Свинец и его характеристики. Технические и пользовательские характеристики, а также свойства металла свинец

Свинец – это химический элемент с атомным номером 82 и символом Pb (от латинского plumbum – слиток). Это тяжелый металл с плотностью, превышающей плотность большинства обычных материалов; свинец мягкий, податливый и плавится при относительно низких температурах. Свежесрубленный свинец имеет голубовато-белый оттенок; он притупляется до тускло-серого при воздействии воздуха. Свинец имеет второй по величине атомный номер классически устойчивых элементов и стоит в конце трех основных цепочек распада более тяжелых элементов. Свинец является относительно нереактивным постпереходным элементом. Его слабый металлический характер иллюстрируется его амфотерной природой (оксиды свинца и свинец реагируют как с кислотами, так и с основаниями) и склонностью к образованию ковалентных связей. Соединения свинца обычно находятся в состоянии окисления +2, а не +4, как правило, с более легкими членами углеродной группы. Исключения, в основном, ограничены органическими соединениями. Как и более легкие члены этой группы, свинец проявляет тенденцию связываться сам с собой; он может образовывать цепи, кольца и многогранные структуры. Свинец легко извлекается из свинцовых руд и был известен уже доисторическим людям в Западной Азии. Основная руда свинца, галена, часто содержит в себе серебро, и интерес к серебру способствовал широкомасштабной экстракции свинца и его использованию в Древнем Риме. Производство свинца сократилось после падения Римской империи и не доходило до тех же уровней вплоть до промышленной революции. В настоящее время, мировое производство свинца составляет около десяти миллионов тонн в год; вторичная добыча от переработки составляет более половины от этого количества. Свинец обладает несколькими свойствами, которые делают его полезным: высокая плотность, низкая температура плавления, пластичность и относительная инертность к окислению. В сочетании с относительным изобилием и низкой стоимостью, эти факторы привели к широкому использованию свинца в строительстве, сантехнике, производстве батарей, пуль, весов, припоев, сплавов олова со свинцом, плавких сплавов и радиационной защите. В конце 19-го века, свинец был признан высокотоксичным, и с тех пор его применение было постепенно сокращено. Свинец является нейротоксином, который накапливается в мягких тканях и костях, повреждая нервную систему и вызывая нарушения головного мозга, а у млекопитающих – расстройства крови.

Физические свойства

Атомные свойства

Атом свинца имеет 82 электрона, расположенных в электронной конфигурации 4f145d106s26p2. Объединенная первая и вторая энергии ионизации – полная энергия, необходимая для удаления двух 6p электронов – близка к энергии олова, верхнего соседа свинца в углеродной группе. Это необычно; энергии ионизации обычно идут вниз по группе, так как внешние электроны элемента становятся более отдаленными от ядра и более экранированы меньшими орбиталями. Сходство энергий ионизации обусловлено сокращением лантанидов – уменьшением радиусов элементов из лантана (атомный номер 57) до лютеция (71) и относительно малыми радиусами элементов после гафния (72). Это связано с плохим экранированием ядра электронами лантанида. Объединенные первые четыре энергии ионизации свинца превышают объёмы олова , вопреки предсказаниям периодических тенденций. Релятивистские эффекты, которые становятся значительными в более тяжелых атомах, способствуют такому поведению. Одним из таких эффектов является эффект инертной пары: электроны 6s свинца неохотно участвуют в связывании, делая расстояние между ближайшими атомами в кристаллическом свинце необычайно длинными . Более легкие углеродные группы свинца образуют стабильные или метастабильные аллотропы с тетраэдрически координированной и ковалентно связанной алмазной кубической структурой. Энергетические уровни их внешних s- и p-орбиталей достаточно близки, чтобы позволить смешивать их с четырьмя гибридными sp3-орбиталями. В свинце, эффект инертных пар увеличивает расстояние между его s- и p-орбиталями, и разрыв не может быть преодолен энергией, которая будет высвобождаться дополнительными связями после гибридизации. В отличие от алмазной кубической структуры, свинец образует металлические связи, в которых только p-электроны делокализуются и разделяются между ионами Pb2 +. Следовательно, свинец имеет гранецентрированную кубическую структуру, такую как двухвалентные металлы одинакового размера, кальций и стронций.

Большие объемы

Чистый свинец имеет яркий серебристый цвет с оттенком синего. Он тускнеет при контакте с влажным воздухом, и его оттенок зависит от преобладающих условий. Характерные свойства свинца включают высокую плотность, пластичность и высокую устойчивость к коррозии (из-за пассивации). Плотная кубическая структура и высокий атомный вес свинца приводит к плотности 11,34 г / см3, что больше, чем у обычных металлов, таких как железо (7,87 г / см3), медь (8,93 г / см3) и цинк (7,14 г / см3). Некоторые более редкие металлы имеют большую плотность: вольфрам и золото – 19,3 г / см3, а осмий – самый плотный металл – имеет плотность 22,59 г / см3, что почти в два раза больше, чем у свинца . Свинец – очень мягкий металл с твердостью по Моосу 1,5; его можно поцарапать ногтем. Он довольно ковкий и в некотором смысле пластичный. Объемный модуль свинца – мера его легкости сжимаемости – составляет 45,8 ГПа. Для сравнения, объемный модуль алюминия составляет 75,2 ГПа; меди – 137,8 ГПа; а мягкой стали – 160-169 ГПа. Прочность на растяжение при 12-17 МПа низка (у алюминия в 6 раз выше, у меди – в 10 раз, а у мягкой стали – в 15 раз); её можно усилить добавлением небольшого количества меди или сурьмы. Точка плавления свинца – 327,5 ° C (621,5 ° F) – является низкой по сравнению с большинством металлов. Его температура кипения составляет 1749 °C (3180 °F) и является самой низкой среди элементов углеродной группы. Электросопротивление свинца при 20 °С составляет 192 нанометра, что почти на порядок выше, чем у других промышленных металлов (медь при 15,43 nΩ·m, золото 20,51 nΩ·m и алюминий при 24,15 nΩ·m). Свинец представляет собой сверхпроводник при температурах ниже 7,19 К, это самая высокая критическая температура всех сверхпроводников I типа. Свинец является третьим по величине элементным сверхпроводником.

Изотопы свинца

Естественный свинец состоит из четырех устойчивых изотопов с массовым числом 204, 206, 207 и 208, и следов пяти короткоживущих радиоизотопов . Большое количество изотопов согласуется с тем, что число атомов свинца является четным. Свинец имеет магическое число протонов (82), для которых модель ядерной оболочки точно предсказывает особенно стабильное ядро. Свинец-208 имеет 126 нейтронов, другое магическое число, которое может объяснить, почему свинец-208 необычайно устойчив. Учитывая его высокий атомный номер, свинец является самым тяжелым элементом, естественные изотопы которого считаются стабильными. Это звание ранее принадлежало висмуту, имеющему атомный номер 83, до тех пор, пока в 2003 году не было обнаружено, что его единственный изначальный изотоп, висмут-209, очень медленно распадается. Четыре стабильных изотопа свинца теоретически могли пройти альфа-распад на изотопы ртути с высвобождением энергии, но это нигде не наблюдалось, их предсказанные периоды полураспада варьируются от 1035 до 10189 лет. Три стабильных изотопа встречаются в трех из четырех основных цепей распада: свинец-206, свинец-207 и свинец-208 являются конечными продуктами распада урана-238, урана-235 и тория-232 соответственно; эти цепочки распада называются сериями урана, сериями актиния и сериями тория. Их изотопная концентрация в образце природной породы очень зависит от наличия этих трех родительских изотопов урана и тория. Например, относительное обилие свинца-208 может варьироваться от 52% в нормальных образцах до 90% в ториевых рудах, поэтому стандартная атомная масса свинца дается только в одном знаке после запятой . С течением времени, отношение свинца-206 и свинца-207 к свинцу-204 увеличивается, поскольку первые два дополняются радиоактивным распадом более тяжелых элементов, в то время как последний не дополняется; это позволяет осуществлять связи свинец-свинец. Поскольку уран распадается на свинец, их относительные количества меняются; это основа для создания урана-свинца. Помимо стабильных изотопов, составляющих почти весь свинец, который существует естественным образом, имеются следовые количества нескольких радиоактивных изотопов. Один из них – свинец-210; хотя его период полураспада составляет всего 22,3 года, в природе присутствуют лишь небольшие количества этого изотопа, потому что свинец-210 вырабатывается длинным циклом распада, который начинается с урана-238 (который присутствует на Земле миллиарды лет). В цепях распада урана-235, тория-232 и урана-238 присутствуют свинец-211, -212 и -214, поэтому естественным образом обнаруживаются следы всех этих трех изотопов свинца. Небольшие следы свинца-209 возникают из-за очень редкого кластерного распада радия-223, одного из дочерних продуктов природного урана-235. Свинец-210 особенно полезен для того, чтобы помочь идентифицировать возраст образцов путем измерения его отношения к свинцу-206 (оба изотопа присутствуют в одной цепи распада). Всего было синтезировано 43 изотопа свинца, с массовыми номерами 178-220. Свинец-205 является наиболее стабильным с периодом полураспада около 1,5 × 107 лет. [I] Вторым по стабильности является свинец-202, период полураспада которого составляет около 53000 лет, дольше, чем у любого естественного следового радиоизотопа. Оба являются вымершими радионуклидами, которые были произведены в звездах вместе со стабильными изотопами свинца, но давно уже распались.

Химия

Большой объем свинца, подвергнутый воздействию влажного воздуха, образует защитный слой различного состава. Сульфит или хлорид также могут присутствовать в городских или морских условиях. Этот слой делает большой объем свинца эффективно химически инертным в воздухе. Мелкопорошковый свинец, как и многие металлы, является пирофорным и горит голубовато-белым пламенем . Фтор вступает в реакцию со свинцом при комнатной температуре, образуя фторид свинца (II). Реакция с хлором аналогична, но требует нагревания, так как полученный хлоридный слой уменьшает реакционную способность элементов. Расплавленный свинец реагирует с халькогенами с образованием халькогенидов свинца (II). Металл свинца не подвергается воздействию разбавленной серной кислоты, а растворяется в концентрированной форме. Он медленно реагирует с соляной кислотой и энергично – с азотной кислотой с образованием оксидов азота и нитрата свинца (II) . Органические кислоты, такие как уксусная кислота, растворяют свинец в присутствии кислорода. Концентрированные щелочи растворяют свинец и формируют плюмбиты.

Неорганические соединения

Свинец имеет два основных состояния окисления: +4 и +2. Четырехвалентное состояние является общим для углеродной группы. Двухвалентное состояние редко встречается для углерода и кремния, незначительно для германия, важно (но не преобладающее) для олова, и более важно для свинца. Это объясняется релятивистскими эффектами, в частности, эффектом инертных пар, который проявляется, когда наблюдается большая разница в электроотрицательности между свинцовыми и оксидными, галогенидными или нитридными анионами, что приводит к значительным частичным положительным зарядам свинца. В результате наблюдается более сильное сжатие 6s-орбитали свинца, чем 6p-орбитали, что делает свинец весьма инертным в ионных соединениях. Это менее применимо к соединениям, в которых свинец образует ковалентные связи с элементами аналогичной электроотрицательности, такими как углерод в органолептических соединениях. В таких соединениях, 6s и 6p-орбитали имеют одинаковый размер, и sp3-гибридизация все еще энергетически выгодна. Свинец, как и углерод, преимущественно четырехвалентный в таких соединениях. Относительно большая разница в электроотрицательности свинца (II) при 1,87 и свинца (IV) составляет 2,33. Эта разница подчеркивает обратную тенденцию повышения устойчивости состояния окисления +4 с понижением концентрации углерода; олово, для сравнения, имеет значения 1,80 в состоянии окисления +2 и 1,96 в состоянии +4.

Соединения свинца (II) характерны для неорганической химии свинца. Даже сильные окислители, такие как фтор и хлор, реагируют со свинцом при комнатной температуре, образуя только PbF2 и PbCl2 . Большинство из них менее ионны, чем соединения других металлов, и поэтому они в значительной степени нерастворимы. Ионы свинца (II) обычно бесцветны в растворе и частично гидролизуются с образованием Pb (OH)+ и, наконец, Pb4 (OH) 4 (в котором гидроксильные ионы действуют как мостиковые лиганды). В отличие от ионов олова (II), они не являются восстанавливающими агентами. Методы идентификации присутствия иона Pb2+ в воде обычно полагаются на осаждение хлорида свинца (II) с использованием разбавленной соляной кислоты. Поскольку хлоридная соль немного растворима в воде, затем предпринимается попытка осаждения сульфида свинца (II) путем барботирования сероводорода через раствор. Моноксид свинца существует в двух полиморфах: красный α-PbO и желтый β-PbO, последний стабилен только при температуре выше 488 °C. Это наиболее часто используемое соединение свинца. Гидроокись свинца (II) может существовать только в растворе; известно, что она образует плюмбитные анионы. Свинец обычно реагирует с более тяжелыми халькогенами. Сульфид свинца представляет собой полупроводник, фотопроводник и чрезвычайно чувствительный детектор инфракрасного излучения. Другие два халькогенида, селенид свинца и теллурид свинца, также являются фотопроводниками. Они необычны тем, что их цвет становится тем светлее, чем ниже группа. Дигалиды свинца хорошо описаны; они включают диастатид и смешанные галогениды, такие как PbFCl. Относительная нерастворимость последних является полезной основой для гравиметрического определения фтора. Дифторид был первым твердым ионопроводящим соединением, которое было обнаружено (в 1834 году Майклом Фарадеем). Другие дигалогениды разлагаются при воздействии ультрафиолетового или видимого света, особенно дийодид. Известно много псевдогалогенидов свинца. Свинец (II) образует большое количество галогенидных координационных комплексов, таких как 2-, 4- и анион n5n-цепи. Сульфат свинца (II) нерастворим в воде, как и сульфаты других тяжелых двухвалентных катионов. Нитрат свинца (II) и ацетат свинца (II) являются очень растворимыми, и это используется при синтезе других соединений свинца .

Известно несколько неорганических соединений свинца (IV), и они обычно являются сильными окислителями или существуют только в сильнокислотных растворах . Оксид свинца (II) дает смешанный оксид при дальнейшем окислении, Pb3O4. Он описывается как оксид свинца (II, IV) или структурно 2PbO·PbO2 и является наиболее известным смешанным валентным соединением свинца. Двуокись свинца является сильным окислителем, способным окислять хлористоводородную кислоту до газообразного хлора. Это связано с тем, что ожидаемый PbCl4, который будет производиться, нестабилен и спонтанно разлагается до PbCl2 и Cl2. Аналогично монооксиду свинца, диоксид свинца способен образовывать вспененные анионы. Дисульфид свинца и диселенид свинца устойчивы при высоких давлениях. Тетрафторид свинца, желтый кристаллический порошок, стабилен, но в меньшей степени, чем дифторид. Тетрахлорид свинца (желтое масло) разлагается при комнатной температуре, тетрабромид свинца еще менее стабилен, а существование тетрайодида свинца оспаривается.

Другие состояния окисления

Некоторые соединения свинца существуют в формальных состояниях окисления, отличных от +4 или +2. Свинец (III) может быть получен в качестве промежуточного соединения между свинцом (II) и свинцом (IV) в более крупных органолептических комплексах; это состояние окисления нестабильно, так как и ион свинца (III), и более крупные комплексы, содержащие его, являются радикалами. То же самое относится и к свинцу (I), который можно найти в таких видах. Известны многочисленные смешанные оксиды свинца (II, IV). Когда PbO2 нагревается на воздухе, он становится Pb12O19 при 293 °C, Pb12O17 при 351 °C, Pb3O4 при 374 °C и, наконец, PbO при 605 °C. Еще один полуторный оксид Pb2O3 может быть получен при высоком давлении наряду с несколькими нестехиометрическими фазами. Многие из них показывают дефектные структуры флюорита, в которых некоторые атомы кислорода заменяются пустотами: PbO можно рассматривать как имеющий такую структуру, причем каждый альтернативный слой атомов кислорода отсутствует. Отрицательные состояния окисления могут возникать как фазы Цинтля, как либо в случае Ba2Pb, причем свинец формально представляет собой свинец (-IV), или как в случае чувствительных к кислороду кольцеобразных или полиэдрических кластерных ионов, таких как тригональный бипирамидный ион Pb52-i, где два свинцовых атома – свинец (- I), а три – свинец (0). В таких анионах, каждый атом находится на полиэдральной вершине и вносит два электрона в каждую ковалентную связь по краю от их sp3-гибридных орбиталей, а остальные два являются внешней одиночной парой. Они могут быть сформированы в жидком аммиаке путем восстановления свинца натрием.

Свинецорганическое соединение

Свинец может образовывать многосвязные цепи, и это свойство он разделяет с более легким своим гомологом, углеродом. Его способность к этому намного меньше, потому что энергия связи Pb-Pb в три с половиной раза ниже, чем у C-C-связи. Сам с собой, свинец может строить металло-металлические связи до третьего порядка. С углеродом, свинец формирует свинецорганические соединения, сходные с, но обычно менее стабильные, чем типичные органические соединения (из-за слабости связи Pb-C). Это делает металлоорганическую химию свинца гораздо менее широкой, чем у олова. Свинец преимущественно образует органические соединения (IV), даже если это образование начинается с неорганических реагентов свинца (II); известно очень мало соединений органолата (II). Наиболее хорошо охарактеризованными исключениями являются Pb 2 и Pb (η5-C5H5)2. Свинцовый аналог простейшего органического соединения, метан, является плюмбаном. Плюмбан может быть получен в реакции между металлическим свинцом и атомарным водородом. Два простых производных, тетраметиладин и тетраэтилэлид, являются наиболее известными свинецорганическими соединениями. Эти соединения являются относительно стабильными: тетраэтилэлид начинает разлагаться только при 100 °С или при воздействии солнечного света или ультрафиолетового излучения. (Тетрафенилсвинец еще более термически устойчив, разлагаясь при 270 °C). С натрием-металлом, свинец легко образует эквимолярный сплав, который реагирует с алкилгалогенидами с образованием металлоорганических соединений, таких как тетраэтилэлид. Окислительная природа многих органоорганических соединений также используется: тетраацетат свинца является важным лабораторным реагентом для окисления в органической химии, а тетраэтилэлид производился в больших количествах, чем любое другое металлоорганическое соединение . Другие органические соединения менее химически стабильны. Для многих органических соединений не существует свинцового аналога.

Происхождение и распространенность

В космосе

Распространенность свинца на частицу в Солнечной системе составляет 0,121 чнм (частей на миллиард). Эта цифра в два с половиной раза выше, чем у платины, в восемь раз выше, чем у ртути, и в 17 раз выше, чем у золота. Количество свинца во Вселенной медленно увеличивается, поскольку самые тяжелые атомы (все из которых нестабильны) постепенно распадаются на свинец. Обилие свинца в Солнечной системе с момента её образования 4,5 миллиарда лет назад увеличилось примерно на 0,75%. Таблица численности изотопов солнечной системы показывает, что свинец, несмотря на его относительно высокий атомный номер, более распространен, чем большинство других элементов с атомными числами больше 40. Изначальный свинец, который содержит изотопы свинца-204, свинца-206, свинца-207 и свинца-208-, в основном, были созданы в результате повторяющихся процессов захвата нейтронов, происходящих в звездах. Двумя основными режимами захвата являются s- и r-процессы. В s-процессе (s означает «медленный»), захваты разделяются годами или десятилетиями, позволяя менее стабильным ядрам проходить бета-распад. Устойчивое ядро таллия-203 может захватить нейтрон и стать таллием-204; это вещество подвергается бета-распаду, давая стабильный свинец-204; при захвате другого нейтрона, он становится свинцом-205, период полураспада которого составляет около 15 миллионов лет. Дальнейшие захваты приводят к образованию свинца-206, свинца-207 и свинца-208. При захвате другого нейтрона, свинец-208 становится свинцом-209, который быстро распадается на висмут-209. При захвате другого нейтрона, висмут-209 становится висмутом-210, бета которого распадается на полоний-210, а альфа распадается на свинец-206. Цикл, следовательно, заканчивается у свинца-206, свинца-207, свинца-208 и висмута-209. В r-процессе (r означает «быстрый»), захваты бывают быстрее, чем ядра могут распадаться. Это происходит в средах с высокой плотностью нейтронов, таких как сверхновая или слияние двух нейтронных звезд. Поток нейтронов может быть порядка 1022 нейтронов на квадратный сантиметр в секунду. R-процесс не формирует столько же свинца, сколько s-процесс. Он имеет тенденцию останавливаться, как только нейтрон-богатые ядра достигают 126 нейтронов. В этот момент, нейтроны располагаются в полных оболочках в атомном ядре, и становится сложнее энергетически вместить большее их количество. Когда поток нейтронов спадает, их бета-ядра распадаются на стабильные изотопы осмия, иридия и платины.

На Земле

Свинец классифицируется как халькофил по классификации Гольдшмидта, что означает, что он обычно встречается в сочетании с серой. Он редко встречается в своей естественной металлической форме. Многие минералы свинца относительно легки и, в течение истории Земли, остались в коре, а не погружались глубже в недра Земли. Это объясняет относительно высокий уровень содержания свинца в коре, 14 чнм; это 38-й наиболее распространенный элемент в коре. Основным свинцовым минералом является галенит (PbS), который, в основном, содержится в цинковых рудах. Большинство других минералов свинца в какой-то мере связаны с галенитом; буланжерит, Pb5Sb4S11, представляет собой смешанный сульфид, полученный из галенита; англезит, PbSO4, является продуктом окисления галенита; а серусит или белая свинцовая руда, PbCO3, является продуктом разложения галенита. Мышьяк, олово, сурьма, серебро, золото, медь и висмут являются распространенными примесями в свинцовых минералах. Мировые ресурсы свинца превышают 2 миллиарда тонн. Значительные запасы свинца были обнаружены в Австралии, Китае, Ирландии, Мексике, Перу, Португалии, России и США. Глобальные резервы – ресурсы, которые экономически целесообразно добывать – в 2015 году составили 89 млн. тонн, 35 млн из которых находятся в Австралии, 15,8 млн – в Китае, и 9,2 млн. – в России. Типичные фоновые концентрации свинца не превышают 0,1 мкг / м3 в атмосфере; 100 мг / кг в почве; и 5 мкг / л в пресной воде и морской воде.

Этимология

Современное английское слово «lead» (свинец) имеет германское происхождение; оно происходит из среднеанглийского и староанглийского языка (со знаком долготы над гласным «е», означающим, что гласный звук этой буквы длинный). Староанглийское слово происходит от гипотетического реконструированного протогерманского *lauda- («lead»). Согласно принятой лингвистической теории, это слово «родило» потомков на нескольких германских языках с точно таким же значением. Происхождение протогерманского *lauda не однозначно в лингвистическом сообществе. Согласно одной из гипотез, это слово является производным от протоиндоевропейского *lAudh- («свинец»). Согласно другой гипотезе, это слово заимствовано из прото-кельтского * ɸloud-io- («свинец»). Это слово связано с латинским plumbum, который давал этому элементу химический символ Pb. Слово *ɸloud-io- также может быть источником протогерманского *bliwa- (что также означает «свинец»), из которого вытекает немецкое Blei. Название химического элемента не связано с глаголом такого же написания, полученного из протогерманского *layijan- («to lead»).

История

Предыстория и ранняя история

Металлические свинцовые бусины, относящиеся к 7000-6500 г. до н.э., найденные в Малой Азии, могут представлять собой первый пример плавки металлов. В то время, у свинца было несколько применений (если вообще было) из-за его мягкости и блеклого внешнего вида. Основной причиной распространения производства свинца была его связь с серебром, которое может быть получено путем сжигания галенита (общего свинцового минерала). Древние египтяне первыми использовали свинец в косметике, что распространилось на Древнюю Грецию и за ее пределы. Египтяне, возможно, использовали свинец в качестве грузила в рыболовных сетях, а также при изготовлении глазури, очков, эмали и украшений. Различные цивилизации Плодородного Полумесяца использовали свинец в качестве письменного материала, как валюту и в строительстве. Свинец использовался в древнекитайском королевском дворе в качестве стимулятора, в качестве валюты и в качестве противозачаточного средства. В цивилизации долины Инда и у мезоамериканцев, свинец использовался для изготовления амулетов; восточные и южноафриканские народы использовали свинец при волочении проволоки.

Классическая эпоха

Поскольку серебро широко использовалось в качестве декоративного материала и средства обмена, свинцовые отложения стали обрабатываться в Малой Азии с 3000 г. до н.э.; позже месторождения свинца были разработаны в Эгейском и Лорионском районах. Эти три региона, в совокупности, доминировали в производстве добытого свинца до приблизительно 1200 г. до н.э. С 2000 года до н.э., финикийцы работали на месторождениях на Иберийском полуострове; к 1600 г. до н.э. добыча свинца существовала на Кипре, в Греции и на Сицилии . Территориальная экспансия Рима в Европе и Средиземноморье, а также развитие горной промышленности привели к тому, что эта область стала крупнейшим производителем свинца в классическую эпоху, при этом ежегодный объем производства достиг 80000 тонн. Как и их предшественники, римляне получали свинец, главным образом, как побочный продукт плавки серебра. Ведущими добытчиками были Центральная Европа, Британия, Балканы, Греция, Анатолия и Испания, на долю которых приходится 40% мирового производства свинца. Свинец использовался для изготовления водопроводных труб в Римской империи; латинское слово, обозначающее этот металл, plumbum, является источником английского слова «plumbing» (сантехника). Легкость в обращении с данным металлом и его устойчивость к коррозии обеспечили его широкое применение в других областях, включая фармацевтические препараты, кровельные материалы, валюту и военное обеспечение. Писатели того времени, такие как Катон-старший, Колумелла и Плиний Старший, рекомендовали свинцовые сосуды для приготовления подсластителей и консервантов, добавленных к вину и пище. Свинец давал приятный вкус из-за образования «сахара свинца» (ацетат свинца (II), тогда как медные или бронзовые сосуды могли придать пище горький вкус из-за образования вердигров. Этот металл был, безусловно, наиболее распространенным материалом в классической древности, и уместно сослаться на (римскую) Свинцовую Эру. Свинец для римлян находился в столь же широком употреблении, как для нас пластик. Римский автор Витрувий сообщил об опасностях, которые свинец может представлять для здоровья, и современные авторы предположили, что отравление свинцом сыграло важную роль в упадке Римской империи. [l] Другие исследователи критиковали такие утверждения, указывая, например, что не все боли в животе были вызваны отравлением свинцом. Согласно археологическим исследованиям, римские свинцовые трубы увеличили уровни свинца в водопроводной воде, но такой эффект «вряд ли был бы действительно вредным». Жертв отравления свинцом стали называть «сатурнинами», в честь страшного отца богов Сатурна. По ассоциации с этим, свинец считался «отцом» всех металлов. Его статус в римском обществе был низким, поскольку он был легко доступенным и дешевым.

Путаница с оловом и сурьмой

В классическую эпоху (и даже до XVII века), олово часто не отличали от свинца: римляне называли свинец plumbum nigrum («черный свинец»), а олово – plumbum candidum («светлый свинец»). Связь свинца и олова можно проследить и в других языках: слово «olovo» на чешском языке означает «свинец», но на русском языке родственное олово означает «олово». Кроме этого, свинец имеет близкое отношение к сурьме: оба элемента обычно встречаются в виде сульфидов (галена и стибнит), часто вместе. Плиний неправильно написал, что стибнит дает при нагревании свинец вместо сурьмы. В таких странах, как Турция и Индия, первоначально персидское название сурьмы относилось к сульфиду сурьмы или сульфиду свинца, а на некоторых языках, таких как русский, называлось сурьмой.

Средние века и Ренессанс

Добыча свинца в Западной Европе сократилась после падения Западной Римской империи, причем Аравийская Иберия была единственным регионом, имеющим значительный выход свинца. Наибольшее производство свинца наблюдалось в Южной и Восточной Азии, особенно в Китае и Индии, где добыча свинца сильно увеличивалась. В Европе, производство свинца начало возрождаться только в 11 и 12 веках, где свинец снова начал использоваться для кладки кровли и трубопроводов. Начиная с 13-го века, свинец использовался для создания витражей. В европейских и арабских традициях алхимии, свинец (символ Сатурна в европейской традиции) считался нечистым базовым металлом, который путем разделения, очистки и балансировки его составных частей мог быть преобразован в чистое золото. В течение этого периода, свинец все чаще использовался для загрязнения вина. Использование такого вина было запрещено в 1498 году приказом Папы, поскольку оно считалось непригодным для использования в священных обрядах, но его продолжали пить, что приводило к массовым отравлениям вплоть до конца 18-го века. Свинец был ключевым материалом в частях печатного станка, который был изобретен около 1440 года; печатные рабочие обычно вдыхали свинцовую пыль, что вызывало отравления свинцом. Огнестрельное оружие было изобретено примерно в то же время, и свинец, несмотря на то, что был дороже железа, стал основным материалом для изготовления пуль. Он был менее опасен для железных орудийных стволов, имел более высокую плотность (что способствовало лучшему удержанию скорости), а его более низкая точка плавления упрощала производство пуль, поскольку они могли быть изготовлены с использованием древесного огня. Свинец, в виде венецианской керамики, широко использовался в косметических средствах среди западноевропейской аристократии, поскольку отбеленные лица считались признаком скромности . Эта практика позже расширилась до белых париков и карандашей для глаз и исчезла только во время французской революции, в конце 18 века. Подобная мода появилась в Японии в XVIII веке с появлением гейш, практика, которая продолжалась в течение 20-го века. «Белые лица воплощали добродетель японских женщин», при этом в качестве отбеливателя обычно использовался свинец.

За пределами Европы и Азии

В Новом Свете, свинец стал производиться вскоре после прибытия европейских поселенцев. Самое раннее зарегистрированное производство свинца датируется 1621 годом в английской колонии Вирджиния, спустя четырнадцать лет после её основания. В Австралии, первая шахта, открытая колонистами на континенте, была ведущей шахтой в 1841 году. В Африке, добыча и плавка свинца были известны в Бенуэ-Тауре и нижнем бассейне Конго, где свинец использовался для торговли с европейцами и в качестве валюты к 17 веку, задолго до борьбы за Африку.

Промышленная революция

Во второй половине 18 века, в Британии, а затем и в континентальной Европе и Соединенных Штатах, произошла индустриальная революция. Это был первый случай, когда темпы производства свинца где-либо в мире превысили темпы производства свинца в Риме . Британия была ведущим производителем свинца, однако, она потеряла этот статус к середине 19-го века с истощением своих шахт и с развитием добычи свинца в Германии, Испании и Соединенных Штатах. К 1900 году, Соединенные Штаты были лидерами мирового производства свинца, а другие неевропейские страны – Канада, Мексика и Австралия – начали значительное производство свинца; производство за пределами Европы увеличилось. Значительная доля спроса на свинец приходилась на водопровод и краски – свинцовые краски тогда регулярно использовались. В это время больше людей (рабочий класс) контактировали с металлами и увеличивались случаи отравления свинцом. Это привело к исследованию влияния потребления свинца на организм. Свинец оказался более опасным в своей дымовой форме, чем твердый металл. Была обнаружена связь между отравлением свинцом и подагрой; британский врач Альфред Баринг Гаррод отметил, что треть его пациентов с подагрой были водопроводчиками и художниками. Последствия постоянного попадания свинца в организм, включая психические расстройства, также изучались в XIX веке. Первые законы, направленные на снижение случаев отравления свинцом на фабриках, были введены в действие в 1870-х и 1880-х годах в Соединенном Королевстве.

Новое время

Дальнейшие свидетельства угрозы, которая связана со свинцом, были обнаружены в конце 19-го и начале 20-го веков. Механизмы вреда были лучше поняты, а также была задокументирована свинцовая слепота. Страны Европы и США приступили к усилиям по сокращению количества свинца, с которым люди вступали в контакт. В 1878 году Соединенное Королевство ввело обязательные обследования на фабриках и назначило первого медицинского инспектора заводов в 1898 году; в результате сообщалось о 25-кратном сокращении случаев отравления свинцом с 1900 по 1944 годы. Последним основным воздействием свинца на человека было добавление тетраэтилового эфира к бензину в качестве антидетонационного вещества, практика, которая появилась в Соединенных Штатах в 1921 году. Она была постепенно прекращена в Соединенных Штатах и Европейском союзе к 2000 году. Большинство европейских стран запретили свинцовую краску, обычно используемую из-за ее непрозрачности и водонепроницаемости для украшения интерьеров к 1930 году. Воздействие было значительным: в последней четверти 20-го века процент людей с избыточным уровнем свинца в крови снизился с более чем трех четвертей населения Соединенных Штатов до немногим более двух процентов. Основным продуктом из свинца к концу 20-го века была свинцово-аккумуляторная батарея, которая не представляла непосредственной угрозы для человека. С 1960 по 1990 годы производство свинца в Западном блоке выросло на треть. Доля мирового производства свинца в Восточном блоке увеличилась втрое с 10% до 30% с 1950 по 1990 годы, когда Советский Союз был крупнейшим в мире производителем свинца в середине 1970-х и 1980-х годов, а Китай начал обширное производство свинца в конце 20-го века. В отличие от европейских коммунистических стран, в середине 20-го века Китай был, в основном, неиндустриализированой страной; в 2004 году Китай превзошел Австралию как крупнейшего производителя свинца. Как и в случае европейской индустриализации, свинец негативно сказался на здоровье в Китае.

Производство

Производство свинца увеличивается во всем мире из-за его использования в свинцово-аккумуляторных батареях. Существуют две основные категории продукции: первичные, из руд; и вторичные, от лома. В 2014 году, из первичной продукции было произведено 4,58 млн. тонн свинца, а из вторичной – 5,64 млн. тонн. В этом году, тройку ведущих производителей добытого свинцового концентрата возглавили Китай, Австралия и Соединенные Штаты. Тройку производителей рафинированного свинца возглавили Китай, США и Южная Корея. Согласно докладу Международной ассоциации экспертов по металлам, сделанном в 2010 году, общий объем использования свинца, накопленный, выброшенный или рассеянный в окружающую среду на глобальном уровне на душу населения, составляет 8 кг. Значительная часть из этого объема приходится на более развитые страны (20-150 кг на душу населения), а не на менее развитые страны (1-4 кг на душу населения). Производственные процессы для первичного и вторичного свинца аналогичны. Некоторые первичные производственные заводы в настоящее время дополняют свою деятельность листами свинца, и эта тенденция, вероятно, будет увеличиваться в будущем. При адекватных методах производства, вторичный свинец неотличим от первичного свинца. Отходы металлолома от строительной торговли обычно довольно чисты и повторно расплавляются без необходимости плавки, хотя иногда требуется перегонка. Таким образом, производство вторичного свинца является более дешевым с точки зрения энергетических потребностей, чем производство первичного свинца, часто на 50% и более.

Основное

Большинство свинцовых руд содержат низкий процент свинца (богатые руды имеют типичное содержание свинца 3-8%), который должен быть сконцентрирован для извлечения. Во время первоначальной обработки, руды обычно подвергаются дроблению, отделению плотных сред, шлифованию, пенной флотации и сушке. Полученный концентрат с содержанием свинца 30-80% по массе (обычно 50-60%) затем превращается в (нечистый) свинцовый металл. Существует два основных способа сделать это: двухступенчатый процесс, включающий обжиг с последующим извлечением из доменной печи, осуществляемый в отдельных сосудах; или прямой процесс, в котором экстракция концентрата происходит в одном сосуде. Последний способ стал более распространенным, хотя первый по-прежнему значителен.

Двухстадийный процесс

Во-первых, сульфидный концентрат обжаривается на воздухе для окисления сульфида свинца: 2 PbS + 3 O2 → 2 PbO + 2 SO2 Первоначальный концентрат не был чистым сульфидом свинца, и обжиг дает оксид свинца и смесь сульфатов и силикатов свинца и других металлов, содержащихся в руде. Этот неочищенный оксид свинца восстанавливается в коксовой печи до (опять же нечистого) металла: 2 PbO + C → Pb + CO2 . Примеси, в основном, представляют собой мышьяк, сурьму, висмут, цинк, медь, серебро и золото. Расплав обрабатывают в реверберационной печи воздухом, паром и серой, которая окисляет примеси, за исключением серебра, золота и висмута. Окисленные загрязняющие вещества плавают в верхней части расплава и снимаются. Металлическое серебро и золото удаляются и извлекаются экономически с помощью процесса Паркса, в который цинк добавляется к свинцу. Цинк растворяет серебро и золото, оба из которых, не смешиваясь в свинце, могут быть разделены и извлечены. Обессеребрянный свинец освобождается висмутом методом Беттертона-Кролла, обрабатывая его металлическим кальцием и магнием. Полученные висмутсодержащие шлаки могут быть сняты. Очень чистый свинец может быть получен путем электролитической обработки плавленого свинца с использованием процесса Беттса. Аноды нечистого свинца и катоды чистого свинца помещают в электролит фторосиликата свинца (PbSiF6). После применения электрического потенциала, нечистый свинец на аноде растворяется и накладываются на катод, оставляя подавляющее большинство примесей в растворе.

Прямой процесс

В этом процессе, свинцовый слиток и шлак получают непосредственно из свинцовых концентратов. Сульфидный концентрат свинца расплавляется в печи и окисляется, образуя монооксид свинца. Углерод (кокс или угольный газ) добавляется к расплавленному заряду вместе с флюсами. Таким образом, монооксид свинца восстанавливается до металлического свинца в середине шлака, богатого монооксидом свинца. До 80% свинца в высококонцентрированных исходных концентратах можно получить в виде слитков; остальные 20% образуют шлак, богатый монооксидом свинца. Для низкосортного сырья, весь свинец может быть окислен до высокосортного шлака. Металлический свинец далее получают из высокосортных (25-40%) шлаков с помощью сжигания или впрыскивания с подводным топливом, с помощью вспомогательной электропечи или комбинации обоих методов.

Альтернативы

Продолжаются исследования более чистого и менее энергоемкого процесса добычи свинца; основным его недостатком является то, что либо слишком много свинца теряется в качестве отходов, либо альтернативные методы приводят к высокому содержанию серы в полученном свинцовом металле. Гидрометаллургическая экстракция, в которой аноды нечистого свинца погружены в электролит, и чистый свинец осаждаются на катод, является методом, который может иметь потенциал.

Вторичный метод

Плавление, являющееся неотъемлемой частью первичной продукции, часто пропускается во время вторичного производства. Это происходит только тогда, когда металлический свинец подвергся значительному окислению. Этот процесс аналогичен процессу первичной добычи в доменной печи или роторной печи, причем существенным отличием является большая изменчивость выходов. Процесс выплавки свинца – это более современный метод, который может выступать в качестве продолжения первичной продукции; аккумуляторная паста из отработанных свинцово-аккумуляторных батарей удаляет серу, обрабатывая ее щелочью, и затем обрабатывается в печи с угольным топливом в присутствии кислорода, что приводит к образованию нечистого свинца, причем сурьма является наиболее распространенной примесью. Переработка вторичного свинца аналогична переработке первичного свинца; Некоторые процессы очистки могут быть пропущены в зависимости от переработанного материала и его потенциального загрязнения, причем висмут и серебро чаще всего принимаются в качестве примесей. Из источников свинца для утилизации, свинцово-аккумуляторные батареи являются наиболее важными источниками; свинцовая труба, лист и оболочка кабеля также являются значительными.

Применения

Вопреки распространенному мнению, графит в деревянных карандашах никогда не делался из свинца. Когда карандаш был создан как инструмент для намотки графита, конкретный тип используемого графита был назван plumbago (в буквальном смысле – для свинца или свинцового макета).

Элементарная форма

Металл свинца имеет несколько полезных механических свойств, включая высокую плотность, низкую температуру плавления, пластичность и относительную инертность. Многие металлы превосходят свинец в некоторых из этих аспектов, но, как правило, они менее распространены и их труднее извлекать из руд. Токсичность свинца привела к поэтапному отказу от некоторых видов его использования. Свинец использовался для изготовления пуль с момента их изобретения в средние века. Свинец недорог; его низкая температура плавления означает, что стрелковые боеприпасы могут быть отлиты с минимальным использованием технического оборудования; кроме того, свинец плотнее других обычных металлов, что позволяет лучше удерживать скорость. Были высказаны опасения, что свинцовые пули, используемые для охоты, могут нанести вред окружающей среде. Его высокая плотность и устойчивость к коррозии были использованы в ряде связанных применений. Свинец используется в качестве киля на кораблях. Его вес позволяет ему уравновешивать эффект взвода ветра на парусах; будучи настолько плотным, он занимает небольшой объем и минимизирует водостойкость. Свинец используется при подводных погружениях, чтобы противостоять способности дайвера держаться на поверхности. В 1993 году, базу Пизанской башни в Пизе стабилизировали с помощью 600 тонн свинца. Из-за своей коррозионной стойкости, свинец используется как защитная оболочка для подводных кабелей. Свинец используется в архитектуре. Листы свинца используются в качестве кровельных материалов, при облицовке, оплавлении, при изготовлении водосточных желобов и соединений водосточных труб, а также парапетов на крыше. Свинцовые молдинги используются в качестве декоративного материала для фиксации свинцовых листов. Свинец все еще используется при изготовлении статуй и скульптур. В прошлом, свинец часто использовался для балансировки колес автомобилей; по экологическим причинам, это использование постепенно прекращается. Свинец добавляется к медным сплавам, таким как латунь и бронза, для улучшения их обрабатываемости и смазочных свойств. Будучи практически нерастворимым в меди, свинец образует твердые глобулы в несовершенствах по всему сплаву, такие как границы зерен. В низких концентрациях, а также в качестве смазки, глобулы препятствуют образованию стружки при работе сплава, тем самым улучшая обрабатываемость. В подшипниках используются медные сплавы с большей концентрацией свинца. Свинец обеспечивает смазку, а медь обеспечивает несущую опору. Благодаря своей высокой плотности, атомному номеру и формуемости, свинец используется в качестве барьера, поглощающего звук, вибрацию и излучение. Свинец не имеет естественных резонансных частот, в результате, лист свинца используется в качестве звукоизоляционного слоя в стенах, полах и потолках звуковых студий. Органические трубы часто изготавливаются из свинцового сплава, смешанного с различными количествами олова, чтобы контролировать тон каждой трубы. Свинец – это защитный материал, используемый от излучения в ядерной науке и в рентгеновских камерах: гамма-лучи поглощаются электронами. Атомы свинца плотно упакованы и плотность их электронов велика; большой атомный номер означает, что на атом приходится много электронов. Расплавленный свинец использовался в качестве охлаждающей жидкости для быстрых реакторов со свинцовым охлаждением. Наибольшее использование свинца наблюдалось в начале XXI века в свинцово-аккумуляторных батареях. Реакции в батарее между свинцом, диоксидом свинца и серной кислотой обеспечивают надежный источник напряжения. Свинец в батареях не подвергается непосредственному контакту с людьми, поэтому связан с меньшей угрозой токсичности. Суперконденсаторы, содержащие свинцово-аккумуляторные батареи, были установлены в киловаттах и мегаваттах в Австралии, Японии и США в области частотного регулирования, сглаживания солнечной энергии и для других применений. Эти батареи имеют более низкую плотность энергии и эффективность разряда заряда, чем литий-ионные батареи, но значительно дешевле. Свинец используется в высоковольтных силовых кабелях в качестве материала оболочки для предотвращения диффузии воды при теплоизоляции; такое использование уменьшается по мере постепенного прекращения использования свинца. В некоторых странах также сокращается использование свинца в припоях для электроники, чтобы уменьшить количество экологически опасных отходов. Свинец является одним из трех металлов, используемых в тесте Одди для музейных материалов, помогая обнаружить органические кислоты, альдегиды и кислые газы.

Соединения

Соединения свинца используются в качестве или в составе красящих агентов, окислителей, пластика, свечей, стекла и полупроводников. Красители на основе свинца используются в керамической глазури и стекле, особенно для красных и желтых оттенков. В качестве окислителей в органической химии используют тетраацетат свинца и диоксид свинца. Свинец часто используется в поливинилхлоридных покрытиях электрических шнуров. Его можно использовать для обработки свечных фитилей, чтобы обеспечить более продолжительное, более равномерное сжигание. Из-за токсичности свинца, европейские и североамериканские производители используют такие альтернативы, как цинк. Стекло свинца состоит из 12-28% оксида свинца. Он изменяет оптические характеристики стекла и уменьшает передачу ионизирующего излучения. Свинцовые полупроводники, такие как теллурид свинца, селенид свинца и антимонид свинца, используются в фотогальванических элементах и инфракрасных детекторах.

Биологические и экологические эффекты

Биологические эффекты

Свинец не имеет подтвержденной биологической роли. Его распространенность в организме человека, в среднем, составляет 120 мг у взрослого человека – его распространенность превосходит только цинк (2500 мг) и железо (4000 мг) среди тяжелых металлов. Соли свинца очень эффективно поглощаются телом. Небольшое количество свинца (1%) будет храниться в костях; остальное будет выводиться с мочой и фекалиями в течение нескольких недель после воздействия. Ребенок будет способен выводить из организма только около трети свинца. Постоянное воздействие свинца может привести к биоаккумуляции свинца.

Токсичность

Свинец – чрезвычайно ядовитый металл (при вдыхании или проглатывании), затрагивающий почти каждый орган и систему в организме человека. При уровне в воздухе 100 мг / м3, он представляет собой немедленную опасность для жизни и здоровья. Свинец быстро всасывается в кровоток. Основной причиной его токсичности является его склонность вмешиваться в правильное функционирование ферментов. Он делает это путем связывания с сульфгидрильными группами, обнаруженными на многих ферментах, или имитирует и вытесняет другие металлы, которые действуют как кофакторы во многих ферментативных реакциях. Среди основных металлов, с которыми взаимодействует свинец, находятся кальций, железо и цинк. Высокие уровни кальция и железа, как правило, обеспечивают некоторую защиту от отравления свинцом; низкие уровни вызывают повышенную восприимчивость.

Эффекты

Свинец может нанести серьезный ущерб мозгу и почкам и, в конечном счете, привести к смерти. Как и кальций, свинец может пересекать гематоэнцефалический барьер. Он разрушает миелиновые оболочки нейронов, уменьшает их количество, препятствует пути нейротрансмиссии и уменьшает рост нейронов. Симптомы отравления свинцом включают нефропатию, коликовые боли в животе и, возможно, слабость в пальцах, запястьях или лодыжках. Малое кровяное давление увеличивается, особенно у людей среднего и старшего возраста, что может вызывать анемию. У беременных женщин, высокий уровень воздействия свинца может вызывать выкидыш. Было показано, что хроническое воздействие высоких уровней свинца снижает фертильность у мужчин. В развивающемся мозге ребенка, свинец препятствует образованию синапсов в коре головного мозга, нейрохимическому развитию (в том числе нейротрансмиттеров) и организации ионных каналов. Раннее воздействие свинца на детей связано с повышенным риском нарушений сна и чрезмерной дневной сонливости в более позднем детском возрасте. Высокий уровень свинца в крови связан с задержкой полового созревания у девочек. Увеличение и снижение воздействия переносимого по воздуху свинца от сжигания тетраэтилсвинца в бензине в течение 20-го века связано с историческим ростом и снижением уровня преступности, однако, эта гипотеза не является общепринятой.

Лечение

Лечение отравления свинцом обычно включает введение димеркапрола и сукцимера. Острые случаи могут потребовать использования динатрия кальция эдетата, хелата кальция динатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТК). Свинец имеет большее сродство к свинцу, чем кальций, в результате чего хелат свинца образуется путем обмена и выводится с мочой, оставляя безвредный кальций.

Источники воздействия

Воздействие свинца является глобальной проблемой, поскольку добыча и плавка свинца распространены во многих странах мира. Отравление свинцом обычно происходит в результате приема пищи или воды, зараженной свинцом, и реже – в результате случайного попадания в организм загрязненной почвы, пыли или краски на основе свинца. Продукты морской воды могут содержать свинец, если вода подвергается воздействию промышленных вод. Плоды и овощи могут быть заражены высоким содержанием свинца в почвах, в которых они выращивались. Почва может быть загрязнена путем накопления твердых частиц из свинца в трубах, свинцовой краске и остаточных выбросов из этилированного бензина. Использование свинца в водопроводных трубах проблематично в районах с мягкой или кислой водой. Твердая вода образует нерастворимые слои в трубах, тогда как мягкая и кислая вода растворяет свинцовые трубы. Растворенный диоксид углерода в перевозимой воде может привести к образованию растворимого бикарбоната свинца; кислородсодержащая вода может аналогичным образом растворять свинец в виде гидроксида свинца (II). Питьевая вода со временем может вызывать проблемы со здоровьем из-за токсичности растворенного свинца. Чем тверже вода, тем больше она будет содержать бикарбоната и сульфата кальция, и тем больше внутренняя часть труб будет покрыта защитным слоем карбоната свинца или сульфата свинца. Проглатывание свинцовой краски является основным источником воздействия свинца на детей. По мере того как краска разрушается, она отслаивается, измельчается в пыль, а затем поступает в организм через контакт с руками или загрязненную пищу, воду или спирт. Проглатывание некоторых народных средств может привести к воздействию свинца или его соединений. Вдыхание – это второй важный путь воздействия свинца, в том числе для курящих, и особенно для работников, занятых свинцом. Сигаретный дым содержит, среди других токсичных веществ, радиоактивный свинец-210. Почти весь вдыхаемый свинец всасывается в тело; для приема внутрь, показатель составляет 20-70%, при этом дети поглощают больше свинца, чем взрослые. Кожное воздействие может быть значительным для узкой категории людей, работающих с органическими соединениями свинца. Скорость поглощения свинца в коже ниже для неорганического свинца.

Экология

Добыча, производство, использование и утилизация свинца и его продуктов вызвали значительное загрязнение почв и вод Земли. Атмосферные выбросы свинца находились на пике во время промышленной революции, а бензиновый период свинца был во второй половине двадцатого века. Повышенные концентрации свинца сохраняются в почвах и отложениях в постиндустриальных и городских районах; промышленные выбросы, в том числе, связанные со сжиганием угля, продолжаются во многих частях мира. Свинец может накапливаться в почвах, особенно с высоким содержанием органических веществ, где он сохраняется в течение от сотен до тысяч лет. Он может занять место других металлов в растениях и может накапливаться на их поверхностях, тем самым замедляя процесс фотосинтеза и предотвращая их рост или убивая их. Загрязнение почв и растений влияет на микроорганизмы и на животных. Пострадавшие животные имеют уменьшенную способность синтезировать эритроциты, что вызывает анемию. Аналитические методы определения свинца в окружающей среде включают спектрофотометрию, рентгеновскую флуоресценцию, атомную спектроскопию и электрохимические методы. Конкретный ион-селективный электрод был разработан на основе ионофора S, S"-метиленбиса (N, N-диизобутилдитиокарбамат).

Ограничение и восстановление

К середине 1980-х годов произошел значительный сдвиг в использовании свинца. В Соединенных Штатах, природоохранные правила сокращают или исключают использование свинца в не-аккумуляторных продуктах, включая бензин, краски, припои и системы водоснабжения. Устройства для контроля твердых частиц могут использоваться на угольных электростанциях для сбора выбросов свинца. Использование свинца еще более ограничено Директивой Европейского союза об ограничении использования опасных веществ. Использование свинцовых пуль для охоты и спортивной стрельбы было запрещено в Нидерландах в 1993 году, что привело к значительному сокращению выбросов свинца с 230 тонн в 1990 году до 47,5 тонн в 1995 году. В Соединенных Штатах Америки, Администрация профессиональной безопасности и здоровья установила допустимый предел воздействия свинца на рабочем месте на уровне 0,05 мг / м3 в течение 8-часового рабочего дня; это относится к металлическому свинцу, неорганическим свинцовым соединениям и свинцовым мылам. Национальный институт безопасности и гигиены труда США рекомендует, чтобы концентрации свинца в крови находились ниже 0,06 мг на 100 г крови. Свинец может все еще встречаться во вредных количествах в керамике, виниле (используемом для прокладки труб и изоляции электрических шнуров) и китайской латуни. В старых домах, все еще может содержаться свинцовая краска. Белая свинцовая краска была выведена из продажи в промышленно развитых странах, но желтый хромат свинца все ещё остается в употреблении. Удаление старой краски путем шлифования дает пыль, которую человек может вдыхать.

СВИНЕЦ, Pb (лат. plumbum * а. lead, plumbum; н. Blei; ф. plomb; и. plomo), — химический элемент IV группы периодической системы Менделеева , атомный номер 82, атомная масса 207,2. Природный свинец представлен четырьмя стабильными 204 Pb (1,48%), 206 Pb (23,6%), 207 Pb (22,6%) и 208 Pb (52,3%) и четырьмя радиоактивными 210 Pb, 211 Pb, 212 Pb и 214 Pb изотопами; кроме того, получено более десяти искусственных радиоактивных изотопов свинца. Известен с древних времён.

Физические свойства

Свинец — мягкий пластичный синевато-серый металл; кристаллическая решётка кубическая гранецентрированная (а=0,49389 нм). Атомный радиус свинца 0,175 нм, ионный радиус 0,126 нм (Pb 2+) и 0,076 нм (Pb 4+). Плотность 11 340 кг/м 3 , t плавления 327,65°С, t кипения 1745°С, теплопроводность 33,5 Вт/(м.град), теплоёмкость Cp° 26,65 Дж/(моль.К), удельное электрическое сопротивление 19,3.10 -4 (Ом.м), температурный коэффициент линейного расширения 29,1.10 -6 К -1 при 20°С. Свинец диамагнитен, при 7,18 К становится сверхпроводником.

Химические свойства свинца

Степень окисления +2 и +4. Свинец сравнительно мало химически активен. На воздухе свинец довольно быстро покрывается тонкой плёнкой оксида, предохраняющей его от дальнейшего окисления. Хорошо реагирует с азотной и уксусной кислотами, растворами щелочей, не взаимодействует с соляной и серной кислотами. При нагревании свинец взаимодействует с галогенами, серой , селеном , таллием . Азид свинца Pb(N 3) 2 разлагается при нагревании или ударе со взрывом . Соединения свинца токсичны , ПДК 0,01 мг/м 3 .

Среднее содержание (кларк) свинца в земной коре 1,6.10 -3 % по массе, при этом ультраосновные и основные горные породы содержат меньше свинца (1.10 -5 и 8.10 -3 % соответственно), чем кислые (10 -3 %); в осадочных горных породах — 2.10 -3 %. Свинец накапливается главным образом в результате гидротермальных и гипергенных процессов, нередко образуя крупные месторождения. Существует более 100 минералов свинца, среди которых наиболее важное значение имеют галенит (PbS), церуссит (PbCО 3), англезит (PbSО 4). Одна из особенностей свинца состоит в том, что из четырёх стабильных изотопов один (204 Pb) нерадиогенный и, следовательно, количество его остаётся постоянным, а три других (206 Pb, 207 Pb и 208 Pb) — конечные продукты радиоактивного распада 238 U, 235 U и 232 Th соответственно, вследствие чего их количество постоянно возрастает. Изотопный состав Pb Земли за 4,5 млрд. лет изменился от первичного 204 Pb (1,997%), 206 Pb (18,585%), 207 Pb (20,556%), 208 Pb (58,861%) до современного 204 Pb (1,349%), 206 Pb (25,35%), 207 Pb (20,95%), 208 Pb (52,349%). Изучая изотопный состав свинца в горных породах и рудах , можно устанавливать генетические соотношения, решать разнообразные вопросы геохимии , геологии , тектоники отдельных регионов и Земли в целом и т.д. Изотопные исследования свинца применяются и в поисково-разведочных работах. Широкое развитие получили также методы U-Th-Pb геохронологии , основанные на изучении количественных соотношений между материнскими и дочерними изотопами в горных породах и минералах. В биосфере свинец рассеян, его очень мало в живом веществе (5.10 -5 %) и в морской воде (3.10 -9 %). В промышленно развитых странах концентрация свинца в воздухе, особенно вблизи автомобильных дорог с интенсивным движением, резко возрастает, достигая в отдельных случаях опасных содержаний для здоровья людей.

Получение и применение

Металлический свинец получают окислительным обжигом сульфидных руд с последующим восстановлением PbO до чернового металла и рафинированием последнего. В черновом свинца содержится до 98% Pb, в рафинированном — 99,8-99,9%. Дальнейшая очистка свинца до значений, превышающих 99,99%, проводится с помощью электролиза. Для получения особо чистого металла применяют методы амальгамации , зонной перекристаллизации и др.

Свинец широко применяется в производстве свинцовых аккумуляторов, для изготовления аппаратуры, устойчивой в агрессивных средах и газах. Из свинца изготавливают оболочки электрических кабелей и различные сплавы. Широкое применение нашёл свинец при изготовлении средств защиты от ионизирующих излучений. Оксид свинца добавляют в шихту при производстве хрусталя. Соли свинца используются при производстве красителей, азид свинца — как инициирующее взрывчатое вещество , а тетраэтилсвинец Pb(С 2 Н 5) 4 — как антидетонатор горючего для двигателей внутреннего сгорания.

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

Данное видео продолжит рассказ о свойствах свинца:

Электропроводность

Тепло- и электропроводность металлов довольно хорошо коррелируют друг с другом. Свинец не слишком хорошо проводит тепло и к лучшим проводникам электричества тоже не относится: удельное сопротивление составляет 0,22 Ом-кв. мм/м при сопротивлении той же меди 0,017.

Коррозионная стойкость

Свинец – металл неблагородный, однако по уровню химической инертности к таковым приближается. Низкая активность и способность покрываться оксидной пленкой и обуславливает достойную коррозионную стойкость.

Во влажной сухой атмосфере металл практически не корродирует. Причем в последнем случае сероводород, угольный ангидрид и серная кислота – обычные «виновники» коррозии, на него не влияют.

Показатели коррозии в разной атмосфере такие:

• в городской (смог) – 0,00043–0,00068 мм/год,
• в морской (соли) – 0,00041–0,00056 мм/год;
• сельской – 0,00023– ,00048 мм/год.

Воздействие пресной или дистиллированной воды нулевое.

• Металл устойчив к действию хромовой, плавиковой, концентрированной уксусной, сернистой и фосфорной кислоте.
• А вот в разбавленной уксусной или азотной с концентрацией менее 70% быстро разрушается.
• Так же действует и концентрированная – более 90%, серная кислота.

Газы – хлор, сернистый газ, сероводород на металл не действуют. Однако под влиянием фтористого водорода свинец корродирует.

На коррозионные качества его влияют другие металлы. Так, контакт с железом и никак не сказывается на коррозионной стойкости, а добавка висмута или снижает стойкость вещества к кислоте.

Токсичность

И свинец, и все его органические соединения относятся к химически опасным веществам 1 класса. Металл очень токсичен, а отравление им возможно при многих технологических процессах: выплавка, изготовление свинцовых красок, добыча руды и так далее. Совсем не так давно, менее 100 лет назад, не менее распространены были и бытовые отравления, поскольку свинец добавляли даже в белила для лица.

Наибольшую опасность представляют собой пары металла и его пыль, поскольку в таком состоянии они легче всего проникает в организм. Основной путь – дыхательный тракт. Часть может усвоиться и через кишечно-желудочный тракт и даже кожу при непосредственном контакте – те же свинцовые белила и краски.

• Попадая в легкие, свинец всасывается кровью, разносится по всему телу и скапливается в основном в костях. Главное его отравляющее действие связано с нарушениями в синтезе гемоглобина. Типичные признаки свинцового отравления сходны с анемией – усталость, головные боли, расстройства сна и пищеварения, но сопровождаются постоянными ноющими болями в мышцах и костях.
• Длительное отравление может вызвать «свинцовый паралич». Острое отравление провоцирует повышение давления, склерозирование сосудов и так далее.

Лечение специфическое и длительное, поскольку вывести тяжелый металл из организма непросто.

О том, какими экологическими свойствами обладает свинец, расскажем ниже.

Экологические характеристики

Загрязнение свинцом окружающей среды считается одним из самых опасных. Все изделия, где используется свинец, нуждаются в специальной утилизации, которая проводится только лицензированными службами.

К сожалению, загрязнение свинцом обеспечивается не только деятельностью предприятий, где это хоть худо-бедно, да регулируется. В городском воздухе наличие свинцовых паров обеспечивает сгорание топлива в автомобилях. На этом фоне наличие свинцовых стабилизаторов в таких, например, привычных конструкциях, как металлопластиковое окно уже не кажется стоящим внимания.

Свинец – металл, имеющий . Несмотря на токсичность, в народном хозяйстве он используется слишком широко, чтобы можно было металл чем-то заменить.

О свойствах солей свинца поведает данное видео:

В художественной литературе часто приходится встречаться с эпитетом «свинцовый». Как правило, он означает тяжесть в прямом или переносном смысле; иногда же он указывает на угрюмый сине-серый цвет. Против последнего сравнения возражать не приходится. Первое же требует уточнений. Среди металлов, используемых техникой нашего времени, многие тяжелее свинца. Свинец всплывает на поверхность, будучи погружен в . В расплаве меди свинцовый кораблик, несомненно, опустился бы на дно, тогда как в золоте плавал бы с очень большой легкостью. «Бы» - потому, что этого произойти не может: свинец плавится задолго до меди или золота (температуры плавления - 327, 1083 и 1063°С соответственно), и кораблик расплавится раньше, чем утонет.
Народы древности не могли изготовить из свинца ни меча, ни лемеха, ни даже горшка - для этого он слишком мягок и легкоплавок. Но в природе нет ни одного металла, который при обычных условиях мог бы соперничать с ним в пластичности. По десятибалльной «алмазной» шкале Мооса сравнительная твердость элемента № 82 выражается цифрой 1,5. Чтобы получить на свинце какое-нибудь изображение или надпись, нет надобности прибегать к чекану, достаточно простого тиснения. Отсюда - свинцовые печати старины. И в наше время принято товарные вагоны, сейфы, складские помещения опечатывать свинцовой пломбой. Кстати, само слово «пломба» (а их сейчас делают из разных материалов) произошло, видимо, от латинского названия свинца plumbum; по-французски название элемента - plomb.

Столь примитивное использование пластичности свинца, как получение на нем оттисков, для современной техники кажется анахронизмом. Тем не менее отпечатки на свинце иногда незаменимы и в наше время.
При глубинном бурении инструмент отнюдь не застрахован от поломок, вызывающих подчас аварии. Если на глубине нескольких сот метров в скважине останется сломанный бур, то как его извлечь обратно, как подцепить?
Самое простое и падежное в таком случае средство - свинцовая болванка. Ее опускают в скважину, и она расплющивается от удара, наткнувшись на сломанный бур. Извлеченная на поверхность болванка «предъявит» отпечаток, по которому можно определить, каким образом, за какую часть зацепить обломок. Появились, правда, гораздо более удобные «осведомители» - каротажные телеустановки. Но насколько они дороже, прихотливей, сложнее!
Свинец очень легко куется и прокатывается. Уже при давлении 2 т/см 2 свинцовая стружка спрессовывается в сплошную монолитную массу. С увеличением давления до 5 т/см 2 твердый свинец переходит в текучее состояние. Свинцовую проволоку получают, продавливая через фильеру не расплав, а твердый свинец. Обычным волочением ее сделать нельзя из-за малой разрывной прочности свинца.

Свинец и наука

В Аламогордо - место первого атомного взрыва - Энрико Ферми выехал в танке, оборудованном свинцовой защитой. Чтобы понять, почему от гамма-излучения защищаются именно свинцом, нам необходимо обратиться к сущности поглощения коротковолнового излучения.
Гамма-лучи, сопровождающие радиоактивный распад, идут из ядра, энергия которого почти в миллион раз превышает ту, что «собрана» во внешней оболочке атома. Естественно, что гамма-лучи неизмеримо энергичнее лучей световых. Встречаясь с веществом, фотон или квант любого излучения теряет свою энергию, этим-то и выражается его поглощение. Но энергия лучей различна. Чем короче их волна, тем они энергичнее, или, как принято выражаться, жестче. Чем плотнее среда, через которую проходят лучи, тем сильнее она их задерживает. Свинец плотен. Ударяясь о поверхность металла, гамма-кванты выбивают из нее электроны, на что расходуют свою энергию. Чем больше атомный номер элемента, тем труднее выбить электрон с его внешней орбиты из-за большей силы притяжения ядром.
Возможен и другой случай, когда гамма-квант сталкивается с электроном, сообщает ему часть своей энергии и продолжает свое движение. Но после встречи он стал менее энергичным, более «мягким», и в дальнейшем слою тяжелого элемента поглотить такой квант легче. Это явление носит название комптон-эффекта по имени открывшего его американского ученого.
Чем жестче лучи, тем больше их проникающая способность - аксиома, не требующая доказательств. Однако ученых, положившихся на эту аксиому, ожидал весьма любопытный сюрприз. Вдруг выяснилось, что гамма-лучи энергией более 1 млн. эв задерживаются свинцом не слабее, а сильнее менее жестких! Факт, казалось, противоречащий очевидности. После проведения тончайших экспериментов выяснилось, что гамма-квант энергией более 1,02 Мэв в непосредственной близости от ядра «исчезает», превращаясь в пару электрон - позитрон, и каждая из частиц уносит с собой половину затраченной на их образование энергии. Позитрон недолговечен и, столкнувшись с электроном, превращается в гамма-квант, но уже меньшей энергии. Образование электронно-позитронных пар наблюдается только у гамма-квантов высокой энергии и только вблизи от «массивного» ядра, то есть в элементе с большим атомным номером.
Свинец - один из последних стабильных элементов таблицы Менделеева . И из тяжелых элементов - самый доступный, с отработанной веками технологией добычи, с разведанными рудами. И очень пластичный. И очень удобный в обработке. Вот почему свинцовая защита от излучения - самая распространенная. Пятнадцати-двадцатисантиметрового слоя свинца достаточно, чтобы предохранить людей от действия излучения любого известного науке вида.
Коротко упомянем еще об одной стороне служения свинца науке. Она тоже связана с радиоактивностью.
В часах, которыми мы пользуемся, нет свинцовых деталей. Но в тех случаях, когда время измеряют не часами и минутами, а миллионами лет, без свинца не обойтись. Радиоактивные превращения урана и тория завершаются образованием стабильных изотопов элемента № 82. При этом, правда, получается разный свинец. Распад изотопов 235U и 238U приводит в конечном итоге к изотопам 207РЬ и 208РЬ. Наиболее распространенный изотоп тория 232Th заканчивает свои превращения изотопом 208РЬ. Установив соотношение изотопов свинца в составе геологических пород, можно узнать, сколько времени существует тот или иной минерал. При наличии особо точных приборов (масс- спектрометров) возраст породы устанавливают по трем независимым определениям - по соотношениям 206Pb: 238U: 207Pb: 235U и 208Pb: 232Th.
Начнем с того, что эти строчки отпечатаны литерами, изготовленными из свинцового сплава. Главные компоненты типографских сплавов - свинец, олово и сурьма. Интересно, что свинец и олово стали использовать в книгопечатании с первых его шагов. Но тогда они не составляли единого сплава. Немецкий первопечатник Иоганн Гутенберг литеры из олова отливал в свинцовые формы, так как считал удобным чеканить из мягкого свинца формы, которые выдерживали определенное количество заливок олова. Нынешние оловянно-свинцовые типографские сплавы составляют так, чтобы они удовлетворяли многим требованиям: они должны иметь хорошие литьевые свойства и незначительную усадку, быть достаточно твердыми и химически стойкими по отношению к краскам и смывающим их растворам; при переплавке должно сохраняться постоянство состава.
Однако служение свинца человеческой культуре началось задолго до появления первых книг. Живопись появилась раньше письменности. На протяжении многих столетий художники использовали краски на свинцовой основе, и они до сих пор не вышли из употребления: желтая - свинцовый крон, красная - сурик и, конечно, свинцовые белила. Между прочим, именно из-за свинцовых белил кажутся темными картины старых мастеров. Под действием микропримесей сероводорода в воздухе свинцовые белила превращаются в темный сернистый свинец PbS...
С давних пор стенки гончарных изделий покрывали глазурями. Простейшая глазурь делается из окиси свинца и кварцевого песка. Ныне санитарный надзор запрещает использовать эту глазурь при изготовлении предметов домашнего обихода: контакт пищевых продуктов с солями свинца должен быть исключен. Но в составе майоликовых глазурей, предназначенных для декоративных целей, сравнительно легкоплавкие соединения свинца используют, как и прежде.
Наконец, свинец входит в состав хрусталя, точнее, не свинец, а его окись. Свинцовое стекло варится без каких-либо осложнений, оно легко выдувается и гранится, сравнительно просто нанести на него узоры и обычную нарезку, винтовую, в частности. Такое стекло хорошо преломляет световые лучи и потому находит применение в оптических приборах.
Добавляя в шихту свинец и поташ (вместо извести), приготовляют страз - стекло с блеском, большим, чем у драгоценных камней .

Свинец в медицине

Попадая в организм, свинец, как и большинство тяжелых металлов, вызывает отравления. И тем не менее свинец нужен медицине. Со времен древних греков остались во врачебной практике свинцовые примочки и пластыри, но этим не ограничивается медицинская служба свинца.
Желчь нужна не только сатирикам. Содержащиеся в ней органические кислоты, прежде всего гликохолевая С 23 Н 36 (ОН) 3 СОNНСН 2 СH 2 COOН, а также таурохолевая С 23 Н 36 (ОН) 3 СОNНСН 2 СH 2 SO 3 Н, стимулируют деятельность печени. А поскольку не всегда и не у всех печень работает с точностью хорошо отлаженного механизма, эти кислоты нужны медицине. Выделяют их и разделяют с помощью уксуснокислого свинца. Свинцовая соль гликохолевой кислоты выпадает при этом в осадок, а таурохолевой - остается в маточном растворе. Отфильтровав осадок, из маточного раствора выделяют и второй препарат, действуя опять же свинцовым соединением - основной уксусной солью.
Но главная работа свинца в медицине связана с диагностикой и рентгенотерапией. Он защищает врачей от постоянного рентгеновского облучения. Для практически полного поглощения лучей Рентгена достаточно на их пути поставить слой свинца в 2-3 мм. Вот почему медицинский персонал рентгеновских кабинетов облачен в фартуки, рукавицы и шлемы из резины, в состав которой введен свинец. И изображение на экране наблюдают через свинцовое стекло.
Таковы главные аспекты взаимоотношений человечества со свинцом - элементом, известным с глубокой древности, но и сегодня служащим человеку во многих областях его деятельности.