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.% | 2×10−5 | 1×10−5 | 8×10−4 | 1,5×10−3 | 2×10−3 | 2×10−3 | 1,6×10−3 |
Объекты | Живое вещество Земли | Литосфера | Почва | Растения (в золе) | Вода океанов (мг/л) |
---|---|---|---|---|---|
Содержание, вес.% | 5×10−5 | 0,0016 | 0,001 | 0,001 | 0,00003 |
Обобщённые концентрации элементов в минералах приведены в таблице, в скобках — количества минералов, по которым рассчитаны средние содержания компонентов.
Минерал | Свинец (общ) | Уран | Торий |
---|---|---|---|
Настуран | 4,750 (308) | 58,87 (242) | 2,264 (108) |
Монацит | 0,6134 (143) | 0,2619 (160) | 6,5673 (150) |
Ортит | 0,0907 (90) | 0,1154 (88) | 6,1973 (88) |
Циркон | 0,0293 (203) | 0,1012 (290) | 0,1471 (194) |
Сфен (Титанит) | 0,0158 (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[]
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 | 1,4 | 25,2 | 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):
- ;
- ;
- ;
- ,
- 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:
- ;
- ;
- ,
- 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:
- 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[]
Свинец на Викискладе? |
Литература[]
- ↑ Химия. Справочник Дидин, Аликберова
- ↑ 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 - ↑ Свинец [1]
- ↑ 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 - ↑ Что такое радиометрическое датирование.[2]
- ↑ 6,0 6,1 Шуколюков Ю.А. и др. Графические методы изотопной геологии. М.:Наука, 1976
- ↑ 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
- ↑ 8,0 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 - ↑ 9,0 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 .