Плотность свинца, теплопроводность и удельная теплоемкость свинца Pb

Свинец

— элемент главной подгруппы четвёртой группы, шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 82. Обозначается символом Pb (лат. Plumbum). Простое вещество свинец (CAS-номер: 7439-92-1) — ковкий, сравнительно легкоплавкий металл серого цвета.

Происхождение слова «свинец» неясно. В большинстве славянских языков (болгарском, сербско-хорватском, чешском, польском) свинец называется оловом. Слово с тем же значением, но похожее по произношению на «свинец», встречается только в языках балтийской группы: švinas (литовский), svins (латышский). Латинское же plumbum (тоже неясного происхождения) дало английское слово plumber — водопроводчик (когда-то трубы зачеканивали мягким свинцом), и название венецианской тюрьмы со свинцовой крышей — Пьомбе, из которой по некоторым данным ухитрился бежать Казанова. Известен с глубокой древности. Изделия из этого металла (монеты, медальоны) использовались в Древнем Египте, свинцовые водопроводные трубы — в Древнем Риме. Указание на свинец как на определённый металл имеется в Ветхом Завете. Выплавка свинца была первым из известных человеку металлургических процессов. До 1990 г. большое количество свинца использовалось (вместе с сурьмой и оловом) для отливки типографских шрифтов, а также в виде тетраэтилсвинца — для повышения октанового числа моторного топлива.

Химические свойства свинца

Электронная формула: KLMN5s25p65d106s26p2, в соответствии с чем он имеет степени окисления +2 и +4. Свинец не очень активен химически. На металлическом разрезе свинца виден металлический блеск, постепенно исчезающий из-за образования тонкой плёнки РbО.

С кислородом образует ряд соединений Рb2О, РbО, РbО2, Рb2О3, Рb3О4. Без кислорода вода при комнатной температуре не реагирует со свинцом, но при большой температуре получают оксида свинца и водород при взаимодействии свинца и горячего водяного пара.

Оксидам РbО и РbО2 соответствуют амфотерные гидрооксиды Рb(ОН)2 и Рb(ОН)4.

При реакции Mg2Pb и разбавленной HCl получается небольшое количество РbН4. PbH4 — газозообразное вещество без запаха, которое очень легко разлагается на свинец и и водород. При большой температуре галогены образовывают со свинцом соединения вида РbХ2 (X — соответствующий галоген). Все эти соединения мало растворяются в воде. Могут быть получены галогениды и типа РbХ4. Свинец с азотом прямо не реагирует. Азид свинца Pb(N3)2 получают косвенным путём: взаимодействием растворов солей Рb (II) и соли NaN3. Сульфиды свинца можно получить при нагревании серы со свинцом, образуется сульфид PbS. Сульфид получают также пропусканием сероводорода в растворы солей Pb (II). В ряду напряжений Pb стоит левее водорода, но свинец не вытесняет водород из разбавленных HCl и H2SO4, из-за перенапряжения Н2 на Pb, а также на поверхности металла образуются плёнки трудно-растворимых хлорида РbCl2 и сульфата PbSO4, защищающие металл от дальнейшего действия кислот. Концентрированные кислоты типа H2SO4 и НCl при нагревании действуют на Pb и образуют с ним растворимые комплексные соединения состава Pb(HSO4)2 и Н2[РbCl4]. Азотная, а также некоторые органических кислоты (например, лимонная) растворяют свинец с получением солей Рb(II). По растворимости в воде соли свинца делятся на нерастворимые (напрммер, сульфат, карбонат, хромат, фосфат, молибдат и сульфид), малорастворимые (вроде, хлорид и фторид) и растворимые (к примеру,ацетат, нитрат и хлорат свинца). Соли Pb (IV) могут быть получены электролизом сильно подкисленных серной кислотой растворов солей Рb (II). Соли Pb (IV) присоединяют отрицательные ионы с образованием комплексных анионов, например, плюмбатов (РbО3)2- и (РbО4)4-, хлороплюмбатов (РbCl6)2-, гидроксоплюмбатов [Рb(ОН)6]2- и других. Концентрированные растворы едких щелочей при нагревании реагируют с Pb с выделением водорода и гидроксоплюмбитов типа Х2[Рb(ОН)4]. Еион (Ме=>Ме++e)=7,42 эВ.

Свойства и характеристики

Свинец – мягкий, ковкий, но при этом тяжелый и плотный металл. Молекулярная решетка – кубическая, гранецентрированная. Прочность его невелика, а вот пластичность превосходна. Физические характеристики металла таковы:

• плотность при нормальной температуре 11,34 г/куб см;
• температура плавления – 327,46 С;
• температуры кипения – 1749 С;
• стойкость к нагрузке на разрыв – 12– 3 МПа;
• стойкость к нагрузке на сжатие – 50 МПа;
• твердость по Бринеллю – 3,2–3,8 НВ;
• теплопроводность – 33,5 вт/(м·К);
• удельное сопротивление составляет 0,22 Ом-кв. мм/м.

Как и всякий металл он проводит электроток, хотя, надо отметить, и намного хуже меди – почти в 11 раз. Однако металл обладает другими интересным свойством: при температуре 7,26 К он становится сверхпроводником и проводит электричество без всякого сопротивления. Свинец был первым элементом, который проявил это свойство.

Почти такими же устойчивыми к коррозии являются и краски, включающие соединения свинца. Из-за токсичности они не применяются внутри помещений, однако успешно используются при окрашивании мостов, например, каркасных сооружений и так далее.

О том, как сделать чистый свинец, расскажет видео ниже:

Основные соединения свинца

Оксиды свинца

Оксиды свинца имеют преимущественно основный или амфотерный характер. Многие из них окрашены в красные, жёлтые, чёрные, коричневые цвета. На фотографии в начале статьи, на поверхности свинцовой отливки, в её центре видны цвета побежалости — это тонкая плёнка оксидов свинца, образовавшаяся из-за окисления горячего металла на воздухе.

Галогениды свинца

Халькогениды свинца

Халькогениды свинца — сульфид свинца, селенид свинца и теллурид свинца — представляют собой кристаллы чёрного цвета, которые являются узкозонными полупроводниками.

Соли свинца

Сульфат свинца Нитрат свинца Ацетат свинца

— свинцовый сахар, относится к очень ядовитым веществам. Ацетат свинца, или свинцовый сахар, Pb(CH3COO)2·3H2O существует в виде бесцветных кристаллов или белого порошка, медленно выветривающегося с потерей гидратной воды. Соединение хорошо растворимо в воде. Оно обладает вяжущим действием, но так как содержит ионы ядовитого свинца, то применяется как наружное в ветеринарии. Ацетат применяют также в аналитической химии, крашении, ситценабивном деле, как наполнитель шёлка и для получения других соединений свинца. Основной ацетат свинца Pb(CH3COO)2·Pb(OH)2 — менее растворимый в воде белый порошок — используется для обесцвечивания органических растворов и очистки растворов сахара перед анализом.

Получение

Осн. ис­точ­ник Pb – суль­фид­ные по­ли­ме­тал­лич. ру­ды. Обо­га­щая ру­ды (1–5% Рb) ме­то­дом фло­та­ции, по­лу­ча­ют свин­цо­вые кон­цен­тра­ты (со­дер­жа­щие 40–75% Рb, 5–10% Zn, до 5% Сu, бла­го­род­ные ме­тал­лы и Bi). Тех­но­ло­гия по­лу­че­ния С. вклю­ча­ет аг­ло­ме­ри­рую­щий об­жиг суль­фид­ных кон­цен­тра­тов, шахт­ную вос­ста­но­вит. плав­ку аг­ло­ме­ра­та и ра­фи­ни­ро­ва­ние чер­но­во­го С. При об­жи­ге PbS окис­ля­ет­ся ки­сло­ро­дом воз­ду­ха, про­ду­вае­мо­го в рас­плав, со­дер­жа­щий до­бав­ки флю­сов (SiO2, CaCO3, Fe2O3): 2PbS+3О2=2РbО+2SO2. В го­то­вом аг­ло­ме­ра­те со­дер­жит­ся 35–45% Рb и 1,2–3% S (в т. ч. в ви­де суль­фа­тов). Аг­ло­ме­рат сме­ши­ва­ют с кок­сом и на­прав­ля­ют на вос­ста­но­вит. плав­ку в шахт­ные пе­чи, в ко­то­рые по­да­ёт­ся воз­дух или воз­душ­но-ки­сло­род­ная смесь. В пе­чи про­те­ка­ет двух­ста­дий­ная эк­зо­тер­мич. ре­ак­ция (2PbS+3O2=2PbO+2SO2 и PbS+2РbО=3Рb+SO2), про­дукт ко­то­рой – чер­но­вой С. (из­вле­че­ние Рb дос­ти­га­ет 90–94%). От­хо­ды про­цес­са плав­ки (шла­ки) на­прав­ля­ют­ся на даль­ней­шую пе­ре­ра­бот­ку для из­вле­че­ния Zn. Об­ра­зую­щая­ся при шахт­ной плав­ке (и аг­ло­ме­ра­ции) пыль слу­жит ис­ход­ным сырь­ём для из­вле­че­ния ред­ких и рас­се­ян­ных эле­мен­тов. Чер­но­вой С. со­дер­жит 93–98% Рb и при­ме­си: Сu (1–5%), Sb, As, Sn (0,5–3%), Bi (0,05–0,4%) и др. Очи­ст­ку чер­но­во­го С. про­из­во­дят пи­ро­ме­тал­лур­гич. или элек­тро­ли­тич. спо­со­бом. Объ­ём ми­ро­во­го про­из-ва С. ок. 9 млн. т/год.

Применение свинца

Свинец в народном хозяйстве

Нитрат свинца

применяется для производства мощных смесевых взрывчатых веществ. Азид свинца применяется как наиболее широкоупотребляемый детонатор (инициирующее взрывчатое вещество). Перхлорат свинца используется для приготовления тяжелой жидкости (плотность 2,6 г/см³), используемой во флотационном обогащении руд, он иногда применяется в мощных смесевых взрывчатых веществах как окислитель. Фторид свинца самостоятельно, а так же совместно с фторидом висмута, меди, серебра применяется в качестве катодного материала в химических источниках тока. Висмутат свинца, сульфид свинца PbS, иодид свинца применяются в качестве катодного материала в литиевых аккумуляторных батареях. Хлорид свинца PbCl2 в качестве катодного материала в резервных источниках тока. Теллурид свинца PbTe широко применяется в качестве термоэлектрического материала (термо-э.д.с 350 мкВ/К), самый широкоприменяемый материал в производстве термоэлектрогенераторов и термоэлектрических холодильников. Двуокись свинца PbO2 широко применяется не только в свинцовом аккумуляторе, но так же на её основе производятся многие резервные химические источники тока, например — свинцово-хлорный элемент, свинцово-плавиковый элемент и др.
Свинцовые белила
, основной карбонат Pb(OH)2•PbCO3, плотный белый порошок, — получается из свинца на воздухе под действием углекислого газа и уксусной кислоты. Использование свинцовых белил в качестве красящего пигмента теперь не так распространено, как ранее, из-за их разложения под действием сероводорода H2S. Свинцовые белила применяют также для производства шпатлевки, в технологии цемента и свинцовокарбонатной бумаги. Арсенат и арсенит свинца применяют в технологии инсектицидов для уничтожения насекомых — вредителей сельского хозяйства (непарного шелкопряда и хлопкового долгоносика). Борат свинца Pb(BO2)2·H2O, нерастворимый белый порошок, используют для сушки картин и лаков, а вместе с другими металлами — в качестве покрытий стекла и фарфора. Хлорид свинца PbCl2, белый кристаллический порошок, растворим в горячей воде, растворах других хлоридов и особенно хлорида аммония NH4Cl. Его применяют для приготовления мазей при обработке опухолей. Хромат свинца PbCrO4 известен как хромовый желтый краситель, является важным пигментом для приготовления красок, для окраски фарфора и тканей. В промышленности хромат применяют в основном в производстве желтых пигментов. Нитрат свинца Pb(NO3)2 — белое кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде. Это вяжущее ограниченного применения. В промышленности его используют в спичечном производстве, крашении и набивке текстиля, окраске рогов и гравировке. Сульфат свинца Pb(SO4)2, нерастворимый в воде белый порошок, применяют как пигмент в аккумуляторах, литографии, в технологии набивных тканей. Сульфид свинца PbS, чёрный нерастворимый в воде порошок, используют при обжиге глиняной посуды и для обнаружения ионов свинца. Поскольку свинец хорошо поглощает γ-излучение, он используется для радиационной защиты в рентгеновских установках и в ядерных реакторах. Кроме того, свинец рассматривается в качестве теплоносителя в проектах перспективных ядерных реакторов на быстрых нейтронах. Значительное применение находят сплавы свинца. Пьютер (сплав олова со свинцом), содержащий 85-90 % Sn и 15-10 % Pb, формуется, недорог и используется в производстве домашней утвари. Припой, содержащий 67 % Pb и 33 % Sn, применяют в электротехнике. Сплавы свинца с сурьмой используют в производстве пуль и типографского шрифта, а сплавы свинца, сурьмы и олова — для фигурного литья и подшипников. Сплавы свинца с сурьмой обычно применяют для оболочек кабелей и пластин электрических аккумуляторов. Соединения свинца используются в производстве красителей, красок, инсектицидов, стеклянных изделий и как добавки к бензину в виде тетраэтилсвинца (C2H5)4Pb (умеренно летучая жидкость, пары к-рой в малых концентрациях имеют сладковатый фруктовый запах, в больших-неприятный запах; Тпл = 130 °C, Ткип = 80°С/13 мм рт.ст.; плотн. 1,650 г/см³; nD2v = 1,5198; не раств. в воде, смешивается с орг. растворителями; высокотоксичен, легко проникает через кожу; ПДК = 0,005 мг/м³; ЛД50 = 12,7 мг/кг (крысы, перорально)) для повышения октанового числа.

Свинец в медицине

Экономические показатели

Цены на свинец в слитках (марка С1) в 2006 году составили в среднем 1,3—1,5 долл/кг.

Страны, крупнейшие потребители свинца в 2004 году, в тыс. тонн (по данным ILZSG):

Воздействие свинца на человека

Самым частым виновником отравления тяжелыми металлами является именно свинец. Долгое время свинцовые присадки использовались для этилирования бензина, что приводило к тяжелейшим загрязнениям воздуха в крупных городах. Сегодня использование свинца для повышения октанового числа топлива запрещено почти по всему миру (в Российской Федерации — с 2002 года). Другие возможные источники отравления:

• промышленные выбросы;
• загрязненная тяжелыми металлами аграрная продукция;
• предметы обихода с содержанием свинца;
• работа на вредных производствах.

Попадая в организм, свинец оказывает сильное токсическое действие. Особенно опасным является отравление металлом в детском возрасте. Интоксикация ребенка свинцом приводит к отставанию в физическом и умственном развитии, а когнитивные нарушения могут проявляться в течение всей последующей жизни. У взрослых постоянный контакт со свинцом или регулярное вдыхание его паров вызывает хроническое отравление, нарушает функцию мозга и в разы увеличивает вероятность тяжелых заболеваний, в том числе онкологических.

Меры безопасности

Свинец в чистом виде и его соединения представляют серьезную опасность для здоровья человека, поэтому этот металл относят к первому классу опасности. Обычно отравление происходит при вдыхании пыли, содержащей частицы свинца, или через кожные покровы.

Опасность представляют все технологические этапы производства свинца и эксплуатации изделий из него: добыча руды, плавка, изготовление и использование деталей, красок и белил.

Долгое воздействие паров свинцовой краски, которая ранее использовалась в типографиях, вызывало у печатников развитие профессиональных заболеваний.

Основными признаками отравления являются:

• головная боль, боль в суставах;
• слабость;
• расстройства пищеварительной системы;
• повышенное давление.

Лечение сводится к выводу из организма токсичных веществ. Оно долгое и дорогостоящее.

В последнее время производители нефтепродуктов отказались от свинцовых присадок, которые ранее добавляли в бензин. Но везде заменить этот металл, несмотря на его токсичность и вред, наносимый окружающей среде, не удаётся, аналогов нет.

Немного истории

В местах, где находились месторождения свинца, после лесных пожаров люди находили свинцовые слитки. Это связано с его низкой температурой плавления, которая равна 327 °C. Похожий по этому параметру элемент — олово — был открыт гораздо позднее. Поэтому свинец стал самым первым металлом, который еще 3 тыс. лет назад научились выплавлять древние люди. Наши предки использовали его для отливки украшений, позднее — для изготовления посуды.

Древняя монета и украшение из свинца

В Древнем Риме был построен водопровод из свинцовых труб.

Для производства орудий труда и оружия этот материал не был пригодным из-за своей мягкости. Достаточно провести по поверхности ногтем, чтобы на ней осталась царапина.

Древние алхимики отнесли этот металл вместе с золотом, ртутью, оловом, железом, серебром и медью к 7 «металлам жизни».

В природе он содержится в виде минералов. Всего их более 180 разновидностей, в промышленности чаще применяют:

• галенит, или свинцовый блеск,
• белую свинцовую руду церуссит,
• свинцовый купорос англезит.

В разные исторические периоды свинец становился то очень популярным материалом, то интерес к нему ослабевал. Это объясняется его специфическими свойствами.