Технические и пользовательские характеристики, а также свойства металла свинец.
Министерство образования и науки РФ
«Свинец и его свойства»
Выполнил:
Проверил:
СВИНЕЦ (лат. Plumbum), Pb, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева, атомный номер 82, атомная масса 207,2.
1.Свойства
Свинец обычно имеет грязно-серый цвет, хотя свежий его разрез имеет синеватый отлив и блестит. Однако блестящий металл быстро покрывается тускло-серой защитной пленкой оксида. Плотность свинца (11,34 г/см3) в полтора раза больше, чем у железа, вчетверо больше, чем у алюминия; даже серебро легче свинца. Недаром в русском языке «свинцовый» – синоним тяжелого: «Ненастной ночи мгла по небу стелется одеждою свинцовой»; «И как свинец пошел ко дну» – эти пушкинские строки напоминают, что со свинцом неразрывно связано понятие гнета, тяжести.
Свинец очень легко плавится – при 327,5° С, кипит при 1751° С и заметно летуч уже при 700° С. Этот факт очень важен для работающих на комбинатах по добыче и переработке свинца. Свинец – один из самых мягких металлов. Он легко царапается ногтем и прокатывается в очень тонкие листы. Свинец сплавляется со многими металлами. С ртутью он дает амальгаму, которая при небольшом содержании свинца жидкая.
2.Химические свойства
По химическим свойствам свинец – малоактивный металл: в электрохимическом ряду напряжений он стоит непосредственно перед водородом. Поэтому свинец легко вытесняется другими металлами из растворов его солей. Если опустить в подкисленный раствор ацетата свинца цинковую палочку, свинец выделяется на ней в виде пушистого налета из мелких кристалликов, имеющего старинного название «сатурнова дерева». Если затормозить реакцию, обернув цинк фильтровальной бумагой, вырастают более крупные кристаллы свинца. Наиболее типична для свинца степень окисления +2; соединения свинца(IV) значительно менее устойчивы. В разбавленных соляной и серной кислотах свинец практически не растворяется, в том числе из-за образования на поверхности нерастворимой пленки хлорида или сульфата. С крепкой серной кислотой (при концентрации более 80%) свинец реагирует с образованием растворимого гидросульфата Pb(HSO4)2, а в горячей концентрированной соляной кислоте растворение сопровождается образованием комплексного хлорида H 4 PbCl 6 . Разбавленной азотной кислотой свинец легко окисляется:
Pb + 4HNO 3 = Pb(NO 3) 2 + 2NO 2 + H 2 O.
Разложение нитрата свинца(II) при нагревании – удобный лабораторный метод получения диоксида азота:
2Pb(NO 3) 2 = 2PbO + 4NO 2 + O 2 .
В присутствии кислорода свинец растворяется также в ряде органических кислот. При действии уксусной кислоты образуется легкорастворимый ацетат Pb(CH 3 COO) 2 (старинное название – «свинцовый сахар»). Свинец заметно растворим также в муравьиной, лимонной и винной кислотах. Растворимость свинца в органических кислотах могло раньше приводить к отравлениям, если пищу готовили в посуде, луженной или паянной свинцовым припоем. Растворимые соли свинца (нитрат и ацетат) в воде гидролизуются:
Pb(NO 3) 2 + H 2 O = Pb(OH)NO 3 + HNO 3 .
Взвесь основного ацетата свинца («свинцовая примочка») имеет ограниченное медицинское применение в качестве наружного вяжущего средства. Свинец медленно растворяется и в концентрированных щелочах с выделением водорода:
Pb + 2NaOH + 2H 2 O = Na 2 Pb(OH) 4 + H 2
что указывает на амфотерные свойства соединений свинца. Белый гидроксид свинца(II), легко осаждаемый из растворов его солей, также растворяется как в кислотах, так и в сильных щелочах:
Pb(OH) 2 + 2HNO 3 = Pb(NO 3) 2 + 2H 2 O;
Pb(OH) 2 + 2NaOH = Na 2 Pb(OH) 4
При стоянии или нагревании Pb(OH) 2 разлагается с выделением PbO. При сплавлении PbO со щелочью образуется плюмбит состава Na 2 PbO 2 . Из щелочного раствора тетрагидроксоплюмбата натрия Na2Pb(OH)4 тоже можно вытеснить свинец более активным металлом. Если в такой нагретый раствор положить маленькую гранулу алюминия, быстро образуется серый пушистый шарик, который насыщен мелкими пузырьками выделяющегося водорода и потому всплывает. Если алюминий взять в виде проволоки, выделяющийся на ней свинец превращает ее в серую «змею». При нагревании свинец реагирует с кислородом, серой и галогенами. Так, в реакции с хлором образуется тетрахлорид PbCl 4 – желтая жидкость, дымящая на воздухе из-за гидролиза, а при нагревании разлагающаяся на PbCl 2 и Cl 2 . (Галогениды PbBr 4 и PbI 4 не существуют, так как Pb(IV) – сильный окислитель, который окислил бы бромид- и иодид-анионы.) Тонкоизмельченный свинец обладает пирофорными свойствами – вспыхивает на воздухе. При продолжительном нагревании расплавленного свинца он постепенно переходит сначала в желтый оксид PbO (свинцовый глет), а затем (при хорошем доступе воздуха) – в красный сурик Pb 3 O 4 или 2PbO·PbO 2 . Это соединение можно рассматривать также как свинцовую соль ортосвинцовой кислоты Pb 2 . С помощью сильных окислителей, например, хлорной извести, соединения свинца(II) можно окислить до диоксида:
Pb(CH 3 COO) 2 + Ca(ClO)Cl + H 2 O = PbO 2 + CaCl 2 + 2CH 3 COOH
Диоксид образуется также при обработке сурика азотной кислотой:
Pb 3 O 4 + 4HNO 3 = PbO 2 + 2Pb(NO 3) 2 + 2H 2 O.
Если сильно нагревать коричневый диоксид, то при температуре около 300° С он превратится в оранжевый Pb 2 O 3 (PbO·PbO 2), при 400° С – в красный Pb 3 O 4 , а выше 530° С – в желтый PbO (разложение сопровождается выделением кислорода). В смеси с безводным глицерином свинцовый глет медленно, в течение 30–40 минут реагирует с образованием водоупорной и термостойкой твердой замазки, которой можно склеивать металл, стекло и камень. Диоксид свинца – сильный окислитель. Струя сероводорода, направленная на сухой диоксид, загорается; концентрированная соляная кислота окисляется им до хлора:
PbO 2 + 4HCl = PbCl 2 + Cl 2 + H 2 O,
сернистый газ – до сульфата:
PbO 2 + SO 2 = PbSO 4 ,
а соли Mn 2+ – до перманганат-ионов:
5PbO 2 + 2MnSO 4 + H 2 SO 4 = 5PbSO 4 + 2HMnO 4 + 2H 2 O.
Диоксид свинца образуется, а затем расходуется при зарядке и последующем разряде самых распространенных кислотных аккумуляторов. Соединения свинца(IV) обладают еще более типичными амфотерными свойствами. Так, нерастворимый гидроксид Pb(OH) 4 бурого цвета легко растворяется в кислотах и щелочах:
Pb(OH) 4 + 6HCl = H 2 PbCl 6 ;
Pb(OH) 4 + 2NaOH = Na 2 Pb(OH) 6 .
Диоксид свинца, реагируя со щелочью, также образует комплексный плюмбат(IV):
PbO 2 + 2NaOH + 2H 2 O = Na 2 .
Если же PbO2 сплавить с твердой щелочью, образуется плюмбат состава Na2PbO3. Из соединений, в которых свинец(IV) входит в состав катиона, наиболее важен тетраацетат. Его можно получить кипячением сурика с безводной уксусной кислотой:
Pb 3 O 4 + 8CH 3 COOH = Pb(CH 3 COO) 4 + 2Pb(CH 3 COO) 2 + 4H 2 O.
При охлаждении из раствора выделяются бесцветные кристаллы тетраацетата свинца. Другой способ – окисление ацетата свинца(II) хлором:
2Pb(CH 3 COO) 2 + Cl 2 = Pb(CH 3 COO) 4 + PbCl 2 .
Водой тетраацетат мгновенно гидролизуется до PbO 2 и CH 3 COOH. Тетраацетат свинца находит применение в органической химии в качестве селективного окислителя. Например, он весьма избирательно окисляет только некоторые гидроксильные группы в молекулах целлюлозы, а 5-фенил-1-пентанол под действием тетраацетата свинца окисляется с одновременной циклизацией и образованием 2-бензилфурана. Органические производные свинца – бесцветные очень ядовитые жидкости. Один из методов их синтеза – действие алкилгалогенидов на сплав свинца с натрием:
4C 2 H 5 Cl + 4PbNa = (C 2 H 5) 4 Pb + 4NaCl + 3Pb
Действием газообразного HCl можно отщеплять от тетразамещенных свинца один алкильный радикал за другим, заменяя их на хлор. Соединения R4Pb разлагаются при нагревании с образованием тонкой пленки чистого металла. Такое разложение тетраметилсвинца было использовано для определения времени жизни свободных радикалов. Тетраэтилсвинец – антидетонатор моторного топлива.
3.Применение
Используют для изготовления пластин для аккумуляторов (около 30% выплавляемого свинца), оболочек электрических кабелей, защиты от гамма-излучения (стенки из свинцовых кирпичей), как компонент типографских и антифрикционных сплавов, полупроводниковых материалов
Свинец часто называют одним из наиболее древних с точки зрения истории металлов, поскольку человечество научилось его добывать и обрабатывать еще в 6400 г. до н.э. «Промышленные» масштабы переработки свинца отмечались в Древнем Риме (около 80 тысяч тонн ежегодно), что объяснялось доступностью этого металла и простотой его выплавки. Римляне делали из него трубы для своих водопроводов, однако уже тогда они догадывались о токсичности вещества.
Физические свойства свинца
Свинец – тяжелый металл с атомной массой 207,2 г/моль. При этом чистый он настолько мягок, что может быть разрезан ножом. Основные физические характеристики свинца:
- плотность (н. у.) – 11,3415 г/см³
- t плавления – 327,46°C (600,61 K)
- t кипения – 1749°C (2022 K)
- теплопроводность (при 300 K) – 35,3 Вт/(м·К)
- предел прочности на растяжение - 12-13 МПа
Свинец: химические свойства
В химических соединениях элемент Pb достигает двух степеней окисления: +2 и +4, при которых он в состоянии проявлять и металлические, и неметаллические свойства. Растворимые соли свинца представлены:
- ацетатом Pb(CH 3 COO) 2
- нитратом Pb(NO 3) 2
- сульфатом PbSO 4
- хроматом PbCrO 4
При обычной температуре свинец не растворяется в чистой воде, чего нельзя сказать о воде, насыщенной кислородом. Также элемент Pb быстро растворяется в разбавленной азотной кислоте и концентрированной серной. Разбавленная серная на свинец не действует, а соляная действует слабо. Что касается щелочных сред, то в них, равно как и в кислых растворах, свинец превращается в восстановитель. При этом растворимый в воде свинец, в частности, его ацетат, является очень ядовитым.
Применение свинца
Чистый свинец используется в медицине (рентгеновские установки), геологии (его изотопы помогают определять возраст пород), но наибольшее распространение он получает в составе соединений:
- сульфиды и иодиды свинца применяются в создании аккумуляторных батарей
- нитраты и азиды – для изготовления взрывчатки
- двуокиси и хлориды – для химических источников тока
- арсениты и арсенаты – в сельском хозяйстве для уничтожения вредных насекомых
- теллуриды – для производства термоэлектрогенераторов и холодильных установок
Также известно, что свинец задерживает радиацию, что объясняется его способностью прекрасно поглощать g-излучение. В результате, Pb выступает основным элементом для изготовления материалов радиационной защиты, применяемых при создании ядерных реакторов и рентгеновских установок.
Свинец – это химический элемент с атомным номером 82 и символом Pb (от латинского plumbum – слиток). Это тяжелый металл с плотностью, превышающей плотность большинства обычных материалов; свинец мягкий, податливый и плавится при относительно низких температурах. Свежесрубленный свинец имеет голубовато-белый оттенок; он притупляется до тускло-серого при воздействии воздуха. Свинец имеет второй по величине атомный номер классически устойчивых элементов и стоит в конце трех основных цепочек распада более тяжелых элементов. Свинец является относительно нереактивным постпереходным элементом. Его слабый металлический характер иллюстрируется его амфотерной природой (оксиды свинца и свинец реагируют как с кислотами, так и с основаниями) и склонностью к образованию ковалентных связей. Соединения свинца обычно находятся в состоянии окисления +2, а не +4, как правило, с более легкими членами углеродной группы. Исключения, в основном, ограничены органическими соединениями. Как и более легкие члены этой группы, свинец проявляет тенденцию связываться сам с собой; он может образовывать цепи, кольца и многогранные структуры. Свинец легко извлекается из свинцовых руд и был известен уже доисторическим людям в Западной Азии. Основная руда свинца, галена, часто содержит в себе серебро, и интерес к серебру способствовал широкомасштабной экстракции свинца и его использованию в Древнем Риме. Производство свинца сократилось после падения Римской империи и не доходило до тех же уровней вплоть до промышленной революции. В настоящее время, мировое производство свинца составляет около десяти миллионов тонн в год; вторичная добыча от переработки составляет более половины от этого количества. Свинец обладает несколькими свойствами, которые делают его полезным: высокая плотность, низкая температура плавления, пластичность и относительная инертность к окислению. В сочетании с относительным изобилием и низкой стоимостью, эти факторы привели к широкому использованию свинца в строительстве, сантехнике, производстве батарей, пуль, весов, припоев, сплавов олова со свинцом, плавких сплавов и радиационной защите. В конце 19-го века, свинец был признан высокотоксичным, и с тех пор его применение было постепенно сокращено. Свинец является нейротоксином, который накапливается в мягких тканях и костях, повреждая нервную систему и вызывая нарушения головного мозга, а у млекопитающих – расстройства крови.
Физические свойства
Атомные свойства
Атом свинца имеет 82 электрона, расположенных в электронной конфигурации 4f145d106s26p2. Объединенная первая и вторая энергии ионизации – полная энергия, необходимая для удаления двух 6p электронов – близка к энергии олова, верхнего соседа свинца в углеродной группе. Это необычно; энергии ионизации обычно идут вниз по группе, так как внешние электроны элемента становятся более отдаленными от ядра и более экранированы меньшими орбиталями. Сходство энергий ионизации обусловлено сокращением лантанидов – уменьшением радиусов элементов из лантана (атомный номер 57) до лютеция (71) и относительно малыми радиусами элементов после гафния (72). Это связано с плохим экранированием ядра электронами лантанида. Объединенные первые четыре энергии ионизации свинца превышают объёмы олова , вопреки предсказаниям периодических тенденций. Релятивистские эффекты, которые становятся значительными в более тяжелых атомах, способствуют такому поведению. Одним из таких эффектов является эффект инертной пары: электроны 6s свинца неохотно участвуют в связывании, делая расстояние между ближайшими атомами в кристаллическом свинце необычайно длинными . Более легкие углеродные группы свинца образуют стабильные или метастабильные аллотропы с тетраэдрически координированной и ковалентно связанной алмазной кубической структурой. Энергетические уровни их внешних s- и p-орбиталей достаточно близки, чтобы позволить смешивать их с четырьмя гибридными sp3-орбиталями. В свинце, эффект инертных пар увеличивает расстояние между его s- и p-орбиталями, и разрыв не может быть преодолен энергией, которая будет высвобождаться дополнительными связями после гибридизации. В отличие от алмазной кубической структуры, свинец образует металлические связи, в которых только p-электроны делокализуются и разделяются между ионами Pb2 +. Следовательно, свинец имеет гранецентрированную кубическую структуру, такую как двухвалентные металлы одинакового размера, кальций и стронций.
Большие объемы
Чистый свинец имеет яркий серебристый цвет с оттенком синего. Он тускнеет при контакте с влажным воздухом, и его оттенок зависит от преобладающих условий. Характерные свойства свинца включают высокую плотность, пластичность и высокую устойчивость к коррозии (из-за пассивации). Плотная кубическая структура и высокий атомный вес свинца приводит к плотности 11,34 г / см3, что больше, чем у обычных металлов, таких как железо (7,87 г / см3), медь (8,93 г / см3) и цинк (7,14 г / см3). Некоторые более редкие металлы имеют большую плотность: вольфрам и золото – 19,3 г / см3, а осмий – самый плотный металл – имеет плотность 22,59 г / см3, что почти в два раза больше, чем у свинца . Свинец – очень мягкий металл с твердостью по Моосу 1,5; его можно поцарапать ногтем. Он довольно ковкий и в некотором смысле пластичный. Объемный модуль свинца – мера его легкости сжимаемости – составляет 45,8 ГПа. Для сравнения, объемный модуль алюминия составляет 75,2 ГПа; меди – 137,8 ГПа; а мягкой стали – 160-169 ГПа. Прочность на растяжение при 12-17 МПа низка (у алюминия в 6 раз выше, у меди – в 10 раз, а у мягкой стали – в 15 раз); её можно усилить добавлением небольшого количества меди или сурьмы. Точка плавления свинца – 327,5 ° C (621,5 ° F) – является низкой по сравнению с большинством металлов. Его температура кипения составляет 1749 °C (3180 °F) и является самой низкой среди элементов углеродной группы. Электросопротивление свинца при 20 °С составляет 192 нанометра, что почти на порядок выше, чем у других промышленных металлов (медь при 15,43 nΩ·m, золото 20,51 nΩ·m и алюминий при 24,15 nΩ·m). Свинец представляет собой сверхпроводник при температурах ниже 7,19 К, это самая высокая критическая температура всех сверхпроводников I типа. Свинец является третьим по величине элементным сверхпроводником.
Изотопы свинца
Естественный свинец состоит из четырех устойчивых изотопов с массовым числом 204, 206, 207 и 208, и следов пяти короткоживущих радиоизотопов . Большое количество изотопов согласуется с тем, что число атомов свинца является четным. Свинец имеет магическое число протонов (82), для которых модель ядерной оболочки точно предсказывает особенно стабильное ядро. Свинец-208 имеет 126 нейтронов, другое магическое число, которое может объяснить, почему свинец-208 необычайно устойчив. Учитывая его высокий атомный номер, свинец является самым тяжелым элементом, естественные изотопы которого считаются стабильными. Это звание ранее принадлежало висмуту, имеющему атомный номер 83, до тех пор, пока в 2003 году не было обнаружено, что его единственный изначальный изотоп, висмут-209, очень медленно распадается. Четыре стабильных изотопа свинца теоретически могли пройти альфа-распад на изотопы ртути с высвобождением энергии, но это нигде не наблюдалось, их предсказанные периоды полураспада варьируются от 1035 до 10189 лет. Три стабильных изотопа встречаются в трех из четырех основных цепей распада: свинец-206, свинец-207 и свинец-208 являются конечными продуктами распада урана-238, урана-235 и тория-232 соответственно; эти цепочки распада называются сериями урана, сериями актиния и сериями тория. Их изотопная концентрация в образце природной породы очень зависит от наличия этих трех родительских изотопов урана и тория. Например, относительное обилие свинца-208 может варьироваться от 52% в нормальных образцах до 90% в ториевых рудах, поэтому стандартная атомная масса свинца дается только в одном знаке после запятой . С течением времени, отношение свинца-206 и свинца-207 к свинцу-204 увеличивается, поскольку первые два дополняются радиоактивным распадом более тяжелых элементов, в то время как последний не дополняется; это позволяет осуществлять связи свинец-свинец. Поскольку уран распадается на свинец, их относительные количества меняются; это основа для создания урана-свинца. Помимо стабильных изотопов, составляющих почти весь свинец, который существует естественным образом, имеются следовые количества нескольких радиоактивных изотопов. Один из них – свинец-210; хотя его период полураспада составляет всего 22,3 года, в природе присутствуют лишь небольшие количества этого изотопа, потому что свинец-210 вырабатывается длинным циклом распада, который начинается с урана-238 (который присутствует на Земле миллиарды лет). В цепях распада урана-235, тория-232 и урана-238 присутствуют свинец-211, -212 и -214, поэтому естественным образом обнаруживаются следы всех этих трех изотопов свинца. Небольшие следы свинца-209 возникают из-за очень редкого кластерного распада радия-223, одного из дочерних продуктов природного урана-235. Свинец-210 особенно полезен для того, чтобы помочь идентифицировать возраст образцов путем измерения его отношения к свинцу-206 (оба изотопа присутствуют в одной цепи распада). Всего было синтезировано 43 изотопа свинца, с массовыми номерами 178-220. Свинец-205 является наиболее стабильным с периодом полураспада около 1,5 × 107 лет. [I] Вторым по стабильности является свинец-202, период полураспада которого составляет около 53000 лет, дольше, чем у любого естественного следового радиоизотопа. Оба являются вымершими радионуклидами, которые были произведены в звездах вместе со стабильными изотопами свинца, но давно уже распались.
Химия
Большой объем свинца, подвергнутый воздействию влажного воздуха, образует защитный слой различного состава. Сульфит или хлорид также могут присутствовать в городских или морских условиях. Этот слой делает большой объем свинца эффективно химически инертным в воздухе. Мелкопорошковый свинец, как и многие металлы, является пирофорным и горит голубовато-белым пламенем . Фтор вступает в реакцию со свинцом при комнатной температуре, образуя фторид свинца (II). Реакция с хлором аналогична, но требует нагревания, так как полученный хлоридный слой уменьшает реакционную способность элементов. Расплавленный свинец реагирует с халькогенами с образованием халькогенидов свинца (II). Металл свинца не подвергается воздействию разбавленной серной кислоты, а растворяется в концентрированной форме. Он медленно реагирует с соляной кислотой и энергично – с азотной кислотой с образованием оксидов азота и нитрата свинца (II) . Органические кислоты, такие как уксусная кислота, растворяют свинец в присутствии кислорода. Концентрированные щелочи растворяют свинец и формируют плюмбиты.
Неорганические соединения
Свинец имеет два основных состояния окисления: +4 и +2. Четырехвалентное состояние является общим для углеродной группы. Двухвалентное состояние редко встречается для углерода и кремния, незначительно для германия, важно (но не преобладающее) для олова, и более важно для свинца. Это объясняется релятивистскими эффектами, в частности, эффектом инертных пар, который проявляется, когда наблюдается большая разница в электроотрицательности между свинцовыми и оксидными, галогенидными или нитридными анионами, что приводит к значительным частичным положительным зарядам свинца. В результате наблюдается более сильное сжатие 6s-орбитали свинца, чем 6p-орбитали, что делает свинец весьма инертным в ионных соединениях. Это менее применимо к соединениям, в которых свинец образует ковалентные связи с элементами аналогичной электроотрицательности, такими как углерод в органолептических соединениях. В таких соединениях, 6s и 6p-орбитали имеют одинаковый размер, и sp3-гибридизация все еще энергетически выгодна. Свинец, как и углерод, преимущественно четырехвалентный в таких соединениях. Относительно большая разница в электроотрицательности свинца (II) при 1,87 и свинца (IV) составляет 2,33. Эта разница подчеркивает обратную тенденцию повышения устойчивости состояния окисления +4 с понижением концентрации углерода; олово, для сравнения, имеет значения 1,80 в состоянии окисления +2 и 1,96 в состоянии +4.
Соединения свинца (II) характерны для неорганической химии свинца. Даже сильные окислители, такие как фтор и хлор, реагируют со свинцом при комнатной температуре, образуя только PbF2 и PbCl2 . Большинство из них менее ионны, чем соединения других металлов, и поэтому они в значительной степени нерастворимы. Ионы свинца (II) обычно бесцветны в растворе и частично гидролизуются с образованием Pb (OH)+ и, наконец, Pb4 (OH) 4 (в котором гидроксильные ионы действуют как мостиковые лиганды). В отличие от ионов олова (II), они не являются восстанавливающими агентами. Методы идентификации присутствия иона Pb2+ в воде обычно полагаются на осаждение хлорида свинца (II) с использованием разбавленной соляной кислоты. Поскольку хлоридная соль немного растворима в воде, затем предпринимается попытка осаждения сульфида свинца (II) путем барботирования сероводорода через раствор. Моноксид свинца существует в двух полиморфах: красный α-PbO и желтый β-PbO, последний стабилен только при температуре выше 488 °C. Это наиболее часто используемое соединение свинца. Гидроокись свинца (II) может существовать только в растворе; известно, что она образует плюмбитные анионы. Свинец обычно реагирует с более тяжелыми халькогенами. Сульфид свинца представляет собой полупроводник, фотопроводник и чрезвычайно чувствительный детектор инфракрасного излучения. Другие два халькогенида, селенид свинца и теллурид свинца, также являются фотопроводниками. Они необычны тем, что их цвет становится тем светлее, чем ниже группа. Дигалиды свинца хорошо описаны; они включают диастатид и смешанные галогениды, такие как PbFCl. Относительная нерастворимость последних является полезной основой для гравиметрического определения фтора. Дифторид был первым твердым ионопроводящим соединением, которое было обнаружено (в 1834 году Майклом Фарадеем). Другие дигалогениды разлагаются при воздействии ультрафиолетового или видимого света, особенно дийодид. Известно много псевдогалогенидов свинца. Свинец (II) образует большое количество галогенидных координационных комплексов, таких как 2-, 4- и анион n5n-цепи. Сульфат свинца (II) нерастворим в воде, как и сульфаты других тяжелых двухвалентных катионов. Нитрат свинца (II) и ацетат свинца (II) являются очень растворимыми, и это используется при синтезе других соединений свинца .
Известно несколько неорганических соединений свинца (IV), и они обычно являются сильными окислителями или существуют только в сильнокислотных растворах . Оксид свинца (II) дает смешанный оксид при дальнейшем окислении, Pb3O4. Он описывается как оксид свинца (II, IV) или структурно 2PbO·PbO2 и является наиболее известным смешанным валентным соединением свинца. Двуокись свинца является сильным окислителем, способным окислять хлористоводородную кислоту до газообразного хлора. Это связано с тем, что ожидаемый PbCl4, который будет производиться, нестабилен и спонтанно разлагается до PbCl2 и Cl2. Аналогично монооксиду свинца, диоксид свинца способен образовывать вспененные анионы. Дисульфид свинца и диселенид свинца устойчивы при высоких давлениях. Тетрафторид свинца, желтый кристаллический порошок, стабилен, но в меньшей степени, чем дифторид. Тетрахлорид свинца (желтое масло) разлагается при комнатной температуре, тетрабромид свинца еще менее стабилен, а существование тетрайодида свинца оспаривается.
Другие состояния окисления
Некоторые соединения свинца существуют в формальных состояниях окисления, отличных от +4 или +2. Свинец (III) может быть получен в качестве промежуточного соединения между свинцом (II) и свинцом (IV) в более крупных органолептических комплексах; это состояние окисления нестабильно, так как и ион свинца (III), и более крупные комплексы, содержащие его, являются радикалами. То же самое относится и к свинцу (I), который можно найти в таких видах. Известны многочисленные смешанные оксиды свинца (II, IV). Когда PbO2 нагревается на воздухе, он становится Pb12O19 при 293 °C, Pb12O17 при 351 °C, Pb3O4 при 374 °C и, наконец, PbO при 605 °C. Еще один полуторный оксид Pb2O3 может быть получен при высоком давлении наряду с несколькими нестехиометрическими фазами. Многие из них показывают дефектные структуры флюорита, в которых некоторые атомы кислорода заменяются пустотами: PbO можно рассматривать как имеющий такую структуру, причем каждый альтернативный слой атомов кислорода отсутствует. Отрицательные состояния окисления могут возникать как фазы Цинтля, как либо в случае Ba2Pb, причем свинец формально представляет собой свинец (-IV), или как в случае чувствительных к кислороду кольцеобразных или полиэдрических кластерных ионов, таких как тригональный бипирамидный ион Pb52-i, где два свинцовых атома – свинец (- I), а три – свинец (0). В таких анионах, каждый атом находится на полиэдральной вершине и вносит два электрона в каждую ковалентную связь по краю от их sp3-гибридных орбиталей, а остальные два являются внешней одиночной парой. Они могут быть сформированы в жидком аммиаке путем восстановления свинца натрием.
Свинецорганическое соединение
Свинец может образовывать многосвязные цепи, и это свойство он разделяет с более легким своим гомологом, углеродом. Его способность к этому намного меньше, потому что энергия связи Pb-Pb в три с половиной раза ниже, чем у C-C-связи. Сам с собой, свинец может строить металло-металлические связи до третьего порядка. С углеродом, свинец формирует свинецорганические соединения, сходные с, но обычно менее стабильные, чем типичные органические соединения (из-за слабости связи Pb-C). Это делает металлоорганическую химию свинца гораздо менее широкой, чем у олова. Свинец преимущественно образует органические соединения (IV), даже если это образование начинается с неорганических реагентов свинца (II); известно очень мало соединений органолата (II). Наиболее хорошо охарактеризованными исключениями являются Pb 2 и Pb (η5-C5H5)2. Свинцовый аналог простейшего органического соединения, метан, является плюмбаном. Плюмбан может быть получен в реакции между металлическим свинцом и атомарным водородом. Два простых производных, тетраметиладин и тетраэтилэлид, являются наиболее известными свинецорганическими соединениями. Эти соединения являются относительно стабильными: тетраэтилэлид начинает разлагаться только при 100 °С или при воздействии солнечного света или ультрафиолетового излучения. (Тетрафенилсвинец еще более термически устойчив, разлагаясь при 270 °C). С натрием-металлом, свинец легко образует эквимолярный сплав, который реагирует с алкилгалогенидами с образованием металлоорганических соединений, таких как тетраэтилэлид. Окислительная природа многих органоорганических соединений также используется: тетраацетат свинца является важным лабораторным реагентом для окисления в органической химии, а тетраэтилэлид производился в больших количествах, чем любое другое металлоорганическое соединение . Другие органические соединения менее химически стабильны. Для многих органических соединений не существует свинцового аналога.
Происхождение и распространенность
В космосе
Распространенность свинца на частицу в Солнечной системе составляет 0,121 чнм (частей на миллиард). Эта цифра в два с половиной раза выше, чем у платины, в восемь раз выше, чем у ртути, и в 17 раз выше, чем у золота. Количество свинца во Вселенной медленно увеличивается, поскольку самые тяжелые атомы (все из которых нестабильны) постепенно распадаются на свинец. Обилие свинца в Солнечной системе с момента её образования 4,5 миллиарда лет назад увеличилось примерно на 0,75%. Таблица численности изотопов солнечной системы показывает, что свинец, несмотря на его относительно высокий атомный номер, более распространен, чем большинство других элементов с атомными числами больше 40. Изначальный свинец, который содержит изотопы свинца-204, свинца-206, свинца-207 и свинца-208-, в основном, были созданы в результате повторяющихся процессов захвата нейтронов, происходящих в звездах. Двумя основными режимами захвата являются s- и r-процессы. В s-процессе (s означает «медленный»), захваты разделяются годами или десятилетиями, позволяя менее стабильным ядрам проходить бета-распад. Устойчивое ядро таллия-203 может захватить нейтрон и стать таллием-204; это вещество подвергается бета-распаду, давая стабильный свинец-204; при захвате другого нейтрона, он становится свинцом-205, период полураспада которого составляет около 15 миллионов лет. Дальнейшие захваты приводят к образованию свинца-206, свинца-207 и свинца-208. При захвате другого нейтрона, свинец-208 становится свинцом-209, который быстро распадается на висмут-209. При захвате другого нейтрона, висмут-209 становится висмутом-210, бета которого распадается на полоний-210, а альфа распадается на свинец-206. Цикл, следовательно, заканчивается у свинца-206, свинца-207, свинца-208 и висмута-209. В r-процессе (r означает «быстрый»), захваты бывают быстрее, чем ядра могут распадаться. Это происходит в средах с высокой плотностью нейтронов, таких как сверхновая или слияние двух нейтронных звезд. Поток нейтронов может быть порядка 1022 нейтронов на квадратный сантиметр в секунду. R-процесс не формирует столько же свинца, сколько s-процесс. Он имеет тенденцию останавливаться, как только нейтрон-богатые ядра достигают 126 нейтронов. В этот момент, нейтроны располагаются в полных оболочках в атомном ядре, и становится сложнее энергетически вместить большее их количество. Когда поток нейтронов спадает, их бета-ядра распадаются на стабильные изотопы осмия, иридия и платины.
На Земле
Свинец классифицируется как халькофил по классификации Гольдшмидта, что означает, что он обычно встречается в сочетании с серой. Он редко встречается в своей естественной металлической форме. Многие минералы свинца относительно легки и, в течение истории Земли, остались в коре, а не погружались глубже в недра Земли. Это объясняет относительно высокий уровень содержания свинца в коре, 14 чнм; это 38-й наиболее распространенный элемент в коре. Основным свинцовым минералом является галенит (PbS), который, в основном, содержится в цинковых рудах. Большинство других минералов свинца в какой-то мере связаны с галенитом; буланжерит, Pb5Sb4S11, представляет собой смешанный сульфид, полученный из галенита; англезит, PbSO4, является продуктом окисления галенита; а серусит или белая свинцовая руда, PbCO3, является продуктом разложения галенита. Мышьяк, олово, сурьма, серебро, золото, медь и висмут являются распространенными примесями в свинцовых минералах. Мировые ресурсы свинца превышают 2 миллиарда тонн. Значительные запасы свинца были обнаружены в Австралии, Китае, Ирландии, Мексике, Перу, Португалии, России и США. Глобальные резервы – ресурсы, которые экономически целесообразно добывать – в 2015 году составили 89 млн. тонн, 35 млн из которых находятся в Австралии, 15,8 млн – в Китае, и 9,2 млн. – в России. Типичные фоновые концентрации свинца не превышают 0,1 мкг / м3 в атмосфере; 100 мг / кг в почве; и 5 мкг / л в пресной воде и морской воде.
Этимология
Современное английское слово «lead» (свинец) имеет германское происхождение; оно происходит из среднеанглийского и староанглийского языка (со знаком долготы над гласным «е», означающим, что гласный звук этой буквы длинный). Староанглийское слово происходит от гипотетического реконструированного протогерманского *lauda- («lead»). Согласно принятой лингвистической теории, это слово «родило» потомков на нескольких германских языках с точно таким же значением. Происхождение протогерманского *lauda не однозначно в лингвистическом сообществе. Согласно одной из гипотез, это слово является производным от протоиндоевропейского *lAudh- («свинец»). Согласно другой гипотезе, это слово заимствовано из прото-кельтского * ɸloud-io- («свинец»). Это слово связано с латинским plumbum, который давал этому элементу химический символ Pb. Слово *ɸloud-io- также может быть источником протогерманского *bliwa- (что также означает «свинец»), из которого вытекает немецкое Blei. Название химического элемента не связано с глаголом такого же написания, полученного из протогерманского *layijan- («to lead»).
История
Предыстория и ранняя история
Металлические свинцовые бусины, относящиеся к 7000-6500 г. до н.э., найденные в Малой Азии, могут представлять собой первый пример плавки металлов. В то время, у свинца было несколько применений (если вообще было) из-за его мягкости и блеклого внешнего вида. Основной причиной распространения производства свинца была его связь с серебром, которое может быть получено путем сжигания галенита (общего свинцового минерала). Древние египтяне первыми использовали свинец в косметике, что распространилось на Древнюю Грецию и за ее пределы. Египтяне, возможно, использовали свинец в качестве грузила в рыболовных сетях, а также при изготовлении глазури, очков, эмали и украшений. Различные цивилизации Плодородного Полумесяца использовали свинец в качестве письменного материала, как валюту и в строительстве. Свинец использовался в древнекитайском королевском дворе в качестве стимулятора, в качестве валюты и в качестве противозачаточного средства. В цивилизации долины Инда и у мезоамериканцев, свинец использовался для изготовления амулетов; восточные и южноафриканские народы использовали свинец при волочении проволоки.
Классическая эпоха
Поскольку серебро широко использовалось в качестве декоративного материала и средства обмена, свинцовые отложения стали обрабатываться в Малой Азии с 3000 г. до н.э.; позже месторождения свинца были разработаны в Эгейском и Лорионском районах. Эти три региона, в совокупности, доминировали в производстве добытого свинца до приблизительно 1200 г. до н.э. С 2000 года до н.э., финикийцы работали на месторождениях на Иберийском полуострове; к 1600 г. до н.э. добыча свинца существовала на Кипре, в Греции и на Сицилии . Территориальная экспансия Рима в Европе и Средиземноморье, а также развитие горной промышленности привели к тому, что эта область стала крупнейшим производителем свинца в классическую эпоху, при этом ежегодный объем производства достиг 80000 тонн. Как и их предшественники, римляне получали свинец, главным образом, как побочный продукт плавки серебра. Ведущими добытчиками были Центральная Европа, Британия, Балканы, Греция, Анатолия и Испания, на долю которых приходится 40% мирового производства свинца. Свинец использовался для изготовления водопроводных труб в Римской империи; латинское слово, обозначающее этот металл, plumbum, является источником английского слова «plumbing» (сантехника). Легкость в обращении с данным металлом и его устойчивость к коррозии обеспечили его широкое применение в других областях, включая фармацевтические препараты, кровельные материалы, валюту и военное обеспечение. Писатели того времени, такие как Катон-старший, Колумелла и Плиний Старший, рекомендовали свинцовые сосуды для приготовления подсластителей и консервантов, добавленных к вину и пище. Свинец давал приятный вкус из-за образования «сахара свинца» (ацетат свинца (II), тогда как медные или бронзовые сосуды могли придать пище горький вкус из-за образования вердигров. Этот металл был, безусловно, наиболее распространенным материалом в классической древности, и уместно сослаться на (римскую) Свинцовую Эру. Свинец для римлян находился в столь же широком употреблении, как для нас пластик. Римский автор Витрувий сообщил об опасностях, которые свинец может представлять для здоровья, и современные авторы предположили, что отравление свинцом сыграло важную роль в упадке Римской империи. [l] Другие исследователи критиковали такие утверждения, указывая, например, что не все боли в животе были вызваны отравлением свинцом. Согласно археологическим исследованиям, римские свинцовые трубы увеличили уровни свинца в водопроводной воде, но такой эффект «вряд ли был бы действительно вредным». Жертв отравления свинцом стали называть «сатурнинами», в честь страшного отца богов Сатурна. По ассоциации с этим, свинец считался «отцом» всех металлов. Его статус в римском обществе был низким, поскольку он был легко доступенным и дешевым.
Путаница с оловом и сурьмой
В классическую эпоху (и даже до XVII века), олово часто не отличали от свинца: римляне называли свинец plumbum nigrum («черный свинец»), а олово – plumbum candidum («светлый свинец»). Связь свинца и олова можно проследить и в других языках: слово «olovo» на чешском языке означает «свинец», но на русском языке родственное олово означает «олово». Кроме этого, свинец имеет близкое отношение к сурьме: оба элемента обычно встречаются в виде сульфидов (галена и стибнит), часто вместе. Плиний неправильно написал, что стибнит дает при нагревании свинец вместо сурьмы. В таких странах, как Турция и Индия, первоначально персидское название сурьмы относилось к сульфиду сурьмы или сульфиду свинца, а на некоторых языках, таких как русский, называлось сурьмой.
Средние века и Ренессанс
Добыча свинца в Западной Европе сократилась после падения Западной Римской империи, причем Аравийская Иберия была единственным регионом, имеющим значительный выход свинца. Наибольшее производство свинца наблюдалось в Южной и Восточной Азии, особенно в Китае и Индии, где добыча свинца сильно увеличивалась. В Европе, производство свинца начало возрождаться только в 11 и 12 веках, где свинец снова начал использоваться для кладки кровли и трубопроводов. Начиная с 13-го века, свинец использовался для создания витражей. В европейских и арабских традициях алхимии, свинец (символ Сатурна в европейской традиции) считался нечистым базовым металлом, который путем разделения, очистки и балансировки его составных частей мог быть преобразован в чистое золото. В течение этого периода, свинец все чаще использовался для загрязнения вина. Использование такого вина было запрещено в 1498 году приказом Папы, поскольку оно считалось непригодным для использования в священных обрядах, но его продолжали пить, что приводило к массовым отравлениям вплоть до конца 18-го века. Свинец был ключевым материалом в частях печатного станка, который был изобретен около 1440 года; печатные рабочие обычно вдыхали свинцовую пыль, что вызывало отравления свинцом. Огнестрельное оружие было изобретено примерно в то же время, и свинец, несмотря на то, что был дороже железа, стал основным материалом для изготовления пуль. Он был менее опасен для железных орудийных стволов, имел более высокую плотность (что способствовало лучшему удержанию скорости), а его более низкая точка плавления упрощала производство пуль, поскольку они могли быть изготовлены с использованием древесного огня. Свинец, в виде венецианской керамики, широко использовался в косметических средствах среди западноевропейской аристократии, поскольку отбеленные лица считались признаком скромности . Эта практика позже расширилась до белых париков и карандашей для глаз и исчезла только во время французской революции, в конце 18 века. Подобная мода появилась в Японии в XVIII веке с появлением гейш, практика, которая продолжалась в течение 20-го века. «Белые лица воплощали добродетель японских женщин», при этом в качестве отбеливателя обычно использовался свинец.
За пределами Европы и Азии
В Новом Свете, свинец стал производиться вскоре после прибытия европейских поселенцев. Самое раннее зарегистрированное производство свинца датируется 1621 годом в английской колонии Вирджиния, спустя четырнадцать лет после её основания. В Австралии, первая шахта, открытая колонистами на континенте, была ведущей шахтой в 1841 году. В Африке, добыча и плавка свинца были известны в Бенуэ-Тауре и нижнем бассейне Конго, где свинец использовался для торговли с европейцами и в качестве валюты к 17 веку, задолго до борьбы за Африку.
Промышленная революция
Во второй половине 18 века, в Британии, а затем и в континентальной Европе и Соединенных Штатах, произошла индустриальная революция. Это был первый случай, когда темпы производства свинца где-либо в мире превысили темпы производства свинца в Риме . Британия была ведущим производителем свинца, однако, она потеряла этот статус к середине 19-го века с истощением своих шахт и с развитием добычи свинца в Германии, Испании и Соединенных Штатах. К 1900 году, Соединенные Штаты были лидерами мирового производства свинца, а другие неевропейские страны – Канада, Мексика и Австралия – начали значительное производство свинца; производство за пределами Европы увеличилось. Значительная доля спроса на свинец приходилась на водопровод и краски – свинцовые краски тогда регулярно использовались. В это время больше людей (рабочий класс) контактировали с металлами и увеличивались случаи отравления свинцом. Это привело к исследованию влияния потребления свинца на организм. Свинец оказался более опасным в своей дымовой форме, чем твердый металл. Была обнаружена связь между отравлением свинцом и подагрой; британский врач Альфред Баринг Гаррод отметил, что треть его пациентов с подагрой были водопроводчиками и художниками. Последствия постоянного попадания свинца в организм, включая психические расстройства, также изучались в XIX веке. Первые законы, направленные на снижение случаев отравления свинцом на фабриках, были введены в действие в 1870-х и 1880-х годах в Соединенном Королевстве.
Новое время
Дальнейшие свидетельства угрозы, которая связана со свинцом, были обнаружены в конце 19-го и начале 20-го веков. Механизмы вреда были лучше поняты, а также была задокументирована свинцовая слепота. Страны Европы и США приступили к усилиям по сокращению количества свинца, с которым люди вступали в контакт. В 1878 году Соединенное Королевство ввело обязательные обследования на фабриках и назначило первого медицинского инспектора заводов в 1898 году; в результате сообщалось о 25-кратном сокращении случаев отравления свинцом с 1900 по 1944 годы. Последним основным воздействием свинца на человека было добавление тетраэтилового эфира к бензину в качестве антидетонационного вещества, практика, которая появилась в Соединенных Штатах в 1921 году. Она была постепенно прекращена в Соединенных Штатах и Европейском союзе к 2000 году. Большинство европейских стран запретили свинцовую краску, обычно используемую из-за ее непрозрачности и водонепроницаемости для украшения интерьеров к 1930 году. Воздействие было значительным: в последней четверти 20-го века процент людей с избыточным уровнем свинца в крови снизился с более чем трех четвертей населения Соединенных Штатов до немногим более двух процентов. Основным продуктом из свинца к концу 20-го века была свинцово-аккумуляторная батарея, которая не представляла непосредственной угрозы для человека. С 1960 по 1990 годы производство свинца в Западном блоке выросло на треть. Доля мирового производства свинца в Восточном блоке увеличилась втрое с 10% до 30% с 1950 по 1990 годы, когда Советский Союз был крупнейшим в мире производителем свинца в середине 1970-х и 1980-х годов, а Китай начал обширное производство свинца в конце 20-го века. В отличие от европейских коммунистических стран, в середине 20-го века Китай был, в основном, неиндустриализированой страной; в 2004 году Китай превзошел Австралию как крупнейшего производителя свинца. Как и в случае европейской индустриализации, свинец негативно сказался на здоровье в Китае.
Производство
Производство свинца увеличивается во всем мире из-за его использования в свинцово-аккумуляторных батареях. Существуют две основные категории продукции: первичные, из руд; и вторичные, от лома. В 2014 году, из первичной продукции было произведено 4,58 млн. тонн свинца, а из вторичной – 5,64 млн. тонн. В этом году, тройку ведущих производителей добытого свинцового концентрата возглавили Китай, Австралия и Соединенные Штаты. Тройку производителей рафинированного свинца возглавили Китай, США и Южная Корея. Согласно докладу Международной ассоциации экспертов по металлам, сделанном в 2010 году, общий объем использования свинца, накопленный, выброшенный или рассеянный в окружающую среду на глобальном уровне на душу населения, составляет 8 кг. Значительная часть из этого объема приходится на более развитые страны (20-150 кг на душу населения), а не на менее развитые страны (1-4 кг на душу населения). Производственные процессы для первичного и вторичного свинца аналогичны. Некоторые первичные производственные заводы в настоящее время дополняют свою деятельность листами свинца, и эта тенденция, вероятно, будет увеличиваться в будущем. При адекватных методах производства, вторичный свинец неотличим от первичного свинца. Отходы металлолома от строительной торговли обычно довольно чисты и повторно расплавляются без необходимости плавки, хотя иногда требуется перегонка. Таким образом, производство вторичного свинца является более дешевым с точки зрения энергетических потребностей, чем производство первичного свинца, часто на 50% и более.
Основное
Большинство свинцовых руд содержат низкий процент свинца (богатые руды имеют типичное содержание свинца 3-8%), который должен быть сконцентрирован для извлечения. Во время первоначальной обработки, руды обычно подвергаются дроблению, отделению плотных сред, шлифованию, пенной флотации и сушке. Полученный концентрат с содержанием свинца 30-80% по массе (обычно 50-60%) затем превращается в (нечистый) свинцовый металл. Существует два основных способа сделать это: двухступенчатый процесс, включающий обжиг с последующим извлечением из доменной печи, осуществляемый в отдельных сосудах; или прямой процесс, в котором экстракция концентрата происходит в одном сосуде. Последний способ стал более распространенным, хотя первый по-прежнему значителен.
Двухстадийный процесс
Во-первых, сульфидный концентрат обжаривается на воздухе для окисления сульфида свинца: 2 PbS + 3 O2 → 2 PbO + 2 SO2 Первоначальный концентрат не был чистым сульфидом свинца, и обжиг дает оксид свинца и смесь сульфатов и силикатов свинца и других металлов, содержащихся в руде. Этот неочищенный оксид свинца восстанавливается в коксовой печи до (опять же нечистого) металла: 2 PbO + C → Pb + CO2 . Примеси, в основном, представляют собой мышьяк, сурьму, висмут, цинк, медь, серебро и золото. Расплав обрабатывают в реверберационной печи воздухом, паром и серой, которая окисляет примеси, за исключением серебра, золота и висмута. Окисленные загрязняющие вещества плавают в верхней части расплава и снимаются. Металлическое серебро и золото удаляются и извлекаются экономически с помощью процесса Паркса, в который цинк добавляется к свинцу. Цинк растворяет серебро и золото, оба из которых, не смешиваясь в свинце, могут быть разделены и извлечены. Обессеребрянный свинец освобождается висмутом методом Беттертона-Кролла, обрабатывая его металлическим кальцием и магнием. Полученные висмутсодержащие шлаки могут быть сняты. Очень чистый свинец может быть получен путем электролитической обработки плавленого свинца с использованием процесса Беттса. Аноды нечистого свинца и катоды чистого свинца помещают в электролит фторосиликата свинца (PbSiF6). После применения электрического потенциала, нечистый свинец на аноде растворяется и накладываются на катод, оставляя подавляющее большинство примесей в растворе.
Прямой процесс
В этом процессе, свинцовый слиток и шлак получают непосредственно из свинцовых концентратов. Сульфидный концентрат свинца расплавляется в печи и окисляется, образуя монооксид свинца. Углерод (кокс или угольный газ) добавляется к расплавленному заряду вместе с флюсами. Таким образом, монооксид свинца восстанавливается до металлического свинца в середине шлака, богатого монооксидом свинца. До 80% свинца в высококонцентрированных исходных концентратах можно получить в виде слитков; остальные 20% образуют шлак, богатый монооксидом свинца. Для низкосортного сырья, весь свинец может быть окислен до высокосортного шлака. Металлический свинец далее получают из высокосортных (25-40%) шлаков с помощью сжигания или впрыскивания с подводным топливом, с помощью вспомогательной электропечи или комбинации обоих методов.
Альтернативы
Продолжаются исследования более чистого и менее энергоемкого процесса добычи свинца; основным его недостатком является то, что либо слишком много свинца теряется в качестве отходов, либо альтернативные методы приводят к высокому содержанию серы в полученном свинцовом металле. Гидрометаллургическая экстракция, в которой аноды нечистого свинца погружены в электролит, и чистый свинец осаждаются на катод, является методом, который может иметь потенциал.
Вторичный метод
Плавление, являющееся неотъемлемой частью первичной продукции, часто пропускается во время вторичного производства. Это происходит только тогда, когда металлический свинец подвергся значительному окислению. Этот процесс аналогичен процессу первичной добычи в доменной печи или роторной печи, причем существенным отличием является большая изменчивость выходов. Процесс выплавки свинца – это более современный метод, который может выступать в качестве продолжения первичной продукции; аккумуляторная паста из отработанных свинцово-аккумуляторных батарей удаляет серу, обрабатывая ее щелочью, и затем обрабатывается в печи с угольным топливом в присутствии кислорода, что приводит к образованию нечистого свинца, причем сурьма является наиболее распространенной примесью. Переработка вторичного свинца аналогична переработке первичного свинца; Некоторые процессы очистки могут быть пропущены в зависимости от переработанного материала и его потенциального загрязнения, причем висмут и серебро чаще всего принимаются в качестве примесей. Из источников свинца для утилизации, свинцово-аккумуляторные батареи являются наиболее важными источниками; свинцовая труба, лист и оболочка кабеля также являются значительными.
Применения
Вопреки распространенному мнению, графит в деревянных карандашах никогда не делался из свинца. Когда карандаш был создан как инструмент для намотки графита, конкретный тип используемого графита был назван plumbago (в буквальном смысле – для свинца или свинцового макета).
Элементарная форма
Металл свинца имеет несколько полезных механических свойств, включая высокую плотность, низкую температуру плавления, пластичность и относительную инертность. Многие металлы превосходят свинец в некоторых из этих аспектов, но, как правило, они менее распространены и их труднее извлекать из руд. Токсичность свинца привела к поэтапному отказу от некоторых видов его использования. Свинец использовался для изготовления пуль с момента их изобретения в средние века. Свинец недорог; его низкая температура плавления означает, что стрелковые боеприпасы могут быть отлиты с минимальным использованием технического оборудования; кроме того, свинец плотнее других обычных металлов, что позволяет лучше удерживать скорость. Были высказаны опасения, что свинцовые пули, используемые для охоты, могут нанести вред окружающей среде. Его высокая плотность и устойчивость к коррозии были использованы в ряде связанных применений. Свинец используется в качестве киля на кораблях. Его вес позволяет ему уравновешивать эффект взвода ветра на парусах; будучи настолько плотным, он занимает небольшой объем и минимизирует водостойкость. Свинец используется при подводных погружениях, чтобы противостоять способности дайвера держаться на поверхности. В 1993 году, базу Пизанской башни в Пизе стабилизировали с помощью 600 тонн свинца. Из-за своей коррозионной стойкости, свинец используется как защитная оболочка для подводных кабелей. Свинец используется в архитектуре. Листы свинца используются в качестве кровельных материалов, при облицовке, оплавлении, при изготовлении водосточных желобов и соединений водосточных труб, а также парапетов на крыше. Свинцовые молдинги используются в качестве декоративного материала для фиксации свинцовых листов. Свинец все еще используется при изготовлении статуй и скульптур. В прошлом, свинец часто использовался для балансировки колес автомобилей; по экологическим причинам, это использование постепенно прекращается. Свинец добавляется к медным сплавам, таким как латунь и бронза, для улучшения их обрабатываемости и смазочных свойств. Будучи практически нерастворимым в меди, свинец образует твердые глобулы в несовершенствах по всему сплаву, такие как границы зерен. В низких концентрациях, а также в качестве смазки, глобулы препятствуют образованию стружки при работе сплава, тем самым улучшая обрабатываемость. В подшипниках используются медные сплавы с большей концентрацией свинца. Свинец обеспечивает смазку, а медь обеспечивает несущую опору. Благодаря своей высокой плотности, атомному номеру и формуемости, свинец используется в качестве барьера, поглощающего звук, вибрацию и излучение. Свинец не имеет естественных резонансных частот, в результате, лист свинца используется в качестве звукоизоляционного слоя в стенах, полах и потолках звуковых студий. Органические трубы часто изготавливаются из свинцового сплава, смешанного с различными количествами олова, чтобы контролировать тон каждой трубы. Свинец – это защитный материал, используемый от излучения в ядерной науке и в рентгеновских камерах: гамма-лучи поглощаются электронами. Атомы свинца плотно упакованы и плотность их электронов велика; большой атомный номер означает, что на атом приходится много электронов. Расплавленный свинец использовался в качестве охлаждающей жидкости для быстрых реакторов со свинцовым охлаждением. Наибольшее использование свинца наблюдалось в начале XXI века в свинцово-аккумуляторных батареях. Реакции в батарее между свинцом, диоксидом свинца и серной кислотой обеспечивают надежный источник напряжения. Свинец в батареях не подвергается непосредственному контакту с людьми, поэтому связан с меньшей угрозой токсичности. Суперконденсаторы, содержащие свинцово-аккумуляторные батареи, были установлены в киловаттах и мегаваттах в Австралии, Японии и США в области частотного регулирования, сглаживания солнечной энергии и для других применений. Эти батареи имеют более низкую плотность энергии и эффективность разряда заряда, чем литий-ионные батареи, но значительно дешевле. Свинец используется в высоковольтных силовых кабелях в качестве материала оболочки для предотвращения диффузии воды при теплоизоляции; такое использование уменьшается по мере постепенного прекращения использования свинца. В некоторых странах также сокращается использование свинца в припоях для электроники, чтобы уменьшить количество экологически опасных отходов. Свинец является одним из трех металлов, используемых в тесте Одди для музейных материалов, помогая обнаружить органические кислоты, альдегиды и кислые газы.
Соединения
Соединения свинца используются в качестве или в составе красящих агентов, окислителей, пластика, свечей, стекла и полупроводников. Красители на основе свинца используются в керамической глазури и стекле, особенно для красных и желтых оттенков. В качестве окислителей в органической химии используют тетраацетат свинца и диоксид свинца. Свинец часто используется в поливинилхлоридных покрытиях электрических шнуров. Его можно использовать для обработки свечных фитилей, чтобы обеспечить более продолжительное, более равномерное сжигание. Из-за токсичности свинца, европейские и североамериканские производители используют такие альтернативы, как цинк. Стекло свинца состоит из 12-28% оксида свинца. Он изменяет оптические характеристики стекла и уменьшает передачу ионизирующего излучения. Свинцовые полупроводники, такие как теллурид свинца, селенид свинца и антимонид свинца, используются в фотогальванических элементах и инфракрасных детекторах.
Биологические и экологические эффекты
Биологические эффекты
Свинец не имеет подтвержденной биологической роли. Его распространенность в организме человека, в среднем, составляет 120 мг у взрослого человека – его распространенность превосходит только цинк (2500 мг) и железо (4000 мг) среди тяжелых металлов. Соли свинца очень эффективно поглощаются телом. Небольшое количество свинца (1%) будет храниться в костях; остальное будет выводиться с мочой и фекалиями в течение нескольких недель после воздействия. Ребенок будет способен выводить из организма только около трети свинца. Постоянное воздействие свинца может привести к биоаккумуляции свинца.
Токсичность
Свинец – чрезвычайно ядовитый металл (при вдыхании или проглатывании), затрагивающий почти каждый орган и систему в организме человека. При уровне в воздухе 100 мг / м3, он представляет собой немедленную опасность для жизни и здоровья. Свинец быстро всасывается в кровоток. Основной причиной его токсичности является его склонность вмешиваться в правильное функционирование ферментов. Он делает это путем связывания с сульфгидрильными группами, обнаруженными на многих ферментах, или имитирует и вытесняет другие металлы, которые действуют как кофакторы во многих ферментативных реакциях. Среди основных металлов, с которыми взаимодействует свинец, находятся кальций, железо и цинк. Высокие уровни кальция и железа, как правило, обеспечивают некоторую защиту от отравления свинцом; низкие уровни вызывают повышенную восприимчивость.
Эффекты
Свинец может нанести серьезный ущерб мозгу и почкам и, в конечном счете, привести к смерти. Как и кальций, свинец может пересекать гематоэнцефалический барьер. Он разрушает миелиновые оболочки нейронов, уменьшает их количество, препятствует пути нейротрансмиссии и уменьшает рост нейронов. Симптомы отравления свинцом включают нефропатию, коликовые боли в животе и, возможно, слабость в пальцах, запястьях или лодыжках. Малое кровяное давление увеличивается, особенно у людей среднего и старшего возраста, что может вызывать анемию. У беременных женщин, высокий уровень воздействия свинца может вызывать выкидыш. Было показано, что хроническое воздействие высоких уровней свинца снижает фертильность у мужчин. В развивающемся мозге ребенка, свинец препятствует образованию синапсов в коре головного мозга, нейрохимическому развитию (в том числе нейротрансмиттеров) и организации ионных каналов. Раннее воздействие свинца на детей связано с повышенным риском нарушений сна и чрезмерной дневной сонливости в более позднем детском возрасте. Высокий уровень свинца в крови связан с задержкой полового созревания у девочек. Увеличение и снижение воздействия переносимого по воздуху свинца от сжигания тетраэтилсвинца в бензине в течение 20-го века связано с историческим ростом и снижением уровня преступности, однако, эта гипотеза не является общепринятой.
Лечение
Лечение отравления свинцом обычно включает введение димеркапрола и сукцимера. Острые случаи могут потребовать использования динатрия кальция эдетата, хелата кальция динатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТК). Свинец имеет большее сродство к свинцу, чем кальций, в результате чего хелат свинца образуется путем обмена и выводится с мочой, оставляя безвредный кальций.
Источники воздействия
Воздействие свинца является глобальной проблемой, поскольку добыча и плавка свинца распространены во многих странах мира. Отравление свинцом обычно происходит в результате приема пищи или воды, зараженной свинцом, и реже – в результате случайного попадания в организм загрязненной почвы, пыли или краски на основе свинца. Продукты морской воды могут содержать свинец, если вода подвергается воздействию промышленных вод. Плоды и овощи могут быть заражены высоким содержанием свинца в почвах, в которых они выращивались. Почва может быть загрязнена путем накопления твердых частиц из свинца в трубах, свинцовой краске и остаточных выбросов из этилированного бензина. Использование свинца в водопроводных трубах проблематично в районах с мягкой или кислой водой. Твердая вода образует нерастворимые слои в трубах, тогда как мягкая и кислая вода растворяет свинцовые трубы. Растворенный диоксид углерода в перевозимой воде может привести к образованию растворимого бикарбоната свинца; кислородсодержащая вода может аналогичным образом растворять свинец в виде гидроксида свинца (II). Питьевая вода со временем может вызывать проблемы со здоровьем из-за токсичности растворенного свинца. Чем тверже вода, тем больше она будет содержать бикарбоната и сульфата кальция, и тем больше внутренняя часть труб будет покрыта защитным слоем карбоната свинца или сульфата свинца. Проглатывание свинцовой краски является основным источником воздействия свинца на детей. По мере того как краска разрушается, она отслаивается, измельчается в пыль, а затем поступает в организм через контакт с руками или загрязненную пищу, воду или спирт. Проглатывание некоторых народных средств может привести к воздействию свинца или его соединений. Вдыхание – это второй важный путь воздействия свинца, в том числе для курящих, и особенно для работников, занятых свинцом. Сигаретный дым содержит, среди других токсичных веществ, радиоактивный свинец-210. Почти весь вдыхаемый свинец всасывается в тело; для приема внутрь, показатель составляет 20-70%, при этом дети поглощают больше свинца, чем взрослые. Кожное воздействие может быть значительным для узкой категории людей, работающих с органическими соединениями свинца. Скорость поглощения свинца в коже ниже для неорганического свинца.
Экология
Добыча, производство, использование и утилизация свинца и его продуктов вызвали значительное загрязнение почв и вод Земли. Атмосферные выбросы свинца находились на пике во время промышленной революции, а бензиновый период свинца был во второй половине двадцатого века. Повышенные концентрации свинца сохраняются в почвах и отложениях в постиндустриальных и городских районах; промышленные выбросы, в том числе, связанные со сжиганием угля, продолжаются во многих частях мира. Свинец может накапливаться в почвах, особенно с высоким содержанием органических веществ, где он сохраняется в течение от сотен до тысяч лет. Он может занять место других металлов в растениях и может накапливаться на их поверхностях, тем самым замедляя процесс фотосинтеза и предотвращая их рост или убивая их. Загрязнение почв и растений влияет на микроорганизмы и на животных. Пострадавшие животные имеют уменьшенную способность синтезировать эритроциты, что вызывает анемию. Аналитические методы определения свинца в окружающей среде включают спектрофотометрию, рентгеновскую флуоресценцию, атомную спектроскопию и электрохимические методы. Конкретный ион-селективный электрод был разработан на основе ионофора S, S"-метиленбиса (N, N-диизобутилдитиокарбамат).
Ограничение и восстановление
К середине 1980-х годов произошел значительный сдвиг в использовании свинца. В Соединенных Штатах, природоохранные правила сокращают или исключают использование свинца в не-аккумуляторных продуктах, включая бензин, краски, припои и системы водоснабжения. Устройства для контроля твердых частиц могут использоваться на угольных электростанциях для сбора выбросов свинца. Использование свинца еще более ограничено Директивой Европейского союза об ограничении использования опасных веществ. Использование свинцовых пуль для охоты и спортивной стрельбы было запрещено в Нидерландах в 1993 году, что привело к значительному сокращению выбросов свинца с 230 тонн в 1990 году до 47,5 тонн в 1995 году. В Соединенных Штатах Америки, Администрация профессиональной безопасности и здоровья установила допустимый предел воздействия свинца на рабочем месте на уровне 0,05 мг / м3 в течение 8-часового рабочего дня; это относится к металлическому свинцу, неорганическим свинцовым соединениям и свинцовым мылам. Национальный институт безопасности и гигиены труда США рекомендует, чтобы концентрации свинца в крови находились ниже 0,06 мг на 100 г крови. Свинец может все еще встречаться во вредных количествах в керамике, виниле (используемом для прокладки труб и изоляции электрических шнуров) и китайской латуни. В старых домах, все еще может содержаться свинцовая краска. Белая свинцовая краска была выведена из продажи в промышленно развитых странах, но желтый хромат свинца все ещё остается в употреблении. Удаление старой краски путем шлифования дает пыль, которую человек может вдыхать.
Свинец - редкий минерал, самородный металл класса самородных элементов. Ковкий, сравнительно легкоплавкий металл серебристо-белого цвета с синеватым отливом. Известен с глубокой древности. Очень пластичный, мягкий (режется ножом, царапается ногтем). При ядерных реакциях образуются многочисленные радиоактивные изотопы свинца.
Смотрите так же:
СТРУКТУРА
Свинец кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке (а = 4,9389Å), аллотропических модификаций не имеет. Атомный радиус 1,75Å, ионные радиусы: Рb 2+ 1,26Å, Рb 4+ 0,76Å. Двойниковые кристаллы по {111}. Встречается в мелких округлых зёрнах, чешуйках, шариках, пластинках и нитевидных образованиях.
СВОЙСТВА
Свинец имеет довольно низкую теплопроводность, она составляет 35,1 Вт/(м К), при температуре 0 °C. Металл мягкий, режется ножом, легко царапается ногтем. На поверхности он обычно покрыт более или менее толстой плёнкой оксидов, при разрезании открывается блестящая поверхность, которая на воздухе со временем тускнеет. Температура плавления - 600,61 K (327,46 °C), кипит при 2022 K (1749 °C). Относится к группе тяжёлых металлов; его плотность - 11,3415 г/см 3 (+20 °С). С повышением температуры плотность свинца падает. Предел прочности на растяжение - 12-13 МПа (МН/м 2). При температуре 7,26 К становится сверхпроводником.
ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА
Содержание в земной коре - 1,6 10 −3 % по массе. Самородный свинец встречается редко, круг пород, в которых он установлен, достаточно широк: от осадочных пород до ультраосновных интрузивных пород. В этих образованиях он часто образует интерметаллические соединения (например, звягинцевит (Pd,Pt) 3 (Pb,Sn) и др.) и сплавы с другими элементами (например, (Pb + Sn + Sb)). Он входит в состав 80 различных минералов. Важнейшие из них: галенит PbS, церуссит PbCO 3 , англезит PbSO 4 (сульфат свинца); из более сложных - тиллит PbSnS 2 и бетехтинит Pb 2 (Cu,Fe) 21 S 15 , а также сульфосоли свинца - джемсонит FePb 4 Sn 6 S 14 , буланжерит Pb 5 Sb 4 S 11 . Всегда содержится в рудах урана и тория, имея часто радиогенную природу.
Для получения свинца в основном используют руды, содержащие галенит. Сначала методом флотации получают концентрат, содержащий 40-70 процентов свинца. Затем возможно несколько способов переработки концентрата в веркблей (черновой свинец): прежде широко распространённый метод шахтной восстановительной плавки, разработанные в СССР метод кислородно-взвешенной циклонной электротермической плавки свинцово-цинковых продуктов (КИВЦЭТ-ЦС), метод плавки Ванюкова (плавка в жидкой ванне). Для плавки в шахтной (ватержакетной) печи предварительно производят агломерационный обжиг концентрата, а затем его загружают в шахтную печь, где происходит восстановление свинца из оксида.
Веркблей, содержащий более 90 процентов свинца, подвергается дальнейшему очищению. Сначала для удаления меди применяют зейгерование и последующую обработку серой. Затем щелочным рафинированием удаляют мышьяк и сурьму. Далее выделяют серебро и золото с помощью цинковой пены и отгоняют цинк. Обработкой кальцием и магнием удаляют висмут. В результате содержание примесей падает до менее чем 0,2 %[
ПРОИСХОЖДЕНИЕ
Образует вкрапленность в изверженных, главным образом кислых, горных породах, в м-ниях Fe и Мn ассоциирует с магнетитом и гаусманитом. Встречается в россыпях с самородными Au, Pt, Os, Ir.
В природных условиях часто образует крупные залежи свинцово-цинковых или полиметаллических руд стратиформного типа (Холоднинское, Забайкалье), а также скарнового (Дальнегорское (бывшее Тетюхинское), Приморье; Брокен-Хилл в Австралии) типа; галенит часто встречается и в месторождениях других металлов: колчеданно-полиметаллических (Южный и Средний Урал), медно-никелевых (Норильск), урановых (Казахстан), золоторудных и др. Сульфосоли обычно встречаются в низкотемпературных гидротермальных месторождениях с сурьмой, мышьяком, а также в золоторудных месторождениях (Дарасун, Забайкалье). Минералы свинца сульфидного типа имеют гидротермальный генезис, минералы окисного типа часты в корах выветривания (зонах окисления) свинцово-цинковых месторождений. В кларковых концентрациях свинец входит практически во все породы. Единственное место на земле, где в породах больше свинца по сравнению с ураном - Кохистанско-Ладакхская дуга на севере Пакистана.
ПРИМЕНЕНИЕ
Нитрат свинца применяется для производства мощных смесевых взрывчатых веществ. Азид свинца применяется как наиболее широко употребляемый детонатор (инициирующее взрывчатое вещество). Перхлорат свинца используется для приготовления тяжёлой жидкости (плотность 2,6 г/см³), используемой во флотационном обогащении руд, он иногда применяется в мощных смесевых взрывчатых веществах как окислитель. Фторид свинца самостоятельно, а также совместно с фторидом висмута, меди, серебра применяется в качестве катодного материала в химических источниках тока.
Висмутат свинца, сульфид свинца PbS, иодид свинца применяются в качестве катодного материала в литиевых аккумуляторных батареях. Хлорид свинца PbCl 2 в качестве катодного материала в резервных источниках тока. Теллурид свинца PbTe широко применяется в качестве термоэлектрического материала (термо-э.д.с. 350 мкВ/К), самый широкоприменяемый материал в производстве термоэлектрогенераторов и термоэлектрических холодильников. Двуокись свинца PbO 2 широко применяется не только в свинцовом аккумуляторе, но и также на её основе производятся многие резервные химические источники тока, например - свинцово-хлорный элемент, свинцово-плавиковый элемент и другие.
Свинцовые белила, основной карбонат Pb(OH) 2 PbCO 3 , плотный белый порошок, - получается из свинца на воздухе под действием углекислого газа и уксусной кислоты. Использование свинцовых белил в качестве красящего пигмента теперь не так распространено, как ранее, из-за их разложения под действием сероводорода H 2 S. Свинцовые белила применяют также для производства шпатлёвки, в технологии цемента и свинцовокарбонатной бумаги.
Арсенат и арсенит свинца применяют в технологии инсектицидов для уничтожения насекомых - вредителей сельского хозяйства (непарного шелкопряда и хлопкового долгоносика).
Борат свинца Pb(BO 2) 2 H 2 O, нерастворимый белый порошок, используют для сушки картин и лаков, а вместе с другими металлами - в качестве покрытий стекла и фарфора.
Хлорид свинца PbCl 2 , белый кристаллический порошок, растворим в горячей воде, растворах других хлоридов и особенно хлорида аммония NH 4 Cl. Его применяют для приготовления мазей при обработке опухолей.
Хромат свинца PbCrO4 известен как хромовый жёлтый краситель, является важным пигментом для приготовления красок, для окраски фарфора и тканей. В промышленности хромат применяют в основном в производстве жёлтых пигментов.
Нитрат свинца Pb(NO 3) 2 - белое кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде. Это вяжущее ограниченного применения. В промышленности его используют в спичечном производстве, крашении и набивке текстиля, окраске рогов и гравировке.
Поскольку свинец хорошо поглощает γ-излучение, он используется для радиационной защиты в рентгеновских установках и в ядерных реакторах. Кроме того, свинец рассматривается в качестве теплоносителя в проектах перспективных ядерных реакторов на быстрых нейтронах.
Значительное применение находят сплавы свинца. Пьютер (сплав олова со свинцом), содержащий 85-90 % Sn и 15-10 % Pb, формуется, недорог и используется в производстве домашней утвари. Припой, содержащий 67 % Pb и 33 % Sn, применяют в электротехнике. Сплавы свинца с сурьмой используют в производстве пуль и типографского шрифта, а сплавы свинца, сурьмы и олова - для фигурного литья и подшипников. Сплавы свинца с сурьмой обычно применяют для оболочек кабелей и пластин электрических аккумуляторов. Было время, когда на оболочки кабелей шла значительная часть производимого в мире свинца, благодаря хорошим влагозащитным свойствам таких изделий. Однако впоследствии свинец в существенной мере вытеснили из этой области алюминий и полимеры. Так, в странах Запада использование свинца на оболочки кабелей упало с 342 тысяч тонн в 1976 году до 51 тысяч тонн в 2002 году. Соединения свинца используются в производстве красителей, красок, инсектицидов, стеклянных изделий и как добавки к бензину в виде тетраэтилсвинца (C 2 H 5) 4 Pb (умеренно летучая жидкость, пары которой в малых концентрациях имеют сладковатый фруктовый запах, в больших - неприятный запах; Тпл = 130 °C, Ткип = +80 °С/13 мм рт. ст.; плотность 1,650 г/см³; nD2v = 1,5198; не растворяется в воде, смешивается с органическими растворителями; высокотоксичен, легко проникает через кожу; ПДК = 0,005 мг/м³; ЛД50 = 12,7 мг/кг (крысы, перорально)) для повышения октанового числа.
Используется для защиты пациентов от излучения рентгеновских аппаратов.
Свинец (англ. Lead) — Pb
КЛАССИФИКАЦИЯ
| Strunz (8-ое издание) | 1/A.05-20 |
| Nickel-Strunz (10-ое издание) | 1.AA.05 |
| Dana (7-ое издание) | 1.1.21.1 |
| Dana (8-ое издание) | 1.1.1.4 | Hey’s CIM Ref | 1.30 |
Свинец - во многом идеальный металл, ведь он обладает массой важных для промышленности достоинств. Наиболее очевидное из них - сравнительная легкость его получения из руд, которая объясняется низкой температурой плавления (всего 327°С). При обработке важнейшей свинцовой руды - галенита, - металл легко отделяется от серы. Для этого галенит достаточно в смеси с углем обжечь на воздухе..
Из-за высокой пластичности свинец легко куется, прокатывается в листы и проволоку, что позволяет применять его в машиностроительной промышленности для изготовления различных сплавов с другими металлами. Широкой известностью пользуются так называемые баббиты (подшипниковые сплавы свинца с оловом, цинком и некоторыми другими металлами), типографские сплавы свинца с сурьмой и оловом, сплавы свинца с оловом для пайки различных металлов.
Металлический свинец - очень хорошая защита от всех видов радиоактивного излучения и рентгеновских лучей. Он введен в резину фартука и защитных рукавиц врача-рентгенолога, задерживая рентгеновские лучи и предохраняя организм от их губительного действия. Защищает от радиоактивного излучения и стекло, содержащее окислы свинца. Подобное свинцовое стекло позволяет управлять обработкой радиоактивных материалов с помощью "механической руки" - манипулятора.
При воздействии воздуха, воды и различных кислот свинец проявляет большую устойчивость. Это свойство позволяет широко использовать его в электротехнической промышленности, особенно для изготовления аккумуляторов и кабельных рубок. Последние находят широкое применение в авиа- и радиопромышленности. Устойчивость свинца позволяет использовать его и для предохранения от порчи медных проводов телеграфных и телефонных линий. Тонкими свинцовыми листами покрывают железные и медные детали, подвергающиеся химическому воздействию (ванны для электролиза меди, цинка и других металлов).
Свинец и электротехникаОсобенно много свинца потребляет кабельная промышленность, где им предохраняют от коррозии телеграфные и электрические провода при подземной или подводной прокладке. Много свинца идет и на изготовление легкоплавких сплавов (с висмутом, оловом и кадмием) для электрических предохранителей, а также для точной пригонки контактирующих деталей. Но главное, видимо, – это использование свинца в химических источниках тока.
Свинцовый аккумулятор с момента своего создания претерпел много конструктивных изменений, но основа его осталась той же: две свинцовые пластины, погруженные в сернокислый электролит. На пластины нанесена паста из окиси свинца. При зарядке аккумулятора на одной из пластин выделяется водород, восстанавливающий окись до металлического свинца, на другой – кислород, переводящий окись в перекись. Вся конструкция превращается в гальванический элемент с электродами из свинца и перекиси свинца. В процессе разрядки перекись раскисляется, а металлический свинец превращается в окись. Эти реакции сопровождаются возникновением электрического тока, который будет течь по цепи до тех пор, пока электроды не станут одинаковыми – покрытыми окисью свинца.
Производство щелочных аккумуляторов достигло в наше время гигантских размеров, но оно не вытеснило аккумуляторы свинцовые. Последние уступают щелочным в прочности, они тяжелее, но зато дают ток большего напряжения. Так, для питания автостартера нужно пять кадмиево-никелевых аккумуляторов или три свинцовых.
Аккумуляторная промышленность – один из самых емких потребителей свинца.
Можно, пожалуй, сказать и то, что свинец находился у истоков современной электронно-вычислительной техники.
Свинец был одним из первых металлов, переведенных в состояние сверхпроводимости. Кстати, температура, ниже которой этот металл приобретает способность пропускать электрический ток без малейшего сопротивления, довольно высока – 7,17°K. (Для сравнения укажем, что у олова она равна 3,72, у цинка – 0,82, у титана – всего 0,4°K). Из свинца была сделана обмотка первого сверхпроводящего трансформатора, построенного в 1961 г.
На сверхпроводимости свинца основан один из самых эффектных физических «фокусов», впервые продемонстрированный в 30-х годах советским физиком В.К. Аркадьевым.
По преданию, гроб с телом Магомета висел в пространстве без опор. Из трезвомыслящих людей никто, конечно, этому не верит. Однако в опытах Аркадьева происходило нечто подобное: небольшой магнитик висел без какой-либо опоры над свинцовой пластинкой, находившейся в среде жидкого гелия, т.е. при температуре 4,2°K, намного меньшей, чем критическая для свинца.
Известно, что при изменении магнитного поля в любом проводнике возникают вихревые токи (токи Фуко). В обычных условиях они быстро гасятся сопротивлением. Но, если сопротивления нет (сверхпроводимость!), эти токи не затухают и, естественно, сохраняется созданное ими магнитное поле. Магнитик над свинцовой пластинкой имел, разумеется, свое поле и, падая на нее, возбуждал магнитное поле от самой пластинки, направленное навстречу полю магнита, и оно отталкивало магнит. Значит, задача сводилась к тому, чтобы подобрать магнитик такой массы, чтобы его могла удержать на почтительном расстоянии эта сила отталкивания.
В наше время сверхпроводимость – огромнейшая область научных исследований и практического приложения. Говорить о том, что она связана только со свинцом, конечно нельзя. Но значение свинца в этой области не исчерпывается приведенными примерами.
Один из лучших проводников электричества – медь – никак не удается перевести в сверхпроводящее состояние. Почему это так, у ученых еще нет единого мнения. В экспериментах по сверхпроводимости меди отведена роль электроизолятора. Но сплав меди со свинцом используют в сверхпроводниковой технике. В температурном интервале 0,1...5°K этот сплав проявляет линейную зависимость сопротивления от температуры. Поэтому его используют в приборах для измерения исключительно низких температур.
Свинец и транспортИ эта тема складывается из нескольких аспектов. Первый – это антифрикционные сплавы на основе свинца. Наряду с общеизвестными баббитами и свинцовыми бронзами, антифрикционным сплавом часто служит свинцово-кальциевая лигатура (3...4% кальция). То же назначение имеют и некоторые припои, отличающиеся низким содержанием олова и, в отдельных случаях, добавкой сурьмы. Все более важную роль начинают играть сплавы свинца с таллием. Присутствие последнего повышает теплостойкость подшипников, уменьшает коррозию свинца органическими кислотами, образующимися при физико-химическом разрушении смазочных масел.
Второй аспект – борьба с детонацией в двигателях. Процесс детонации сродни процессу горения, но скорость его слишком велика... В двигателях внутреннего сгорания он возникает из-за распада молекул еще не сгоревших углеводородов под влиянием растущих давления и температуры. Распадаясь, эти молекулы присоединяют кислород и образуют перекиси, устойчивые лишь в очень узком интервале температур. Они-то и вызывают детонацию, и топливо воспламеняется раньше, чем достигнуто необходимое сжатие смеси в цилиндре. В результате мотор начинает «барахлить», перегреваться, появляется черный выхлоп (признак неполного сгорания), ускоряется выгорание поршней, сильнее изнашивается шатунно-кривошипный механизм, теряется мощность...
Самый распространенный антидетонатор – тетраэтилсвинец (ТЭС) Pb(С 2 Н 5) 4 – бесцветная ядовитая жидкость. Действие ее (и других металлоорганических антидетонаторов) объясняется тем, что при температуре выше 200°C происходит распад молекул вещества-антидетонатора. Образуются активные свободные радикалы, которые, реагируя прежде всего с перекисями, уменьшают их концентрацию. Роль металла, образующегося при полном распаде тетраэтилсвинца, сводится к дезактивации активных частиц – продуктов взрывного распада тех же перекисей.
Добавка тетраэтилсвинца к топливу никогда не превышает 1%, но не только из-за токсичности этого вещества. Избыток свободных радикалов может инициировать образование перекисей.
Важная роль в изучении процессов детонации моторных топлив и механизма действия антидетонаторов принадлежит ученым Института химической физики АН СССР во главе с академиком Н.Н. Семеновым и профессором А.С. Соколиком.
Свинец и войнаСвинец – тяжелый металл, его плотность 11,34. Именно это обстоятельство послужило причиной массового использования свинца в огнестрельном оружии. Между прочим, свинцовыми метательными снарядами пользовались еще в древности: пращники армии Ганнибала метали в римлян свинцовые шары. И сейчас пули отливают из свинца, лишь оболочку их делают из других, более твердых металлов.
Любая добавка к свинцу увеличивает его твердость, но количественно влияние добавок неравноценно. В свинец, идущий на изготовление шрапнели, добавляют до 12% сурьмы, а в свинец ружейной дроби – не более 1% мышьяка.
Без инициирующих взрывчатых веществ ни одно скорострельное оружие действовать не будет. Среди веществ этого класса преобладают соли тяжелых металлов. Используют, в частности, азид свинца PbN 6 .
Ко всем взрывчатым веществам предъявляют очень жесткие требования с точки зрения безопасности обращения с ними, мощности, химической и физической стойкости, чувствительности. Из всех известных инициирующих взрывчатых веществ по всем этим характеристикам «проходят» лишь «гремучая ртуть», азид и тринитрорезорцинат свинца (ТНРС).
Свинец и наукаВ Аламогордо – место первого атомного взрыва – Энрико Ферми выехал в танке, оборудованном свинцовой защитой. Чтобы понять, почему от гамма-излучения защищаются именно свинцом, нам необходимо обратиться к сущности поглощения коротковолнового излучения.
Гамма-лучи, сопровождающие радиоактивный распад, идут из ядра, энергия которого почти в миллион раз превышает ту, что «собрана» во внешней оболочке атома. Естественно, что гамма-лучи неизмеримо энергичнее лучей световых. Встречаясь с веществом, фотон или квант любого излучения теряет свою энергию, этим-то и выражается его поглощение. Но энергия лучей различна. Чем короче их волна, тем они энергичнее, или, как принято выражаться, жестче. Чем плотнее среда, через которую проходят лучи, тем сильнее она их задерживает. Свинец плотен. Ударяясь о поверхность металла, гамма-кванты выбивают из нее электроны, на что расходуют свою энергию. Чем больше атомный номер элемента, тем труднее выбить электрон с его внешней орбиты из-за большей силы притяжения ядром.
Возможен и другой случай, когда гамма-квант сталкивается с электроном, сообщает ему часть своей энергии и продолжает свое движение. Но после встречи он стал менее энергичным, более «мягким», и в дальнейшем слою тяжелого элемента поглотить такой квант легче. Это явление носит название комптон-эффекта по имени открывшего его американского ученого.
Чем жестче лучи, тем больше их проникающая способность – аксиома, не требующая доказательств. Однако ученых, положившихся на эту аксиому, ожидал весьма любопытный сюрприз. Вдруг выяснилось, что гамма-лучи энергией более 1 млн эВ задерживаются свинцом не слабее, а сильнее менее жестких! Факт, казалось, противоречащий очевидности. После проведения тончайших экспериментов выяснилось, что гамма-квант энергией более 1,02 МэВ в непосредственной близости от ядра «исчезает», превращаясь в пару электрон – позитрон, и каждая из частиц уносит с собой половину затраченной на их образование энергии. Позитрон недолговечен и, столкнувшись с электроном, превращается в гамма-квант, но уже меньшей энергии. Образование электронно-позитронных пар наблюдается только у гамма-квантов высокой энергии и только вблизи от «массивного» ядра, то есть в элементе с бóльшим атомным номером.
Свинец – один из последних стабильных элементов таблицы Менделеева. И из тяжелых элементов – самый доступный, с отработанной веками технологией добычи, с разведанными рудами. И очень пластичный. И очень удобный в обработке. Вот почему свинцовая защита от излучения – самая распространенная. Пятнадцати-двадцати-сантиметрового слоя свинца достаточно, чтобы предохранить людей от действия излучения любого известного науке вида.
Коротко упомянем еще об одной стороне служения свинца науке. Она тоже связана с радиоактивностью.
В часах, которыми мы пользуемся, нет свинцовых деталей. Но в тех случаях, когда время измеряют не часами и минутами, а миллионами лет, без свинца не обойтись. Радиоактивные превращения урана и тория завершаются образованием стабильных изотопов элемента №82. При этом, правда, получается разный свинец. Распад изотопов 235 U и 238 U приводит в конечном итоге к изотопам 207 Pb и 206 Pb. Наиболее распространенный изотоп тория 232 Th заканчивает свои превращения изотопом 208 Pb. Установив соотношение изотопов свинца в составе геологических пород, можно узнать, сколько времени существует тот или иной минерал. При наличии особо точных приборов (масс-спектрометров) возраст породы устанавливают по трем независимым определениям – по соотношениям 206 Pb: 238 U; 207 Pb: 235 U и 208 Pb: 232 Th.
Свинец и культураНачнем с того, что эти строчки отпечатаны литерами, изготовленными из свинцового сплава. Главные компоненты типографских сплавов – свинец, олово и сурьма. Интересно, что свинец и олово стали использовать в книгопечатании с первых его шагов. Но тогда они не составляли единого сплава. Немецкий первопечатник Иоганн Гуттенберг литеры из олова отливал в свинцовые формы, так как считал удобным чеканить из мягкого свинца формы, которые выдерживали определенное количество заливок олова. Нынешние оловянно-свинцовые типографские сплавы составляют так, чтобы они удовлетворяли многим требованиям: они должны иметь хорошие литьевые свойства и незначительную усадку, быть достаточно твердыми и химически стойкими по отношению к краскам и смывающим их растворам; при переплавке должно сохраняться постоянство состава.
Однако служение свинца человеческой культуре началось задолго до появления первых книг. Живопись появилась раньше письменности. На протяжении многих столетий художники использовали краски на свинцовой основе, и они до сих пор не вышли из употребления: желтая – свинцовый крон, красная – сурик и, конечно, свинцовые белила. Между прочим, именно из-за свинцовых белил кажутся темными картины старых мастеров. Под действием микропримесей сероводорода в воздухе свинцовые белила превращаются в темный сернистый свинец PbS...
С давних пор стенки гончарных изделий покрывали глазурями. Простейшая глазурь делается из окиси свинца и кварцевого песка. Ныне санитарный надзор запрещает использовать эту глазурь при изготовлении предметов домашнего обихода: контакт пищевых продуктов с солями свинца должен быть исключен. Но в составе майоликовых глазурей, предназначенных для декоративных целей, сравнительно легкоплавкие соединения свинца используют, как и прежде.
Наконец, свинец входит в состав хрусталя, точнее, не свинец, а его окись. Свинцовое стекло варится без каких-либо осложнений, оно легко выдувается и гранится, сравнительно просто нанести на него узоры и обычную нарезку, винтовую, в частности. Такое стекло хорошо преломляет световые лучи и потому находит применение в оптических приборах.
Добавляя в шихту свинец и поташ (вместо извести), приготовляют страз – стекло с блеском, большим, чем у драгоценных камней.
Свинец и медицинаПопадая в организм, свинец, как и большинство тяжелых металлов, вызывает отравления. И тем не менее свинец нужен медицине. Со времен древних греков остались во врачебной практике свинцовые примочки и пластыри, но этим не ограничивается медицинская служба свинца.
Желчь нужна не только сатирикам. Содержащиеся в ней органические кислоты, прежде всего гликохолевая C 23 H 36 (OH) 3 CONHCH 2 COOH, а также таурохолевая C 23 H 36 (OH) 3 CONHCH 2 CH 2 SO 3 H, стимулируют деятельность печени. А поскольку не всегда и не у всех печень работает с точностью хорошо отлаженного механизма, эти кислоты нужны медицине. Выделяют их и разделяют с помощью уксуснокислого свинца. Свинцовая соль гликохолевой кислоты выпадает при этом в осадок, а таурохолевой – остается в маточном растворе. Отфильтровав осадок, из маточного раствора выделяют и второй препарат, действуя опять же свинцовым соединением – основной уксусной солью.
Но главная работа свинца в медицине связана с диагностикой и рентгенотерапией. Он защищает врачей от постоянного рентгеновского облучения. Для практически полного поглощения лучей Рентгена достаточно на их пути поставить слой свинца в 2...3 мм. Вот почему медицинский персонал рентгеновских кабинетов облачен в фартуки, рукавицы и шлемы из резины, в состав которой введен свинец. И изображение на экране наблюдают через свинцовое стекло.
Таковы главные аспекты взаимоотношений человечества со свинцом – элементом, известным с глубокой древности, но и сегодня служащим человеку во многих областях его деятельности.
Чудесные горшки благодаря свинцу
Производство металлов, прежде всего золота, в Древнем Египте считалось «священным искусством». Завоеватели Египта истязали его жрецов, выпытывая у них секреты выплавки золота, но те умирали, сохраняя тайну. Сущность процесса, который египтяне так оберегали, выяснили спустя много лет. Они обрабатывали золотую руду расплавленным свинцом, растворяющим благородные металлы, и таким образом извлекали золото из руд. Этот раствор затем подвергали окислительному обжигу, и свинец превращался в окись. Главной тайной этого процесса были горшки для обжига. Их делали из костяной золы. При плавке окись свинца впитывалась в стенки горшка, увлекая при этом случайные примеси. А на дне оставался чистый сплав.
Использование свинцового балласта
26 мая 1931 г. профессор Огюст Пиккар должен был подняться в небо на стратостате собственной конструкции – с герметичной кабиной. И поднялся. Но, разрабатывая детали предстоящего полета, Пиккар неожиданно столкнулся с препятствием совсем не технического порядка. В качестве балласта он решил взять на борт не песок, а свинцовую дробь, для которой требовалось гораздо меньше места в гондоле. Узнав об этом, чиновники, ведавшие полетом, категорически запретили замену: в правилах сказано «песок», ничто другое сбрасывать на головы людей недопустимо (за исключением лишь воды). Пиккар решил доказать безопасность своего балласта. Он вычислил силу трения свинцовой дроби о воздух и распорядился сбросить эту дробь ему на голову с самой высокой постройки Брюсселя. Полная безопасность «свинцового дождя» была доказана наглядно. Однако администрация оставила опыт без внимания: «Закон есть закон, сказано песок, значит, песок, а не дробь». Препятствие казалось неодолимым, но ученый нашел выход: он объявил, что в гондоле стратостата в качестве балласта будет находиться «свинцовый песок». Заменой слова «дробь» на слово «песок» бюрократы были обезоружены и более не препятствовали Пиккару.
Свинец в лакокрасочной промышленности
Свинцовые белила умели изготовлять 3 тыс. лет назад. Основным поставщиком их в древнем мире был остров Родос в Средиземном море. Красок тогда не хватало, и стоили они чрезвычайно дорого. Прославленный греческий художник Никий однажды с нетерпением ожидал прибытия белил с Родоса. Драгоценный груз прибыл в афинский порт Пирей, но там неожиданно вспыхнул пожар. Пламя охватило корабли, на которых были привезены белила. Когда пожар погасили, расстроенный художник поднялся на палубу одного из пострадавших кораблей. Он надеялся, что не весь груз погиб, мог же уцелеть хотя бы один бочонок с нужной ему краской. Действительно, в трюме нашлись бочки с белилами: они не сгорели, но сильно обуглились. Когда бочки вскрыли, то удивлению художника не было границ: в них была не белая краска, а ярко-красная! Так пожар в порту подсказал путь изготовления замечательной краски – сурика.
Свинец и газы
При плавке того или иного металла приходится заботиться об удалении из расплава газов, так как иначе получается низкокачественный материал. Добиваются этого различными технологическими приемами. Выплавка же свинца в этом смысле никаких хлопот металлургам не доставляет: кислород, азот, сернистый газ» водород, окись углерода, углекислый газ, углеводороды не растворяются ни в жидком, ни в твердом свинце.
Свинец в строительстве
В древности при строительстве зданий или оборонительных сооружений камни нередко скрепляли расплавленным свинцом. В селении Старый Крым и сейчас сохранились руины так называемой свинцовой мечети, сооруженной в XIV столетии. Такое название здание получило оттого, что зазоры в каменной кладке залиты свинцом.
Ограничения в применении свинца
В настоящее время промышленность всего мира переживает очередной этап преобразований, связанных с ужесточением экологических стандартов - происходит всеобщий отказ от свинца. Германия существенно ограничила его использование с 2000 г., Голландия - с 2002 г., а такие европейские страны, как Дания, Австрия и Швейцария, вообще запретили использование свинца. Эта тенденция станет общей для всех стран ЕС в 2015 г. США и Россия также активно развивают технологии, которые помогут найти альтернативу применению свинца.
Его широкое применение в промышленности привело к тому, что свинцовое загрязнение можно обнаружить повсюду. Рассмотрим важнейшие составляющие биосферы, такие как воздух, вода и почва.
Начнем с атмосферы. С воздухом в организм человека поступает незначительное количество свинца - (всего 1-2%), но при этом большая часть свинца усваивается. Наибольшие выбросы свинца в атмосферу происходят в следующих отраслях производства:
- металлургическая промышленность;
- машиностроение (производство аккумуляторов);
- топливно-энергетический комплекс (производство этилированного бензина);
- химический комплекс (производство пигментов, смазок и др.);
- стекольные предприятия;
- консервное производство;
- деревообрабатывающая и целлюлозно-бумажная промышленность;
- предприятия оборонной промышленности.
Без сомнения, наиболее значимым источником загрязнения атмосферы свинцом является автомобильный транспорт, использующий этилированный бензин.
Доказано, что повышение содержания свинца в питьевой воде обуславливает, как правило, увеличение его концентрации в крови. Значительное повышение содержания этого металла в поверхностных водах связано с его высокой концентрацией в сточных водах рудообогатительных фабрик, некоторых металлургических заводов, шахт и т.д.
Из загрязненной почвы свинец поступает в сельскохозяйственные культуры, а вместе с пищей - и непосредственно в организм человека. Отмечено активное накопление данного металла в капусте и корнеплодах, причем именно в тех, которые повсеместно употребляются в пищу (например, в картофеле). Некоторые виды почв прочно связывают свинец, что предохраняет от загрязнения грунтовые и питьевые воды, растительную продукцию. Но тогда сама почва постепенно становится все более зараженной и в какой-то момент может произойти разрушение органического вещества почвы с выбросом свинца в почвенный раствор. В итоге она окажется непригодной для сельскохозяйственного использования.
Таким образом, вследствие глобального загрязнения окружающей среды свинцом, он стал вездесущим компонентом любой растительной и животной пищи. В организм человека большая часть свинца поступает с продуктами питания - от 40 до 70% в разных странах. Растительные продукты в целом содержат больше свинца, чем животные.
Как уже было сказано, всему виною промышленные предприятия. Естественно, на самих производствах, имеющих дело со свинцом, экологическая обстановка хуже, чем где бы то ни было. По результатам официальной статистики, среди профессиональных интоксикаций свинцовая занимает первое место. В электротехнической промышленности, цветной металлургии и машиностроении интоксикация обусловлена превышением ПДК свинца в воздухе рабочей зоны в 20 и более раз. Свинец вызывает обширные патологические изменения в нервной системе, нарушает деятельность сердечно-сосудистой и репродуктивной систем.
- Сонник: книги, книги на полках, старые книги, писать книгу
- К чему снится ива по соннику
- Биография, интересные факты
- К железам какой секреции относится поджелудочная железа
- Где находится кашмир. Кашмир — другая Индия. Территориальная структура Кашмира
- Родился александр александрович алябьев Сообщение о алябьев александр александрович
- Шпаргалка: Образование древнерусского государства
- Формирование древнерусского государства
- Заговоры от врагов и недоброжелателей Магия заставить замолчать завязать язык
- алоэ – амулет от всех бед на подоконнике
- Заговоры на красоту и привлекательность Заговор для красоты на мед и алой
- Национальный транс: Культура и магия гаитянского вуду Гаитянский культ 4 буквы сканворд
- Каша из топора кратко. Сказка Каша из топора. Русская народная сказка. Хитрая наука — русская народная сказка
- Яблоко от яблони недалеко падает
- Михаил Зощенко. Самое главное. Самое главное, зощенко для детей Михаил зощенко самое главное
- Великая дивеевская тайна
- Последняя тайна царицы тамары Грузинская царица тамара
- Владыка петр. Петр Воронежский, сщмч. «Что это вы так трудитесь, владыко святый?»
- Апостол иуда искариот - святые - история - каталог статей - любовь безусловная Критика неканонического восприятия Иуды Искариота
- Когнитивно-поведенческая психотерапия Бек когнитивная терапия и эмоциональные расстройства