Свинец (Lead, Pb)

Общие сведения и методы получения

Свинец (РЬ)—тяжелый металл темно-серого цвета. Известен с глубокой древности, более 7 тыс. лет. Содержание свинца в земной коре 0,004 % (по массе).

Самородный свинец в природе не найден, также крайне редко ветре» чаются монометаллические свинцовые руды. Наиболее распространены евннцово-цинковые руды, реже встречаются медно-свинцовые. Очень часто свинец входит в состав так называемых полиметаллических руд, котрые содержат также цинк, медь, золото, серебро, кадмий и другие металлы. Из важнейших минералов свинца можно назвать галенит (свинцовый блеск) PbS (86,6% Pb ), булаижерит 3 PbS - Sb2 S3 (58,8% Pb ), буронит 2 PbS - Cu2 S . Sb2S3 (42,4% Pb ), церусит (белая свинцовая руда) РЬСОз (77,55 % РЬ), фосгенит (роговая свинцовая руда) РЬС12'РЬС03 (76,0 % РЬ). Руды, содержащие свинец, классифицируют на сернистые, или сульфитные, в которых свинец присутствует в форме сульфидов, и окисленные, содержащие оксиды металла. Наиболее распространены руды, в которых свинец находится в виде галенита (свинцового блеска PbS ).

В окисленных рудах свинец находится обычно в виде церуссита РЬСОа. Окисленные руды называют карбонатными. Современная свип-цово-цинковая промышленность перерабатывает почти исключительно сульфидные руды, осуществляя переработку двумя способами — гидро-или пирометаллургическим. Предпочтение по ряду причин отдают пнро-металлургическому способу. При этом способе свинец извлекают восстановительной или реакционной плавкой. При использовании метода реакционной плавки предъявляются очень жесткие требования к качеству свинцовых концентратов: содержание свинца в них не должно быть менее 70—75 %, а содержание отдельных примесей не должно превышать 1 % Si 02; 1,5 % Си; 2 % Sb ; 2 % As . Метод восстановительной плавки применим для любых свинцовых руд и особенно для тех, которые вследствие содержания в них разных примесей не могут быть переработаны методом реакционной плавки.

Выплавленный тем или иным методом свинец загрязнен медью, сурьмой, мышьяком и серой. Кроме того, обычно он содержит заметное количество серебра. Очистка свинца от серебра имеет большое значение для получения серебра (см. 1.9 настоящего справочника). Для уда тения остальных примесей проводят переплавку с доступом воздуха; мышьяк и сурьма окисляются с образованием арсената и антимоната свинца, которые всплывают на поверхность. Медь при этом образует со свинцом тугоплавкий сплав, который тоже отделяется от расплава; при этом из свинца удаляется вся сера. Рафинирование свинца, содержащего висмут, проводят, как правило, путем электролиза.

Содержание свинца в земной коре составляет 0,004 %.

Допустимое содержание свинца в воздухе промышленных помещений 1-Ш"^8 кг/м^3, а в воде 1*10^-4 кг/м^3.

Физические свойства

Атомные характеристики. Атомный номер 82, атомная масса 207,19 а. е. м, атомный объем 18,27-10^-6 м^3/моль. Атомный (металлический) радиус свинца 0,174 нм, ионный радиус РЬ^2+ 0,132 нм, кова-лентный радиус 0,154 нм. Конфигурация внешних валентных электронов 6 s ^2 6 p ^2 .

Значения потенциалов ионизации J (эВ): 7,415; 15,03; 31,93; 39,0. Электроотрицательность 1,9.

Химические свойства

Нормальный электродный потенциал реакции РЬ— 2е =е *РЬ^2+ при 25 °С, фо=—0,126 В. В электрохимическом ряду напряжений свинец распола-

гается перед водородом, однако в разбавленных кислотах он практически не растворяется. Это связано отчасти с тем, что на чистом свинце водород выделяется только при значительном перенапряжении. Величина перенапряжения водорода на свинцовом электроде составляет 0,78 В.

В соединениях, например солях, свинец проявляет степень окисления + 2, реже + 4, однако эти соединения свинца малоустойчивы.

В некоторых случаях на свинце образуется нерастворимый слой, защищающий его от дальнейшего воздействия кислоты. Так, при взаимодействии свинца с серной кислотой образуется сульфат свинца, при взаимодействии с плавиковой — фторид свинца. Хорошая стойкость свинца в разбавленной серной кислоте имеет большое практическое значение в сернокислотном производстве. В разбавленной соляной кислоте свинец также практически не растворяется. В азотной кислоте он легко растворим благодаря своей сильной способности к окислению. На воздухе свинец медленно взаимодействует со всеми кислотами, в том числе с очень слабыми, и даже с водой, образуя гидроксид 2РЬ + 02-г-- f 2Н20 = 2РЬ(ОН)2. В концентрированной серной кислоте, особенно при нагреве, свинец интенсивно растворяется с образованием растворимой кислой соли Pb ( HS 04)2. В щелочах свинец также растворяется, хотя с небольшой скоростью; более интенсивно реакция идет при нагреве и в случае разбавленных растворов.

При нагреве расплавленного свинца на воздухе до 475—675 °С образуется оксид свинца РЬО, представляющий собой желтый порошок. При воздействии сильных окислителей на РЬО образуется темно-бурый порошок диоксида свинца РЬ02. Смешанный оксид РЬ304 является результатом взаимодействия РЬО и РЬ02 или нагрева мелкодисперсного оксида РЬО на воздухе до 475—575 °С. Соединение РЬ304 имеет ярко-красный цвет и его широко применяют при изготовлении масляных красок. Все соединения Pb ( IV ) —очень сильные окислители. Прн действии на растворы солей свинца соляной кислоты получается хлорид свинца РЬС12в виде белого осадка, малорастворимый в холодной воде.

Сульфид свинца образуется в виде черного осадка при действии сероводорода на его соли. Эта реакция используется при определении содержания сероводорода в атмосфере.

Карбонат свинца РЬС03, встречающийся в природе в виде церусси-та, искусственно получают путем смешения водных растворов солей свинца (И) с карбонатами щелочных металлов; прн нагревании выделяется основной карбонат свинца РЬ(0Н)2-2РЬСО3 (бстпла).

Известен гидрид свинца РЬН4, представляющий собой очень летучее соединение. Свинец не взаимодействует с углеродом и азотом.

При взаимодействии свинца с более электроположительными металлами ( Li , Na , К, Mg , Са, Ва, РЗМ, Ti , Zr , Hf ) образуются интерметаллические соединения, называемые плюмбидами. Элементы IIIB , IYB , VA и VB , VIA , VIIА и отчасти VIIIA подгрупп со свинцом, как правило, не взаимодействуют. Известны соединения свинца с ураном UPb и UPb 2 , радием, палладием и платиной. Из элементов IB подгруппы интерметаллические соединения со свинцом образует только золото '( Au 2 Pb , AuPb 2 , AuPb 3 ), a IIB подгруппы — ртуть ( HgPb 2 ). Известны селенид PbSe и теллурид РЬТе свинца.

Элементы VIIB подгруппы с двухвалентным свинцом образуют галоидные соли.

Технологические свойства

Свинец — очень пластичный металл, легко поддается пластической деформации любого вида при комнатной температуре. Свинцовая стружка легко спрессовывается в монолитное изделие заданной формы при давлении ~200 МПа.

Области применения

Низкая механическая прочность и высокая ползучесть свинца ограничивают области его применения как конструкционного материала.

Свинец широко применяется при изготовлении пластин аккумуляторов, при производстве кабелей для покрытия их химически устойчивой и достаточно эластичной оболочкой. В химической промышленности и цветной металлургии свинец широко используется для защитных покрытий химической и электрохимической аппаратуры, в частности внутренних поверхностей башен при производстве серной кислоты, травильных и электролитических ванн и др. Значительное количество оксида свинца используется в народном хозяйстве при производстве красок и хрусталя. Как хороший поглотитель различного вида излучений свинец находит широкое применение в атомной энергетике и рентгенотехнике.

Помимо чистого свинца, широко применяются сплавы на его основе— антифрикционные, типографские и припои. К антифрикционным сплавам относятся свинцовые баббиты, обладающие значительной износостойкостью и в то же время пластичностью, гарантирующей хорошую прирабатываемость подшипников и вкладышей с сопряженными с ними поверхностями. В парах с участием баббита достигается коэффициент сухого трения, равный 0,12—0,2, а при смазке его удается снизить еще в 2—2,2 раза. Основные легирующие компонеты свинцовых баббитов — натрий и кальций. Первый из них обеспечивает пластичную, но достаточно прочную матрицу, содержащую мелкодисперсные выделения интерметаллида РЬ3Са.

Сплавы свинца, легированные сурьмой и оловом в пределах до 30 % (по массе), образуют группу так называемых типографских сплавов, применяемых в полиграфии. Сурьма повышает прочность этих сплавов, а олово снижает температуру их плавления и повышает жидкотеку-честь. Эти сплавы обладают малой усадкой при затвердевании и мало изменяют состав при многократных переплавах.