ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Свинец - восемьдесят второй элемент Периодической таблицы. Обозначение - Pb от латинского «plumbum». Расположен в шестом периоде, IVA группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 82.
Свинец - голубовато-белый тяжелый металл (рис. 1). В разрезе поверхность свинца блестит. На воздухе покрывается пленкой оксидов и из-за этого тускнеет. Он очень мягок и режется ножом. Обладает низкой теплопроводностью. Плотность 11,34 г/см 3 . Температура плавления 327,46 o С, кипения 1749 o С.
Рис. 1. Свинец. Внешний вид.
Атомная и молекулярная масса свинца
Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.
Поскольку в свободном состоянии свинец существует в виде одноатомных молекул Pb, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 207,2.
Изотопы свинца
Известно, что в природе свинец может находиться в виде четырех стабильных изотопов 204 Pb, 206 Pb, 207 Pb и 208 Pb. Их массовые числа равны 204, 206, 207 и 208 соответственно. Ядро атома изотопа свинца 204 Pb содержит восемьдесят два протона и сто двадцать два нейтрона, а остальные отличаются от него только числом нейтронов.
Существуют искусственные нестабильные изотопы свинца с массовыми числами от 178-ми до 215-ти, а также более десяти изомерных состояний ядер, среди которых наиболее долгоживущими являются изотопы 202 Pb и 205 Pb, периоды полураспада которых равны 52,5 тысячи и 15,3 млн. лет соответственно.
Ионы свинца
На внешнем энергетическом уровне атома свинца имеется четыре электрона, которые являются валентными:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 4f 14 5s 2 5р 6 5d 10 6s 2 6р 2 .
В результате химического взаимодействия свинец отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:
Pb 0 -2e → Pb 2+ ;
Pb 0 -4e → Pb 4+ .
Молекула и атом свинца
В свободном состоянии свинец существует в виде одноатомных молекул Pb. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу свинца:
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
ПРИМЕР 2
| Задание | К раствору нитрата свинца (II) массой 80г (массовая доля соли 6,6%) прилили раствор йодида натрия массой 60 г (массовая доля NaI 5%). Рассчитайте массу йодида свинца (II), выпадающего в осадок. |
| Решение | Запишем уравнение реакции взаимодействия нитрата свинца (II) с иодидом натрия:
Pb(NO 3) 2 + 2NaI = PbI 2 ↓ + 2NaNO 3 . Найдем массы растворенных веществ нитрата свинца (II) и иодидом натрия: ω = m solute / m solution × 100%; m solute = ω /100%×m solution ; m solute (Pb(NO 3) 2)=ω(Pb(NO 3) 2) /100%×m solution (Pb(NO 3) 2); m solute (Pb(NO 3) 2) = 6,6 /100%× 80 = 5,28 г; m solute (NaI) = ω (NaI) /100%×m solution (NaI); m solute (NaI) =5 /100% × 60 = 3 г. Найдем количество моль веществ, вступивших в реакцию (молярная масса нитрата свинца (II) равна 331 г/моль, иодида натрия - 150 г/моль) и определим, какое из них находится в избытке: n(Pb(NO 3) 2) =m solute (Pb(NO 3) 2) / M (Pb(NO 3) 2); n (Pb(NO 3) 2) = 5,28 / 331 = 0,016моль. n(NaI) =m solute (NaI) / M (NaI); n (NaI) = 3 / 150 = 0,02 моль. Иодид натрия находится в избытке, следовательно, все дальнейшие расчеты ведем по нитрату свинца (II). n (Pb(NO 3) 2) : n (PbI 2) = 1:1, т.е. n (Pb(NO 3) 2) = n (PbI 2) = 0,016 моль. Тогда масса иодида свинца (II) будет равна (молярная масса - 461 г/моль): m (PbI 2) = n (PbI 2) × M (PbI 2); m (PbI 2) = 0,016 × 461 = 7,376 г. |
| Ответ | Масса иодида свинца (II) равна 7,376 г. |
(нм, в скобках даны
координац. числа) Рb 4+ 0,079 (4), 0,092 (6), Рb 2+ 0,112
(4), 0,133(6).
Содержание свинца в земной
коре 1,6-10 3 % по массе, в Мирового океана 0,03 мкг/л (41,1
млн. т), в речных 0,2-8,7 мкг/л. Известно ок. 80 , содержащих
свинец, главнейший из них-галенит, или свинцовый блеск, PbS. Небольшое пром. значение
имеют англезит PbSO 4 и церус-сит РbСО 3 . В свинцу сопутствуют
Сu, Zn; Cd, Bi, Те и др. ценные элементы. Прир. фон в
2·10 -9 -5·10 -4 мкг/м 3 . В теле взрослого человека
содержится 7-15 мг свинца.
Свойства. Свинец-металл синевато-серого
цвета, кристаллизуется в гранецентрир. кубич. решетке типа Сu, а - = 0,49389
нм, z = 4, пространств. группа Fm3m. Свинец-один
из легкоплавких , тяжелый ; т. пл. 327,50 °С, т. кип.
1751 °С; плотн., г/см 3: 11,3415 (20 °С), 10,686 (327,6 °С),
10,536 (450 °С), 10,302 (650 °С), 10,078 (850 °С);
26,65 Дж/( · К);
4,81 кДж/ ,
177,7 кДж/ ;64,80
ДжДмоль · К); , Па: 4,3·10 -7 (600 К), 9,6·10 -5
(700 К), 5,4·10 -2 (800 К). 1,2·10 -1 (900 К), 59,5 (1200
К), 8,2·10 2 (1500 К), 12,8·10 3 (1800 К). Свинец-плохой проводник
тепла и электричества; 33,5 Вт/(м·К) (менее 10% от
Ag); температурный коэф. линейного расширения свинца (чистотой 99,997%) в интервале
т-р 0-320 °С описывается ур-нием: a
= 28,15·10 -6 t
+ 23,6·10 -9 t 2 °C -1 ; при 20°С
r
20,648 мкОм·см (менее 10% от r
Ag), при 300 °С и 460 °С
соотв. 47,938 и 104,878 мкОм·см. При -258,7°С r
свинца падает до 13,11·10
-3 мкОм·см; при 7,2 К он переходит в сверхпроводящее состояние. Свинец
диамагнитен, магн. восприимчивость -0,12·10 -6 . В жидком состоянии
свинец жидкотекуч, h
в интервале т-р 330-800 °С изменяется в пределах 3,2-1,2
мПа·с; g
в интервале 330-1000 °С находится в пределах (4,44-4,01)·10 -3
Н/м.
С
винец мягок, пластичен, легко
прокатывается в тончайшие листы. по Бринеллю 25-40 МПа; s
раст
12-13 МПа, s
сж ок. 50 МПа; относит. удлинение при разрыве 50-70%.
Значительно повышают и свинца Na, Ca и Mg, но уменьшают его
хим. стойкость. увеличивает антикоррозионную стойкость свинца (к действию H 2 SO 4).
С Sb возрастает , а также кислотоупорность свинца по отношению
к H 2 SO 4 . Понижают кислотоупорность свинца Bi и Zn, a Cd, Те
и Sn повышают и сопротивление усталости свинца. В свинце практически не раств.
N 2 , CO, CO 2 , O 2 , SO 2 , H 2 .
В хим. отношении свинец довольно
инертен. Стандартный свинца -0,1265 В для Рb 0 /Рb 2+ .
В сухом не окисляется, во влажном-тускнеет, покрываясь пленкой ,
переходящей в присут. СО 2 в основной 2РbСО 3 ·Рb(ОН) 2 .
С свинец образует ряд : Рb 2 О, РbО (), РbО 2 ,
Рb 3 О 4 () и Рb 2 О 3 (см. ). При комнатной т-ре свинец не реагирует с разб. серной и соляной
к-тами, т. к. образующиеся на его пов-сти труднорастворимые пленки PbSO 4
и РbС1 2 препятствуют дальнейшему . Конц. H 2 SO 4
(>80%) и НС1 при нагр. взаимод. со свинцом с образованием р-римых соед.
Pb(HSO 4) 2 и Н 4 [РbСl 6 ]. Свинец устойчив
по отношению к фтористоводородной к-те, водным р-рам NH 3 и
и к мн. орг. к-там. Лучшие р-рители свинца-разб. HNO 3 и СН 3 СООН.
При этом образуются Pb(NO 3) 2 и Рb(СН 3 СОО) 2 . Свинец заметно раств. также в лимонной,
муравьиной и винной к-тах.
Рb + РbO 2 +
2H 2 SO 4 :
2PbSO 4 + 2Н 2 О
При взаимод. Pb(IV)
и Pb(II) с образуются соли-соотв. плюмбаты(IV) и плюмбиты(II),
напр. Na 2 PbO 3 ,
Na 2 PbO 2 . Свинец медленно раств. в конц. р-рах с выделением
Н 2 и образованием М 4 [Рb(ОН) 6 ].
При нагревании свинец реагирует
с , образуя . С азотистоводородной к-той свинец
дает Pb(N 3) 2 , с при нагр.-
PbS (см. Свинца халь-когениды). для свинца не характерны. В нек-рых
р-циях обнаруживают тетрагидрид РbН 4 -бесцв. , легко разлагающийся
на Рb и Н 2 ; образуется при действии разб. соляной к-ты на Mg 2 Pb.
См. также , Сви-нецорганические соединения.
Получение.
Осн.
источник получения свинца-сульфидные полиметаллич. . Селективной
из , содержащих 1-5% Рb, получают свинцовые и др. концентраты. Свинцовый
концентрат обычно содержит 40-75% Рb, 5-10% Zn, до 5% Сu, а также и Bi. Ок. 90% свинца получают по технологии, включающей стадии: агломерирующий
сульфидных концентратов, шахтная восстановит. плавка агломерата и
чернового свинца. Разрабатывают автогенные процессы плавки, позволяющие использовать
тепло сгорания .
Агломерирующий при
традиц. произ-ве свинца проводят на прямолинейных машинах с дутьем либо
путем просасывания его. При этом PbS окисляется преим. в жидком состоянии: 2PbS
+ 3О 2 :
2РbО + 2SO 2 . В шихту добавляют флюсы (SiO 2 ,
CaCO 3 , Fe 2 O 3), к-рые, реагируя между собой
и с РbО, образуют жидкую фазу, цементирующую шихту. В готовом агломерате свинец
в осн. концентрируется в свинцовосиликатном стекле, занимающем до 60% объема
агломерата. Zn, Fe, Si, Ca кристаллизуются в форме сложных соед., образуя
жаропрочный каркас. Эффективная (рабочая) площадь агломерац. машин 6-95 м 2 .
В готовом агломерате содержится
35-45% Рb и 1,2-3% S, часть к-рой находится в виде . Производительность
агломерац. машин по агломерату зависит от содержания S в шихте и колеблется
от 10 (бедные концентраты) до 20 т/(м 2 · сут) (богатые концентраты);
по выжигаемой S она находится в пределах 0,7-1,3 т/(м 2 · сут). Часть
, содержащих 4-6% SO 2 , используют для произ-ва H 2 SO 4 .
Степень утилизации S составляет 40-50%.
Полученный агломерат направляют
на восстановит. плавку в шахтных . для выплавки свинца представляет собой
шахту прямоугольного сечения, образуемую водо-охлаждаемыми коробками (кессонами).
(или воздушно-кислородная смесь) подается в через спец. сопла (фурмы),
расположенные по всему периметру в ниж. ряду кессонов. В шихту плавки входят
в осн. агломерат и , иногда загружают кусковое оборотное и вторичное сырье.
Уд. проплав агломерата 50-80 т/(м 2 · сут). Прямое извлечение свинца в
черновой 90-94%.
Цель плавки-максимально
извлечь свинец в черновой , a Zn и пустую вывести в шлак. Осн. р-ция
шахтной плавки свинцового агломерата: РbО + СО :
Рb
+ + СО 2 . В качестве в шихту вводят . Часть
свинца восстанавливается им непосредственно. Для свинца требуется слабовосстановит.
( О 2 10 -6 -10 -8
Па). Расход к массе агломерата при шахтной плавке 8-14%. В этих условиях
Zn и Fe не восстанавливаются и переходят в шлак. присутствует в
агломерате в форме СuО и CuS. в условиях шахтной плавки легко восстанавливается
до и переходит в свинец. При высоком содержании Си и S в агломерате при шахтной
плавке образуется самостоят. фаза-штейн.
Осн. шлакообразующие компоненты
шлаков (80-85% от массы шлака) - FeO, SiO 2 , CaO и ZnO-направляются
на дальнейшую переработку для извлечения Zn. В шлак переходит до 2-4% Рb и ~20%
Си, содержание в нем этих соотв. 0,5-3,5 и 0,2-1,5%. Образующаяся при
шахтной плавке (и агломерации) служит исходным сырьем для извлечения редких
и .
В основе автогенных процессов
выплавки свинца лежит экзотермич. р-ция PbS + О 2 :
Рb + SO 2 ,
состоящая из двух стадий:
2PbS + 3O 2 :
2PbO
+ 2SO 2 PbS + 2РbО:
3Рb + SO 2
Преимущества автогенных
способов перед традиц. технологией: исключается агломерац. , устраняется
необходимость разбавления концентрата флюсами, что снижает выход шлака, используется
тепло от и исключается (частично) расход , повышается
извлечение SO 2 с , что упрощает их использование и повышает
безопасность на заводе. В пром-сти применяют два автогенных процесса: КИВЦЭТ-ЦС,
разработанный в СССР и осуществленный на Усть-Каменогорском заводе и в Италии
на заводе Порто-Весме, и американский процесс QSL.
Технология плавки по методу
КИВЦЭТ-ЦС: тонкоизмельченную, хорошо высушенную шихту, содержащую концентрат,
оборотную и , с помощью горелки инжектируют техническим О 2
в плавильную камеру , где происходит , получение
свинца и формирование шлака. (содержат 20-40% SO 2) после очистки
от , возвращаемой в шихту плавки, поступают на произ-во H 2 SO 4 .
Черновой свинец и шлак через разделит. перегородку протекают в электротермич. печь-отстойник,
откуда их выпускают через летки. подают в шихту для избыточного
в плавильной зоне.
Процесс QSL проводят в
агрегате типа конвертера. разделена перегородкой на зоны. В плавильной
зоне происходит загрузка гранулир. концентрата, плавка и
техническим О 2 . Шлак поступает во вторую зону, где с помощью фурм
он продувается пылеугольной смесью для свинца. Во всех способах плавки
осн. кол-во Zn (~80%) переходит в шлак. Для извлечения Zn, а также оставшегося
свинца и нек-рых редких и шлак перерабатывают способом фьюмингования
или вальцевания.
Черновой свинец, полученный
тем или иным способом, содержит 93-98% Рb. Примеси в черновом свинце: Сu (1-5%),
Sb, As, Sn (0,5-3%), Аl (1-5 кг/т), Аu (1-30%), Bi (0,05-0,4%). Очистку
чернового свинца производят пирометаллургически или (иногда) электролитически.
Пирометаллургич. методом
из чернового свинца последовательно удаляют: 1) медь-двумя операциями: ликвацией
и с помощью элементарной S, образующей Cu 2 S. Предварит. (грубую)
очистку от Си до содержания 0,5-0,7.% проводят в отражательных либо электротермических
с глубокой свинцовой , имеющей перепад т-ры по высоте. взаимод.
на пов-сти с сульфидным свинцовым концентратом с образованием Cu-Pb штейна.
Штейн направляют в медное произ-во либо на самостоят. гидроме-таллургич. переработку.
2) Теллур-действием металлич.
Na в присут. NaOH. селективно взаимод. с Те, образуя Na 2 Te,
всплывающий на пов-сть и растворяющийся в NaOH. Плав идет на переработку
для извлечения Те.
3) , и сурьму-окислением
их либо О 2 в отражат. при 700-800 °С, либо NaNO 3
в присут. NaOH при 420 °C. Щелочные плавы направляют на гидрометаллургич.
переработку для из них NaOH и извлечения Sb и Sn; As выводят в виде
Ca 3 (AsO 4) 2 , к-рый направляют на захоронение.
4) и золото-с помощью Zn, избирательно реагирующего с растворенными в свинце ; образуются AuZn 3 , AgZn 3 , всплывающие на пов-сть . Образовавшиеся съемы удаляют с пов-сти для послед. переработки их на
– мягкий, ковкий, химически инертный металл весьма стойкий к коррозии. Именно эти качества в основном обуславливают широчайшее его применение в народном хозяйстве. К тому же металл обладает довольно низкой температурой плавления и легко образует разнообразные сплавы.
Давайте поговорим сегодня про и его применение в строительстве и промышленности: сплавы, свинцовые кабельные оболочки, краски на основе него,
Первое применение свинца было связано с его превосходной ковкостью и устойчивостью к коррозии. В результате металл использовался там, где применяться не должен был: при изготовлении посуды, водопроводных труб, умывальников и так далее. Увы, последствия такого использования были самые печальные: свинец является материалом токсичным, как и большинство его соединений и, попадая в организм человека, вызывает множество тяжких повреждений.
- Настоящее же распространение металл получил после того, как от опытов с электричеством перешли к повсеместному использованию электротока. Именно свинец применяется в многочисленных химических источниках тока. Более 75% от всей доли выплавляемого вещества уходит на производство свинцовых аккумуляторов. Щелочные аккумуляторы, несмотря на большую легкость и надежность, вытеснить их не могут, поскольку свинцовые создают ток более высокого напряжения.
- Свинец образует множество легкоплавких сплавов с висмутом, кадмием и так далее и все они применяются для получения электрических предохранителей.
Свинец, являясь токсичным, отравляет окружающую среду, да и для человека представляет немалую опасность. Свинцовые аккумуляторы нуждаются в утилизации или что перспективнее в переработке. На сегодня до 40% металла получают путем переработки аккумуляторов.
- Еще одно интересное применение металла – обмотка сверхпроводящего трансформатора. Свинец был одним из первых металлов, проявивших сверхпроводимость, причем при относительно высокой температуре – 7,17 К (для сравнения температура сверхпроводимости для – 0,82 К).
- 20% от объема вещества свинец используется при производстве свинцовых оболочек для силовых кабелей при подводной и подземной укладке.
- Свинец, а, вернее, его сплавы – баббиты, являются антифрикционными. Их повсеместно используют при производстве подшипников.
- В химической промышленности металл используется при получении кислотоупорной аппаратуры, так как очень неохотно реагирует с кислотами и с очень небольшим их числом. По тем же причинам из него производят трубы для перекачки кислот и сточную канализацию для лабораторий и химических предприятий.
- В военном производстве роль свинца преуменьшить сложно. Свинцовые шары метали катапульты еще Древнего Рима. Сегодня это не только боеприпас для стрелкового, охотничьего или спортивного оружия, но и инициирующие взрывчатые вещества, например, знаменитый азид свинца.
- Еще одно общеизвестное применение – припои. предоставляет универсальный материал для соединения всех остальных металлов, которые обычным способом не сплавляются.
- Свинец металл хотя и мягкий, но относится к тяжелым, к тому же не просто тяжелым, а самым доступным в получении. А с этим связано одно из самых интересных его свойств, хотя и относительно недавно открытых – поглощение радиоактивного излучения, причем любой жесткости. Свинцовая защита применяется везде, где есть угроза повышения радиации – от рентгеновского кабинета до ядерного полигона.
Жесткое излучение обладает большей проникающей способностью, то есть, для защиты от него требуется более толстый слой материала. Однако свинец поглощает жесткое излучение даже лучше, чем мягкое: это связано с образованием электронно-позитронной пары вблизи массивного ядра. Слой свинца толщиной в 20 см способен защитить от любого известного науке излучения.
Во многих случаях альтернативы металлу попросту нет, так что ожидать приостановления из-за его экологической опасности нельзя. Все усилия такого рода должны быть направлены на разработку и внедрение эффективных способов очистки и вторичной переработки.
Данное видео расскажет о добыче и применении свинца:
Его использование в строительстве
Металл в строительных работах применяется нечасто: его токсичность ограничивает круг применения. Однако в составе сплавов или при сооружении специальных конструкций вещество используется. И первое, о чем мы погорим, это кровли из свинца.
Кровля
В качестве свинец применяется с незапамятных времен. В Древней Руси свинцовым листом покрывали церкви и колокольни, так как его цвет прекрасно подходил для этой цели. Металл пластичен, что позволяет получить листы едва ли не любой толщины, а, главное, формы. При перекрытии нестандартных архитектурных элементов, сооружении сложных карнизов свинцовый лист подходит просто идеально, поэтому используется постоянно.
Для кровли выпускают прокатный свинец, как правило, в рулонах. Кроме листов со стандартной ровной поверхностью, есть также материал волнистый – плиссированный, окрашенный, луженный и даже самоклеящийся с одной стороны.
На воздухе свинцовый лист довольно быстро покрывается патиной, состоящей из слоя оксида и карбонатов. Патина защищает металл от коррозии. Но если ее внешний вид по каким-то причина не нравится, кровельный материал можно покрыть специальным патинирующим маслом. Это делается вручную или в производственных условиях.
Звукопоглощение
Звукоизоляция жилища – одна из непреходящих проблем старых, и многих современных домов. Причин тому множество: сама конструкция, где стены или перекрытия проводят звук, материал перекрытий и стен, который не поглощает звук, новшество в виде лифта новой конструкции, который проектом не предусмотрен и создает дополнительную вибрацию и множество других факторов. Но в итоге обитатель квартиры вынужден самостоятельно справляться с этими проблемами.
На предприятии, в звукозаписывающей студии, в здании стадиона эта проблема приобретает куда большие размеры, а решается таким же образом – монтажом звукопоглощающей отделки.
Свинец, как ни странно, используется именно в этой роли – звукопоглотителя. Конструкция материала практически одинакова. Свинцовая пластина малой толщины – 0,2–0,4 мм покрывается защитным полимерным слоем, поскольку металл все же относится к опасным, а с двух сторон пластины закрепляется органический материал – вспененный каучук, полиэтилен, полипропилен. Звукоизолятор поглощает не только звук, но вибрацию.
Механизм таков: звуковая волна, проходя через первый полимерный слой, теряет часть энергии и возбуждает колебания свинцовой пластины. Часть энергии при этом поглощается металлом, а остаток гасится во втором вспененном слое.
Стоит отметить, что направление волны в этом случае никакого значения не имеет.
О том, как используют свинец в строительстве и хозяйстве, расскажет этот видеоролик:
Рентген-кабинеты
Рентгеновское излучение чрезвычайно широко используется в медицине, по сути, составляя базу инструментального обследования. Но если в минимальных дозах особой опасности оно не представляет, то получение большой дозы облучения составляет угрозу для жизни.
При обустройстве рентгеновского кабинета именно свинец используется в качестве защитного слоя:
- стен и дверей;
- пола и потолка;
- мобильных перегородок;
- средств индивидуальной защиты – фартуков, надплечников, перчаток и других предметов со свинцовыми вставками.
Защиту обеспечивают благодаря определенной толщине экранирующего материала, что требует точных расчетов с учетом размеров помещения, мощности аппаратуры, интенсивности использования и так далее. Способность материала снижать излучение измеряется в «свинцовом эквиваленте» – значении толщины такого слоя чистого свинца, который способен рассчитанное излучение поглотить. Эффективной считается такая защита, которая превосходит указанную величину на ¼ мм.
Уборка рентгеновских кабинетов проводится особым образом: здесь важным является своевременное удаление свинцовой пыли, так как последняя представляет опасность.
Другие направления
Свинец – тяжелый, ковкий, стойкий к коррозии металл, и что самое важное: доступный и достаточно дешевый в производстве. К тому же металл незаменим при защите от излучения. Так что полный отказ от его использования – дело довольно отдаленного будущего.
О проблемах со здоровьем, вызванных применением свинца, расскажет Елена Малышева в видео ниже:
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 (лат. plumbum), pb, химический элемент iv группы периодической системы Менделеева; атомный номер 82, атомная масса 207,2. С. - тяжёлый металл голубовато-серого цвета, очень пластичный, мягкий (режется ножом, царапается ногтем). Природный С. состоит из 5 стабильных изотопов с массовыми числами 202 (следы), 204 (1,5%), 206 (23,6%), 207 (22,6%), 208 (52,3%). Последние три изотопа - конечные продукты радиоактивных превращений 238 u, 235 u и 232 th. При ядерных реакциях образуются многочисленные радиоактивные изотопы С. Историческая справка. С. был известен за 6-7 тыс. лет до н. э. народам Месопотамии, Египта и других стран древнего мира. Он служил для изготовления статуй, предметов домашнего обихода, табличек для письма. Римляне пользовались свинцовыми трубами для водопроводов. Алхимики называли С. сатурном и обозначали его знаком этой планеты. Соединения С. - «свинцовая зола» pbo, свинцовые белила 2pbco 3 pb (oh) 2 применялись в Древней Греции и Риме как составные части лекарств и красок. Когда было изобретено огнестрельное оружие, С. начали применять как материал для пуль. Ядовитость С. отметили ещё в 1 в. н. э. греческий врач Диоскорид и Плиний Старший, Распространение в природе. Содержание С. в земной коре (кларк) 1,6 · 10 -3 % по массе. Образование в земной коре около 80 минералов, содержащих С. (главный из них галенит pbs), связано в основном с формированием гидротермальных месторождений . В зонах окисления полиметаллических руд образуются многочисленные (около 90) вторичные минералы: сульфаты (англезит pbso 4), карбонаты (церуссит pbco 3), фосфаты [пироморфит pb 5 (po 4) 3 cl]. В биосфере С. в основном рассеивается, его мало в живом веществе (5 · 10 -5 %), морской воде (3 · 10 -9 %). Из природных вод С. отчасти сорбируется глинами и осаждается сероводородом, поэтому он накапливается в морских илах с сероводородным заражением и в образовавшихся из них чёрных глинах и сланцах, Физические и химические свойства. С. кристаллизуется в гранецентрированной кубической решётке (а = 4,9389 å), аллотропических модификаций не имеет. Атомный радиус 1,75 å, ионные радиусы: pb 2+ 1,26å, pb 4+ 0,76 å: плотность 11,34 г/см 3 (20°С); t nл 327,4 °С; t kип 1725 °С; удельная теплоёмкость при 20°С 0,128 кдж/ (кг · К ) ; теплопроводность 33,5 вт/ (м · К ) ; температурный коэффициент линейного расширения 29,1 · 10 -6 при комнатной температуре; твёрдость по Бринеллю 25-40 Мн/м 2 (2,5-4 кгс/мм 2 ) ; предел прочности при растяжении 12-13 Мн/м 2 , при сжатии около 50 Мн/м 2 ; относительное удлинение при разрыве 50-70%. Наклёп не повышает механических свойств С., т. к. температура его рекристаллизации лежит ниже комнатной (около -35 °С при степени деформации 40% и выше). С. диамагнитен, его магнитная восприимчивость - 0,12 · 10 -6 . При 7,18 К становится сверхпроводником.
Конфигурация внешних электронных оболочек атома pb 6s 2 6р 2 , в соответствии с чем он проявляет степени окисления +2 и +4. С. сравнительно мало активен химически. Металлический блеск свежего разреза С. постепенно исчезает на воздухе вследствие образования тончайшей плёнки pbo, предохраняющей от дальнейшего окисления. С кислородом образует ряд окислов pb 2 o, pbo, pbo 2 , pb 3 o 4 и pb 2 o 3.
В отсутствие o 2 вода при комнатной температуре на С. не действует, но он разлагает горячий водяной пар с образованием окиси С. и водорода. Соответствующие окислам pbo и pbo 2 гидроокиси pb (oh) 2 и pb (oh) 4 имеют амфотерный характер.
Соединение С. с водородом pbh 4 получается в небольших количествах при действии разбавленной соляной кислоты на mg 2 pb. pbh 4 - бесцветный газ, который очень легко разлагается на pb и h 2 . При нагревании С. соединяется с галогенами, образуя галогениды pbx 2 (x - галоген). Все они малорастворимы в воде. Получены также галогениды pbx 4: тетрафторид pbf 4 - бесцветные кристаллы и тетрахлорид pbcl 4 - жёлтая маслянистая жидкость. Оба соединения легко разлагаются, выделяя f 2 или cl 2 ; гидролизуются водой. С азотом С. не реагирует . Азид свинца pb (n 3 ) 2 получают взаимодействием растворов азида натрия nan 3 и солей pb (ii); бесцветные игольчатые кристаллы, труднорастворимые в воде; при ударе или нагревании разлагается на pb и n 2 со взрывом. Сера действует на С. при нагревании с образованием сульфида pbs - чёрного аморфного порошка. Сульфид может быть получен также при пропускании сероводорода в растворы солей pb (ii); в природе встречается в виде свинцового блеска - галенита.
В ряду напряжений pb стоит выше водорода (нормальные электродные потенциалы соответственно равны - 0,126 в для pb u pb 2+ + 2e и + 0,65 в для pb u pb 4+ + 4e). Однако С. не вытесняет водород из разбавленной соляной и серной кислот, вследствие перенапряжения h 2 на pb, а также образования на поверхности металла защитных плёнок труднорастворимых хлорида pbcl 2 и сульфата pbso 4 . Концентрированные h 2 so 4 и hcl при нагревании действуют на pb, причём получаются растворимые комплексные соединения состава pb (hso 4) 2 и h 2 . Азотная, уксусная, а также некоторые органические кислоты (например, лимонная) растворяют С. с образованием солей pb (ii). По растворимости в воде соли делятся на растворимые (ацетат, нитрат и хлорат свинца), малорастворимые (хлорид и фторид) и нерастворимые (сульфат, карбонат, хромат, фосфат, молибдат и сульфид). Соли pb (iv) могут быть получены электролизом сильно подкисленных h 2 so 4 растворов солей pb (ii); важнейшие из солей pb (iv) - сульфат pb (so 4) 2 и ацетат pb (c 2 h 3 o 2) 4 . Соли pb (iv) склонны присоединять избыточные отрицательные ионы с образованием комплексных анионов, например плюмбатов (pbo 3) 2- и (pbo 4) 4- , хлороплюмбатов (pbcl 6) 2- , гидроксоплюмбатов 2- и др. Концентрированные растворы едких щелочей при нагревании реагируют с pb с выделением водорода и гидроксоплюмбитов типа x 2 .
Получение. Металлический С. получают окислительным обжигом pbs с последующим восстановлением pbo до сырого pb («веркблея») и рафинированием (очисткой) последнего. Окислительный обжиг концентрата ведётся в агломерационных ленточных машинах непрерывного действия. При обжиге pbs преобладает реакция: 2pbs + 3o 2 = 2pbo + 2so 2 . Кроме того, получается и немного сульфата pbso 4 , который переводят в силикат pbsio 3 , для чего в шихту добавляют кварцевый песок. Одновременно окисляются и сульфиды других металлов (cu, zn, fe), присутствующие как примеси. В результате обжига вместо порошкообразной смеси сульфидов получают агломерат - пористую спекшуюся сплошную массу, состоящую преимущественно из окислов pbo, cuo, zno, fe 2 o 3 . Куски агломерата смешивают с коксом и известняком и эту смесь загружают в ватержакетную печь, в которую снизу через трубы («фурмы») подают воздух под давлением. Кокс и окись углерода восстанавливают pbo до pb уже при невысоких температурах (до 500 °С). При более высоких температурах идут реакции:
caco 3 = cao + co 2
2pbsio 3 + 2cao + С = 2pb + 2casio 3 + co 2 .
Окислы zn и fe частично переходят в znsio 3 и fesio 3 , которые вместе с casio 3 образуют шлак, всплывающий на поверхность. Окислы С. восстанавливаются до металла. Сырой С. содержит 92-98% pb, остальное - примеси cu, ag (иногда au), zn, sn, as, sb, bi, fe. Примеси cu и fe удаляют зейгерованием. Для удаления sn, as, sb через расплавленный металл продувают воздух. Выделение ag (и au) производится добавкой zn, который образует «цинковую пену», состоящую из соединений zn c ag (и au), более лёгких, чем pb, и плавящихся при 600-700 °С. Избыток zn удаляют из расплавленного pb пропусканием воздуха, водяного пара или хлора. Для очистки от bi к жидкому pb добавляют ca или mg, дающие трудноплавкие соединения ca 3 bi 2 и mg 3 bi 2 . Рафинированный этими способами С. содержит 99,8-99,9% pb. Дальнейшая очистка производится электролизом, в результате чего достигается чистота не менее 99,99%. Применение. С. широко применяют в производстве свинцовых аккумуляторов, используют для изготовления заводской аппаратуры, стойкой в агрессивных газах и жидкостях. С. сильно поглощает g -лучи и рентгеновские лучи, благодаря чему его применяют как материал для защиты от их действия (контейнеры для хранения радиоактивных веществ, аппаратура рентгеновских кабинетов и др.). Большие количества С. идут на изготовление оболочек электрических кабелей, защищающих их от коррозии и механических повреждений. На основе С. изготовляют многие свинцовые сплавы. Окись С. pbo вводят в хрусталь и оптическое стекло для получения материалов с большим показателем преломления. Сурик, хромат (жёлтый крон) и основной карбонат С. (свинцовые белила) - ограниченно применяемые пигменты. Хромат С. - окислитель, используется в аналитической химии. Азид и стифнат (тринитрорезорцинат) - инициирующие взрывчатые вещества. Тетраэтилсвинец - антидетонатор. Ацетат С. служит индикатором для обнаружения h 2 s. В качестве изотопных индикаторов используются 204 pb (стабильный) и 212 pb (радиоактивный).
С. А. Погодин.
С. в организме. Растения поглощают С. из почвы, воды и атмосферных выпадений. В организм человека С. попадает с пищей (около 0,22 мг ) , водой (0,1 мг ) , пылью (0,08 мг ) . Безопасный суточный уровень поступления С. для человека 0,2-2 мг. Выделяется главным образом с калом (0,22-0,32 мг ) , меньше с мочой (0,03-0,05 мг ) . В теле человека содержится в среднем около 2 мг С. (в отдельных случаях - до 200 мг ) . У жителей промышленно развитых стран содержание С. в организме выше, чем у жителей аграрных стран, у горожан выше, чем у сельских жителей. Основное депо С. - скелет (90% всего С. организма): в печени накапливается 0,2-1,9 мкг/г; в крови - 0,15-0,40 мкг/мл; в волосах - 24 мкг/г, в молоке -0,005-0,15 мкг/мл; содержится также в поджелудочной железе, почках, головном мозге и др. органах. Концентрация и распределение С. в организме животных близки к показателям, установленным для человека. При повышении уровня С. в окружающей среде возрастает его отложение в костях, волосах, печени. Биологические функции С. не установлены.
Ю. И. Раецкая.
Отравления С. и его соединениями возможны при добыче руд, выплавке С., при производстве свинцовых красок, в полиграфии, гончарном, кабельном производствах, при получении и применении тетраэтилсвинца и др. Бытовые отравления возникают редко и наблюдаются при употреблении в пищу продуктов, которые длительно хранили в глиняной посуде, покрытой глазурью, содержащей свинцовый сурик или глёт. С. и его неорганические соединения в виде аэрозолей проникают в организм в основном через дыхательные пути, в меньшей степени - через желудочно-кишечный тракт и кожу. В крови С. циркулирует в виде высокодисперсных коллоидов - фосфата и альбумината. Выделяется С. в основном через кишечник и почки. В развитии интоксикации играют роль нарушение порфиринового, белкового, углеводного и фосфатного обменов, дефицит витаминов С и b 1 , функциональные и органические изменения центральной и вегетативной нервной системы, токсическое влияние С. на костный мозг. Отравления могут быть скрытыми (т. н. носительство), протекать в лёгкой, средней тяжести и тяжёлой формах.
Наиболее частые признаки отравления С. : кайма (полоска лиловато-аспидного цвета) по краю дёсен, землисто-бледная окраска кожных покровов; ретикулоцитоз и другие изменения крови, повышенное содержание порфиринов в моче, наличие в моче С. в количествах 0,04-0,08 мг/л и более и т. д. Поражение нервной системы проявляется астенией, при выраженных формах - энцефалопатией, параличами (преимущественно разгибателей кисти и пальцев рук), полиневритом. При т. н. свинцовой колике возникают резкие схваткообразные боли в животе, запор, продолжающиеся от нескольких ч до 2-3 нед; нередко колика сопровождается тошнотой, рвотой, подъёмом артериального давления, температуры тела до 37,5-38 °С. При хронической интоксикации возможны поражения печени, сердечно-сосудистой системы, нарушение эндокринных функций (например, у женщин - выкидыши, дисменорея, меноррагии и др.). Угнетение иммунобиологической реактивности способствует повышенной общей заболеваемости.
Лечение: специфические (комплексонообразователи и др.) и общеукрепляющие (глюкоза, витамины и др.) средства, физиотерапия, санаторно-курортное лечение (Пятигорск, Мацеста, Серноводск). Профилактика: замена С. менее токсичными веществами (например, цинковые и титановые белила вместо свинцовых), автоматизация и механизация операций в производстве С., эффективная вытяжная вентиляция, индивидуальная защита рабочих, лечебное питание, периодическая витаминизация, предварительные и периодические медицинские осмотры.
Препараты С. используют в медицинской практике (только наружно) как вяжущие и антисептические средства. Применяют: свинцовую воду (при воспалительных заболеваниях кожи и слизистых оболочек), простой и сложный свинцовые пластыри (при гнойно-воспалительных заболеваниях кожи, фурункулах) и др.
Л. А. Каспаров.
Лит.: Андреев В. М., Свинец, в кн.: Краткая химическая энциклопедия, т. 4, М., 1965; Реми Г., Курс неорганической химии, пер. с нем., т. 1, М., 1963; Чижиков Д. М., Металлургия свинца, в кн.: Справочник металлурга по цветным металлам, т. 2, М., 1947; Вредные вещества в промышленности, под ред. Н. В. Лазарева, 6 изд., ч. 2, Л., 1971; Тарабаева Г. И., Действие свинца на организм и лечебно-профилактические мероприятия, А.-А., 1961; Профессиональные болезни, 3 изд., М., 1973,