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
Восемьдесят второй элемент таблицы Менделеева людям знаком давно. Скифские шаманы в обязательном порядке нашивали на ритуальную одежду свинцовые пластинки и бусины, «чтобы не улететь безвозвратно в мир духов». В египетских захоронениях обнаружены фигурки из свинца, датируемые VI веком до нашей эры. Но особым почтением к свинцу отличались древние римляне – там из него делали водопроводы, крыши, посуду для вина, и много еще чего. Их опыт попытались перенять строители Московского кремля, но, увы (или может быть, к счастью, учитывая влияние свинца на человека) первый же пожар уничтожил их труды...
Подробный экскурс в историю займет не одну страницу, поэтому разумнее посвятить ему отдельную статью.
Применение и свойства
Звездный час свинца настал с изобретением огнестрельного оружия. Но этот металл годится не только на пули и дробь. Без него встал бы абсолютно весь транспорт, ведь он – элемент автомобильных аккумуляторов, которые так и называются: свинцово-кислотные. Бокалы за праздничным столом звенели бы не так благозвучно – свинец входит в состав хрусталя (хотя впервые он попал туда по ошибке одного чешского стеклодува). Рентгеновские кабинеты прекратили бы прием пациентов – от радиации ничто не защищает, кроме свинцовых фартуков. А чем бы мы паяли? И еще много, много всего не удалось бы сделать, если бы в арсенале человечества не было тяжелого серого металла. Да, кстати, про арсеналы: нитрат свинца используется для производства мощной взрывчатки, а в качестве детонатора наиболее распространен азид свинца.
«Серебристо-белый металл с голубоватым отливом, блестящий на срезе»… Так говорит про свинец Википедия. Многих это описание приведет в недоумение, ведь цвет свинца всем известен – он серо-черный, как низкие грозовые тучи. А все потому, что на воздухе происходит стремительное окисление свинца, а пленка окислов придает поверхности металла темный оттенок.
В детстве многие самостоятельно изготавливали свинцовые грузила для рыбалки. Нужно насыпать в консервную банку «потроха» от старых аккумуляторов и совсем недолго нагреть плошку на костре. Температура плавления свинца всего 328 градусов по Цельсию. Затем вылить расплавленный металл на плоский камень… готово, можно резать. Для этого не нужны особые усилия – подойдет обычный нож и даже старые ножницы. Plumbum – мягкий металл, его пластинки можно без усилий свернуть в трубочку.
Фото: Свинец очень удобно использовать в качестве рыболовных грузил -
он не подвержен коррозии, легко принимает нужную форму.
Что тяжелее свинца? Из тех веществ, которые можно встретить в быту, прямо скажем, немногие. Золото – оно тяжелее свинца почти в два раза. И ртуть. Если кусок свинца положить в емкость с ртутью, он будет плавать на поверхности.
Расплавленный свинец напоминает ртуть – он блестящий, подвижный, и в нем, как в зеркале, отражаются окружающие предметы. Но, остывая, свинец тут же окисляется и покрывается мутной пленкой, темнеющей на глазах. Если вылить каплю расплавленного свинца в воду, то получатся всякие замысловатые фигурки, не хуже иных творений модных скульпторов. Но не рекомендуем увлекаться подобным творчеством – свинец ядовит, хотя влияние его на человека проявляется далеко не сразу. Особенно коварны его пары. Тот, кто работает со свинцом, должен регулярно проходить медицинские осмотры.
Ученые из США на протяжении многих лет собирали статистику, которая подтвердила, что в тех районах, где ведется добыча и переработка свинца, уровень преступности в 4 раза превышает аналогичные показатели в среднем по стране.
От автора: российским ученым стоит провести встречный эксперимент и поразить коллег из США сенсационными данными: в районах, где ведется добыча свинца открытым способом, похмелье переносится в 4 раза легче, чем в среднем по стране…
Месторождения свинца
Свинец в природе в чистом виде не встречается. Он всегда смешан с каким-либо металлом, чаще всего с оловом и сурьмой. Обязательно содержится в урановых и ториевых рудах, потому что свинец – не что иное, как последняя стадия распада урана. Вернее, в природе существует пять стабильных изотопов свинца, из которых три – продукты распада U и Th. Эти три изотопа занимают 98,5% от всего количества Pb, содержащегося в земной коре. В процессе ядерной реакции возникают и тут же распадаются многочисленные радиоактивные изотопы свинца.
Основным сырьем для получения свинца служит галенит, он же - свинцовый блеск, химическая формула - PbS. Его кристаллы тяжелые, блестящие и хрупкие.
Фото: Галенит или свинцовый блеск, PbS
Минералы, содержащие свинец и цинк (а также серебро, медь, железо, кадмий и ряд других металлов) образуют общее рудное тело. Комплексные полиметаллические руды имеют в составе такие ценные элементы, как золото, галлий, индий и многие другие. В настоящее время наиболее экономически выгодно извлекать из них свинец и цинк, реже – серебро. Остальное складируют под открытым небом в так называемые хвостохранилища. Это не отходы, а резервы сырья. В перспективе возможна их повторная отработка.
Состав руд Горевского месторождения уникален в своем роде:
(Продолжение следует...)
Свойства свинца
Существует не только свекольный или тростниковый , но и свинцовый. Так называют одно из соединений металла.
Ацетат выглядит как сладкая добавка к пище, — мелкие белого цвета или порошок, хорошо растворимый в воде.
Однако, свинцовый сахар не сладкий, да и есть его, не рекомендуется. Вещество содержит яд, коим являются как раз ионы металла.
Применяют ацетат только в ветеринарии исключительно наружно, поскольку обладает вяжущими свойствами.
Ядовитость некоторых соединений свинца, как это ни странно, используется во благо человека, но не насекомых.
Вещество под названием арсенат, содержащее металл, — отрава для вредителей полей, таких как долгоносик хлопковый и непарный шелкопряд.
Есть целый спектр и безобидных сочетаний свинца с другими элементами.
В сочетании с металл обладает сушащими свойствами, веществом обрабатывают картины, чтобы краска быстрее запустевала.
— Хромат свинца солнечного цвета. Его применяют для окрашивания тканей, .
— Без сульфата металла не обходятся аккумуляторы.
— Тетраэтилсвинец служит добавкой к машинному топливу, улучшает качественные параметры .
— Без сульфида металла не возможен обжиг посуды и изделий из .
— Хлорид свинца замедляет рост опухолей, поэтому используется медиками в качестве мази.
Это, применение химических соединений свинца . В чистом же виде элемент пригождается в промышленности.
Применение свинца
Металл не благородный, зато, помогает получить драгоценные и в их чистом виде. Процесс называется купелирование.
В процессе плавления смеси и свинца под воздействием окисления, отделяется драгоценный металл без каких-либо примесей.
Добавляют свинец и в смеси, которые употребляют в качестве припоев.
Их применяют для спаивания между собой деталей . Сам по себе свинец не отличается эстетической красотой.
Не соприкасаясь с воздухом, он блестящий, бело-голубой. Но, стоит металлу прореагировать с кислородом в атмосфере, как он теряет лоск, покрывается непрозрачной, мутной пленкой. Так что, с эстетической точки зрения свинец не представляет ценности.
Зато, элемент под порядковым номером 82 в – герой многих литературных трудов. Писатели любят эпитет «свинцовый».
Обычно, он означает неимоверную тяжесть чего-либо. К примеру, фраза «свинцовые ноги » трактуется, как конечности, которыми невозможно передвигать из-за ощущения в них тяжести.
Металл №82, действительно, не легок, но далеко не самый тяжелый из известных веществ. К примеру, в кусочек свинца плавает на поверхности.
Так что, более точно другое литературное применение образа элемента. Понятие «свинцовый» употребляют по отношению к цвету.
Часто говорят «свинцовый цвет лица». Это значит что покровы нездоровой серо-синей окраски, такой, какую металл приобретает при соприкосновении с воздухом.
В переводе некоторых текстов можно встретить фразу «оловянные аккумуляторы».
Это издержки перевода текстов на литовском, латышском, болгарском языках не совсем компетентными людьми.
Дело в том, что слова свинец во многих странах просто нет. Этот элемент называют оловом.
Еще древние люди путали два похожих друг на друга металла. Правда, олово тысячелетия назад не удостоилось чести представлять какую-нибудь планету.
Другие металлы, известные с незапамятных времен, древние люди разделили по небесным телам. Не секрет, что символизировало Марс. Свинец же стал обозначать Сатурн.
82-ым элементом буквально напичкана земля и, это касается не только природных запасов металла, но и коммуникационных систем.
Свойства свинца спасают от коррозии линии электропередач, телеграфные провода. Их часто приходится прокладывать не по воздуху, а под водоемами или, просто, под землей.
Не обходятся без бело-голубого металла и водопроводные системы. В них элемент свинец – материал для запорных устройств. Они препятствуют незапланированному доступу, в коллекторы, к примеру.
Количество свинца во внешней среде влияет на уровень преступности. К такому выводу пришли ученые США.
Они обследовали все штаты страны, соотнесли цифры и выявили закономерность.
Там, где концентрация металл максимальна, совершается в 4 раза больше правонарушений, чем в областях с меньшими показателями элемента №82.
Ученые мужи даже нашли объяснение статистическим данным. Они предположили, что металл свинец способствует нарушению нейронных связей в мозге, разрушает некоторые химические соединения, необходимые для нормальной работы органа.
Возможно, это способствует перепрограммированию человека на более нестандартное и агрессивное поведение.
Кстати, свинец в истории человечества часто был связан именно с агрессией. Металл применяли в пытках.
Лили в расплавленном виде на кожные покровы, рот. В индии сплав заливали в уши представителям низшей касты, если те подслушали разговоры своих высших собратьев.
А в Венеции для опасных преступников делали свинцовые потолки камер на верхнем этаже тюрьмы.
В жару они раскалялись, — узники изнывали от температур и духоты. В прохладную погоду, напротив, в помещениях было очень холодно.
Но, к счастью, сейчас металл №82 используют, в основном, в благих целях. Основной добытчик свинца – КНР.
В Поднебесной добывают около 2-х миллионов тонн элемента в год. Для сравнения, все запасы России равны лишь 17-ти миллионам тонн. Большинство из них скрыты в недрах Приморского, Алтайского, Красноярского краев.
Свинец (Pb) — элемент с атомным номером 82 и атомным весом 207,2. Является элементом главной подгруппы IV группы, шестого периода периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева. Свинцовый слиток имеет грязно-серый цвет, однако, на свежем срезе металл блестит и имеет синевато-серый оттенок. Это объясняется тем, что на воздухе свинец быстро окисляется и покрывается тонкой окисной пленкой, которая препятствует дальнейшему разрушению металла. Свинец очень пластичный и мягкий металл - слиток можно разрезать ножом и даже поцарапать ногтем. Устоявшееся выражение «свинцовая тяжесть» верно лишь отчасти - действительно - свинец (плотность11,34 г/см 3) тяжелее железа (плотность 7,87 г/см 3) в полтора раза, вчетверо тяжелее алюминия (плотность 2,70 г/см 3) и даже более тяжел, чем серебро (плотность 10,5 г/см 3). Однако многие металлы, используемые современной промышленностью гораздо тяжелее свинца - золото почти в два раза (плотность 19,3 г/см 3), тантал в полтора раза (плотность 16,6 г/см 3); будучи погруженный в ртуть, свинец всплывает на поверхность, ведь он легче ртути (плотность 13,546 г/см 3).
Природный свинец состоит из пяти стабильных изотопов с массовыми числами 202 (следы), 204 (1,5 %), 206 (23,6 %), 207 (22,6 %), 208 (52,3 %). Причем последние три изотопа - конечные продукты радиоактивных превращений 238 U, 235 U и 232 Th. В ходе ядерных реакций происходит образование многочисленных радиоактивных изотопов свинца.
Свинец наряду с золотом, серебром, оловом, медью, ртутью и железом относится к элементам, известным человечеству с глубокой древности. Существует предположение, что впервые люди выплавили свинец из руды более восьми тысяч лет назад. Еще за 6-7 тысяч лет до нашей эры из этого металла в Месопотамии и Египте изготовляли статуи божеств, предметы культа и домашнего обихода, таблички для письма. Римляне, изобретя водопровод, сделали свинец материалом для труб, несмотря на то, что ядовитость этого металла отмечали еще в первом веке нашей эры греческие врачи Диоскорид и Плиний Старший. Такие соединения свинца, как «свинцовая зола» (PbO) и свинцовые белила (2 PbCO 3 ∙Pb(OH) 2) применялись в Древней Греции и Риме как составные части лекарств и красок. В средневековье семерка древних металлов была в почете у алхимиков и магов, каждый из элементов получил отождествление с одной из известных тогда планет, свинцу соответствовал Сатурн, знаком этой планеты и обозначали металл. Именно свинцу алхимики приписывали способность превращаться в благородные металлы - серебро и золото, по этой причине он был частым участником их химических опытов. С появлением огнестрельного оружия свинец стал применяться в качестве материала для пуль.
Свинец широко используется в технике. Наибольшее его количество расходуется при изготовлении оболочек кабелей и пластин аккумуляторов. В химической промышленности на сернокислотных заводах из свинца изготовляют кожухи башен, змеевики холодильников и многие другие ответственные части аппаратуры, так как серная кислота (даже 80 % концентрации) не разъедает свинец. Свинец используется в оборонной промышленности - идет на изготовление боеприпасов и на выделку дроби. Этот металл входит в состав многих сплавов, например, сплавов для подшипников, типографского сплава (гарта), припоев. Свинец великолепно поглощает опасное гамма-излучение, поэтому его используют в качестве защиты от него при работе с радиоактивными веществами. Определенное количество свинца расходуется на производство тетраэтилсвинца - для повышения октанового числа моторного топлива. Свинец активно используют стекольная и керамическая промышленности для производства хрусталя и специальных лазурей. Свинцовый сурик - вещество ярко-красного цвета (Pb 3 O 4) - является основным ингредиентом краски, применяемой для защиты металлов от коррозии.
Биологические свойства
Свинец, как и большинство других тяжелых металлов, попадая в организм, вызывает отравления, которые могут быть скрытыми (носительство), протекать в легкой, средней тяжести и тяжелой формах. Основные признаки отравления свинцом — лиловато-аспидный окрас края десен, бледно-серая окраска кожных покровов, нарушения в кроветворении, поражения нервной системы, боли в брюшной полости, запоры, тошнота, рвота, подъем АД, температуры тела до 37 °С и выше. При тяжелых формах отравления и хронической интоксикации весьма вероятны необратимые поражения печени, сердечно-сосудистой системы, нарушения в работе эндокринной системы, угнетение иммунной системы организма и онкологические заболевания.
Каковы же причины отравления свинцом и его соединениями? Ранее такими причинами были — употребление воды из свинцовых водопроводов; хранение пищи в глиняной посуде, покрытой глазурью из свинцового сурика или глета; использование свинцовых припоев при починке металлической посуды; широкое использование свинцовых белил (даже в косметических целях) — все это неизбежно приводило к накоплению тяжелого металла в организме. В наши дни, когда о токсичности свинца и его соединений известно каждому, такие факторы проникновения металла в человеческий организм почти исключены. Однако развитие прогресса привело к возникновению огромного ряда новых рисков — это отравления на предприятиях по добыче и выплавке свинца; при производстве красителей на основе восемьдесят второго элемента (в том числе для полиграфии); при получении и использовании тетраэтилсвинца; на предприятиях кабельной промышленности. Ко всему этому нужно прибавить возрастающее загрязнение окружающей среды свинцом и его соединениями, поступающими в атмосферу, почву и воду.
Растения, в том числе потребляемые в пищу, поглощают свинец из почвы, воды и воздуха. В человеческий организм свинец поступает с пищей (более 0,2 мг), водой (0,1 мг) и пылью вдыхаемого воздуха (около 0,1 мг). Причем, поступающий с вдыхаемым воздухом свинец наиболее полно усваивается организмом. Безопасным суточным уровнем поступления свинца в человеческий организм считается 0,2—2 мг. Выделяется главным образом через кишечник (0,22-0,32 мг) и почки (0,03-0,05 мг). В теле взрослого человека в среднем постоянно содержится около 2 мг свинца, причем у жителей крупных промышленных городов содержание свинца выше, чем у сельчан.
Основной концентратор свинца в человеческом теле — костная ткань (90 % всего свинца организма), кроме того, свинец накапливается в печени, поджелудочной железе, почках, головном и спинном мозге, крови.
В качестве лечения отравлений могут рассматриваться некоторые специфические препараты комплексообразователи и общеукрепляющие средства — витаминные комплексы, глюкоза и им подобные. Также необходимы курсы физиотерапии и санаторно-курортное лечение (минеральные воды, грязевые ванны). Необходимы профилактические меры на предприятиях, связанных со свинцом и его соединениями: замена свинцовых белил цинковыми или титановыми; замена тетраэтилсвинца менее токсичными антидетонаторами; автоматизация ряда процессов и операций в производстве свинца; установка мощных вытяжных систем; использование СИЗ и периодические осмотры рабочего персонала.
Тем не менее, несмотря на токсичность свинца и его отравляющее действие на человеческий организм, он может приносить и пользу, что используется в медицине. Свинцовые препараты применяют наружно, как вяжущие и антисептические средства. Примером может служить «свинцовая вода» Pb(CH3COO)2.3H2O, которую применяют при воспалительных заболеваниях кожи и слизистых оболочек, а также при ушибах и ссадинах. Простые и сложные свинцовые пластыри помогают при гнойно-воспалительных заболеваниях кожи, фурункулах. При помощи уксуснокислого свинца получают препараты, стимулирующие деятельность печени при выделении желчи.
В Древнем Египте выплавкой золота занимались исключительно жрецы, ведь процесс считался священным искусством, неким таинством недоступным простым смертным. Поэтому именно служители культа подвергались завоевателями самым жестоким пыткам, однако тайна не была раскрыта в течение долгого времени. Как оказалось, египтяне обрабатывали золотую руду расплавленным свинцом, растворяющим благородные металлы, и таким образом извлекали золото из руд. Получившийся раствор подвергали окислительному обжигу, и свинец превращался в окись. Следующая стадия содержала главный секрет жрецов - горшки для обжига, изготовленные из костяной золы. При плавке окись свинца впитывалась в стенки горшка, увлекая при этом случайные примеси, на дне же оставался чистый сплав.
В современном строительстве свинец используют для уплотнения швов и создания сейсмостойких фундаментов. А ведь традиция использования этого металла в строительных целях идет из глубины веков. Древнегреческий историк Геродот (V в. до н. э.) писал о методе укрепления железных и бронзовых скоб в каменных плитах путем заливки отверстий легкоплавким свинцом. Позднее при раскопках Микен археологи обнаружили свинцовые скобы в каменных стенах. 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.
Существует целая легенда о том, как впервые была получена краска сурик. Свинцовые белила люди научились изготовлять более трех тысяч лет назад, только в те времена этот товар был редкостью и имел весьма высокую цену. По этой причине художники древности с большим нетерпением всегда ожидали в порту торговые корабли, везущие столь драгоценный товар. Не был исключением и великий греческий мастер Никий, который однажды в волнении высматривал корабль с острова Родос (основного поставщика свинцовых белил во всем Средиземноморье), везущий груз с краской. Вскоре корабль вошел в порт, но вспыхнул пожар и ценный груз был поглощен огнем. В безысходной надежде, что огонь пожалел хотя бы один сосуд с краской, Никий вбежал на обгоревший корабль. Огонь не уничтожил сосуды с краской, те лишь обгорели. Как же были удивлены художник и хозяин груза, когда, вскрыв сосуды, они обнаружили вместо белой краски ярко-красную!
Простота получения свинца заключается не только в том, что его легко выплавлять из руд, но и в том, что в отличие от многих других промышленно важных металлов, свинец не требует каких-либо специальных условий (создания вакуума или инертной среды) повышающих качество конечного продукта. Все потому, что газы не оказывают на свинец абсолютно никакого влияния. Ведь кислород, водород, азот, углекислый газ и прочие «вредные» для металлов газы не растворяются ни в жидком, ни в твердом свинце!
Средневековые инквизиторы использовали расплавленный свинец в качестве орудия пытки и казни. Особо несговорчивым (а порой наоборот) лицам металл вливали в горло. В далекой от католичества Индии было похожее наказание, ему подвергались лица низших каст, которые имели несчастье услышать (подслушать) чтение священных книг браминов. Нечестивцу заливали в уши расплавленный свинец.
Одной из венецианских «достопримечательностей» является средневековая тюрьма для государственных преступников, соединенная «Мостом вздохов» с Дворцом дожей. Особенность этой тюрьмы заключается в наличии необычных «VIP» камер на чердаке под крышей из свинца. В летний зной узник изнывал от жары, порой задыхаясь насмерть в такой камере, зимой заключенный замерзал от холода. Прохожие на «Мосту вздохов» могли слышать стенания и мольбы узников, при этом постоянно осознавая силу и власть правителя, находящегося рядом - за стенами Дворца дожей…
История
В ходе раскопок в Древнем Египте археологи обнаружили изделия из серебра и свинца в захоронениях до династического периода. Примерно к этому же времени (8—7 тысячелетие до нашей эры) относятся аналогичные находки, сделанные в районе Месопотамии. Совместные находки изделий из свинца и серебра неудивительны. С давних времен внимание людей привлекли красивые тяжелые кристаллы свинцового блеска PbS - наиболее важной руды, из которой добывается свинец. Богатые залежи этого минерала находили в горах Армении и в центральных районах Малой Азии. Минерал галенит помимо свинца содержит значительные примеси серебра и серы и если положить куски этого минерала в костер, то сера выгорит и потечет расплавленный свинец - древесный уголь препятствует окислению свинца. В шестом веке до нашей эры богатые залежи галенита были обнаружены в Лаврионе - гористой местности недалеко от Афин, а во времена римских пунических войн на территории современной Испании в многочисленных шахтах, заложенных еще финикийцами, активно добывался свинец, который римские инженеры использовали в строительстве труб водопровода.
Определенно установить первичное значение слова «свинец» не удалось до сих пор, так как неизвестно происхождение самого слова. Догадок и предположений множество. Так одни лингвисты утверждают, что греческое название свинца связано с определенной местностью, где его добывали. Некоторые филологи ошибочно сопоставляют более ранее греческое название с поздним латинским plumbum и утверждают, что последнее слово образовалось из mlumbum, а оба слова берут корни от санскритского bahu-mala, что можно перевести, как «очень грязный». Кстати, считается, что слово «пломба» произошло именно от латинского plumbum, а по-французски название восемьдесят второго элемента так и звучит - plomb. Это связано с тем, что мягкий металл с древних времен было принято использовать в качестве печатей и пломб. Даже в наше время товарные вагоны и складские помещения опечатывают свинцовыми пломбами.
Достоверно можно утверждать, что свинец часто путали с оловом, в XVII в. различали plumbum album (белый свинец, т. е. олово) и plumbum nigrum (черный свинец - собственно свинец). Можно было бы предположить, что в путанице виновны средневековые алхимики, именовавшие свинец множеством секретных имен, и трактовавших греческое название, как как plumbago - свинцовая руда. Однако такая путаница существует и в более ранних славянских названиях свинца. Так на древнеболгарском, сербскохорватском, чешском и польских языках свинец именовался оловом! О чем свидетельствует сохранившееся до нашего времени чешское название свинца - olovo.
Немецкое имя свинца - blei вероятно берет свои корни из древнегерманского blio (bliw), а то в свою очередь созвучно с литовским bleivas (свет, ясный). Вполне возможно, что от немецкого blei происходит и английское слово lead (свинец) и датское lood.
Происхождение русского слова «свинец» неизвестно, также как и близких восточнославянских - украинского (свинець) и белорусского (свінец). Кроме того, созвучие имеется в балтийской группе языков: литовский švinas и латышский svins. Существует теория о том, что эти слова следует связывать со словом «вино», что в свою очередь идет от традиции древних римлян и некоторых кавказских народов хранить вино в свинцовых сосудах для придания ему определенного своеобразного вкуса. Однако эта теория не подтверждена и имеет малую доказательную базу своей правоты.
Благодаря археологическим находкам стало известно, что древние мореплаватели обшивали корпуса деревянных кораблей тонкими пластинами из свинца. Одно из таких судов было поднято со дна Средиземного моря в 1954 году недалеко от Марселя. Древнегреческий корабль ученые датировали третьим веком до нашей эры! А уже в средние века крыши дворцов и шпили некоторых церквей покрывали свинцовыми пластинами, которые были устойчивы ко многим атмосферным явлениям.
Нахождение в природе
Свинец довольно редкий металл, его содержание в земной коре (кларк) составляет 1,6·10 -3 % по массе. Однако этот элемент гораздо более распространен, чем его ближайшие соседи по периоду - золото (всего 5∙10 -7 %), ртуть (1∙10 -6 %) и висмут (2∙10 -5 %). Очевидно, что данный факт связан с постепенным накоплением свинца в земной коре за счет ядерных реакций проходящих в недрах нашей планеты - изотопы свинца являющиеся конечными продуктами распада урана и тория, постепенно пополняют запасы Земли восемьдесят вторым элементом уже в течение миллиардов лет и процесс этот продолжается.
Основное скопление свинцовых минералов (более 80 - главный из них галенит PbS) связано с формированием гидротермальных месторождений. Кроме гидротермальных месторождений, некоторое значение имеют также окисленные (вторичные) руды - это полиметаллические руды, образующиеся в результате процессов выветривания приповерхностных частей рудных тел (до глубины 100-200 метров). Они обычно представлены гидроокислами железа, содержащими сульфаты (англезит PbSO 4), карбонаты (церуссит РbCO 3), фосфаты - пироморфит Рb 5 (РО 4) 3 Сl, смитсонит ZnCO 3 , каламин Zn 4 ∙H 2 O, малахит, азурит и другие.
И если свинец и цинк - главные ценные компоненты комплексных полиметаллических руд, то их спутниками часто являются более ценные металлы - золото, серебро, кадмий, олово, индий, галлий и иногда висмут. Содержания основных ценных компонентов в промышленных месторождениях полиметаллических руд колеблются от нескольких процентов и до более чем 10 %. В зависимости от концентрации рудных минералов различают сплошные или вкрапленные полиметаллические руды. Рудные тела полиметаллических руд отличаются разнообразием размеров, имея длину от нескольких метров до километра. Различны по морфологии - гнезда, пластообразные и линзообразные залежи, жилы, штоки, сложные трубообразные тела. Также различны условия залегания - пологие, крутые, секущие, согласные и другие.
При переработке полиметаллических руд получают два основных вида концентратов, содержащих соответственно 40-70 % свинца и 40-60 % цинка и меди.
Основные месторождения полиметаллических руд в России и странах СНГ - Алтай, Сибирь, Северный Кавказ, Приморский край, Казахстан. Богаты залежами полиметаллических комплексных руд Соединенные Штаты Америки, Канада, Австралия, Испания, Германия.
В биосфере свинец рассеян - его мало в живом веществе (5·10 -5 %) и морской воде (3·10 -9 %). Из природных вод этот металл отчасти сорбируется глинами и осаждается сероводородом, поэтому он накапливается в морских илах с сероводородным заражением и в образовавшихся из них черных глинах и сланцах.
Доказательством значимости свинцовых руд может служить один исторический факт. В рудниках, расположенных недалеко от Афин, греки из добываемого в шахтах свинца извлекали серебро методом купелирования (VI в. до н.э.). Причем древним «металлургам» удавалось извлечь практически весь драгоценный металл! Современные исследования утверждают, что серебра в породе оставалось всего 0,02 %. Вслед за греками отвалы перерабатывали римляне, добывая как свинец, так и остаточное серебро, содержание которого им удалось довести до 0,01 % и менее. Казалось бы - руда пуста и поэтому рудник был заброшен почти две тысячи лет. Однако в конце девятнадцатого века отвалы вновь стали перерабатывать на этот раз исключительно ради серебра, содержание которого составляло менее 0,01 %. На современных же металлургических предприятиях в свинце оставляют еще в сотни раз меньше драгоценного металла.
Применение
С древнейших времен свинец широко использовался человечеством, и области его применения были весьма разнообразны. Древние греки и египтяне использовали этот металл для очистки золота и серебра методом купелирования. Многие народы использовали расплавленный металл в качестве цементирующего раствора при строительстве зданий. Римляне использовали свинец в качестве материала для трубопроводов водопровода, а средневековые европейцы изготовляли из этого металла водостоки и дренажные трубы, облицовывали крыши некоторых зданий. С появлением огнестрельного оружия свинец стал главным материалом при изготовлении пуль и дроби.
В наше время восемьдесят второй элемент и его соединения лишь расширили сферы своего потребления. Аккумуляторная промышленность - один из самых емких потребителей свинца. Огромное количество металла (в некоторых странах до 75 % от всего объема производимого) расходуется на производство свинцовых аккумуляторов. Более прочные и менее тяжелые щелочные аккумуляторы активно завоевывают рынок, однако более емкие и мощные свинцовые аккумуляторы не сдают своих позиций.
Немало свинца расходуется на нужды химической промышленности при изготовлении заводской аппаратуры, стойкой в агрессивных газах и жидкостях. Так в сернокислотной промышленности основное оборудование - трубы, камеры, желоба, промывные башни, холодильники, детали насосов - все это изготовляется из свинца или свинцом облицовывается. Вращающиеся детали и механизмы (мешалки, крыльчатки вентилятора, вращающиеся барабаны) изготовляют из свинцово-сурьмянистого сплава гартблея.
Кабельная промышленность - еще один серьезный потребитель свинца, на эти цели в мире расходуется до 20 % этого металла. Им предохраняют от коррозии телеграфные и электрические провода при подземной или подводной прокладке.
До конца шестидесятых годов двадцатого века росло производство тетраэтилсвинца Pb(С2 Н5)4 - бесцветной ядовитой жидкости, которая является превосходным антидетонатором, улучшающим качество топлива. Однако после того как ученые подсчитали, что ежегодно с автомобильными выхлопами выбрасываются сотни тысяч тонн свинца, отравляя окружающую среду, многие страны сократили потребление ядовитого металла, а некоторое полностью отказались от его использования.
В связи с высокой плотностью и тяжестью свинца его применение в оружейном деле было известно задолго до появления огнестрельного оружия - пращники армии Ганнибала метали в римлян свинцовые шары. Лишь позже люди стали отливать из свинца пули и дробь. Для придания большей твердости к свинцу добавляют другие элементы, так при изготовлении шрапнели, в свинец добавляют до 12 % сурьмы, а свинец ружейной дроби содержит не более 1 % мышьяка. Нитрат свинца применяется для производства мощных смесевых взрывчатых веществ. Кроме того, свинец входит в состав некоторых инициирующих взрывчатых веществ (детонаторы): азид (PbN6) и тринитрорезорцинат свинца (ТНРС).
Свинец активно поглощает гамма- и рентгеновские лучи, благодаря чему его применяют как материал для защиты от их действия (контейнеры для хранения радиоактивных веществ, аппаратура рентгеновских кабинетов и других).
Главные компоненты типографских сплавов - свинец, олово и сурьма. Причем свинец и олово использовались в книгопечатании с первых его шагов, но не были единым сплавом, каковым являются в современной типографии.
Такое же, если не большее значение имеют соединения свинца, так некоторые соединения свинца защищают металл от коррозии не в условиях агрессивных сред, а просто на воздухе. Эти соединения вводят в состав лакокрасочных покрытий, например, свинцовые белила (затертая на олифе основная углекислая соль свинца 2PbCO3 Pb(OH)2), которые обладают рядом замечательных качеств: высокая кроющая способность, прочность и долговечность образуемой пленки, устойчивость к действию воздуха и света. Однако есть несколько отрицательных моментов, которые сводят применение свинцовых белил к минимуму (наружная окраска судов и металлоконструкций) - высокая токсичность и восприимчивость к сероводороду. В состав масляных красок входят и другие соединения свинца. Ранее в качестве желтого пигмента использовали глет PbO, который сменил свинцовый крон PbCrO4, однако использование свинцового глета продолжается - в качестве вещества ускоряющего высыхания масел (сиккатив). По сей день самый популярный и массовый пигмент на свинцовой основе - сурик Pb3O4. Этой замечательной краской ярко-красного цвета красят, в частности, подводные части кораблей.
Арсенат Pb3(AsO4)2 и арсенит свинца Pb3(AsO3)2 применяют в технологии инсектицидов для уничтожения насекомых - вредителей сельского хозяйства (непарного шелкопряда и хлопкового долгоносика).
Производство
Наиболее важная руда, из которой добывается свинец - свинцовый блеск PbS, а также комплексные сульфидные полиметаллические руды. Первая металлургическая операция при получении свинца это окислительный обжиг концентрата в агломерационных ленточных машинах непрерывного действия. При обжиге сульфид свинца превращается в оксид:
2PbS + ЗО2 → 2РbО + 2SO2
Помимо этого, получается и немного сульфата PbSO4, который переводят в силикат PbSiO3, для чего в шихту добавляют кварцевый песок и другие флюсы (CaCO3, Fe2O3), благодаря которым образуется жидкая фаза, цементирующая шихту.
В ходе реакции окисляются и сульфиды других металлов (медь, цинк, железо), присутствующие как примеси. Конечным результатом обжига вместо порошкообразной смеси сульфидов получают агломерат - пористую спекшуюся сплошную массу, состоящую преимущественно из оксидов РbО, CuO, ZnO, Fe2O3. Полученный агломерат содержит 35-45 % свинца. 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 оксид углерода (II) восстанавливают оксид свинца до свинца уже при невысоких температурах (до 500 °С):
PbO + C → Pb + CO
PbO + CO → Pb + CO2
При более высоких температурах идут другие реакции:
СаСО3 → СаО + СО2
2РbSiO3 + 2СаО + С → 2Рb + 2CaSiO3+ CO2
Оксиды цинка и железа, находящиеся в виде примесей в шихте, частично переходят в ZnSiO3 и FeSiO3, которые вместе с CaSiO3 образуют шлак, всплывающий на поверхность. Оксиды свинца восстанавливаются до металла. Процесс протекает в два этапа:
2PbS + 3O2 → 2PbO + 2SO2,
PbS + 2PbO → 3Pb + SO2
Сырой - черновой свинец содержит 92-98 % Pb, остальное - примеси меди, серебра (иногда золота), цинка, олова, мышьяка, сурьмы, Bi, Fe, которые удаляют различными методами, так медь и железо удаляют зейгерованием. Для удаления олова, сурьмы и мышьяка через расплавленный металл продувают воздух. Выделение золота и серебра производится добавкой цинка, который образует «цинковую пену», состоящую из соединений цинк с серебром (и золотом), более легких, чем свинец, и плавящихся при 600-700° C. Затем избыток цинка удаляют из расплавленного свинца пропусканием воздуха, водяного пара или хлора. Для очистки от висмута к жидкому свинцу добавляют магний или кальций, которые образуют трудноплавкие соединения Ca3Bi2 и Mg3Bi2. Рафинированный этими способами свинец содержит 99,8-99,9 % Рb. Дальнейшая очистка производится электролизом, в результате чего достигается чистота не менее 99,99 %. Электролитом служит водный раствор фторосиликата свинца PbSiF6. На катоде оседает чистый свинец, а примеси концентрируются в анодном шламе, содержащем много ценных компонентов, которые затем выделяют.
Объем добываемого свинца во всем мире растет каждый год. Так в начале девятнадцатого века во всем мире было добыто около 30 000 тонн. Спустя пятьдесят лет уже 130 000 тонн, в 1875 - 320 000 тонн, в 1900 - 850 000 тонн, 1950 - почти 2 млн тонн, а в настоящее время в год добывают около пяти млн тонн. Соответственно растет и потребление свинца. По объему производства свинец занимает четвертое место среди цветных металлов - после алюминия, меди и цинка. Можно выделить несколько стран - лидеров по производству и потреблению свинца (включая вторичный свинец) - это Китай, Соединенные Штаты Америки, Корея и страны Европейского Союза. В то же самое время многие страны в виду ядовитости соединений свинца отказываются от его употребления, так Германия и Голландия ограничили употребления этого металла, а Дания, Австрия и Швейцария, вообще запретили использование свинца. К этому стремятся все страны ЕС. Россия и США развивают технологии, которые помогут найти альтернативу применению свинца.
Физические свойства
Свинец - металл темно-серого цвета, на свежем срезе блестит и имеет светло-серый оттенок, отливающий синевой. Однако на воздухе быстро окисляется и покрывается защитной пленкой окисла. Свинец - тяжелый металл, его плотность 11,34 г/см3 (при температуре 20 °C), кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке (а = 4,9389A), аллотропических модификаций не имеет. Атомный радиус 1,75A, ионные радиусы: Рb2+ 1,26A, Рb4+ 0,76A.
У восемьдесят второго элемента немало ценных физических качеств, важных для промышленности, например низкая температура плавления - всего 327,4 °C (621,32 °F или 600,55 K), что позволяет сравнительно легко получать металл из руд. При переработке главного свинцового минерала - галенита (PbS) - металл легко отделяется от серы, для этого достаточно обжечь руду в смеси с углем на воздухе. Температура кипения восемьдесят второго элемента 1 740 °C (3 164 °F или 2 013,15 K), металл проявляет летучесть уже при 700 °C. Удельная теплоемкость свинца при комнатной температуре 0,128 кДж/(кг∙К) или 0,0306 кал/г∙°С. Свинец имеет довольно низкую теплопроводность 33,5 вт/(м∙К) или 0,08 кал/см∙сек∙°C при температуре 0 °C , температурный коэффициент линейного расширения свинца 29,1∙10-6 при комнатной температуре.
Другое важное для промышленности качество свинца - его высокая пластичность - металл легко куется, прокатывается в листы и проволоку, что позволяет применять его в машиностроительной промышленности для изготовления различных сплавов с другими металлами. Известно, что при давлении 2 т/см2 свинцовая стружка спрессовывается в сплошную монолитную массу. При увеличении давления до 5 т/см2 металл из твердого состояния переходит в текучее. Свинцовую проволоку получают, продавливая через фильеру не расплав, а твердый свинец, потому что обычным волочением ее изготовить невозможно в связи с малой разрывной прочностью свинца. Предел прочности при растяжении для свинца 12-13 Мн/м2, предел прочности при сжатии около 50 Мн/м2; относительное удлинение при разрыве 50-70 %. Твердость свинца по Бринеллю 25-40 Мн/м2 (2,5-4 кгс/мм2). Известно, что наклеп не повышает механических свойств свинца, так как температура его рекристаллизации лежит ниже комнатной (в пределах -35°C при степени деформации 40% и выше).
Восемьдесят второй элемент - один из первых металлов, переведенных в состояние сверхпроводимости. Кстати, температура, ниже которой свинец приобретает способность пропускать электрический ток без малейшего сопротивления, довольно высока - 7,17 °K. Для сравнения у олова эта температура равна 3,72 °K, у цинка - 0,82 °K, у титана - всего 0,4 °K. Именно из свинца была сделана обмотка первого сверхпроводящего трансформатора, построенного в 1961 году.
Металлический свинец - очень хорошая защита от всех видов радиоактивного излучения и рентгеновских лучей. Встречаясь с веществом, фотон или квант любого излучения тратит свою энергию, именно этим выражается его поглощение. Чем плотнее среда, через которую проходят лучи, тем сильнее она их задерживает. Свинец в этом отношении весьма подходящий материал - он довольно 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. Пятнадцати-двадцати-сантиметрового слоя свинца достаточно, чтобы предохранить людей от действия излучения любого известного науке вида. По этой-то причине свинец 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.
Химические свойства
Химически свинец сравнительно малоактивен - в электрохимическом ряду напряжений этот металл стоит непосредственно перед водородом.
На воздухе восемьдесят второй элемент быстро окисляется, покрываясь тонкой пленкой оксида PbO, препятствующему дальнейшему разрушению металла. Вода сама по себе не взаимодействует со свинцом, но в присутствии кислорода металл постепенно разрушается водой с образованием амфотерного гидроксида свинца (II):
2Pb + O2 + 2H2O → 2Pb(OH)2
При соприкосновении с жесткой водой свинец покрывается защитной пленкой нерастворимых солей (в основном сульфата и основного карбоната свинца), препятствующей дальнейшему действию воды и образованию гидроксида.
Разбавленные соляная и серная кислоты почти не действуют на свинец. Это связано со значительным перенапряжением выделения водорода на свинцовой поверхности, а также с образованием защитных пленок трудно-растворимых хлорида РbCl2 и сульфата PbSO4 свинца, закрывающих поверхность растворяющегося металла. Концентрированные серная H2SO4 и хлорная НCl кислоты, особенно при нагревании, действуют на восемьдесят второй элемент, причем получаются растворимые комплексные соединения состава Pb(HSO4)2 и Н2[РbCl4]. В HNO3 свинец растворяется легко, причем в кислоте низкой концентрации быстрее, чем в концентрированной азотной кислоте. Это явление легко объяснить - растворимость продукта коррозии (нитрата свинца) снижается с увеличением концентрации кислоты.
Pb + 4HNO3 → Pb(NO3)2 + 2NO2 + H2O
Сравнительно легко свинец растворяется рядом органических кислот: уксусной (CH3COOH), лимонной, муравьиной (HCOOH), это связано с тем фактом, что органические кислоты образуют свинцовые легкорастворимые соли, которые ни в коей мере не могут защитить поверхность металла.
В щелочах свинец также растворяется, хотя и с небольшой скоростью. Концентрированные растворы едких щелочей при нагревании реагируют со свинцом с выделением водорода и гидроксоплюмбитов типа Х2[Рb(ОН)4], например:
Pb + 4KOH + 2H2O → K4 + H2
По растворимости в воде соли свинца делятся на растворимые (ацетат, нитрат и хлорат свинца), малорастворимые (хлорид и фторид) и нерастворимые (сульфат, карбонат, хромат, фосфат, молибдат и сульфид). Все растворимые соединения свинца ядовиты. Растворимые соли свинца (нитрат и ацетат) в воде гидролизуются:
Pb(NO3)2 + H2O → Pb(OH)NO3 + HNO3
Для восемьдесят второго элемента характерны степени окисления +2 и +4. Значительно более устойчивы и многочисленны соединения со степенью окисления свинца +2.
Соединение свинца с водородом PbH4 получается в небольших количествах при действии разбавленной соляной кислоты на Mg2Pb. PbH4 - бесцветный газ, который очень легко разлагается на свинец и водород. С азотом свинец не реагирует. Азид свинца Pb(N3)2 - получаемый взаимодействием растворов азида натрия NaN3 и солей свинца (II) - бесцветные игольчатые кристаллы труднорастворимые в воде, при ударе или нагреве разлагается на свинец и азот со взрывом. Сера действует на свинец при нагревании с образованием сульфида PbS - черного амфотерного порошка. Сульфид может быть получен также при пропускании сероводорода в растворы солей Pb (II). В природе сульфид встречается в виде свинцового блеска - галенита.
При нагревании свинец соединяется с галогенами, образуя галогениды PbX2, где X - галоген. Все они малорастворимы в воде. Получены также галогениды PbX4: тетрафторид PbF4 - бесцветные кристаллы и тетрахлорид PbCl4 - желтая маслянистая жидкость. Оба соединения легко разлагаются водой, выделяя фтор или хлор; гидролизуются водой.
Свинец (лат. Plumbum), Pb, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; атомный номер 82, атомная масса 207,2. Свинец - тяжелый металл голубовато-серого цвета, очень пластичный, мягкий (режется ножом, царапается ногтем). Природный Свинец 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 Свинца.
Историческая справка. Свинец был известен за 6-7 тысяч 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 Свинец Сатурном и обозначали его знаком этой планеты. Соединения Свинец - "свинцовая зола" РbО, свинцовые белила 2РbСО 3 ·Рb(ОН) 2 применялись в Древней Греции и Риме как составные части лекарств и красок. Когда было изобретено огнестрельное оружие, Свинец начали применять как материал для пуль. Ядовитость Свинца отметили еще в 1 веке н. э. греческий врач Диоскорид и Плиний Старший.
Распространение Свинца в природе. Содержание Свинца в земной коре (кларк) 1,6·10 -3 % по массе. Образование в земной коре около 80 минералов, содержащих Свинец (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 РbCO 3), фосфаты [пироморфит Рb 5 (РО 4) 3 Сl].
В биосфере Свинец в основном рассеивается, его мало в живом веществе (5·10 -5 %), морской воде (3·10 -9 %). Из природных вод Свинец отчасти сорбируется глинами и осаждается сероводородом, поэтому он накапливается в морских илах с сероводородным заражением и в образовавшихся из них черных глинах и сланцах.
Физические свойства Свинца. 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; плотность 11,34 г/см 3 (20 °С); t пл 327,4 °С; t кип 1725 °С; удельная теплоемкость 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; твердость 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%. Наклеп не повышает механических свойств Свинца, так как температура его рекристаллизации лежит ниже комнатной (около -35 °С при степени деформации 40% и выше). Свинец диамагнитен, его магнитная восприимчивость -0,12·10 -6 . При 7,18 К становится сверхпроводником.
Химические свойства Свинца. Конфигурация внешних электронных оболочек атома Pb 6s 2 6р 2 , в соответствии с чем он проявляет степени окисления +2 и +4. Свинец сравнительно мало активен химически. Металлический блеск свежего разреза Свинца постепенно исчезает на воздухе вследствие образования тончайшей пленки РbО, предохраняющей от дальнейшего окисления.
С кислородом образует ряд оксидов Рb 2 О, РbО, РbО 2 , Рb 3 О 4 и Рb 2 О 3 .
В отсутствие О 2 вода при комнатной температуре на Свинец не действует, но он разлагает горячий водяной пар с образованием оксида Свинца и водорода. Соответствующие оксидам РbО и РbО 2 гидрооксиды Рb(ОН) 2 и Рb(ОН) 4 имеют амфотерный характер.
Соединение Свинца с водородом РbН 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 Н 2 . При нагревании Свинец соединяется с галогенами, образуя галогениды РbХ 2 (X -галоген). Все они малорастворимы в воде. Получены также галогениды РbХ 4: тетрафторид PbF 4 - бесцветные кристаллы и тетрахлорид РbСl 4 - желтая маслянистая жидкость. Оба соединения легко разлагаются, выделяя F 2 или Cl 2 ; гидролизуются водой. С азотом Свинец не реагирует. Азид свинца Pb(N 3) 2 получают взаимодействием растворов азида натрия NaN 3 и солей Рb (II); бесцветные игольчатые кристаллы, труднорастворимые в воде; при ударе или нагревании разлагается на Pb и N 2 со взрывом. Сера действует на Свинец при нагревании с образованием сульфида PbS - черного 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 Рb = Рb 2+ + 2е и +0,65 в для Pb = Pb 4+ + 4е). Однако Свинец не вытесняет водород из разбавленной соляной и серной кислот, вследствие перенапряжения Н 2 на Pb, а также образования на поверхности металла защитных пленок трудно-растворимых хлорида РbCl 2 и сульфата PbSO 4 . Концентрированные H 2 SO 4 и НCl при нагревании действуют на Pb, причем получаются растворимые комплексные соединения состава Pb(HSO 4) 2 и Н 2 [РbCl 4 ]. Азотная, уксусная, а также некоторые органических кислоты (например, лимонная) растворяют Свинец с образованием солей Рb (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 Рb (II); важнейшие из солей Pb (IV)- сульфат Pb(SO 4) 2 и ацетат Рb(С 2 Н 3 О 2) 4 . Соли Pb (IV) склонны присоединять избыточные отрицательные ионы с образованием комплексных анионов, например, плюмбатов (РbО 3) 2- и (РbО 4) 4- , хлороплюмбатов (РbCl 6) 2- , гидроксоплюмбатов [Рb(ОН) 6 ] 2- и других. Концентрированные растворы едких щелочей при нагревании реагируют с Pb с выделением водорода и гидроксоплюмбитов типа Х 2 [Рb(ОН) 4 ].
Получение Свинца. Металлический Свинец получают окислительным обжигом PbS с последующим восстановлением РbО до сырого Pb ("веркблея") и рафинированием (очисткой) последнего. Окислительный обжиг концентрата ведется в агломерационных ленточных машинах непрерывного действия. При обжиге PbS преобладает реакция:
2PbS + ЗО 2 = 2РbО + 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 оксидов РbО, 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 оксид углерода (II) восстанавливают РbО до Pb уже при невысоких температурах (до 500 °С). При более высоких температурах идут реакции:
СаСО 3 = СаО + СО 2
2РbSiO 3 + 2СаО + С = 2Рb + 2CaSiO 3 + CO 2 .
Оксиды Zn и Fe частично переходят в ZnSiO 3 и FeSiO 3 , которые вместе с CaSiO 3 образуют шлак, всплывающий на поверхность. Оксиды Свинца восстанавливаются до металла. Сырой Свинец 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 с Ag (и Au), более легких, чем Рb, и плавящихся при 600-700 °C. Избыток Zn удаляют из расплавленного Рb пропусканием воздуха, водяного пара или хлора. Для очистки от Bi к жидкому Рb добавляют Са или Mg, дающие трудноплавкие соединения Ca 3 Bi 2 и Mg 3 Bi 2 . Рафинированный этими способами Свинец содержит 99,8-99,9% Рb. Дальнейшая очистка производится электролизом, в результате чего достигается чистота не менее 99,99%.
Применение Свинца. Свинец широко применяют в производстве свинцовых аккумуляторов, используют для изготовления заводской аппаратуры, стойкой в агрессивных газах и жидкостях. Свинец сильно поглощает γ-лучи и рентгеновские лучи, благодаря чему его применяют как материал для защиты от их действия (контейнеры для хранения радиоактивных веществ, аппаратура рентгеновских кабинетов и других). Большие количества Свинца идут на изготовление оболочек электрических кабелей, защищающих их от коррозии и механических повреждений. На основе Свинца изготовляют многие свинцовые сплавы. Оксид Свинца РbО вводят в хрусталь и оптическое стекло для получения материалов с большим показателем преломления. Сурик, хромат (желтый крон) и основные карбонат Свинца (свинцовые белила) - ограниченно применяемые пигменты. Хромат Свинца - окислитель, используется в аналитической химии. Азид и стифиат (тринитрорезорцинат) - инициирующие взрывчатые вещества. Тетраэтилсвинец - антидетонатор. Ацетат Свинца служит индикатором для обнаружения H 2 S. В качестве изотопных индикаторов используются 204 Рb (стабильный) и 212 Рb (радиоактивный).
Свинец в организме. Растения поглощают Свинец из почвы, воды и атмосферных выпадений. В организм человека Свинец попадает с пищей (около 0,22 мг), водой (0,1 мг), пылью (0,08 мг). Безопасный суточный уровень поступления Свинца 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 Свинца (в отдельных случаях - до 200 мг). У жителей промышленно развитых стран содержание Свинца в организме выше, чем у жителей аграрных стран, у горожан выше, чем у сельских жителей. Основное депо Свинца - скелет (90% всего Свинца 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 других органах. Концентрация и распределение Свинца в организме животных близки к показателям, установленным для человека. При повышении уровня Свинца в окружающей среде возрастает его отложение в костях, волосах, печени.
Отравления Свинцом и его соединениями возможны при добыче руд, выплавке Свинец, 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 глет. Свинец 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 Свинец циркулирует в виде высокодисперсных коллоидов - фосфата и альбумината. Выделяется Свинец 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 органических изменения центральной и вегетативной нервной системы, токсичное влияние Свинец на костный мозг. Отравления могут быть скрытыми (так называемое носительство), протекать в легкой, средней тяжести и тяжелой формах.
Наиболее частые признаки отравления Свинец: кайма (полоска лиловато-аспидного цвета) по краю десен, землисто-бледная окраска кожных покровов; ретикулоцитоз и других изменения крови, повышенное содержание порфиринов в моче, наличие в моче Свинца 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 так называемых свинцовой колике возникают резкие схваткообразные боли в животе, запор, продолжающиеся от нескольких часов до 2-3 недель; нередко колика сопровождается тошнотой, рвотой, подъемом артериального давления, температуры тела до 37,5-38 °C. При хронической интоксикации возможны поражения печени, сердечно-сосудистой системы, нарушение эндокринных функций (например, у женщин - выкидыши, дисменорея, меноррагии и других). Угнетение иммунобиологической реактивности способствует повышенной общей заболеваемости.
Загрузка...