepra d’estany” era al darrera de la degradació, per exemple, d’orgues metàl•lics, ja que l’estany tendia a transformar-se, especialment a temperatures baixes, de la forma argentina i dúctil a una forma “blanca”. Entre les aplicacions alquímiques de l’estany podem esmentar l’elaboració de l’aurum mosaicum o aurum musiuum, a partir de la barreja de miques d’aquest metall amb mercuri, sal amoníaca i flor de sofre que, escalfada en bany de sorra durant tres hores, donava lloc efectivament a una pols daurada.

L’estany, particularment a partir de l’any 1000 e.c., és explotat a Sud-amèrica per a la confecció de bronze. Els dipòsits de Zacatecas, d’altra banda, alimentaren les necessitats de bronze de les cultures mexicanes. A l’Àfrica, la mineria, fosa i comerç d’estany assolí rellevància per al Gran Zimbabwe entre els segles XI i XV.

El desenvolupament de noves tècniques mineres permeté l’explotació de nou de mines d’estany en regions que eren considerades exhaurides, com a la Península Ibèrica (segles XVIII-XIX).

Estannita procedent de la Mina Fabulosa (Larecaja, La Paz, Bolívia). L’estannita fou identificada a Cornualla en el 1797, i resultà ser un sulfur de coure, ferro i estany (Cu2FeSnS4)

Com els altres metalls clàssics, l’estany (“etain”) apareix en el llistat de substàncies simples del “Traité Élémentaire de Chimie” (1789), d’Antoine Lavoisier, en tant que “substància simple metàl•lica oxidable o acidificable”. A la llum de la química moderna, la cassiterita fou identificada com l’òxid d’estany, mentre que l’estannita ho era amb el sulfur d’estany.

Tradicionalment, l’estany era simbolitzat amb ♃, el símbol de Júpiter que pot ser llegit com el signe del llamp, com l’àliga (forma que adoptà Júpiter per prendre Ganimedes) o la lletra Z (de Zeus). Però la química moderna s’estimà més l’ús d’inicials menys enutjoses. John Dalton, a New System of Chemical Philosophy (1808), utilitza la lletra T (de l’anglès, tin). Jons Jakob Berzelius, en el 1813, proposa l’ús dels mots llatins per fixar aquestes inicials. Com que la S la reserva al sofre (sulphur), assigna a l’estany (stannum) les inicials Sn. No obstant, Berzelius utilitza de vegades “St” com a símbol de l’estany però també de l’estibidi (=antimoni), amb la consegüent confusió. Així, que finalment es fixà Sn per a l’estany (i Sb per a l’antimoni). Moltes llengües han optat per la forma llatina, però la majoria s’han estimat més conservar el mot propi, depurant ja la distinció entre el metall elemental i els diferents aliatges. En català, el mot estany (antigament graficat com a stayn) és, senzillament, l’evolució del llatí stannu, per bé que es genera una homonímia amb el mot derivat d’stagnu (l’estany, com a massa d’aigua dipositada en una depressió del terreny).

Les pintures i litografies de Denis Auguste Marie Raffet (1804-1860) ens han retratat retrospectivament l’epopeia napoleònica, com a aquesta mostra Michel Ney en la batalla de Kaunas. Entre les penúries de l’exèrcit napoleònic en la campanya russa del 1812 s’explica el deteriorament dels uniformes francesos per l’anomenada lepra d’estany, que hauria afectat els botons d’aquest metall, desencadenada pel fred. No obstant, no sembla gaire versemblant aquesta història que, d’altra banda, no és referida en les memòries dels protagonistes. També s’ha atribuït a la pesta de l’estany la degradació de la soldadures de les llaunes d’aliments i de querosè de la malaurada expedició de Robert Scott a l’Antàrtida (1910). De nou, sembla que és una atribució exagerada

En el 1839, Isaac Babbitt va inventar un aliatge d’estany de baix coeficient de fricció i de molta plasticitat. Aquest “metall blanc” ha estat utilitzat com a metall de coixinets, amb formulacions típiques del 90% de Sn, 7% d’Sb i 3% de Cu.

En el 1849, Edward Frankland (1825-1899) va descriure el diiodur de dietilestany ((C2H5)2SnI2), el primer compost orgànic conegut que incorporava estany en la seva estructura.

La proliferació d’elements químics, particularment metàl•lics, animà els intents de sistematitzar-los. Per exemple, en el 1865, John Newlands proposa una llei de l’octet per enquadrar els elements. A l’estany (Sn) li assigna el nombre 39, la qual cosa el situa en el grup 5, integrat pel carboni, silici, titani, indi, zirconi i, ja després de l’estany, el wolframi i el plom.

De manera independent, Dmitri Mendeleev, en el 1869, arriba a uns resultats similars en la taula periòdic. L’estany (Sn = 118) és inclòs en el cinquè període, dins del grup format pel carboni i el silici.

En el 1871, Mendeleev formula una taula periòdica més compacta. L’estany passa llavors al període 7, en un grup integrat pel carboni (període 2), el silici (període 3), el titani (període 4), el zirconi (període 6), etc.

La taula periòdica de Mendeleev rebé un impuls quan un dels buits d’aquest grup del carboni, el del període 5, fou omplert, amb l’element conegut com a “germani”. L’evolució posterior de la taula periòdica suposà l’escissió d’aquest grup IV en el grup IVa (titani i zirconi) i el grup IVb (els altres). Llavors, l’estany passà al cinquè període. En aquest nou esquema, l’estany és reconegut com un “metall de post-transició”, la qual cosa explicaria de fet el seu caràcter “diabòlic” i la seva tendència “leprosa”.

“L’àngel de la vida” (1895), de Giovanni Segantini (1858-1899). Entre els materials emprat en aquesta pintura hi ha pols de bronze, l’anomenat or mosaic, que es correspon químicament al sulfur d’estany (IV)

Taller metal•lúrgic d’estany a Koba (Bangka, Indonèsia) el 1914. Hom calcula que un terç de tot l’estany extret al llarg de la història procedeix de les illes de Bangka i Beilitung. En els darrers anys, a mesura que hom explota dipòsits de cassiterita de més difícil accés, augmenta l’impacte en forma d’accidents laborals (uns 50 morts l’any entre els miners) i de degradació ambiental (les operacions de dragatge en el litoral han afectat els esculls coral•lins i perjudicat les pesqueries).

Cilindre d’estany, refrigerat amb heli líquid a 4,2 K, i situat sota l’acció d’un electromagnet, en el marc dels estudis d’Alfred Leitner de mitjan anys 1960 sobre els superconductors de tipus I. La transició a material superconductor fou descrita per Walther Meissner i Robert Ochsenfeld en el 1933 emprant precisament estany

La relativa concentració de la mineria d’estany en poques regions i en comptades companyies ha estat una constant històrica que arriba fins els nostres dies. Des del 1921, governs i companyies han promogut acords. En el 1947, es creà el Grup Internacional d’Estudi de l’Estany. En el 1956, els principals productors d’estany de Cornualla i de Malaisia signaren el Primer Acord Internacional d’Estany, alhora que fundaven el Consell Internacional d’Estany (ITC). L’ITC practicà una política d’acumulació de reserves que tamponaven les fluctuacions de preu. Aquesta política començà a fer aigües després del 1973, quan la crisi econòmica mundial provocà que es disparessin els preus. Aquesta alça de preus animà el govern nord-americà a vendre reserves, cosa que agreujà la tendència. La nova recessió del 1981-82 en les principals economies industrials provocà un descens sobtat del consum d’estany, i una caiguda de preus, que l’ITC provà infructuosament de combatre. Fortament endeutat, l’ITC va fer fallida en el 1985. A partir del 1988, el preu de l’estany ha fluctuat sense aquesta tradició reguladora.

Cartell del film dirigit per Richard Brooks (1958), adaptació de l’obra teatral homònima de Tennessee Williams (que obtingué el Premi Pulitzer del 1955). De sostres metàl•lics d’habitatges n’hi ha de fets d’estany, però també s’utilitzen altres materials, com ara coure, acer galvanitzat amb zinc, aliatges de zinc i alumini amb coberta de sílice, coure, alumini, etc. Així que tampoc no era gens violent traduir l’obra al català com “La gata sobre la teulada de zinc”. Tot i amb tot, el títol original de Williams retrata millor la incomoditat de Maggie amb la seva família política

L’estany: isòtops i abundància

La massa atòmica estàndard de l’estany és de 118,710 uma, que resulta de la mitjana ponderada dels seus isòtops més freqüents (120Sn, 118Sn, 116Sn, 119Sn, 117Sn, 124Sn, 122Sn, 112Sn, 114Sn i 115Sn). Els tres isòtops més freqüents són relativament fàcils d’analitzar per ressonància magnètica nuclear (i, en aquest sentit, l’estany és tan sols superat per l’hidrogen, el fluor, el fòsfor, el xenó i el tal•li). Un llistat complet dels isòtops coneguts faria:
– estany-99 (99Sn; 98,94933 uma). Nucli format per 50 protons i 49 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,005 s. És l’isòtop més pesant conegut que té més protons i que neutrons.
– estany-100 (100Sn; 99,93904 uma). Nucli format per 50 protons i 50 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,1 s. Decau majoritàriament (83%) a indi-100 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (17%), a cadmi-99 (amb emissió d’un protó i d’un positró). Núclid doblement màgic (50 + 50), fou detectat per primera vegada en el 1994, i és de fet l’isòtop més pesant conegut que té el mateix nombre de protons que de neutrons.
– estany-101 (101Sn; 100,93606 uma). Nucli format per 50 protons i 51 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 3 s. Decau normalment a indi-101 (amb emissió d’un positró) o, alternativament, a cadmi-100 (amb emissió d’un protó i d’un positró).
– estany-102 (102Sn; 101,93030 uma). Nucli format per 50 protons i 52 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 4,5 s. Decau normalment a indi-102 (amb emissió d’un positró) o, alternativament, a cadmi-101 (amb emissió d’un protó i d’un positró). Posseeix un estat metastable (102mSn) a 2017 keV, que té una semivida de 7,2•10-7 s.
– estany-103 (103Sn; 102,92810 uma). Nucli format per 50 protons i 53 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 7,0 s. Decau normalment a indi-103 (amb emissió d’un positró) o, alternativament, a cadmi-102 (amb emissió d’un protó i d’un positró).
– estany-104 (104Sn; 103,92314 uma). Nucli format per 50 protons i 54 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 20,8 s. Decau a indi-104, amb emissió d’un positró.
– estany-105 (105Sn; 104,92135 uma). Nucli format per 50 protons i 55 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 34 s. Decau normalment a indi-105 (amb emissió d’un positró) o, alternativament, a cadmi-104 (amb emissió d’un protó i d’un positró).
– estany-106 (106Sn; 105,91688 uma). Nucli format per 50 protons i 56 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 115 s. Decau normalment a indi-106, amb emissió d’un positró.
– estany-107 (107Sn; 106,91564 uma). Nucli format per 50 protons i 57 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 174 s (3 minuts). Decau a indi-107, amb emissió d’un positró.
– estany-108 (108Sn; 107,911925 uma). Nucli format per 50 protons i 58 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 618,0 s (10 minuts). Decau a indi-108, amb emissió d’un positró.
– estany-109 (109Sn; 108,911283 uma). Nucli format per 50 protons i 59 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1080 s (18 minuts). Decau a indi-109, amb emissió d’un positró.
– estany-110 (110Sn; 109,907843 uma). Nucli format per 50 protons i 60 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,48•104 s (4 hores). Decau a indi-110, per caputra electrònica.
– estany-111 (111Sn; 110,907734 uma). Nucli format per 50 protons i 61 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2120 s (35 minuts). Decau a indi-111, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (111mSn) a 254,72 keV, que té una semivida de 1,25•10-5 s.
– estany-112 (112Sn; 111,904818 uma). Nucli format per 50 protons i 62 neutrons. Teòricament decau a cadmi-112, amb emissió de dos positrons. Ho faria, però, amb una semivida tan llarga que, a efectes observacionals, és un isòtop estable. La seva freqüència és de 0,97%.
– estany-113 (113Sn; 112,905171 uma). Nucli format per 50 protons i 63 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 9,9438•106 s (115 dies). Decau a indi-113, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (113mSn) a 77,386 keV, que té una semivida de 1280 s (21 minuts) que decau bé a l’estat basal (91,1%) o directament a indi-113 (8,9%).
– estany-114 (114Sn; 113,902779 uma). Nucli format per 50 protons i 64 neutrons. És un isòtop estable, per bé que teòricament susceptible de fissió espontània. La seva freqüència és de 0,66%. Posseeix un estat metastable (114mSn) a 3087,37 keV, que té una semivida de 7,33•10-7 s.
– estany-115 (115Sn; 114,903342 uma). Nucli format per 50 protons i 65 neutrons. És un isòtop estable, per bé que teòricament susceptible de fissió espontània. La seva freqüència és de 0,34%. Posseeix dos estats metastables, un a 612,81 keV (115m1Sn; que té una semivida de 3,26•10-6 s) i un altre a 713,64 keV (115m2Sn; que té una semivida de 1,59•10-5 s).
– estany-116 (116Sn; 115,901741 uma). Nucli format per 50 protons i 66 neutrons. És un isòtop estable, per bé que teòricament susceptible de fissió espontània. La seva freqüència és de 14,54%.
– estany-117 (117Sn; 116,902952 uma). Nucli format per 50 protons i 67 neutrons. És un isòtop estable, per bé que teòricament susceptible de fissió espontània. La seva freqüència és de 7,68%. Posseeix dos estats metastable, un a 314,58 keV (117m1Sn; que té una semivida de 1,189•106 s, i que decau a l’estat basal) i un altre a 2406,4 keV (117m2Sn; que té una semivida de 1,75•10-6 s).
– estany-118 (118Sn; 117,901603 uma). Nucli format per 50 protons i 68 neutrons. És un isòtop estable, per bé que teòricament susceptible de fissió espontània. La seva freqüència és de 24,22%.
– estany-119 (119Sn; 118,903308 uma). Nucli format per 50 protons i 69 neutrons. És un isòtop estable, per bé que teòricament susceptible de fissió espontània. La seva freqüència és de 8,59%. Posseeix dos estats metastables, un a 89,531 keV (119m1Sn; que té una semivida de 2,532•107 s, i que decau a l’estat basal) i un altre a 2127 keV (119m2Sn; que té una semivida de 9,6•10-6 s).
– estany-120 (120Sn; 119,9021947 uma). Nucli format per 50 protons i 70 neutrons. És un isòtop estable, per bé que teòricament susceptible de fissió espontània. La seva freqüència és de 32,58%. Posseeix dos estats metastable, un a 2481,63 keV (120m1Sn, que té una semivida de 1,18•10-5 s) i un altre a 2902,22 keV (120m2Sn, que té una semivida de 6,26•10-6 s).
– estany-121 (121Sn; 120,9043355 uma). Nucli format per 50 protons i 71 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 9,731•104 s (27 hores). Decau a antimoni-121, amb emissió d’un electró. És producte de la fissió de radioisòtops més pesants. Posseeix tres estats metastables, un a 6,30 keV (121m1Sn; que té una semivida de 1,39•109 s, i que decau a l’estat basal (77,6%) o a antimoni-121 (22,4%)), un altre a 1998,8 keV (121m2Sn; que té una semivida de 5,3•10-6 s) i un tercer a 2834,6 keV (121m3Sn; que té una semivida de 1,67•10-7 s). El 121m1Sn és un component relativament menor de residus nuclears (el rendiment per fissió termal d’urani-235 és de 0,0007%).
– estany-122 (122Sn; 121,9034390 uma). Nucli format per 50 protons i 72 neutrons. Teòricament, decau a tel•luri-122, amb emissió de dos electrons. Ho faria, però, amb una semivida tan llarga que, a efectes observacionals, és un isòtop estable. La seva freqüència és de 4,63%. Part d’aquesta dotació és producte de la fissió de radioisòtops pesants.
– estany-123 (123Sn; 122,9057208 uma). Nucli format per 50 protons i 73 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,118•107 s (129 dies). Decau a antimoni-123, amb emissió d’un electró. És producte de la fissió de radioisòtops més pesants. Posseeix quatre estats metastable, un a 24,6 keV (123m1Sn; que té una semivida de 2404 s, i que decau a antimoni-123), un altre a 1945 keV (123m2Sn; que té una semivida de 7,4•10-6 s), un tercer a 2153 keV (123m3Sn; que té una semivida de 6•10-6 s) i un quart a 2713 keV (123m4Sn; que té una semivida de 3,4•10-5 s).
– estany-124 (124Sn; 123,9052739 uma). Nucli format per 50 protons i 74 neutrons. Teòricament decau a tel•luri-124, amb emissió de dos electrons. Ho fa, però, amb una semivida tan llarga, de 3•1024 s (set ordres de magnitud superior a l’edat actual de l’univers) que a efectes observacionals és un isòtop estable. La seva freqüència és de 5,79%. En part és producte d ela fissió de radioisòtops pesants. Posseeix tres estats metastable, un a 2204,622 keV (124m1Sn; que té una semivida de 2,7•10-7 s), un altre a 2325,01 keV (124m2Sn; que té una semivida de 3,1•10-6 s) i un tercer a 2656,6 keV (124m3Sn; que té una semivida de 4,5•10-5 s).
– estany-125 (125Sn; 124,9077841 uma). Nucli format per 50 protons i 75 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 8,33•105 s (10 dies). Decau a antimoni-125, amb emissió d’un electró. Posseeix un estat metastable (125mSn) a 27,5 keV, que té una semivida de 571 s.
– estany-126 (126Sn; 125,907653 uma). Nucli format per 50 protons i 76 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 7,26•1012 s (230 mil anys). Decau majoritàriament (66,5%) a 126m2Sb o, alternativament (33,5%), a 126m1Sb. És producte de la fissió de radioisòtops més pesants (p.ex., amb un rendiment de 0,056% per a la fissió termal de 235U). Encara que de baixa activitat específica intrínseca, cal comptar amb les emissions gamma del seu isòtop fill, 126Sb. El 126Sn posseeix dos estats metastables, un a 2218,99 keV (126m1Sn; 6,6•10-6 s) i un altre a 2564,5 keV (126m2Sn; 7,7•10-6 s).
– estany-127 (127Sn; 126,910360 uma). Nucli format per 50 protons i 77 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 7600 s (2 hores). Decau a antimoni-127, amb emissió d’un electró. Posseeix un estat metastable (127mSn) a 4,7 keV (que té una semivida de 248 s i que decau a antimoni-127).
– estany-128 (128Sn; 127,910537 uma). Nucli format per 50 protons i 78 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 3544 s (59 minuts). Decau a antimoni-128. Posseeix un estat metastable (128mSn) a 2091,50 keV (que té una semivida de 6,5 s i que decau a antimoni-128).
– estany-129 (129Sn; 128,91348 uma). Nucli format per 50 protons i 79 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 134 s (2 minuts). Decau a antimoni-129, amb emissió d’un electró. Posseeix un estat metastable (129mSn) a 35,2 keV, que té una semivida de 410 s, i que decau bé a l’estat basal (0,002%) o directament a antimoni-129 (99,99%).
– estany-130 (130Sn; 129,913967 uma). Nucli format per 50 protons i 80 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 223 s (4 minuts). Decau a antimoni-130, amb emissió d’un electró. Posseeix dos estats metastables, un a 1946,88 keV (130m1Sn; que té una semivida de 100 s, i que decau a antimoni-130) i un altre a 2434,79 keV (130m2Sn; que té una semivida de 1,61•10-6 s.
– estany-131 (131Sn; 130,917000 uma). Nucli format per 50 protons i 81 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 56,0 s. Decau a antimoni-131, amb emissió d’un electró. Posseeix dos estats metastables, un a 80 keV (131m1Sn; que té una semivida de 58,4 s, i que decau bé a l’estat basal (0,0004%) o directament a antimoni-131 (99,99%)) i un altre a 4846,7 keV (131m2Sn; que té una semivida de 3•10-7 s).
– estany-132 (132Sn; 131,917816 uma). Nucli format per 50 protons i 82 neutrons (la qual cosa el fa un isòtop de doble nombre màgic). És un isòtop inestable, amb una semivida de 39,7 s. Decau a antimoni-132, amb emissió d’un electró.
– estany-133 (133Sn; 132,92383 uma). Nucli format per 50 protons i 83 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,45 s. Decau normalment (99,97%) a antimoni-133 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (0,0294%) a antimoni-132 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– estany-134 (134Sn; 133,92829 uma). Nucli format per 50 protons i 84 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,050 s. Decau majoritàriament (83%) a antimoni-134 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (17%), a antimoni-134 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– estany-135 (135Sn; 134,93473 uma). Nucli format per 50 protons i 85 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,53 s. Decau bé a antimoni-135 (amb emissió d’un electró) bé a antimoni-134 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– estany-136 (136Sn; 135,93934 uma). Nucli format per 50 protons i 86 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,25 s. Decau bé a antimoni-136 (amb emissió d’un electró) bé a antimoni-135 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– estany-137 (137Sn; 136,94599 uma). Nucli format per 50 protons i 87 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,19 s. Decau a antimoni-137, amb emissió d’un electró.

L’àtom neutre d’estany conté 50 electrons, amb una configuració basal d’escorça de 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p2. Es tracta, doncs, de l’element del cinquè període del grup 14 (el grup del carboni, també dit dels tetrels, tetràgens o cristal•lògens). És classificat entre els metalls de post-transició (dels quals seria, en la definició més estricta, el primer entre els del grup 14), mentre alguns autors empren denominacions com la de “metall pobre”. L’estat d’oxidació més habitual és +4 (Sn4+; corresponent a la ionització dels quatre electrons de la capa 5), encara que també el podem trobar amb +3 (p.ex. SnH3), +2, +1 (p.ex. HSn), 0 o -4. El radi atòmic és de 1,40•10-10 m i el radi de Van der Waals de 2,17•10-10 m.

Els dos al•lòtrops principals d’estany (99,999%), la forma no-metàl•lica (beta, esquerra) i la forma metàl•lica (alfa, dreta). En condicions estàndards de pressió, la forma alfa es converteix en beta en baixar la temperatura per sota de 286,4 K, i la beta en alfa, quan es depassa aquesta temperatura

En condicions estàndards de pressió i de temperatura, l’estany elemental es troba en estat sòlid. Se’n reconeixen quatre al•lòtrops:
– alfa-estany (α-Sn) o estany gris. És la forma no-metàl•lica, estable, en condicions estàndards de pressió, a una temperatura inferior a 286,4 K (aquest límit de temperatura és inferior en presència d’impureses d’alumini, zinc, etc.). És un sòlid covalent, que segueix una estructura cristal•lina cúbica (anàloga al diamant de carboni). A temperatures inferiors a 3,72 K, esdevé un material superconductor.
– beta-estany (β-Sn) o estany blanc. És la forma metàl•lica, estable en condicions estàndards de pressió i temperatura. És un sòlid d’aspecte argentí, mal•leable, dúctil i altament cristal•lí (estructura tetragonal). És força tou (1,5 en l’escala de Mohs). En ésser doblegat emet el soroll conegut com a plany o lament de l’estany. A temperatures inferiors a 286,4 K, per una transformació al•lotròpica, passa a l’al•lòtrop beta, en un procés de desmetal•lització conegut com a pesta o lepra de l’estany. De caràcter autocatalític, aquesta transformació es transmet eventualment a tota la peça. Si bé l’estany pur és molt susceptible, doncs, a aquesta lepra, la presència d’impureses (alumini o zinc) fa que la temperatura de transició sigui encara més baixa, mentre que la presència d’una certa quantitat d’antimoni o de bismut l’evita per complet.
– gamma-estany (γ-Sn). A temperatures de més de 400 K i a pressions de l’ordre de GPa, l’α-Sn transiciona a aquest al•lòtrop.
– sigma-estany (σ-Sn). Al•lòtrop present a pressions encara més elevades.

L’anomenat crit o plany de l’estany, és també present en altres metalls (com el niobi, l’indi, el zinc o el gal•li) i té a veure amb l’aparellament o amaclament dels cristalls metàl•lics

En condicions estàndards de pressió, la temperatura de fusió és de 505,08 K (que pot baixar a 450,45 K, en el cas d’estany polvoritzat a 11 nm). La densitat de l’estany líquid en el punt de fusió és de 6990 kg•m-3.

Gota solidificada d’estany fos

En condicions estàndards de pressió, la temperatura d’ebullició de l’estany elemental és de 2875 K.

L’estany metàl•lic resisteix la corrosió d’aigua, però no la de diversos àcids i àlcalis. L’estany metàl•lic (i els seus aliatges, com el peltre) resisteix l’exposició a l’aire per la formació d’una capa superficial d’òxid. No obstant, en dissolució, els cations d’estany actuen com a catalitzadors de la formació d’espècies reactives d’oxigen.

Entre els compostos d’estany podem esmentar:
– els halurs de Sn (IV): SnF4, SnCl4, SnCl4, SnBr4 i SnI4. En condicions estàndards es presenten en forma de sòlids blancs (excepte el iodur, que és un sòlid de color taronja brillant). El SnCl4 s’obté de la reacció de l’estany amb el clor.
– els halurs de Sn (II): SnF2, SnCl2, SnBr2 i SnI2. També són sòlids blancs (excepte el iodur, que és color vermell-taronja). El SnCl2 s’obté de la reacció de l’estany amb àcid clorhídric, o per comproporcionació entre SnCl4 i estany metàl•lic.
– diòxid d’estany (SnO2). Es forma per la reacció de l’estany amb l’aire a temperatures elevades.
– estannats ([Sn(OH)6]2-).
– sulfur d’estany (II) (SnS). És un sòlid bru, insoluble en aigua.
– sulfur d’estany (IV) (SnS2). És un sòlid bru en estat amorf, però en estat cristal•lí té un color daurat (“pols de bronze” o “or de mosaic”).
– estannà (SnH4). En condicions estàndards, es presenta com un gas incolor.
– estannans o compostos organoestànnics. Són compostos amb enllaç C-Sn. La majoria són compostos de Sn (IV). Entre els compostos orgànics de Sn (II) hi ha els estannilens (R2Sn) i els distannilens (R4Sn2).

L’abundància de l’estany en l’univers és condicionada pels processos de nucleosíntesi estel•lar (especialment, el procés s, de captació lenta de neutrons en estels de masses de 1-20•1030 kg, i en supernoves), per l’estabilitat dels seus isòtops i per les rutes de desintegració d’isòtops d’altres elements (particularment, l’indi). El fet que disposi de fins a deu isòtops (observacionalment) estables hi contribueix favorablement. L’estany supera en abundància a diversos elements que el precedeixen en la taula periòdica (a més del beril•li, tots els elements de nombre atòmic de 40-49). D’altra banda, entre els elements de nombre Z superior, tan sols tres són una mica més abundants (el tel•luri, el xenó i el bari).

En la Terra, l’estany assoleix una abundància, en termes de massa, de 0,25 ppm (0,055 ppm en termes atòmics). Element calcòfil, la concentració en l’escorça terrestre és nou vegades més elevada que la mitjana planetària (assolint 2,2 ppm en termes de massa). Dins dels principals metalls industrials, l’estany és, en termes atòmics, més rar que la majoria, però no tan com el molibdè o el tungstè. En l’escorça terrestre no s’hi troba en estat elemental, sinó de manera combinada, preferentment com a òxid (SnO2). La cassiterita (SnO2) sol associar-se amb granits, dins dels quals de mitjana suposa un 1% de la massa. Menys rellevant són els minerals sulfurs que contenen estany, com l’estannita (Cu2FeSnS4), la cilindrita (Pb3Sn4FeSb2S14), la franckeïta (Pb5Sn3Sb2S14), la canfieldita (Ag8SnS6), la teal•lita (PbSnS2) o l’herzenbergita (SnS).

La concentració d’estany en la hidrosfera depèn del context geològic. En l’oceà, la concentració típica d’estany és de 4 μg•m-3.

La presència d’estany en l’atmosfera és transitòria i en forma de traça.

L’estany no és comptat entre els bioelements. Els organismes en són més o menys exposats, però la taxa d’absorció és baixa En el cos humà assoleix una concentració típica de 0,24 ppm en termes de massa (0,006 ppm en termes atòmics), amb un contingut corporal de 20 mg per a una persona de 70 kg.

L’estany metàl•lic i els òxids i sals més habituals rarament han estat descrits com a tòxics. No obstant, hi ha hagut preocupació per la migració d’estany en conserves de llauna, i hom recomana no depassar en l’aliment nivells de 200 mg/kg. S’ha postulat que els compostos inorgànics d’estany poden interferir en el metabolisme del ferro i del coure (amb alguns punts crucials, com el metabolisme detoxificador hepàtic basat en el citocrom P450).

Més preocupant des d’un punt de mira toxicològics són alguns compostos organoestànnics. Al capdavall, alguns d’aquests compostos s’han emprat com a biocides (p.ex. com miticides o acaricides), pels seus coneguts efectes fitotòxics (p.ex. tri-n-alquil-estanys), bactericides o fungicides. Per exemple, preocupacions sobre l’efecte com a tòxic ambiental, han deixat de banda l’ús del tributilestany (TBT) com a component protector de pintures d’embarcacions.

Els usos de l’estany

La producció minera mundial anual d’estany és de 230.000 tones. Un 80% de les extraccions es realitzen en dipòsits secundaris, on s’acumula la cassiterita degut al seu pes específic relativament elevat (6900 kg•m-3. A banda de la cassiterita, per bé que de menor rellevància, també s’exploten sulfurs minerals d’estany (estannita, cilindrita, franckeïta, canfieldita, teal•lita). El mineral principal és la cassiterita, sovint recuperada de sediments fluvials o fins i tot marins. D’ací la rellevància del dragatge, d’altres mètodes hidràulics o de la minera a cel obert. La concentració d’estany en aquests dipòsits és variable, però se n’arriben a explotar que no arriben a les 150 ppm. Les principals àrees productores es troben a l’Àsia Oriental i a Sud-amèrica. La millora de les tècniques fa possible accedir a noves reserves (actualment, uns 5.000 milions de tones), però val a dir que no semblen agosarades les previsions que situen un esgotament en qüestió de 20-40 anys. Els costos humans i ambientals de la mineria d’estany augmenten a mesura que hom explota reserves més i més inaccessibles.

La cassiterita és processada per reducció carbotèrmica per obtindre’n l’estany (forn elèctric o forn reverberatori). Una part, però, es destina a l’obtenció de SnO2.

Evolució de la producció (blau) i del preu (vermell) de l’estany elemental durant el segle XX

Bona part del consum d’estany se satisfà, de forma creixent, gràcies al reciclatge.

Fil de soldadura de 60% estany-40% plom

Vora el 50% del consum d’estany es destina a la soldadura. La soldadura tova típica és l’aliatge d’estany-plom, amb continguts d’estany que poden variar, segons les aplicacions, entre el 5% i el 70%. La preocupació per l’efecte tòxic del plom en soldadures destinades a conduccions d’aigua i d’altres instal•lacions domèstiques ha donat lloc a normatives restrictives. El repte de trobar un substitut al plom no ha estat del tot resolt. Hom utilitza aliatges d’estany, coure, argent, bismut, indi, zinc, antimoni d’altres metalls, amb la finalitat d’aconseguir punts de fusió acceptables i d’esquivar els problemes d’emprar estany massa pur (formació de “whiskers” o pilositats metàl•liques; lepra d’estany i deteriorament consegüent de la soldadura, etc.).

Llaunes o pots de conserves. El mot llauna fa referència a la llauna o làmina d’estany que habitualment recobreix la cara interior d’aquests recipients. Les primeres llaunes modernes es confeccionen a Londres en el 1812, emprant-hi la prima fulla d’estany per protegir de la corrosió l’acer. El nom complet en anglès és “tinplate canister”, del qual deriva l’expressió “tin cans”, desdoblada curiosament entre l’anglès britànic “tin” (literalment, estany) i l’anglès nord-americà “can”. En la majoria de les llengües romàniques hom fa referència a la llauna (lata en castellà, lattina en italià), si bé en francès se les anomena “boite de conserve” (d’acord amb l’expressió emprada per Nicolas Appert, que primer en va fer de vidre per passar després també al metall).

Vora un 15% del consum mundial d’estany es destina al revestiment d’altres metalls i aliatges: ferro, acer, plom, zinc, etc. La capa d’estany s’oxida superficialment i això protegeix el metall interior de la corrosió.

Vora un 5% del consum d’estany es destina a l’elaboració d’aliatges:
– el peltre té un contingut d’estany del 85-99%.
– el metall de coixinet (metall de Babbitt) té un contingut típic del 90%.
– els aliatges de plom i estany han tingut també funcions estructurals, com ara la confecció d’orgues (amb composicions típiques del 50%-50%).
– el bronze té un contingut variable d’estany, segons la finalitat, encara que una concentració típica és del 12%. En el metall de campanes el contingut d’estany és del 20-22%.
– l’estany ha estat utilitzat com a metall monetari, en concentracions típiques inferiors al 5%. Per exemples, les monedes de 10, 20 i 50 cèntims d’euro són fetes d’or nòrdic, un aliatge de coure amb un contingut d’estany de l’1%.
– l’aliatge de niobi-estany (Nb3Sn) és emprat com a material dels fils de magnets superconductors. El comportament d’aquest material (temperatura crítica de 18 K i camp magnètic crític de 25 T) fa possible que amb una massa mil vegades inferior un magnet superconductor generi un camp magnètic comparable amb el d’un elecromagnet clàssic.
– alguns aliatges de zirconi destinats al revestiment protector de combustible nuclear incorporen concentracions d’estany d’entre 0,25-1,70%.

Llanterna d’estany punxat. L’estany punxat és en realitat acer amb una recoberta d’estany

Un 2% del consum mundial d’estany es destina a la fabricació de vidre, especialment per a finestra. Alastair Pilikington desenvolupà en els anys 1950 el procés que porta el seu nom, i que fa flotar vidre fos damunt d’estany fos. En poques dècades, el vidre flotat dominà la confecció de vidre de finestres.

L’estany metàl•lic també és utilitzat com a elèctrode negatiu en algunes bateries d’ió de liti. Hi ha un interès creixent en l’aprofitament de les fases intermetàl•liques liti-estany en aquestes aplicacions. Les bateries Nexelion, de Sony, empren un compost intermetàl•lic d’estany, cobalt i carboni (Sn0,3Co0,4C0,3).

L’estany alfa o estany gris és emprat com a material semiconductor en algunes aplicacions electròniques.

Els compostos d’estany suposen el 15% del consum d’estany. Entre les aplicacions podem esmentar:
– el fluorur d’estany (II) (SnF2) és utilitzat com a additiu en pastes de dents. Com a portador de fluor, el SnF2 sembla més efectiu en la prevenció de la càries i de la gingivitis que no pas el NaF. Això s’explica pel fet que l’SnF2 resisteix millor que no pas el NaF la coexistència amb compostos càlcics abrassius.
– estabilitzadors de PVC. Diversos ditiolats diorganoestànnics (R2Sn(SR’)2 són emprats amb aquesta finalitat. La reactivitat de l’enllaç S-Sn permet la reitrada de grups cloral•lílics i l’absorció de HCl, contrarestant l’efecte degradador de la calor, llum, aire atmosfèric sobre el PVC (amb la consegüent decoloració i fragilització).
– biocides. L’òxid de tributilestany és emprat com a preservador de fusta precisament per aquesta acció biocida. L’efecte detrimental en fauna marina (bioacumulació en gasteròpodes, per exemple) n’ha limitat les aplicacions en embarcacions de fusta.
– el clorur estanyós (SnCl2) és emprat en síntesi orgànica com a agent reductor de grups nitro i oxima en amines.
– entre els usos de diòxid d’estany (SnO2) podem esmentar l’ús com a opacificador blanc en ceràmiques vidrades, com a colorant en la indústria del vidre (color blanc lletós) i com a detector de CO i d’altres gasos combustibles (gràcies al fet que, en presència d’aquests gasos, l’òxid d’estany pateix un augment de la conductivitat elèctrica).

Esquema de la reacció de Stille, aplicada en síntesi orgànica, i que acobla un compost organoestànnic amb diversos electròfils orgànics a través d’una reacció catalitzada amb un compost de pal•ladi

Arxivat a Ciència i Tecnologia
2 comments on “Els empèdocles moderns – L’element 50 (Sn) – estany (nilpentinili, Npn)
  1. didaclopez ha dit:

    A banda dels impactes laborals i ambientals directes de l’explotació de cassiterita, com a principal font d’estany, cal esmentar també l’impacte geopolític. És el cas de la regió dels Grans Llacs de l’Àfrica Central. Des del 2008 hom ha recordat com els conflictes bèl·lics oberts en aquesta zona són finançats amb els ingressos de la cassiterita i d’altres recursos minerals.

  2. didaclopez ha dit:

    Zhu et al. (2015) http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4384.html reporten la fabricació d’estanè, és a dir d’una xarxa bidimensional d’àtoms d’estany

Els comentaris estan tancats.

%d bloggers like this: