Свинец (Pb) – мягкий серебристо-белый или сероватый металл 14-й (IVa) группы периодической таблицы с атомным номером 82. Это очень податливое, пластичное и плотное вещество, которое плохо проводит электричество. Электронная формула свинца – [Хе] 4f 14 5d 10 6s 2 6p 2 . Известный в древности и считавшийся алхимиками старейшим из металлов, он очень долговечен и устойчив к коррозии, о чем свидетельствует продолжающаяся эксплуатация водопроводных труб, установленных древними римлянами. Символ Pb в химической формуле свинца является аббревиатурой латинского слова plumbum.
Распространенность в природе
Свинец часто упоминается в ранних библейских текстах. Вавилоняне использовали металл для изготовления пластин для письма. Римляне делали из него водопроводные трубы, монеты и даже кухонные принадлежности. Результатом последнего стало отравление населения свинцом в эпоху императора Августа Цезаря. Соединение, известное как белый свинец, использовалось в качестве декоративного пигмента еще в 200 г. до н. э.
Золото из Свинца!!! Gold from Lead !!!
Добыча
Хотя свинца не так много, процессы естественной концентрации привели к значительным залежам коммерческого значения, особенно в Соединенных Штатах, Канаде, Австралии, Испании, Германии, Африке и Южной Америке. Редко встречающийся в чистом виде свинец присутствует в нескольких минералах, но все они имеют второстепенное значение, за исключением сульфида PbS (галенита), который является основным источником промышленного производства данного химического элемента во всем мире. Металл также содержится в англезите (PbSO4) и церуссите (PbCO3). К началу XXI в. ведущими мировыми производителями концентрата свинца являлись такие страны, как Китай, Австралия, США, Перу, Мексика и Индия.
Свинец может быть извлечен путем обжига руды с последующей плавкой в доменной печи или методом прямой плавки. Примеси удаляются в ходе дополнительной очистки. Почти половина всего очищенного свинца извлекается из переработанного лома.
Химические свойства
Элементарный свинец может быть окислен до иона Pb 2+ ионами водорода, но нерастворимость его большинства солей делает этот химический элемент устойчивым к воздействию многих кислот. Окисление в щелочной среде происходит легче и благоприятствует образованию растворимых соединений при степени окисления свинца +2. Оксид PbO2 с ионом Pb 4+ является одним из наиболее сильных окислителей в кислом растворе, но он сравнительно слабый в щелочном растворе. Окисление свинца облегчается путем образования комплексов. Электроосаждение лучше всего проводить из водных растворов, содержащих гексафторсиликат свинца и гексафторсиликатную кислоту.
Природное купелирование или природная диффузия золота в свинец? нет это современная алхимия.
На воздухе металл быстро окисляется, образуя тусклое серое покрытие, ранее считавшееся субоксидом Pb2O. Теперь общепризнано, что это смесь Pb и оксида PbO, который защищает металл от дальнейшей коррозии. Хотя свинец растворяется в разбавленной азотной кислоте, он лишь поверхностно подвергается воздействию соляной или серной кислот, потому что образующиеся нерастворимые хлориды (PbCl2) или сульфаты (PbSO4) предотвращают продолжение реакции. Химические свойства свинца, обуславливающие его общую стойкость, позволяют использовать металл для изготовления кровельных материалов, оболочки электрических кабелей, размещенных в грунте или под водой, и в качестве прокладки для водопроводных труб и конструкций, служащих для транспортировки и переработки коррозионных веществ.
Применение свинца
Известна только одна кристаллическая модификация данного химического элемента с плотно упакованной металлической решеткой. В свободном состоянии проявляется нулевая степень окисления свинца (как и любого другого вещества). Широкое применение элементарной формы элемента обусловлено ее пластичностью, легкостью сварки, низкой температурой плавления, высокой плотностью и способностью поглощать гамма- и рентгеновское излучение. Расплавленный свинец является отличным растворителем и позволяет концентрировать свободное серебро и золото. Конструкционное применение свинца ограничено его низкой прочностью на растяжение, усталостью и текучестью даже при малой нагрузке.
Элемент находит применение в производстве аккумуляторных батарей, в боеприпасах (выстрелах и пулях), в составе припоя, типографском, подшипниковых, легких сплавах и сплавах с оловом. В тяжелом и промышленном оборудовании для снижения шума и вибрации могут использоваться детали из соединений свинца. Поскольку металл эффективно поглощает коротковолновое электромагнитное излучение, он применяется для защитного экранирования ядерных реакторов, ускорителей частиц, рентгеновского оборудования и контейнеров для транспортировки и хранения радиоактивных материалов. В составе оксида (PbO2) и сплава с сурьмой или кальцием элемент используется в обычных аккумуляторных батареях.
Действие на организм
Химический элемент свинец и его соединения токсичны и накапливаются в организме в течение длительного периода времени (данное явление известно как кумулятивное отравление) до достижения смертельной дозы. Токсичность возрастает по мере увеличения растворимости соединений. У детей накопление свинца может привести к когнитивным расстройствам.
У взрослых оно вызывает прогрессирующую болезнь почек. К симптомам отравления относятся боль в животе и диарея, за которыми следуют запоры, тошнота, рвота, головокружение, головная боль и общая слабость. Устранение контакта с источником свинца обычно является достаточным для лечения. Устранение химического элемента из инсектицидов и пигментных красок, а также использование респираторов и других защитных устройств в местах воздействия значительно уменьшили число случаев отравления свинцом. Признание того, что тетраэтилсвинец Pb (C2H5)4 в виде антидетонационной присадки к бензину загрязняет воздух и воду, привело к прекращению его применения в 1980-х годах.
Биологическая роль
Свинец не играет никакой биологической роли в организме. Токсичность этого химического элемента вызвана его способностью имитировать такие металлы, как кальций, железо и цинк. Взаимодействие свинца с теми же молекулами белка, что и эти металлы, приводит к прекращению их нормального функционирования.
Ядерные свойства
Химический элемент свинец образуется как в результате нейтронно-абсорбционных процессов, так и при распаде радионуклидов более тяжелых элементов. Существуют 4 стабильных изотопа.
Относительная распространенность 204 Pb составляет 1,48 %, 206 Pb – 23,6 %, 207 Pb – 22,6 % и 208 Pb – 52,3 %. Стабильные нуклиды являются конечными продуктами естественного радиоактивного распада урана (до 206 Pb), тория (до 208 Pb) и актиния (до 207 Pb). Известно более 30 радиоактивных изотопа свинца. Из них в процессах естественного распада участвуют 212 Pb (ряд тория), 214 Pb и 210 Pb (серия урана) и 211 Pb (ряд актиния). Атомный вес естественного свинца варьируется от источника к источнику в зависимости от его происхождения.
Монооксиды
В соединениях степени окисления свинца в основном равны +2 и +4. В число наиболее важных из них входят оксиды. Это PbO, в котором химический элемент находится в состоянии +2, диоксид PbO2, в котором проявляется высшая степень окисления свинца (+4), и тетраоксид, Pb3O4.
Монооксид существует в двух модификациях – литарга и глета. Литарг (альфа-оксид свинца) представляет собой красное или красновато-желтое твердое вещество с тетрагональной кристаллической структурой, стабильная форма которого существует при температурах ниже 488 °С. Глет (бета-монооксид свинца) является желтым твердым веществом и имеет орторомбическую кристаллическую структуру. Его стабильная форма существует при температурах, превышающих 488 °C.
Обе формы нерастворимы в воде, но растворяются в кислотах с образованием солей, содержащих ион Pb 2+ или в щелочах с образованием плюмбитов, которые имеют PbO2 2- -ион. Литарг, который образуется при реакции свинца с кислородом воздуха, является самым важным коммерческим соединением этого химического элемента. Вещество используется в больших количествах непосредственно и как исходный материал для получения других соединений свинца.
Значительное количество PbO расходуется при изготовлении пластин свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. Высококачественная стеклянная посуда (хрусталь) содержит до 30 % литарга. Это увеличивает показатель преломления стекла и делает его блестящим, прочным и звонким. Литарг также служит осушителем в лаках и применяется в производстве свинцовокислого натрия, который используется для удаления из бензина неприятно пахнущих тиолов (органических соединений, содержащих серу).
Диоксид
В природе PbO2 существует в виде коричнево-черного минерала платтнерита, который коммерчески производится из тетраоксида триалада окислением хлором. Он разлагается при нагревании и дает кислород и оксиды с более низкой степенью окисления свинца. PbO2 используется в качестве окислителя при производстве красителей, химикатов, пиротехники и спиртов и как отвердитель для полисульфидных каучуков.
Тетраоксид трисвинца Pb3O4 (известный как свинцовый сурик или миниум) получают путем дальнейшего окисления PbO. Это пигмент от оранжево-красного до кирпично-красного цвета, который входит в состав коррозионностойких красок, применяемых для защиты подверженных воздействию окружающей среды железа и стали. Он также реагирует с оксидом железа с образованием феррита, используемого при изготовлении постоянных магнитов.
Ацетат
Также экономически значимым соединением свинца степени окисления +2 является ацетат Pb(C2H3O2)2. Это водорастворимая соль, получаемая путем растворения глета в концентрированной уксусной кислоте. Общая форма, тригидрат, Pb(C2H3O2)2 · 3H2O, называемый сахаром свинца, используется в качестве закрепителя при окрашивании тканей и как сиккатив в некоторых красках. Кроме того, он применяется в производстве других соединений свинца и в установках для цианирования золота, где он в виде PbS служит для осаждения из раствора растворимых сульфидов.
Другие соли
Основные карбонат, сульфат и силикат свинца когда-то широко применялись в качестве пигментов для белых красок наружного применения. Однако с середины ХХ в. использование т. н. белых свинцовых пигментов значительно уменьшилось из-за беспокойства по поводу их токсичности и сопутствующей опасности для здоровья человека. По той же причине практически прекратилось применение арсената свинца в инсектицидах.
Помимо основных состояний окисления (+4 и +2) свинец может иметь отрицательные степени -4, -2, -1 в фазах Цинтля (например, BaPb, Na8Ba8Pb6), а +1 и +3 – в свинецорганических соединениях, таких как гексаметилдиплюмбан Pb2(CH3)6.
Источник: autogear.ru
Плотность свинца, теплопроводность и удельная теплоемкость свинца Pb
В таблице приведены физические свойства свинца: плотность свинца d, удельная теплоемкость Cp, температуропроводность a, теплопроводность λ, удельное электрическое сопротивление ρ в зависимости от температуры (при отрицательных и положительных температурах — в интервале от -223 до 1000°С).
Плотность свинца зависит от температуры — при нагревании этого металла его плотность снижается. Уменьшение плотности свинца объясняется увеличением его объема при росте температуры. Плотность свинца равна 11340 кг/м 3 при температуре 27°С. Это довольно высокая величина, сравнимая, например, с плотностью технеция Tc и тория Th.
Плотность свинца намного больше плотности таких металлов, как олово (7260 кг/м 3 ), алюминий (2700 кг/м 3 ), хром (7150 кг/м 3 ) и других распространенных металлов. Однако свинец не самый тяжелый металл. Если, к примеру, положить кусочек свинца в чашку с ртутью или с расплавленным таллием Tl, то он будет плавать на их поверхности.
Свинец начинает плавиться при температуре 327,7°С. При переходе его в жидкое состояние плотность свинца снижается скачкообразно и при температуре 1000 К (727°С) плотность жидкого свинца составляет уже 10198 кг/м 3 .
Удельная теплоемкость свинца равна 127,5 Дж/(кг·град) при комнатной температуре и при нагревании его до температуры плавления — увеличивается. Например, удельная теплоемкость свинца при температуре 280°С составляет величину около 140 Дж/(кг·град). Теплоемкость свинца в жидком состоянии при нагревании, наоборот — уменьшается и при температуре более 1000 К также равна 140 Дж/(кг·град).
| d, кг/м 3 | — | 11531 | 11435 | 11340 | 11245 | 11152 | 11059 | 10686 | 10430 | 10198 |
| Cp, Дж/(кг·град) | 103 | 116,8 | 123,2 | 127,5 | 132,8 | 137,6 | 142,1 | 146,4 | 143,3 | 140,1 |
| λ, Вт/(м·град) | 43,6 | 39,2 | 36,5 | 35,1 | 34,1 | 32,9 | 31,6 | 15,5 | 19,0 | 21,4 |
| a·10 6 , м 2 /с | 35,7 | 29,1 | 24,3 | 24,3 | 22,8 | 21,5 | 20,1 | 9,9 | 12,7 | 15,0 |
| ρ·10 8 , Ом·м | 2,88 | 6,35 | 13,64 | 21,35 | 29,84 | 38,33 | 47,93 | 93,6 | 102,9 | 112,2 |
Среди множества распространенных металлов свинец обладает относительно невысокой удельной теплоемкостью при комнатной температуре. Для примера, теплоемкость стали равна 440…550, чугуна — 370…550, меди — 385, никеля — 444 Дж/(кг·град). Следует отметить, что теплоемкость тяжелых металлов в общем случае не высока. Отмечается такая зависимость: чем плотнее металл, тем ниже его удельная теплоемкость.
Температуропроводность твердого свинца при его нагревании уменьшается, а жидкого — увеличивается. Теплопроводность свинца равна 35,1 Вт/(м·град) при комнатной температуре. Свинец при нормальной температуре имеет довольно низкую теплопроводность — почти в 7 раз меньше теплопроводности алюминия и в 11 раз ниже теплопроводности меди. Зависимость теплопроводности свинца от температуры следующая: при его нагревании до температуры плавления теплопроводность свинца уменьшается, а теплопроводность жидкого свинца при повышении температуры — растет.
- Востребованность пластиковой упаковки
- Плотность золота, его теплоемкость и теплопроводность
Источник: thermalinfo.ru
Свинец
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 ртуть. 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 С23Н36(ОН)3СОNНСН2СH2COOН, а также таурохолевая С23Н36(ОН)3СОNНСН2СH2SO3Н, 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.
Источник: natural-museum.ru