Kalay, atom numarası 50 olan ve Latince stannum’dan türetilen Sn sembolüne sahip kimyasal bir elementtir. Kalay, az bir çabayla elle bükülebilen gümüşi renkli bir metaldir. Az bir kuvvetle kesilebilecek kadar yumuşaktır. Kalay kristalleri büküldüğünde “kalay çığlığı” olarak bilinen sesi üreten sicimdir. Katı haldeyken, indiyum, kadmiyum, çinko ve cıva da bu özelliği paylaşır.
Diğer metaller gibi, saf kalay da katılaştıktan sonra ayna benzeri bir görüntüye sahiptir. Kalay alaşımlarının çoğu kasvetli gri bir renkle katılaşır.
Kalay elementi periyodik çizelgenin 14. grubunda geçiş sonrası metal olarak sınıflandırılır. Birincil kaynağı, stannik oksit veya SnO2 içeren mineral kasiterittir.
Kalayın 14. gruptaki iki komşusu olan kurşun ve germanyumun yanı sıra iki temel oksidasyon durumu olan +2 ve marjinal olarak daha kararlı olan +4 kimyasal olarak karşılaştırılabilir. Sihirli proton sayısı nedeniyle kalay, Dünya’da en çok bulunan 49. elementtir ve periyodik tablodaki herhangi bir elementin en kararlı izotoplarına (toplam 10) sahiptir.
Kalayın iki ana formu vardır: ortam sıcaklığında dövülebilir, gümüşi beyaz bir metal olan β-kalay ve düşük sıcaklıklarda elmas kübik yapıya sahip daha az yoğun gri bir metal olan α-kalay. Havada ve suda metalik kalay kolayca oksitlenmez.
3000 yıl kadar önce, 1/8 kalay ve 7/8 bakırın bir kombinasyonu olan bronz, yaygın olarak kullanılan ilk kalay alaşımıydı.
Saf metalik kalay M.Ö. 600’den sonra üretilmiştir. Bronz Çağı’ndan bu yana, kalay -%85-90 kalay ve geri kalanı genellikle bakır, antimon, bizmut ve bazen kurşun ve gümüşten oluşan bir alaşım- sofra takımı yapımında kullanılmıştır. Kalay günümüzde çeşitli alaşımlarda kullanılmaktadır; bunların en bilinenleri genellikle %60 veya daha fazla kalay içeren kalay-kurşun yumuşak lehimler ve optoelektronik cihazlarda kullanılmak üzere şeffaf, elektrik ileten indiyum kalay oksit filmlerinin üretimidir. Korozyona karşı dirençli olan çeliğin kalay kaplanması bir diğer yaygın kullanım alanıdır. Kalay kaplı çelik, inorganik kalayın düşük toksisitesi nedeniyle gıda ambalajlarında “teneke kutular” olarak sıklıkla kullanılmaktadır. Organotin bileşikleri çok yüksek toksisite seviyelerine sahip olabilir.
Kalayın Fiziksel Özellikleri
Kalay gümüşi beyaz, yüksek kristalli, sünek, yumuşak ve dövülebilir bir metaldir.
Kalay kristalleri bir araya gelerek bir kalay çubuğu büküldüğünde “kalay çığlığı” olarak bilinen bir çatırtı sesi üretir. Grup 14’ün en düşük erime noktası olan 232 °C’ye kalay ulaşır. 11 nm’lik parçacıklar için erime noktası daha da düşerek 177,3 °C’ye iner.
Oda sıcaklığında ve üzerinde kararlı olan elementel kalayın yapısal formu β-kalay veya beyaz kalay olarak bilinir. Tetragonal kristal yapısı gövde merkezlidir ve hem metalik hem de esnektir. Metalik olmayan form gri kalay veya α-kalay olarak adlandırılır. Kırılgandır ve 13,2 °C’nin altında kararlıdır. Elmas ve silikon gibi α-kalay da elmas kübik kristal yapısına sahiptir.
Elektronların serbestçe hareket etmesini engelleyen atomlarının oluşturduğu kovalent yapı nedeniyle α-kalay metalik özelliklerden yoksundur. Donuk gri renkte toz halinde bir madde olan α-kalay çoğunlukla özel yarı iletken uygulamalarında kullanılır.
161°C’yi aşan sıcaklıklarda ve birkaç GPa’yı aşan basınçlarda γ-tin ve σ-tin bulunabilir.
“Kalay zararlısı” veya “kalay hastalığı”, β-kalay’ın soğuk sıcaklıklar altında kendiliğinden α-kalay’a dönüşmesi için kullanılan bir terimdir. Napolyon’un 1812 Rusya seferi sırasında askerlerin üniformalarının kalay düğmelerinin aşırı soğuk nedeniyle çözüldüğünü iddia eden tekrarlayan bir söylenti vardır. Bu mitoloji bağımsız olarak doğrulanmamıştır.
Zn ve Al gibi safsızlıklar α-β dönüşüm sıcaklığının 13,2 °C olsa bile 0 °C’nin çok altına düşmesine neden olur.
Bizmut veya antimon eklendiğinde geçiş tamamen durabilir ve dayanıklılık artar.
Safsızlık olarak bulunan küçük seviyelerdeki bizmut, antimon, kurşun ve gümüş, ticari kalay sınıflarının (%99,8 kalay konsantrasyonu) dönüşümünü engeller. Kalayın sertliği bakır, antimon, bizmut, kadmiyum ve gümüş gibi alaşım elementleri ile arttırılır. Genellikle istenmeyen sert, kırılgan intermetalik fazlar kalay tarafından kolayca oluşturulur. Kalay, çoğu metal ve elementte çözünmediği için düşük derecede katı çözünürlüğe sahiptir. Kurşun, talyum, çinko, bizmut ve galyum, temel ötektik sistemler oluşturmak için kalayla iyi bir şekilde birleşir.
Kalay, araştırılan ilk süper iletkenlerden biriydi ve 3.72 K’nin altında bir süper iletken haline geldi. Süper iletken olan kalay kristalleri, süper iletkenlerin tanımlayıcı özelliklerinden biri olan Meissner etkisini sergileyen ilk kristallerdi.
Kalayın Kimyasal Özellikleri
Su kalayın korozyona uğramasına neden olmaz, ancak asitler ve alkaliler neden olabilir. Yüksek derecede cilalı olmasının yanı sıra kalay, koruyucu bir oksit kaplama veya pasivasyon uygulayarak diğer metalleri daha fazla oksidasyondan korumak için kullanılabilir. Kalay, oksijen içeren bir çözeltinin kimyasal reaksiyonunu başlatmak için bir katalizör olarak çalışır ve ardından gelen kimyasal reaksiyonu hızlandırır.
Kalay Elementinin İzotopları
Herhangi bir elementin en kararlı izotopları kalayda bulunan on tanedir.
Aşağıdaki kütle numaralarına sahiptirler: 112, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 120, 122 ve 124. Bununla birlikte, Sn-112, Sn-122 ve Sn-124 çift beta bozunmasına uğrama potansiyeline sahiptir ve bu nedenle teorik olarak kararsızdır.
Tüm kalayın neredeyse üçte biri kalay-120’den oluşur. Ayrıca kalay-118 ve kalay-116 da tipiktir.
En az rastlanan kararlı izotop kalay-115’tir. Nükleer spin, çift kütle numaralı izotoplarda yoktur ve tek kütle değerlerine sahip olanlar için 1/2’ye eşittir.
Kalayın atom numarası nükleer fizikte “sihirli sayı” olan 50 olduğundan, kalayın çok sayıda kararlı izotop içerdiğine inanılmaktadır.
Tetrametiltin (SnMe4) ile karşılaştırıldığında moleküler ağırlığı ve kimyasal kaymaları ile NMR spektroskopisi, kalayı tanımlanması ve araştırılması en kolay elementlerden biri haline getirir.
Hızlı nötron enerjisi için 30 barnlık bir yakalama tesir kesiti ile kalay-115, kararlı izotoplar arasında en yüksek olanına sahiptir. Kalay-119, 2,2 barnlık biraz daha küçük bir çapraz kesite sahipken, kalay-117 2,3 barnlık çapraz kesit ile bir alt sırada yer alır.
Düşük erime noktası nedeniyle kalay-kurşun lehimin, bu kesitler yaygın olarak bilinmeden önce hızlı reaktörler için reaktör soğutucusu olarak kullanılması önerilmiştir. Bu ağır metaller son derece düşük yakalama tesir kesitlerine sahip olduklarından ve hızlı nötronlara karşı pratik olarak şeffaf olduklarından, mevcut araştırmalar kurşun veya kurşun-bizmut reaktör soğutucularına odaklanmaktadır.
Kalay veya kalay-kurşun soğutucu kullanmadan önce kalayın 115, 117 ve 119 kalay izotoplarını elimine etmek için izotop ayrıştırma işleminden geçmesi gerekir. Bu üç izotop birlikte yakalama tesir kesitinin neredeyse tamamını oluşturur, ancak doğal kalayın yalnızca yaklaşık %17’sini oluşturur. Var olan yedi izotoptan biri olan Kalay-112’nin yakalama tesir kesiti bir barndır. Kurşun ve bizmuta benzer şekilde, doğal kalayın %82,7’sini oluşturan diğer altı izotopun yakalama tesir kesitleri 0,3 barn veya daha azdır, bu da nötronlara karşı etkin bir şekilde şeffaf oldukları anlamına gelir.
Kütle numaraları 99 ile 139 arasında değişen on üç kararsız kalay izotopu mevcuttur. Yaklaşık 230.000 yıllık bir yarı ömre sahip olan kalay-126 hariç, kararsız kalay izotoplarının hepsinin yarı ömürleri bir yıldan azdır.
“Çift sihirli” çekirdeğe sahip çok az sayıdaki nüklitten ikisi kalay-100 ve kalay-132’dir. Bunlar, son derece dengesiz nötron-proton oranları nedeniyle kararsız olmalarına rağmen, kalay-132’den daha ağır ve kalay-100’den daha hafif kalay izotoplarının önemli ölçüde daha az kararlı olduğu uç noktalardır.
111-131 arasındaki kalay izotopları için 30 metastabil izomer daha bulunmuştur; en kararlı olanı 43,9 yıllık yarı ömre sahip olan kalay-121m’dir.
Yıldız nükleosentezi sırasında kalayın kararlı izotoplarının oluşum süreci, sayılarındaki göreceli eşitsizlikler için bir açıklama sağlar.
En yaygın kalay izotopları, s-süreci sırasında yıldızların çoğunda oluşan kalay-116 ila kalay-120’dir. Buna karşılık, kalay-122 ve kalay-124 daha az yaygındır ve yalnızca süpernovalardaki r-süreci (hızlı nötron yakalama) sırasında oluşur. R-süreci ayrıca 117’den 120’ye kadar kalay izotoplarını da üretir.
Kalay izotopları 112, 114 ve 115, s veya r süreçlerinde büyük oranlarda üretilemedikleri için kökenleri tam olarak anlaşılamayan p-çekirdekleri arasındadır. Proton yakalama ve fotodintegrasyon, oluşumları hakkındaki iki fikirdir. Kalay-115 ya doğrudan ya da uzun bir yarı ömre sahip indiyum-115’in kızı olarak s-sürecinde kısmen sentezlenmiş olabilir.
Kalayın Etimolojik Kökeni
Germen dillerinin tümü, kökleri yeniden yapılandırılmış Proto-Germence tin-om’a dayanan “tin” terimini paylaşır.
Almanca Zinn, İsveççe tenn ve Felemenkçe tin akrabalık örnekleridir. Sadece Germence ödünçlemede mevcuttur ve Hint-Avrupa’nın diğer kollarında yoktur.
Kalay eskiden Latince’de plumbum candidum ya da “beyaz kurşun” olarak bilinirdi. Kalay için kullanılan Latince terim stannum, dördüncü yüzyılda “kalay” anlamına gelecek şekilde evrimleşmiştir. Başlangıçta gümüş ve kurşundan oluşan bir alaşımı ifade etmekteydi. Fransızca étain, İspanyolca estaño,
İtalyanca stagno ve İrlandaca stán, kalay için daha eski bir stāgnum’dan (aynı malzeme anlamına gelir) türetilen Roman ve Kelt kelimeleri arasındadır.
Stannum/stāgnum’un kökenini bilmiyoruz; Hint-Avrupa öncesi olabilir.
Meyers Konversations-Lexikon bunun yerine stannumun Cornish stean’den geldiğini ve MS ilk yüzyıllarda Cornwall’un ana kalay kaynağı olduğunun kanıtı olduğunu öne sürmektedir.
Kaynak: Wikipedia
