Свинец, свойства атома, химические и физические свойства

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.

1. Структура
2. Свойства
3. Запасы и добыча
4. Происхождение
5. Применение
6. Классификация
7. Физические свойства
8. Оптические свойства
9. Кристаллографические свойства

Смотрите так же:

Серебро

— структура и физические свойства

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/см3 (+20 °С). С повышением температуры плотность свинца падает. Предел прочности на растяжение — 12—13 МПа (МН/м2). При температуре 7,26 К становится сверхпроводником.

Какой цвет имеет металл?

Он является элементом IV группы 6 периода таблицы Менделеева, где он имеет порядковый номер 82. Что такое свинец в природе? Это чаще всего встречающийся галенит, формула которого – PbS. Иначе галенит называется свинцовым блеском. Чистый элемент является мягким и ковким металлом грязно-серого цвета. На воздухе его срез быстро покрывается небольшим слоем окиси. Оксиды надежно защищают металл от дальнейшего окисления как во влажной, так и в сухой среде. Если же металлическую поверхность, покрытую оксидами, очистить, она приобретет блестящий оттенок с синим отливом. Такую очистку можно произвести, если перелить свинец в вакууме и запаять его в вакуумную колбу.

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 PbCO3, англезит PbSO4 (сульфат свинца); из более сложных — тиллит PbSnS2 и бетехтинит Pb2(Cu,Fe)21S15, а также сульфосоли свинца — джемсонит FePb4Sn6S14, буланжерит Pb5Sb4S11. 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 %[

Тяжелый металл в промышленности

Самым используемым в промышленности является соединение свинца и олова. Обыкновенный припой под названием «третник» широко используется для соединений трубопроводов и электрических проводов. Это соединение содержит в себе одну часть свинца и две части олова. Оболочки для телефонных кабелей, части аккумуляторов также могут содержать в себе свинец. Температура плавления некоторых его соединений является очень низкой – например, сплавы с кадмием или оловом плавятся при 70 оС. Из таких соединений изготавливают противопожарное оборудование. Широко используются сплавы металла в судостроении. Они обычно окрашены в светло-серый цвет. Суда часто покрывают сплавами из олова и свинца для защиты от коррозии.

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.

Вред

Каждый школьник знает, что такое свинец. Но не все взрослые способны ответить на вопрос о том, в чем заключается его вред. Частицы его попадают в организм через дыхательную систему. Далее он начинает взаимодействовать с кровью, вступая в реакции с различными частями организма. Больше всего от этого страдает опорно-двигательный аппарат. Здесь оказывается 95% всего потребленного человеком свинца.

Высокий уровень содержания его в организме приводит к отставанию в умственном развитии, а у взрослых он проявляется в виде депрессивных симптомов. Об избытке свидетельствует рассеянность, утомляемость. Страдает и кишечник – из-за свинца часто могут возникать спазмы. Этот тяжелый металл также негативно воздействует и на репродуктивную систему. Женщинам становится трудно выносить плод, а у мужчин могут наблюдаться проблемы с качеством спермы. Также он очень опасен для почек. По некоторым исследованиям, он способен вызвать злокачественные опухоли. Однако в количестве, не превышающем 1 мг, свинец может быть полезен для организма. Ученые выяснили, что этот металл может оказывать бактерицидное действие на органы зрения – однако следует помнить, что такое свинец и использовать его только в дозах, не превышающих допустимые.

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 PbCl2 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 PbO2 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•PbCO3, 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 H2S. 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(BO2)2•H2O, нерастворимый белый порошок, используют для сушки картин и лаков, а вместе с другими металлами — в качестве покрытий стекла и фарфора.

Хлорид свинца PbCl2, белый кристаллический порошок, растворим в горячей воде, растворах других хлоридов и особенно хлорида аммония NH4Cl. 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(NO3)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 (C2H5)4Pb (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

Взаимодействие с другими металлами, нагревание

Удельная теплоемкость свинца равна 140 Дж/кг. По своим химическим свойствам это малоактивный металл. В ряду напряжений он расположен перед водородом. Из своих солей свинец легко вытесняется другими металлами. Например, можно провести опыт: опустить палочку из цинка в раствор ацетата этого элемента. Тогда он осядет на цинковой палочке в виде пушистых кристаллов, которые химики называют «сатурновым деревом». Сколько удельная теплоемкость свинца равна? Что это означает? Этот показатель — 140 Дж/кг. А значит он следующее: чтобы нагреть килограмм металла на 1 оС, требуется 140 Джоулей тепла.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Исторические сведения

Свинец используется многие тысячелетия, поскольку он широко распространён, легко добывается и обрабатывается. Он очень ковкий и легко плавится. Выплавка свинца была первым из известных человеку металлургических процессов. Бусины из свинца, датируемые 6400 г. до н. э., были найдены в культуре Чатал-Хююк. Самым древним предметом, сделанным из свинца, часто считается статуэтка стоящей женщины в длинной юбке времён первой династии Египта, датируемая 3100—2900 гг. до н. э., хранящаяся в Британском музее (инвентарный номер EA 32138). Она была найдена в храме Осириса в Абидосе и привезена из Египта в 1899 году. В Древнем Египте использовались медальоны из свинца. В раннем бронзовом веке свинец использовался наряду с сурьмой и мышьяком. Указание на свинец как на определённый металл имеется в Ветхом Завете.

Свинцовые трубы древнеримского водопровода с надписями

Самым крупным производителем свинца доиндустриальной эпохи был Древний Рим, с годовым производством 80 000 тонн. Добыча римлянами свинца происходила в Центральной Европе, римской Британии, на Балканах, в Греции, Малой Азии и Испании. Римляне широко применяли свинец в производстве труб для водопроводов, свинцовые трубы часто имели надписи римских императоров. Правда, ещё Плиний и Витрувий считали, что это нехорошо для общественного здоровья.

Папская булла 1637 года со свинцовой печатью

После падения Римской империи в V в. н. э. использование свинца в Европе упало и оставалось на низком уровне около 600 лет. Затем свинец начали добывать в восточной Германии. Свинцовый сахар ещё с римских времён добавляли в вино для улучшения его вкусовых качеств, это стало широко распространено и продолжалось даже после запрета папской буллой в 1498 году. Такое использование свинца в средние века приводило к эпидемиям свинцовой колики. В Древней Руси свинец использовали для покрытия крыш церквей, а также широко применяли в качестве материала навесных печатей к грамотам. Позднее, в 1633 году, в Кремле был сооружён водопровод со свинцовыми трубами, вода по которому шла из Водовзводной башни, он просуществовал до 1737 года.

В алхимии свинец ассоциировался с планетой Сатурном и обозначался её символом ♄. В древности олово, свинец и сурьму часто не отличали друг от друга, считая их разными видами одного и того же металла, хотя ещё Плиний Старший различал олово и свинец, называя олово «плюмбум альбум», а свинец — «плюмбум нигрум».

Индустриальная революция привела к новому росту потребности в свинце. К началу 1840-х гг. годовое производство очищенного свинца впервые превысило 100 000 тонн и выросло до более чем 250 000 тонн в течение следующих 20 лет. До последних десятилетий XIX века добыча свинца в основном проводилась тремя странами: Британией, Германией и Испанией. К началу XX века добыча свинца в Европе стала меньше, чем в остальном мире, благодаря увеличившейся добыче в США, Канаде, Мексике и Австралии. До 1990 года большое количество свинца использовалось (вместе с сурьмой и оловом) для отливки типографских шрифтов, а также в виде тетраэтилсвинца — для повышения октанового числа моторного топлива.

Влияние свинца на организм человека и симптомы отравления

Любые соединения свинца очень ядовиты. Металл проникает в организм вместе с едой или со вдыхаемым воздухом и разносится кровью. Причем вдыхание паров свинцовых соединений и пыли намного более опасно, чем присутствие его в пище. Свинец имеет свойство накапливаться в костях, частично замещая в этом случае кальций . При повышении концентрации свинца в организме развивается анемия, поражается головной мозг, что приводит к снижению интеллекта, а у детей может вызвать необратимые задержки в развитии. Достаточно растворить один миллиграмм свинца в литре воды и она станет не только непригодной, но и опасной для питья. Такое низкое количество свинца представляет также определенную опасность, ни цвет ни вкус воды не изменяется. Основные симптомы отравления свинцом:

• серая кайма на деснах,
• вялость,
• апатия,
• потеря памяти,
• слабоумие,
• проблемы со зрением,
• раннее старение.