Свинец: история открытия элемента. Особенности свинца, его основные характеристики и применение

Свинец обычно имеет грязно-серый цвет, хотя свежий его разрез имеет синеватый отлив и блестит. Однако блестящий металл быстро покрывается тускло-серой защитной пленкой оксида. Плотность свинца (11,34 г/см3) в полтора раза больше, чем у железа, вчетверо больше, чем у алюминия; даже серебро легче свинца. Свинец очень легко плавится – при 327,5° С, кипит при 1751° С и заметно летуч уже при 700° С. Этот факт очень важен для работающих на комбинатах по добыче и переработке свинца. Свинец – один из самых мягких металлов. Он легко царапается ногтем и прокатывается в очень тонкие листы. Свинец сплавляется со многими металлами. С ртутью он дает амальгаму, которая при небольшом содержании свинца жидкая.

Свинец кристаллизуется в гранецентрированной кубической решётке (а = 4,9389), аллотропических модификаций не имеет. Атомный радиус 1,75, ионные радиусы: Pb 2+ 1,26 , Pb 4+ 0,76: плотность 11,34 г/см 3 (20°C); удельная теплоёмкость при 20°C 0,128 кДж/(кг·К) ; теплопроводность 33,5 вт/(м·К); температурный коэффициент линейного расширения 29,1·10 -6 при комнатной температуре; твёрдость по Бринеллю 25-40 Мн/м 2 (2,5-4 кгс/мм 2); предел прочности при растяжении 12-13 Мн/м 2 , при сжатии около 50 Мн/м 2 ; относительное удлинение при разрыве 50-70%. Наклёп не повышает механических свойств свинца, т. к. температура его рекристаллизации лежит ниже комнатной (около -35 °C при степени деформации 40% и выше). Свинец диамагнитен, его магнитная восприимчивость - 0,12·10 -6 . При 7,18 К становится сверхпроводником.

Относительная атомная масса (A r = 207,2) является усредненной из масс нескольких изотопов: 204 Pb (1,4%), 206 Pb (24,1%), 207 Pb (22,1%) и 208 Pb (52,4%). Последние три нуклида – конечные продукты естественных радиоактивных превращений урана, актиния и тория. Известно также более 20 радиоактивных изотопов свинца, из которых наиболее долгоживущие – 202 Pb и 205 Pb (с периодами полураспада 300 тысяч и 15 млн. лет). В природе образуются также и короткоживущие изотопы свинца с массовыми числами 209, 210, 212 и 214 с периодами полураспада соответственно 3,25 ч, 27,1 года, 10,64 ч и 26,8 мин. Соотношение различных изотопов в разных образцах свинцовых руд может несколько различаться, что не дает возможности определить для свинца значение A r с большей точностью.

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

Свинец (англ. Lead, франц. Plomb, нем. Blei) известен с III - II тысячелетия до н.э. в Месопотамии, Египте и других древних странах, где из него изготовляли большие кирпичи (чушки), статуи богов и царей, печати и различные предметы быта. Из свинца делали бронзу, а также таблички для письма острым твердым предметом. В более позднее время римляне стали изготовлять из свинца трубы для водопроводов. В древности свинец сопоставлялся с планетой Сатурн и часто именовался сатурном. В средние века благодаря своему тяжелому весу свинец играл особую роль в алхимических операциях, ему приписывали способность легко превращаться в золото. Вплоть до XVII в. свинец нередко путали с оловом. На древнеславянских языках он именовался оловом; это название сохранилось в современном чешском языке (Olovo).Древнегреческое название свинца, вероятно, связано с какой-либо местностью. Некоторые филологи сопоставляют греческое название с латинским Plumbum и утверждают, что последнее слово образовалось из mlumbum. Другие указывают, что оба эти названия произошли от санскритского bahu-mala (очень грязный); в XVII в. различали Plumbum album (белый свинец, т. е. олово) и Plumbum nigrum (черный свинец). В алхимической литературе свинец имел множество названий, часть которых принадлежала к тайным. Греческое название алхимики иногда переводили как plumbago - свинцовая руда. Немецкое Blei обычно производят не от лат. Plumbum, несмотря на явное созвучие, а от древнегерманского blio (bliw) и связанного с ним литовского bleivas (свет, ясный), но это мало достоверно. С названием Blei связано англ. Lead и датское Lood. Неясно происхождение русского слова свинец (литовск. scwinas). Автор этих строк в свое время предложил связывать это название со словом вино, так как у древних римлян (и на Кавказе) вино хранили в свинцовых сосудах, придававших ему своеобразный вкус; этот вкус ценили столь высоко, что не обращали внимания на возможность отравления ядовитыми веществами.

– мягкий, ковкий, химически инертный металл весьма стойкий к коррозии. Именно эти качества в основном обуславливают широчайшее его применение в народном хозяйстве. К тому же металл обладает довольно низкой температурой плавления и легко образует разнообразные сплавы.

Давайте поговорим сегодня про и его применение в строительстве и промышленности: сплавы, свинцовые кабельные оболочки, краски на основе него,

Первое применение свинца было связано с его превосходной ковкостью и устойчивостью к коррозии. В результате металл использовался там, где применяться не должен был: при изготовлении посуды, водопроводных труб, умывальников и так далее. Увы, последствия такого использования были самые печальные: свинец является материалом токсичным, как и большинство его соединений и, попадая в организм человека, вызывает множество тяжких повреждений.

• Настоящее же распространение металл получил после того, как от опытов с электричеством перешли к повсеместному использованию электротока. Именно свинец применяется в многочисленных химических источниках тока. Более 75% от всей доли выплавляемого вещества уходит на производство свинцовых аккумуляторов. Щелочные аккумуляторы, несмотря на большую легкость и надежность, вытеснить их не могут, поскольку свинцовые создают ток более высокого напряжения.
• Свинец образует множество легкоплавких сплавов с висмутом, кадмием и так далее и все они применяются для получения электрических предохранителей.

Свинец, являясь токсичным, отравляет окружающую среду, да и для человека представляет немалую опасность. Свинцовые аккумуляторы нуждаются в утилизации или что перспективнее в переработке. На сегодня до 40% металла получают путем переработки аккумуляторов.

• Еще одно интересное применение металла – обмотка сверхпроводящего трансформатора. Свинец был одним из первых металлов, проявивших сверхпроводимость, причем при относительно высокой температуре – 7,17 К (для сравнения температура сверхпроводимости для – 0,82 К).
• 20% от объема вещества свинец используется при производстве свинцовых оболочек для силовых кабелей при подводной и подземной укладке.
• Свинец, а, вернее, его сплавы – баббиты, являются антифрикционными. Их повсеместно используют при производстве подшипников.
• В химической промышленности металл используется при получении кислотоупорной аппаратуры, так как очень неохотно реагирует с кислотами и с очень небольшим их числом. По тем же причинам из него производят трубы для перекачки кислот и сточную канализацию для лабораторий и химических предприятий.
• В военном производстве роль свинца преуменьшить сложно. Свинцовые шары метали катапульты еще Древнего Рима. Сегодня это не только боеприпас для стрелкового, охотничьего или спортивного оружия, но и инициирующие взрывчатые вещества, например, знаменитый азид свинца.
• Еще одно общеизвестное применение – припои. предоставляет универсальный материал для соединения всех остальных металлов, которые обычным способом не сплавляются.
• Свинец металл хотя и мягкий, но относится к тяжелым, к тому же не просто тяжелым, а самым доступным в получении. А с этим связано одно из самых интересных его свойств, хотя и относительно недавно открытых – поглощение радиоактивного излучения, причем любой жесткости. Свинцовая защита применяется везде, где есть угроза повышения радиации – от рентгеновского кабинета до ядерного полигона.

Жесткое излучение обладает большей проникающей способностью, то есть, для защиты от него требуется более толстый слой материала. Однако свинец поглощает жесткое излучение даже лучше, чем мягкое: это связано с образованием электронно-позитронной пары вблизи массивного ядра. Слой свинца толщиной в 20 см способен защитить от любого известного науке излучения.

Во многих случаях альтернативы металлу попросту нет, так что ожидать приостановления из-за его экологической опасности нельзя. Все усилия такого рода должны быть направлены на разработку и внедрение эффективных способов очистки и вторичной переработки.

Данное видео расскажет о добыче и применении свинца:

Его использование в строительстве

Металл в строительных работах применяется нечасто: его токсичность ограничивает круг применения. Однако в составе сплавов или при сооружении специальных конструкций вещество используется. И первое, о чем мы погорим, это кровли из свинца.

Кровля

В качестве свинец применяется с незапамятных времен. В Древней Руси свинцовым листом покрывали церкви и колокольни, так как его цвет прекрасно подходил для этой цели. Металл пластичен, что позволяет получить листы едва ли не любой толщины, а, главное, формы. При перекрытии нестандартных архитектурных элементов, сооружении сложных карнизов свинцовый лист подходит просто идеально, поэтому используется постоянно.

Для кровли выпускают прокатный свинец, как правило, в рулонах. Кроме листов со стандартной ровной поверхностью, есть также материал волнистый – плиссированный, окрашенный, луженный и даже самоклеящийся с одной стороны.

На воздухе свинцовый лист довольно быстро покрывается патиной, состоящей из слоя оксида и карбонатов. Патина защищает металл от коррозии. Но если ее внешний вид по каким-то причина не нравится, кровельный материал можно покрыть специальным патинирующим маслом. Это делается вручную или в производственных условиях.

Звукопоглощение

Звукоизоляция жилища – одна из непреходящих проблем старых, и многих современных домов. Причин тому множество: сама конструкция, где стены или перекрытия проводят звук, материал перекрытий и стен, который не поглощает звук, новшество в виде лифта новой конструкции, который проектом не предусмотрен и создает дополнительную вибрацию и множество других факторов. Но в итоге обитатель квартиры вынужден самостоятельно справляться с этими проблемами.

На предприятии, в звукозаписывающей студии, в здании стадиона эта проблема приобретает куда большие размеры, а решается таким же образом – монтажом звукопоглощающей отделки.

Свинец, как ни странно, используется именно в этой роли – звукопоглотителя. Конструкция материала практически одинакова. Свинцовая пластина малой толщины – 0,2–0,4 мм покрывается защитным полимерным слоем, поскольку металл все же относится к опасным, а с двух сторон пластины закрепляется органический материал – вспененный каучук, полиэтилен, полипропилен. Звукоизолятор поглощает не только звук, но вибрацию.

Механизм таков: звуковая волна, проходя через первый полимерный слой, теряет часть энергии и возбуждает колебания свинцовой пластины. Часть энергии при этом поглощается металлом, а остаток гасится во втором вспененном слое.

Стоит отметить, что направление волны в этом случае никакого значения не имеет.

О том, как используют свинец в строительстве и хозяйстве, расскажет этот видеоролик:

Рентген-кабинеты

Рентгеновское излучение чрезвычайно широко используется в медицине, по сути, составляя базу инструментального обследования. Но если в минимальных дозах особой опасности оно не представляет, то получение большой дозы облучения составляет угрозу для жизни.

При обустройстве рентгеновского кабинета именно свинец используется в качестве защитного слоя:

• стен и дверей;
• пола и потолка;
• мобильных перегородок;
• средств индивидуальной защиты – фартуков, надплечников, перчаток и других предметов со свинцовыми вставками.

Защиту обеспечивают благодаря определенной толщине экранирующего материала, что требует точных расчетов с учетом размеров помещения, мощности аппаратуры, интенсивности использования и так далее. Способность материала снижать излучение измеряется в «свинцовом эквиваленте» – значении толщины такого слоя чистого свинца, который способен рассчитанное излучение поглотить. Эффективной считается такая защита, которая превосходит указанную величину на ¼ мм.

Уборка рентгеновских кабинетов проводится особым образом: здесь важным является своевременное удаление свинцовой пыли, так как последняя представляет опасность.

Другие направления

Свинец – тяжелый, ковкий, стойкий к коррозии металл, и что самое важное: доступный и достаточно дешевый в производстве. К тому же металл незаменим при защите от излучения. Так что полный отказ от его использования – дело довольно отдаленного будущего.

О проблемах со здоровьем, вызванных применением свинца, расскажет Елена Малышева в видео ниже:

Свинец (Pb) — элемент с атомным номером 82 и атомным весом 207,2. Является элементом главной подгруппы IV группы, шестого периода периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева. Свинцовый слиток имеет грязно-серый цвет, однако, на свежем срезе металл блестит и имеет синевато-серый оттенок. Это объясняется тем, что на воздухе свинец быстро окисляется и покрывается тонкой окисной пленкой, которая препятствует дальнейшему разрушению металла. Свинец очень пластичный и мягкий металл - слиток можно разрезать ножом и даже поцарапать ногтем. Устоявшееся выражение «свинцовая тяжесть» верно лишь отчасти - действительно - свинец (плотность11,34 г/см 3) тяжелее железа (плотность 7,87 г/см 3) в полтора раза, вчетверо тяжелее алюминия (плотность 2,70 г/см 3) и даже более тяжел, чем серебро (плотность 10,5 г/см 3). Однако многие металлы, используемые современной промышленностью гораздо тяжелее свинца - золото почти в два раза (плотность 19,3 г/см 3), тантал в полтора раза (плотность 16,6 г/см 3); будучи погруженный в ртуть, свинец всплывает на поверхность, ведь он легче ртути (плотность 13,546 г/см 3).

Природный свинец состоит из пяти стабильных изотопов с массовыми числами 202 (следы), 204 (1,5 %), 206 (23,6 %), 207 (22,6 %), 208 (52,3 %). Причем последние три изотопа - конечные продукты радиоактивных превращений 238 U, 235 U и 232 Th. В ходе ядерных реакций происходит образование многочисленных радиоактивных изотопов свинца.

Свинец наряду с золотом, серебром, оловом, медью, ртутью и железом относится к элементам, известным человечеству с глубокой древности. Существует предположение, что впервые люди выплавили свинец из руды более восьми тысяч лет назад. Еще за 6-7 тысяч лет до нашей эры из этого металла в Месопотамии и Египте изготовляли статуи божеств, предметы культа и домашнего обихода, таблички для письма. Римляне, изобретя водопровод, сделали свинец материалом для труб, несмотря на то, что ядовитость этого металла отмечали еще в первом веке нашей эры греческие врачи Диоскорид и Плиний Старший. Такие соединения свинца, как «свинцовая зола» (PbO) и свинцовые белила (2 PbCO 3 ∙Pb(OH) 2) применялись в Древней Греции и Риме как составные части лекарств и красок. В средневековье семерка древних металлов была в почете у алхимиков и магов, каждый из элементов получил отождествление с одной из известных тогда планет, свинцу соответствовал Сатурн, знаком этой планеты и обозначали металл. Именно свинцу алхимики приписывали способность превращаться в благородные металлы - серебро и золото, по этой причине он был частым участником их химических опытов. С появлением огнестрельного оружия свинец стал применяться в качестве материала для пуль.

Свинец широко используется в технике. Наибольшее его количество расходуется при изготовлении оболочек кабелей и пластин аккумуляторов. В химической промышленности на сернокислотных заводах из свинца изготовляют кожухи башен, змеевики холодильников и многие другие ответственные части аппаратуры, так как серная кислота (даже 80 % концентрации) не разъедает свинец. Свинец используется в оборонной промышленности - идет на изготовление боеприпасов и на выделку дроби. Этот металл входит в состав многих сплавов, например, сплавов для подшипников, типографского сплава (гарта), припоев. Свинец великолепно поглощает опасное гамма-излучение, поэтому его используют в качестве защиты от него при работе с радиоактивными веществами. Определенное количество свинца расходуется на производство тетраэтилсвинца - для повышения октанового числа моторного топлива. Свинец активно используют стекольная и керамическая промышленности для производства хрусталя и специальных лазурей. Свинцовый сурик - вещество ярко-красного цвета (Pb 3 O 4) - является основным ингредиентом краски, применяемой для защиты металлов от коррозии.

Биологические свойства

Свинец, как и большинство других тяжелых металлов, попадая в организм, вызывает отравления, которые могут быть скрытыми (носительство), протекать в легкой, средней тяжести и тяжелой формах. Основные признаки отравления свинцом — лиловато-аспидный окрас края десен, бледно-серая окраска кожных покровов, нарушения в кроветворении, поражения нервной системы, боли в брюшной полости, запоры, тошнота, рвота, подъем АД, температуры тела до 37 °С и выше. При тяжелых формах отравления и хронической интоксикации весьма вероятны необратимые поражения печени, сердечно-сосудистой системы, нарушения в работе эндокринной системы, угнетение иммунной системы организма и онкологические заболевания.

Каковы же причины отравления свинцом и его соединениями? Ранее такими причинами были — употребление воды из свинцовых водопроводов; хранение пищи в глиняной посуде, покрытой глазурью из свинцового сурика или глета; использование свинцовых припоев при починке металлической посуды; широкое использование свинцовых белил (даже в косметических целях) — все это неизбежно приводило к накоплению тяжелого металла в организме. В наши дни, когда о токсичности свинца и его соединений известно каждому, такие факторы проникновения металла в человеческий организм почти исключены. Однако развитие прогресса привело к возникновению огромного ряда новых рисков — это отравления на предприятиях по добыче и выплавке свинца; при производстве красителей на основе восемьдесят второго элемента (в том числе для полиграфии); при получении и использовании тетраэтилсвинца; на предприятиях кабельной промышленности. Ко всему этому нужно прибавить возрастающее загрязнение окружающей среды свинцом и его соединениями, поступающими в атмосферу, почву и воду.

Растения, в том числе потребляемые в пищу, поглощают свинец из почвы, воды и воздуха. В человеческий организм свинец поступает с пищей (более 0,2 мг), водой (0,1 мг) и пылью вдыхаемого воздуха (около 0,1 мг). Причем, поступающий с вдыхаемым воздухом свинец наиболее полно усваивается организмом. Безопасным суточным уровнем поступления свинца в человеческий организм считается 0,2—2 мг. Выделяется главным образом через кишечник (0,22-0,32 мг) и почки (0,03-0,05 мг). В теле взрослого человека в среднем постоянно содержится около 2 мг свинца, причем у жителей крупных промышленных городов содержание свинца выше, чем у сельчан.

Основной концентратор свинца в человеческом теле — костная ткань (90 % всего свинца организма), кроме того, свинец накапливается в печени, поджелудочной железе, почках, головном и спинном мозге, крови.

В качестве лечения отравлений могут рассматриваться некоторые специфические препараты комплексообразователи и общеукрепляющие средства — витаминные комплексы, глюкоза и им подобные. Также необходимы курсы физиотерапии и санаторно-курортное лечение (минеральные воды, грязевые ванны). Необходимы профилактические меры на предприятиях, связанных со свинцом и его соединениями: замена свинцовых белил цинковыми или титановыми; замена тетраэтилсвинца менее токсичными антидетонаторами; автоматизация ряда процессов и операций в производстве свинца; установка мощных вытяжных систем; использование СИЗ и периодические осмотры рабочего персонала.

Тем не менее, несмотря на токсичность свинца и его отравляющее действие на человеческий организм, он может приносить и пользу, что используется в медицине. Свинцовые препараты применяют наружно, как вяжущие и антисептические средства. Примером может служить «свинцовая вода» Pb(CH3COO)2.3H2O, которую применяют при воспалительных заболеваниях кожи и слизистых оболочек, а также при ушибах и ссадинах. Простые и сложные свинцовые пластыри помогают при гнойно-воспалительных заболеваниях кожи, фурункулах. При помощи уксуснокислого свинца получают препараты, стимулирующие деятельность печени при выделении желчи.

В Древнем Египте выплавкой золота занимались исключительно жрецы, ведь процесс считался священным искусством, неким таинством недоступным простым смертным. Поэтому именно служители культа подвергались завоевателями самым жестоким пыткам, однако тайна не была раскрыта в течение долгого времени. Как оказалось, египтяне обрабатывали золотую руду расплавленным свинцом, растворяющим благородные металлы, и таким образом извлекали золото из руд. Получившийся раствор подвергали окислительному обжигу, и свинец превращался в окись. Следующая стадия содержала главный секрет жрецов - горшки для обжига, изготовленные из костяной золы. При плавке окись свинца впитывалась в стенки горшка, увлекая при этом случайные примеси, на дне же оставался чистый сплав.

В современном строительстве свинец используют для уплотнения швов и создания сейсмостойких фундаментов. А ведь традиция использования этого металла в строительных целях идет из глубины веков. Древнегреческий историк Геродот (V в. до н. э.) писал о методе укрепления железных и бронзовых скоб в каменных плитах путем заливки отверстий легкоплавким свинцом. Позднее при раскопках Микен археологи обнаружили свинцовые скобы в каменных стенах. В селении Старый Крым и сейчас сохранились руины так называемой свинцовой мечети, сооруженной в XIV столетии. Такое название здание получило оттого, что зазоры в каменной кладке залиты свинцом.

Существует целая легенда о том, как впервые была получена краска сурик. Свинцовые белила люди научились изготовлять более трех тысяч лет назад, только в те времена этот товар был редкостью и имел весьма высокую цену. По этой причине художники древности с большим нетерпением всегда ожидали в порту торговые корабли, везущие столь драгоценный товар. Не был исключением и великий греческий мастер Никий, который однажды в волнении высматривал корабль с острова Родос (основного поставщика свинцовых белил во всем Средиземноморье), везущий груз с краской. Вскоре корабль вошел в порт, но вспыхнул пожар и ценный груз был поглощен огнем. В безысходной надежде, что огонь пожалел хотя бы один сосуд с краской, Никий вбежал на обгоревший корабль. Огонь не уничтожил сосуды с краской, те лишь обгорели. Как же были удивлены художник и хозяин груза, когда, вскрыв сосуды, они обнаружили вместо белой краски ярко-красную!

Простота получения свинца заключается не только в том, что его легко выплавлять из руд, но и в том, что в отличие от многих других промышленно важных металлов, свинец не требует каких-либо специальных условий (создания вакуума или инертной среды) повышающих качество конечного продукта. Все потому, что газы не оказывают на свинец абсолютно никакого влияния. Ведь кислород, водород, азот, углекислый газ и прочие «вредные» для металлов газы не растворяются ни в жидком, ни в твердом свинце!

Средневековые инквизиторы использовали расплавленный свинец в качестве орудия пытки и казни. Особо несговорчивым (а порой наоборот) лицам металл вливали в горло. В далекой от католичества Индии было похожее наказание, ему подвергались лица низших каст, которые имели несчастье услышать (подслушать) чтение священных книг браминов. Нечестивцу заливали в уши расплавленный свинец.

Одной из венецианских «достопримечательностей» является средневековая тюрьма для государственных преступников, соединенная «Мостом вздохов» с Дворцом дожей. Особенность этой тюрьмы заключается в наличии необычных «VIP» камер на чердаке под крышей из свинца. В летний зной узник изнывал от жары, порой задыхаясь насмерть в такой камере, зимой заключенный замерзал от холода. Прохожие на «Мосту вздохов» могли слышать стенания и мольбы узников, при этом постоянно осознавая силу и власть правителя, находящегося рядом - за стенами Дворца дожей…

История

В ходе раскопок в Древнем Египте археологи обнаружили изделия из серебра и свинца в захоронениях до династического периода. Примерно к этому же времени (8—7 тысячелетие до нашей эры) относятся аналогичные находки, сделанные в районе Месопотамии. Совместные находки изделий из свинца и серебра неудивительны. С давних времен внимание людей привлекли красивые тяжелые кристаллы свинцового блеска PbS - наиболее важной руды, из которой добывается свинец. Богатые залежи этого минерала находили в горах Армении и в центральных районах Малой Азии. Минерал галенит помимо свинца содержит значительные примеси серебра и серы и если положить куски этого минерала в костер, то сера выгорит и потечет расплавленный свинец - древесный уголь препятствует окислению свинца. В шестом веке до нашей эры богатые залежи галенита были обнаружены в Лаврионе - гористой местности недалеко от Афин, а во времена римских пунических войн на территории современной Испании в многочисленных шахтах, заложенных еще финикийцами, активно добывался свинец, который римские инженеры использовали в строительстве труб водопровода.

Определенно установить первичное значение слова «свинец» не удалось до сих пор, так как неизвестно происхождение самого слова. Догадок и предположений множество. Так одни лингвисты утверждают, что греческое название свинца связано с определенной местностью, где его добывали. Некоторые филологи ошибочно сопоставляют более ранее греческое название с поздним латинским plumbum и утверждают, что последнее слово образовалось из mlumbum, а оба слова берут корни от санскритского bahu-mala, что можно перевести, как «очень грязный». Кстати, считается, что слово «пломба» произошло именно от латинского plumbum, а по-французски название восемьдесят второго элемента так и звучит - plomb. Это связано с тем, что мягкий металл с древних времен было принято использовать в качестве печатей и пломб. Даже в наше время товарные вагоны и складские помещения опечатывают свинцовыми пломбами.

Достоверно можно утверждать, что свинец часто путали с оловом, в XVII в. различали plumbum album (белый свинец, т. е. олово) и plumbum nigrum (черный свинец - собственно свинец). Можно было бы предположить, что в путанице виновны средневековые алхимики, именовавшие свинец множеством секретных имен, и трактовавших греческое название, как как plumbago - свинцовая руда. Однако такая путаница существует и в более ранних славянских названиях свинца. Так на древнеболгарском, сербскохорватском, чешском и польских языках свинец именовался оловом! О чем свидетельствует сохранившееся до нашего времени чешское название свинца - olovo.

Немецкое имя свинца - blei вероятно берет свои корни из древнегерманского blio (bliw), а то в свою очередь созвучно с литовским bleivas (свет, ясный). Вполне возможно, что от немецкого blei происходит и английское слово lead (свинец) и датское lood.

Происхождение русского слова «свинец» неизвестно, также как и близких восточнославянских - украинского (свинець) и белорусского (свінец). Кроме того, созвучие имеется в балтийской группе языков: литовский švinas и латышский svins. Существует теория о том, что эти слова следует связывать со словом «вино», что в свою очередь идет от традиции древних римлян и некоторых кавказских народов хранить вино в свинцовых сосудах для придания ему определенного своеобразного вкуса. Однако эта теория не подтверждена и имеет малую доказательную базу своей правоты.

Благодаря археологическим находкам стало известно, что древние мореплаватели обшивали корпуса деревянных кораблей тонкими пластинами из свинца. Одно из таких судов было поднято со дна Средиземного моря в 1954 году недалеко от Марселя. Древнегреческий корабль ученые датировали третьим веком до нашей эры! А уже в средние века крыши дворцов и шпили некоторых церквей покрывали свинцовыми пластинами, которые были устойчивы ко многим атмосферным явлениям.

Нахождение в природе

Свинец довольно редкий металл, его содержание в земной коре (кларк) составляет 1,6·10 -3 % по массе. Однако этот элемент гораздо более распространен, чем его ближайшие соседи по периоду - золото (всего 5∙10 -7 %), ртуть (1∙10 -6 %) и висмут (2∙10 -5 %). Очевидно, что данный факт связан с постепенным накоплением свинца в земной коре за счет ядерных реакций проходящих в недрах нашей планеты - изотопы свинца являющиеся конечными продуктами распада урана и тория, постепенно пополняют запасы Земли восемьдесят вторым элементом уже в течение миллиардов лет и процесс этот продолжается.

Основное скопление свинцовых минералов (более 80 - главный из них галенит PbS) связано с формированием гидротермальных месторождений. Кроме гидротермальных месторождений, некоторое значение имеют также окисленные (вторичные) руды - это полиметаллические руды, образующиеся в результате процессов выветривания приповерхностных частей рудных тел (до глубины 100-200 метров). Они обычно представлены гидроокислами железа, содержащими сульфаты (англезит PbSO 4), карбонаты (церуссит РbCO 3), фосфаты - пироморфит Рb 5 (РО 4) 3 Сl, смитсонит ZnCO 3 , каламин Zn 4 ∙H 2 O, малахит, азурит и другие.

И если свинец и цинк - главные ценные компоненты комплексных полиметаллических руд, то их спутниками часто являются более ценные металлы - золото, серебро, кадмий, олово, индий, галлий и иногда висмут. Содержания основных ценных компонентов в промышленных месторождениях полиметаллических руд колеблются от нескольких процентов и до более чем 10 %. В зависимости от концентрации рудных минералов различают сплошные или вкрапленные полиметаллические руды. Рудные тела полиметаллических руд отличаются разнообразием размеров, имея длину от нескольких метров до километра. Различны по морфологии - гнезда, пластообразные и линзообразные залежи, жилы, штоки, сложные трубообразные тела. Также различны условия залегания - пологие, крутые, секущие, согласные и другие.

При переработке полиметаллических руд получают два основных вида концентратов, содержащих соответственно 40-70 % свинца и 40-60 % цинка и меди.

Основные месторождения полиметаллических руд в России и странах СНГ - Алтай, Сибирь, Северный Кавказ, Приморский край, Казахстан. Богаты залежами полиметаллических комплексных руд Соединенные Штаты Америки, Канада, Австралия, Испания, Германия.

В биосфере свинец рассеян - его мало в живом веществе (5·10 -5 %) и морской воде (3·10 -9 %). Из природных вод этот металл отчасти сорбируется глинами и осаждается сероводородом, поэтому он накапливается в морских илах с сероводородным заражением и в образовавшихся из них черных глинах и сланцах.

Доказательством значимости свинцовых руд может служить один исторический факт. В рудниках, расположенных недалеко от Афин, греки из добываемого в шахтах свинца извлекали серебро методом купелирования (VI в. до н.э.). Причем древним «металлургам» удавалось извлечь практически весь драгоценный металл! Современные исследования утверждают, что серебра в породе оставалось всего 0,02 %. Вслед за греками отвалы перерабатывали римляне, добывая как свинец, так и остаточное серебро, содержание которого им удалось довести до 0,01 % и менее. Казалось бы - руда пуста и поэтому рудник был заброшен почти две тысячи лет. Однако в конце девятнадцатого века отвалы вновь стали перерабатывать на этот раз исключительно ради серебра, содержание которого составляло менее 0,01 %. На современных же металлургических предприятиях в свинце оставляют еще в сотни раз меньше драгоценного металла.

Применение

С древнейших времен свинец широко использовался человечеством, и области его применения были весьма разнообразны. Древние греки и египтяне использовали этот металл для очистки золота и серебра методом купелирования. Многие народы использовали расплавленный металл в качестве цементирующего раствора при строительстве зданий. Римляне использовали свинец в качестве материала для трубопроводов водопровода, а средневековые европейцы изготовляли из этого металла водостоки и дренажные трубы, облицовывали крыши некоторых зданий. С появлением огнестрельного оружия свинец стал главным материалом при изготовлении пуль и дроби.

В наше время восемьдесят второй элемент и его соединения лишь расширили сферы своего потребления. Аккумуляторная промышленность - один из самых емких потребителей свинца. Огромное количество металла (в некоторых странах до 75 % от всего объема производимого) расходуется на производство свинцовых аккумуляторов. Более прочные и менее тяжелые щелочные аккумуляторы активно завоевывают рынок, однако более емкие и мощные свинцовые аккумуляторы не сдают своих позиций.

Немало свинца расходуется на нужды химической промышленности при изготовлении заводской аппаратуры, стойкой в агрессивных газах и жидкостях. Так в сернокислотной промышленности основное оборудование - трубы, камеры, желоба, промывные башни, холодильники, детали насосов - все это изготовляется из свинца или свинцом облицовывается. Вращающиеся детали и механизмы (мешалки, крыльчатки вентилятора, вращающиеся барабаны) изготовляют из свинцово-сурьмянистого сплава гартблея.

Кабельная промышленность - еще один серьезный потребитель свинца, на эти цели в мире расходуется до 20 % этого металла. Им предохраняют от коррозии телеграфные и электрические провода при подземной или подводной прокладке.

До конца шестидесятых годов двадцатого века росло производство тетраэтилсвинца Pb(С2 Н5)4 - бесцветной ядовитой жидкости, которая является превосходным антидетонатором, улучшающим качество топлива. Однако после того как ученые подсчитали, что ежегодно с автомобильными выхлопами выбрасываются сотни тысяч тонн свинца, отравляя окружающую среду, многие страны сократили потребление ядовитого металла, а некоторое полностью отказались от его использования.

В связи с высокой плотностью и тяжестью свинца его применение в оружейном деле было известно задолго до появления огнестрельного оружия - пращники армии Ганнибала метали в римлян свинцовые шары. Лишь позже люди стали отливать из свинца пули и дробь. Для придания большей твердости к свинцу добавляют другие элементы, так при изготовлении шрапнели, в свинец добавляют до 12 % сурьмы, а свинец ружейной дроби содержит не более 1 % мышьяка. Нитрат свинца применяется для производства мощных смесевых взрывчатых веществ. Кроме того, свинец входит в состав некоторых инициирующих взрывчатых веществ (детонаторы): азид (PbN6) и тринитрорезорцинат свинца (ТНРС).

Свинец активно поглощает гамма- и рентгеновские лучи, благодаря чему его применяют как материал для защиты от их действия (контейнеры для хранения радиоактивных веществ, аппаратура рентгеновских кабинетов и других).

Главные компоненты типографских сплавов - свинец, олово и сурьма. Причем свинец и олово использовались в книгопечатании с первых его шагов, но не были единым сплавом, каковым являются в современной типографии.

Такое же, если не большее значение имеют соединения свинца, так некоторые соединения свинца защищают металл от коррозии не в условиях агрессивных сред, а просто на воздухе. Эти соединения вводят в состав лакокрасочных покрытий, например, свинцовые белила (затертая на олифе основная углекислая соль свинца 2PbCO3 Pb(OH)2), которые обладают рядом замечательных качеств: высокая кроющая способность, прочность и долговечность образуемой пленки, устойчивость к действию воздуха и света. Однако есть несколько отрицательных моментов, которые сводят применение свинцовых белил к минимуму (наружная окраска судов и металлоконструкций) - высокая токсичность и восприимчивость к сероводороду. В состав масляных красок входят и другие соединения свинца. Ранее в качестве желтого пигмента использовали глет PbO, который сменил свинцовый крон PbCrO4, однако использование свинцового глета продолжается - в качестве вещества ускоряющего высыхания масел (сиккатив). По сей день самый популярный и массовый пигмент на свинцовой основе - сурик Pb3O4. Этой замечательной краской ярко-красного цвета красят, в частности, подводные части кораблей.

Арсенат Pb3(AsO4)2 и арсенит свинца Pb3(AsO3)2 применяют в технологии инсектицидов для уничтожения насекомых - вредителей сельского хозяйства (непарного шелкопряда и хлопкового долгоносика).

Производство

Наиболее важная руда, из которой добывается свинец - свинцовый блеск PbS, а также комплексные сульфидные полиметаллические руды. Первая металлургическая операция при получении свинца это окислительный обжиг концентрата в агломерационных ленточных машинах непрерывного действия. При обжиге сульфид свинца превращается в оксид:

2PbS + ЗО2 → 2РbО + 2SO2

Помимо этого, получается и немного сульфата PbSO4, который переводят в силикат PbSiO3, для чего в шихту добавляют кварцевый песок и другие флюсы (CaCO3, Fe2O3), благодаря которым образуется жидкая фаза, цементирующая шихту.

В ходе реакции окисляются и сульфиды других металлов (медь, цинк, железо), присутствующие как примеси. Конечным результатом обжига вместо порошкообразной смеси сульфидов получают агломерат - пористую спекшуюся сплошную массу, состоящую преимущественно из оксидов РbО, CuO, ZnO, Fe2O3. Полученный агломерат содержит 35-45 % свинца. Куски агломерата смешивают с коксом и известняком и эту смесь загружают в ватержакетную печь, в которую снизу через трубы («фурмы») подают воздух под давлением. Кокс и оксид углерода (II) восстанавливают оксид свинца до свинца уже при невысоких температурах (до 500 °С):

PbO + C → Pb + CO

PbO + CO → Pb + CO2

При более высоких температурах идут другие реакции:

СаСО3 → СаО + СО2

2РbSiO3 + 2СаО + С → 2Рb + 2CaSiO3+ CO2

Оксиды цинка и железа, находящиеся в виде примесей в шихте, частично переходят в ZnSiO3 и FeSiO3, которые вместе с CaSiO3 образуют шлак, всплывающий на поверхность. Оксиды свинца восстанавливаются до металла. Процесс протекает в два этапа:

2PbS + 3O2 → 2PbO + 2SO2,

PbS + 2PbO → 3Pb + SO2

Сырой - черновой свинец содержит 92-98 % Pb, остальное - примеси меди, серебра (иногда золота), цинка, олова, мышьяка, сурьмы, Bi, Fe, которые удаляют различными методами, так медь и железо удаляют зейгерованием. Для удаления олова, сурьмы и мышьяка через расплавленный металл продувают воздух. Выделение золота и серебра производится добавкой цинка, который образует «цинковую пену», состоящую из соединений цинк с серебром (и золотом), более легких, чем свинец, и плавящихся при 600-700° C. Затем избыток цинка удаляют из расплавленного свинца пропусканием воздуха, водяного пара или хлора. Для очистки от висмута к жидкому свинцу добавляют магний или кальций, которые образуют трудноплавкие соединения Ca3Bi2 и Mg3Bi2. Рафинированный этими способами свинец содержит 99,8-99,9 % Рb. Дальнейшая очистка производится электролизом, в результате чего достигается чистота не менее 99,99 %. Электролитом служит водный раствор фторосиликата свинца PbSiF6. На катоде оседает чистый свинец, а примеси концентрируются в анодном шламе, содержащем много ценных компонентов, которые затем выделяют.

Объем добываемого свинца во всем мире растет каждый год. Так в начале девятнадцатого века во всем мире было добыто около 30 000 тонн. Спустя пятьдесят лет уже 130 000 тонн, в 1875 - 320 000 тонн, в 1900 - 850 000 тонн, 1950 - почти 2 млн тонн, а в настоящее время в год добывают около пяти млн тонн. Соответственно растет и потребление свинца. По объему производства свинец занимает четвертое место среди цветных металлов - после алюминия, меди и цинка. Можно выделить несколько стран - лидеров по производству и потреблению свинца (включая вторичный свинец) - это Китай, Соединенные Штаты Америки, Корея и страны Европейского Союза. В то же самое время многие страны в виду ядовитости соединений свинца отказываются от его употребления, так Германия и Голландия ограничили употребления этого металла, а Дания, Австрия и Швейцария, вообще запретили использование свинца. К этому стремятся все страны ЕС. Россия и США развивают технологии, которые помогут найти альтернативу применению свинца.

Физические свойства

Свинец - металл темно-серого цвета, на свежем срезе блестит и имеет светло-серый оттенок, отливающий синевой. Однако на воздухе быстро окисляется и покрывается защитной пленкой окисла. Свинец - тяжелый металл, его плотность 11,34 г/см3 (при температуре 20 °C), кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке (а = 4,9389A), аллотропических модификаций не имеет. Атомный радиус 1,75A, ионные радиусы: Рb2+ 1,26A, Рb4+ 0,76A.

У восемьдесят второго элемента немало ценных физических качеств, важных для промышленности, например низкая температура плавления - всего 327,4 °C (621,32 °F или 600,55 K), что позволяет сравнительно легко получать металл из руд. При переработке главного свинцового минерала - галенита (PbS) - металл легко отделяется от серы, для этого достаточно обжечь руду в смеси с углем на воздухе. Температура кипения восемьдесят второго элемента 1 740 °C (3 164 °F или 2 013,15 K), металл проявляет летучесть уже при 700 °C. Удельная теплоемкость свинца при комнатной температуре 0,128 кДж/(кг∙К) или 0,0306 кал/г∙°С. Свинец имеет довольно низкую теплопроводность 33,5 вт/(м∙К) или 0,08 кал/см∙сек∙°C при температуре 0 °C , температурный коэффициент линейного расширения свинца 29,1∙10-6 при комнатной температуре.

Другое важное для промышленности качество свинца - его высокая пластичность - металл легко куется, прокатывается в листы и проволоку, что позволяет применять его в машиностроительной промышленности для изготовления различных сплавов с другими металлами. Известно, что при давлении 2 т/см2 свинцовая стружка спрессовывается в сплошную монолитную массу. При увеличении давления до 5 т/см2 металл из твердого состояния переходит в текучее. Свинцовую проволоку получают, продавливая через фильеру не расплав, а твердый свинец, потому что обычным волочением ее изготовить невозможно в связи с малой разрывной прочностью свинца. Предел прочности при растяжении для свинца 12-13 Мн/м2, предел прочности при сжатии около 50 Мн/м2; относительное удлинение при разрыве 50-70 %. Твердость свинца по Бринеллю 25-40 Мн/м2 (2,5-4 кгс/мм2). Известно, что наклеп не повышает механических свойств свинца, так как температура его рекристаллизации лежит ниже комнатной (в пределах -35°C при степени деформации 40% и выше).

Восемьдесят второй элемент - один из первых металлов, переведенных в состояние сверхпроводимости. Кстати, температура, ниже которой свинец приобретает способность пропускать электрический ток без малейшего сопротивления, довольно высока - 7,17 °K. Для сравнения у олова эта температура равна 3,72 °K, у цинка - 0,82 °K, у титана - всего 0,4 °K. Именно из свинца была сделана обмотка первого сверхпроводящего трансформатора, построенного в 1961 году.

Металлический свинец - очень хорошая защита от всех видов радиоактивного излучения и рентгеновских лучей. Встречаясь с веществом, фотон или квант любого излучения тратит свою энергию, именно этим выражается его поглощение. Чем плотнее среда, через которую проходят лучи, тем сильнее она их задерживает. Свинец в этом отношении весьма подходящий материал - он довольно 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. Пятнадцати-двадцати-сантиметрового слоя свинца достаточно, чтобы предохранить людей от действия излучения любого известного науке вида. По этой-то причине свинец введен в резину фартука и защитных рукавиц врача-рентгенолога, задерживая рентгеновские лучи и предохраняя организм от их губительного действия. Защищает от радиоактивного излучения и стекло, содержащее окислы свинца.

Химические свойства

Химически свинец сравнительно малоактивен - в электрохимическом ряду напряжений этот металл стоит непосредственно перед водородом.

На воздухе восемьдесят второй элемент быстро окисляется, покрываясь тонкой пленкой оксида PbO, препятствующему дальнейшему разрушению металла. Вода сама по себе не взаимодействует со свинцом, но в присутствии кислорода металл постепенно разрушается водой с образованием амфотерного гидроксида свинца (II):

2Pb + O2 + 2H2O → 2Pb(OH)2

При соприкосновении с жесткой водой свинец покрывается защитной пленкой нерастворимых солей (в основном сульфата и основного карбоната свинца), препятствующей дальнейшему действию воды и образованию гидроксида.

Разбавленные соляная и серная кислоты почти не действуют на свинец. Это связано со значительным перенапряжением выделения водорода на свинцовой поверхности, а также с образованием защитных пленок трудно-растворимых хлорида РbCl2 и сульфата PbSO4 свинца, закрывающих поверхность растворяющегося металла. Концентрированные серная H2SO4 и хлорная НCl кислоты, особенно при нагревании, действуют на восемьдесят второй элемент, причем получаются растворимые комплексные соединения состава Pb(HSO4)2 и Н2[РbCl4]. В HNO3 свинец растворяется легко, причем в кислоте низкой концентрации быстрее, чем в концентрированной азотной кислоте. Это явление легко объяснить - растворимость продукта коррозии (нитрата свинца) снижается с увеличением концентрации кислоты.

Pb + 4HNO3 → Pb(NO3)2 + 2NO2 + H2O

Сравнительно легко свинец растворяется рядом органических кислот: уксусной (CH3COOH), лимонной, муравьиной (HCOOH), это связано с тем фактом, что органические кислоты образуют свинцовые легкорастворимые соли, которые ни в коей мере не могут защитить поверхность металла.

В щелочах свинец также растворяется, хотя и с небольшой скоростью. Концентрированные растворы едких щелочей при нагревании реагируют со свинцом с выделением водорода и гидроксоплюмбитов типа Х2[Рb(ОН)4], например:

Pb + 4KOH + 2H2O → K4 + H2

По растворимости в воде соли свинца делятся на растворимые (ацетат, нитрат и хлорат свинца), малорастворимые (хлорид и фторид) и нерастворимые (сульфат, карбонат, хромат, фосфат, молибдат и сульфид). Все растворимые соединения свинца ядовиты. Растворимые соли свинца (нитрат и ацетат) в воде гидролизуются:

Pb(NO3)2 + H2O → Pb(OH)NO3 + HNO3

Для восемьдесят второго элемента характерны степени окисления +2 и +4. Значительно более устойчивы и многочисленны соединения со степенью окисления свинца +2.

Соединение свинца с водородом PbH4 получается в небольших количествах при действии разбавленной соляной кислоты на Mg2Pb. PbH4 - бесцветный газ, который очень легко разлагается на свинец и водород. С азотом свинец не реагирует. Азид свинца Pb(N3)2 - получаемый взаимодействием растворов азида натрия NaN3 и солей свинца (II) - бесцветные игольчатые кристаллы труднорастворимые в воде, при ударе или нагреве разлагается на свинец и азот со взрывом. Сера действует на свинец при нагревании с образованием сульфида PbS - черного амфотерного порошка. Сульфид может быть получен также при пропускании сероводорода в растворы солей Pb (II). В природе сульфид встречается в виде свинцового блеска - галенита.

При нагревании свинец соединяется с галогенами, образуя галогениды PbX2, где X - галоген. Все они малорастворимы в воде. Получены также галогениды PbX4: тетрафторид PbF4 - бесцветные кристаллы и тетрахлорид PbCl4 - желтая маслянистая жидкость. Оба соединения легко разлагаются водой, выделяя фтор или хлор; гидролизуются водой.