Virtual Laboratory Wiki
Advertisement
Свинец / Plumbum (Pb)
Атомный номер 82
Внешний вид простого вещества Слиток металлического свинца(99,999%)
Свойства атома
Атомная масса
(молярная масса)
207,2 а. е. м. (г/моль)
Радиус атома 175 пм
Энергия ионизации
(первый электрон)
715,2 (7,41) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация [Xe] 4f14 5d10 6s2 6p2
Химические свойства
Ковалентный радиус 147 пм
Радиус иона (+4e) 84 (+2e) 120 пм
Электроотрицательность
(по Полингу)
1,8
Электродный потенциал Pb←Pb2+ -0,126 В
Pb←Pb4+ 0,80 В
Степени окисления 4, 2
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность 11,35 г/см³
Удельная теплоёмкость 26,65 Дж/(K·моль)
Теплопроводность 35,3 Вт/(м·K)
Температура плавления 600,65 K
Теплота плавления 4,77 кДж/моль
Температура кипения 2 013 K
Теплота испарения 177,8 кДж/моль
Молярный объём 18,3 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки кубическая гранецентрированая
Период решётки 4,950 Å
Отношение c/a n/a
Температура Дебая 88,00 K

Свине́ц (лат. Plumbum) — химический элемент, ковкий, сравнительно легкоплавкий металл серого цвета.

Pb 82
207,2
6s²6p²
Свинец

Исторические сведения

Происхождение названия

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: svinas (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[1].

Нахождение в природе

Содержание в земной коре 1,6·10-3 % по массе. Самородный свинец встречается редко. Входит в состав 80 различных минералов. Важнейшие из них: галенит PbS, церуссит PbCO3, англезит PbSO4; из более сложных — тиллит PbSnS2 и бетехтинит Pb2(Cu,Fe)21S15, а также сульфосоли свинца — джемсонит FePb4Sn6S14, буланжерит Pb5Sb4S11. Всегда содержится в рудах урана и тория. В природных условия часто образует крупные залежи свинцово-цинковых или полиметаллических руд стратиформного типа (Холоднинское, Забайкалье), а также скарнового (Дальнегорское (бывшее Тетюхинское), Приморье; Брокен-Хилл в Австралии) типа; галенит часто встречается и в месторождениях других металлов: колчеданно-полиметаллических (Южный и Средний Урал), медно-никелевых (Норильск), урановых (Казахстан), золоторудных и др. Сульфосоли обычно встречаются в низкотемпературных гидротермальных месторождениях с сурьмой, мышьяком, а также в золоторудных месторождениях (Дарасун, Забайкалье). Минералы свинца сульфидного типа имеют гидротермальный генезис, минералы окисного типа часты в корах выветривания (зонах окисления) свинцово-цинковых месторождений. В кларковых концентрациях свинец входит практически во все породы.

В таблице приведены некоторые параметры распространённости свинца в природных условиях по А. П. Виноградову[2]:

Породы Каменные метеориты Дуниты и др. Базальты и др. Диориты и др. Граниты и др. Глины и др. Земная кора
Содержание, вес.% 0000002×10−5 0001×10−5 0008×10−4 0001,5×10−3 0002×10−3 0002×10−3 1,6×10−3
Объекты Живое вещество Земли Литосфера Почва0 Растениязоле) Вода океанов (мг/л)
Содержание, вес.% 000000005×10−5 000,0016 00,001 000000,001 0000000,00003

Обобщённые концентрации элементов в минералах приведены в таблице, в скобках — количества минералов, по которым рассчитаны средние содержания компонентов.

Минерал Свинец (общ) Уран Торий
00Настуран 04,750 (308) 58,87 (242) 2,264 (108)
00Монацит 00,6134 (143) 0,2619 (160) 6,5673 (150)
000Ортит 00,0907 (90) 0,1154 (88) 6,1973 (88)
000Циркон 00,0293 (203) 0,1012 (290) 0,1471 (194)
Сфен (Титанит) 00,0158 (12) 0,0511 (14) 0,0295 (21)

Получение

Страны — крупнейшие производители свинца (включая вторичный свинец) на 2004 год (по данным ILZSG), в тыс.тонн:

ЕС 2200
США 1498
Китай 1256
Корея 219

Физические свойства

Свинец имеет довольно низкую теплопроводность, она составляет 35,1 Вт/(м·К), при температуре 0 °С. Металл мягкий, легко режется ножом. На поверхности он обычно покрыт более или менее толстой плёнкой оксидов, при разрезании открывается блестящая поверхность, которая на воздухе со временем тускнеет.

Температура плавления: 327,4 °С

Температура кипения: 1740 °С

Химические свойства

Электронная формула: KLMN5s²5p65d106s²6p², Еион (Ме=>Ме++e)=7,42 эВ.


Основные соединения свинца

Оксиды свинца

Основная статья: Оксиды свинца

Оксиды свинца имеют преимущественно основной 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 черного 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 шелка 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.[3]

Изотопный состав

Весь свинец в основном является смесью изотопов 204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb. Эти изотопы не радиоактивны, то есть стабильны, но изотопы 206Pb, 207Pb, 208Pb являются радиогенными и образуются в результате радиоактивного распада соответственно 238U, 235U и 232Th.Схемы радиоактивного распада имеют вид:

238U → 206Pb + 8He;
235U → 207Pb + 7He;
232Th → 208Pb + 6He.

Уравнения распада имеют вид соответственно:

;
;
,

где , , - современные концентрации изотопов; год-1, год-1, год-1 — постоянные распада атомов соответственно урана 238U, урана 235U и тория 232Th [4].

Существует гипотеза, что свинец 208Pb образуется из свинца 207Pb, а тот — из свинца 206Pb в результате захвата нейтрона. Она создана для обоснования особенностей распределения изотопов свинца в рудах Катанги, в которых высокое содержание имеет изотоп свинец 208Pb, но нет источника для его появления — тория 232Th. Период полураспада 232Th весьма продолжителен, и торий с трудом высвобождается из горных пород в связи с низкой миграционной способностью; следовательно, если 208Pb образовался из 232Th, то некоторое количество тория непременно должно было остаться, но этого нет. На это ещё в 1966 году обратил внимание кандидат в Нобелевские лауреаты Мелвин Кук, профессор металлургии университета штата Юта. [5]

Кроме этих изотопов известны и нестабильные изотопы 194Pb — 203Pb, 205Pb, 209Pb — 214Pb. Из них наиболее долгоживущие — 202Pb и 205Pb (с периодами полураспада 300 тысяч и 15 млн лет). Короткоживущие изотопы свинца с массовыми числами 209Pb, 210Pb, 212Pb и 214Pb имеют периоды полураспада соответственно 3,25 ч, 27,1 года, 10,64 ч и 26,8 мин.

Изотоп 204Pb является стабильным, в минералах свинца его концентрация во многом зависит от концентрации радиогенных изотопов, образованных как в процессе распада радиоактивных минералов, так и в процессах вторичного преобразования свинецсодержащих минералов. Поскольку радиоактивный распад зависит от времени, то и абсолютные, и относительные концентрации зависят от времени образования минерала и соответственно от его возраста (относительными называются такие концентрации изотопов свинца iC, для которых выполняется равенство 204C + 206C + 207C + 208C = 100 %). Этим свойством пользуются при определении возраста горных пород и минералов [6].

Распространённость изотопов свинца

Изотоп 202Pb 204Pb 206Pb 207Pb 208Pb
Содержание в природе (в %) Следы 01,40 025,20 21,7 51,7

Свинец, состав которого приведён в таблице, отражает изотопный состав свинца преимущественно в галенитах, в которых урана практически нет, и породах, преимущественно осадочных, в которых количество урана находится в кларковых пределах. В радиоактивных минералах этот состав существенно отличается и зависит от вида радиоактивного элемента, слагающего минерал. В урановых минералах, как правило это уранинит UO2, настуран UO2 (урановая смолка), урановые черни, в которых существенно преобладает уран, радиогенный изотоп 206Pbрад существенно преобладает и его концентрации могут достигать 90 %. Например, в урановой смолке (Сан-Сильвер, Франция) концентрация 206Pb равна 92,9 % (Demay, 1953), в урановой смолке из Шинколобве (Киншасса) — 94,25 % (Nier, 1939) [2]. В ториевых минералах, например, в торите ThSiO4, существенно преобладает радиогенный изотоп 208Pbрад, в монаците из Казахстана (СССР) концентрация 208Pb равна 94,02 % [Комлев и. др., 1957], в монаците из пегматита Бекета(Ю. Родезия) — 88,8 % [Holmes, 1954] из [2]. Имеется комплекс минералов, например, монацит CeSiO4, циркон ZrSiO4 и др., в которых в переменных соотношениях находятся уран и торий и соответственно в разных соотношениях присутствуют все изотопы свинца.

Во всех минералах концентрация изотопа 204Pb еле — еле достигает 2 %. Относительные концентрации 204Pb характеризуются значительными амплитудами изменений этих величин (более I000 раз), причём для всех минералов модальные значения приходятся примерно на одни и те же интервалы: 0,01- 0,07 и 0,10- 0,70 отн.% [7]. В настуранах и ортитах Ce2Fe2[SiO4][Si2O7]O(OH) относительные концентрации изотопа 204Pb уменьшаются с ростом валового Pb, в монацитах и цирконах- соотношения обратные. Для молодых настуранов и ортитов характерны большие относительные концентрации 204Pb; для цирконов — соотношения иные: более древним соответствуют и большие количества 204Pb.

Связи между изотопами свинца

Поскольку свинец сложен несколькими изотопами, то между ними устанавливается линейная связь. Наиболее чётко она выявляется между относительными концентрациями изотопов свинца 204C, 206C, 207C, 208C [8]; [9]. Эти связи характерны как для урановых, так для всех других минералов и горных пород. Эти связи подразделяются на две группы.

1. Связь относительно валового количества свинца (внешняя связь):
;
;
;
,

или в общем виде

;

В этих выражениях параметры уравнений связаны зависимостью ; , если концентрации изотопов выражены в %.

2. Связь между относительными концентрациями изотопов (внутренняя связь). Наиболее удобно её рассматривать относительно изотопа 204C:
;
;
,

или в общем виде

;
Здесь ;

Эти связи следуют из уравнений (2), если рассматривать последние как параметрические уравнения с параметром . Параметры уравнений (2) и (3) имеют чёткий физический смысл, если принять аксиому, что в конкретной точке существуют только два вида свинца: свинец примесный iСо1, он либо существовал в момент поступления урана, либо приносился в систему вместе с ураном, и свинец радиогенный jСp1, который образовался из этого урана. Тогда Bi = iСо1 -это состав указанного примесного свинца, а Aj = jСp1 -это состав радиогенного свинца.

Если измеренный свинец отнести к источнику уровня (0), то согласно уравнениям (2) и (3) полученные значения iСо1 и jСp1 отражают состав свинца в источнике более глубокого уровня (1). Эти данные дают возможность определить состав свинца в источнике более глубокого уровня (2), используя представления о «явлении компенсации» [9]. Исходя из этих данных, рассматривается линейная зависимость между параметрами ai — Ai, а также bj — Bj. В результате для уравнений (2) получены следующие виды связи:

;
;
;
;

или в общем виде

.

Для уравнений (3) известны:

;
;
;

или в общем виде

.

Применение

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, йодид 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, черный 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°С, 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.

В медицине

В геологии

См. статью Геохронология.

Широкое применение свинца в геологии обусловлено возможностью использования его для определения возраста минералов и горных пород (в абсолютной геохронологии).

Выделяются два направления.

Официальная геохронология. Обобщённая сводка методов приведена в работе [6]. Основана на уравнениях (1) распада изотопов урана (см. подраздел Изотопный состав). Достаточно широко применяется комбинация этих уравнений:

Величина [4] практически не зависит от вида и интенсивности протекания природных геологических процессов; тогда уравнение (6.1) преобразуется в уравнение

.

Это уравнение удобно тем, что результаты определения возраста с его использованием фактически не зависят от концентраций изотопов урана. Уравнения (1) и (6) выведены для количества атомов изучаемых изотопов, поэтому в практических условиях необходим переход в весовые концентрации путём введения некоторых коэффициентов.

Эта методика определения возраста геологических объектов обладает рядом теоретических (математических) и методических ошибок, в следствие чего определения возраста в этой системе сопровождаются значительными ошибками. Поэтому указанными выше поправками можно пренебречь и пользоваться реальными концентрациями изотопов элементов. Анализ основных ошибок изложен в [7]. Попытки исправления этих ошибок привели к разработке альтернативной методики, получившей название

Теоретическая геохронология. Основы теории изложены в [8]. В основе методики определения возраста лежат уравнения (3) подраздела Изотопный состав. Возраст радиогенного свинца определяется по отношению .

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):

Китай 1770
ЕС 1553
США 1273
Корея 286

Физиологическое действие

Свинец и его соединения — токсичны. Попадая в организм, свинец накапливается в костях, вызывая их разрушение. ПДК в атмосферном воздухе соединений свинца 0,003 мг/м³, в воде 0,03 мг/л, почве 20,0 мг/кг. Выброс свинца в Мировой океан 430—650 тысяч т/год.

Уничтожение

В настоящее время свинец употребляется в производственном процессе стратегических товаров, такие как батареи, аккумуляторы и т.п. Неуничтожим.

Ссылки

Логотип «Викисловаря»
В Викисловаре есть статья «свинец»

Литература

  1. Химия. Справочник Дидин, Аликберова
  2. 2,0 2,1 2,2 Войткевич Г. В., Мирошников А. Е., Поваренных А. С., Прохоров В. Г. Краткий справочник по геохимии. — М.: Недра, 1970. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>: название «кларк» определено несколько раз для различного содержимого Ошибка цитирования Неверный тег <ref>: название «кларк» определено несколько раз для различного содержимого
  3. Свинец [1]
  4. 4,0 4,1 Известия АН СССР, сер. Геологическая, 1978, № 11, С.148 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>: название «Известия» определено несколько раз для различного содержимого
  5. Что такое радиометрическое датирование.[2]
  6. 6,0 6,1 Шуколюков Ю.А. и др. Графические методы изотопной геологии. М.:Наука, 1976
  7. 7,0 7,1 Макаров В. П. Некоторые методологические проблемы геохронологии. /XI научный семинар МГУ. Система — планета Земля (Нетрадиционные вопросы геологии). — М.: РОО «Гармония», 2003. С. 71 — 96
  8. 8,0 8,1 Макаров В. П. Основы теоретическая геохронология. /XII научный семинар «Система планета Земля». — М.: РОО «Гармония строения Земли и планет», 2004. С.228- 254. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>: название «Основы» определено несколько раз для различного содержимого
  9. 9,0 9,1 Макаров В.П. Вопросы теоретической геологии. 12. Основы теории решения задачи об источниках вещества. Б. Выводы основных уравнений./"Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития '2008". т.17. Одесса: Черноморье. С.33 - 47 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>: название «Источник» определено несколько раз для различного содержимого



Эта страница использует содержимое раздела Википедии на русском языке. Оригинальная статья находится по адресу: Свинец. Список первоначальных авторов статьи можно посмотреть в истории правок. Эта статья так же, как и статья, размещённая в Википедии, доступна на условиях CC-BY-SA .


Advertisement