плюмбум номер в таблице менделеева
Свинец, свойства атома, химические и физические свойства
Свинец, свойства атома, химические и физические свойства.
207,2(1) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 4f 14 5s 2 5p 6 5d 10 6s 2 6p 2
Свинец — элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 82. Расположен в 14-й группе (по старой классификации — главной подгруппе четвертой группы), шестом периоде периодической системы.
Атом и молекула свинца. Формула свинца. Строение свинца:
Свинец (лат. Plumbum) – химический элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с обозначением Pb и атомным номером 82. Расположен в 14-й группе (по старой классификации — главной подгруппе четвертой группы), шестом периоде периодической системы.
Свинец – металл.
Свинец обозначается символом Pb.
Как простое вещество свинец при нормальных условиях представляет собой ковкий, сравнительно легкоплавкий тяжёлый металл серебристо-белого цвета с синеватым отливом.
Молекула свинца одноатомна.
Химическая формула свинца Pb.
Строение атома свинца. Атом свинца состоит из положительно заряженного ядра (+82), вокруг которого по шести атомным оболочкам движутся 82 электрона. При этом 78 электронов находятся на внутреннем уровне, а 4 электрона – на внешнем. Поскольку свинец расположен в шестом периоде, оболочек всего шесть. Первая – внутренняя оболочка представлена s-орбиталью. Вторая – внутренняя оболочка представлена s- и р-орбиталями. Третья и пятая – внутренние оболочки представлена s-, р- и d-орбиталями. Четвертая – внутренняя оболочка представлена s-, р-, d- и f-орбиталями. Шестая – внешняя оболочка представлена s- и р-орбиталями. На внешнем энергетическом уровне атома свинца находятся два спаренных – на s-орбитали и два неспаренных – на p-орбитали электроны. Поэтому свинец проявляет валентность II и IV и степени окисления +2 и +4. В свою очередь ядро атома свинца состоит из 82 протонов и 125 нейтронов. Свинец относится к элементам p-семейства.
Радиус атома свинца (вычисленный) составляет 154 пм.
Атомная масса атома свинца составляет 207,2(1) а. е. м.
Свинец – последний химический элемент в периодической таблице химических элементов Д. И. Менделеева, у которого существуют стабильные изотопы, химические элементы после свинца стабильных изотопов не имеют.
Изотопы и модификации свинца:
Свойства свинца (таблица): температура, плотность, давление и пр.:
5s 2 5p 6 5d 10 6s 2 6p 2
Pb 4+ + 4e – → Pb, E o = +0,77 В,
10,66 г/см 3 (при температуре плавления 327,46 °C и иных стандартных условиях , состояние вещества – жидкость)
35,3 Вт/(м·К) (при 300 K)
205* Эмпирический радиус атома свинца согласно [1] и [3] составляет 175 пм.
206* Ковалентный радиус свинца согласно [1] и [3] составляет 146±5 пм и 147 пм соответственно.
401* Плотность свинца согласно [3] и [4] составляет 11,3415 г/см 3 (при 0 °C и иных стандартных условиях , состояние вещества – твердое тело) и 11,336 г/см 3 (при 20 °C и иных стандартных условиях , состояние вещества – твердое тело) соответственно, а также 10,686 г/см 3 (при 327,4 °C и иных стандартных условиях , состояние вещества – жидкость).
402* Температура плавления свинца согласно [4] составляет 327,4 °C (600,55 K, 621,32 °F).
403* Температура кипения свинца согласно [4] составляет 1745 °C (2018,15 К, 3173 °F).
408* Удельная теплота испарения (энтальпия кипения ΔHкип) свинца согласно [3] и [4] составляет 177,8 кДж/моль и 177,7 кДж/моль соответственно.
Свинец
(молярная масса)
Pb←Pb 4+ 0,80 В
(первый электрон)
Содержание
Исторические сведения
Свинец используется многие тысячелетия, поскольку он широко распространён, легко добывается и обрабатывается. Он очень ковкий и легко плавится. Выплавка свинца была первым из известных человеку металлургических процессов. Бусины из свинца, датируемые 6400 г. до н. э., были найдены в культуре Чатал-Хююк. Самым древним предметом, сделанным из свинца, часто считается статуэтка стоящей женщины в длинной юбке времён первой династии Египта, датируемая 3100—2900 гг. до н. э., хранящаяся в Британском музее (инвентарный номер EA 32138). Она была найдена в храме Осириса в Абидосе и привезена из Египта в 1899 году. В Древнем Египте использовались медальоны из свинца. В раннем бронзовом веке свинец использовался наряду с сурьмой и мышьяком. Указание на свинец как на определённый металл имеется в Ветхом Завете.
Самым крупным производителем свинца доиндустриальной эпохи был Древний Рим, с годовым производством 80 000 тонн. Добыча римлянами свинца происходила в Центральной Европе, римской Британии, на Балканах, в Греции, Малой Азии и Испании. Римляне широко применяли свинец в производстве труб для водопроводов, свинцовые трубы часто имели надписи римских императоров. Правда, ещё Плиний и Витрувий считали, что это нехорошо для общественного здоровья.
После падения Римской империи в V в. н. э. использование свинца в Европе упало и оставалось на низком уровне около 600 лет. Затем свинец начали добывать в восточной Германии. Свинцовый сахар ещё с римских времён добавляли в вино для улучшения его вкусовых качеств, это стало широко распространено и продолжалось даже после запрета папской буллой в 1498 году. Такое использование свинца в средние века приводило к эпидемиям свинцовой колики. В Древней Руси свинец использовали для покрытия крыш церквей, а также широко применяли в качестве материала навесных печатей к грамотам Позднее, в 1633 году, в Кремле был сооружён водопровод со свинцовыми трубами, вода по которому шла из Водовзводной башни, он просуществовал до 1737 года.
В алхимии свинец ассоциировался с планетой Сатурн и обозначался её символом ♄. В древности олово, свинец и сурьму часто не отличали друг от друга, считая их разными видами одного и того же металла, хотя ещё Плиний Старший различал олово и свинец, называя олово «plumbum album», а свинец — «plumbum nigrum».
Индустриальная революция привела к новому росту потребности в свинце. К началу 1840-х гг. годовое производство очищенного свинца впервые превысило 100 000 тонн и выросло до более чем 250 000 тонн в течение следующих 20 лет. До последних десятилетий XIX века добыча свинца в основном проводилась тремя странами: Британией, Германией и Испанией. К началу XX века добыча свинца в Европе стала меньше, чем в остальном мире, благодаря увеличившейся добыче в США, Канаде, Мексике и Австралии. До 1990 года большое количество свинца использовалось (вместе с сурьмой и оловом) для отливки типографских шрифтов, а также в виде тетраэтилсвинца — для повышения октанового числа моторного топлива.
Происхождение названия
Происхождение слова «свинец» неясно. Этот металл по-болгарски называется «оло́во», в большинстве других славянских языков (сербско-хорватском, чешском, польском свинец называется словом, близким по звучанию к «олово»: волава, olovo, ołów и т. п. Слово с тем же значением, но похожее по произношению на «свинец», встречается в языках балтийской группы: švinas (литовский), svins (латышский), а также в нескольких славянских — русском, украинском (свинець), белорусском (свінец) и словенском (svinec).
Латинское plumbum дало английское слово plumber — водопроводчик (в Древнем Риме трубы водопровода были именно из этого металла, как наиболее подходящего для отливки), и название венецианской тюрьмы со свинцовой крышей — Пьомби, из которой, по некоторым данным, ухитрился бежать Казанова.
Нахождение в природе
Содержание в земной коре — 1,6·10 −3 % по массе. Самородный свинец встречается редко, круг пород, в которых он установлен, достаточно широк: от осадочных пород до ультраосновных интрузивных пород. В этих образованиях он часто образует интерметаллические соединения (например, звягинцевит (Pd,Pt)3(Pb,Sn) и др.) и сплавы с другими элементами (например, (Pb + Sn + Sb)). Он входит в состав 80 различных минералов. Важнейшие из них: галенит PbS, церуссит PbCO3, англезит PbSO4 (сульфат свинца); 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, имея часто радиогенную природу. В природных условиях 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. Единственное место на земле, где в породах больше свинца по сравнению с ураном — Кохистанско-Ладакхская дуга на севере Пакистана.
В таблице приведены некоторые параметры распространённости свинца в природных условиях по А. П. Виноградову:
| Породы | Каменные метеориты | Дуниты и др. | Базальты и др. | Диориты и др. | Граниты и др. | Глины и др. | Земная кора |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Содержание, масс.% | 000000 2×10 −5 | 000 1×10 −5 | 000 8×10 −4 | 000 1,5×10 −3 | 000 2×10 −3 | 000 2×10 −3 | 1,6×10 −3 |
| Объекты | Живое вещество Земли | Литосфера | Почва 0 | Растения (в золе) | Вода океанов (мг/л) |
|---|---|---|---|---|---|
| Содержание, масс.% | 00000000 5×10 −5 | 00 0,0016 | 0 0,001 | 00000 0,001 | 000000 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 |
|---|---|---|---|
| 00 Настуран | 0 4,750 (308) | 58,87 (242) | 2,264 (108) |
| 00 Монацит | 0 0,6134 (143) | 0,2619 (160) | 6,567 (150) |
| 000 Ортит | 0 0,0907 (90) | 0,1154 (88) | 6,197 (88) |
| 000 Циркон | 0 0,0293 (203) | 0,1012 (290) | 0,1471 (194) |
| Сфен (Титанит) | 0 0,0158 (12) | 0,0511 (14) | 0,0295 (21) |
Получение
Для получения свинца в основном используют руды, содержащие галенит. Сначала методом флотации получают концентрат, содержащий 40—70 процентов свинца. Затем возможно несколько способов переработки концентрата в веркблей (черновой свинец): прежде широко распространённый метод шахтной восстановительной плавки, разработанные в СССР метод кислородно-взвешенной циклонной электротермической плавки свинцово-цинковых продуктов (КИВЦЭТ-ЦС), метод плавки Ванюкова (плавка в жидкой ванне). Для плавки в шахтной (ватержакетной) печи предварительно производят агломерационный обжиг концентрата, а затем его загружают в шахтную печь, где происходит восстановление свинца из оксида.
Веркблей, содержащий более 90 процентов свинца, подвергается дальнейшему очищению. Сначала для удаления меди применяют зейгерование и последующую обработку серой. Затем щелочным рафинированием удаляют мышьяк и сурьму. Далее выделяют серебро и золото с помощью цинковой пены и отгоняют цинк. Обработкой кальцием и магнием удаляют висмут. В результате содержание примесей падает до менее чем 0,2 %.
Производство в мире
Страны — крупнейшие производители свинца (включая вторичный свинец) на 2004 год (по данным ILZSG):
| Страна | Количество в метрических килотоннах |
|---|---|
| Евросоюз | 2200 |
| США | 1400 |
| Китай | 1200 |
| Россия | 1100 |
| Южная Корея | 600 |
| Казахстан | 550 |
| Украина | 400 |
Физические свойства
Свинец имеет довольно низкую теплопроводность, она составляет 35,1 Вт/(м·К), при температуре 0 °C. Металл мягкий, режется ножом, легко царапается ногтем. На поверхности он обычно покрыт более или менее толстой плёнкой оксидов, при разрезании открывается блестящая поверхность, которая на воздухе со временем тускнеет. Температура плавления — 600,61 K (327,46 °C), кипит при 2022 K (1749 °C). Относится к группе тяжёлых металлов; его плотность — 11,3415 г/см 3 (при +20 °C). С повышением температуры плотность свинца падает:
| Температура, °C | Плотность, г/см 3 |
|---|---|
| 327,6 | 10,686 |
| 450 | 10,536 |
| 650 | 10,302 |
| 850 | 10,078 |
Предел прочности на растяжение — 12—13 МПа (МН/м 2 ).
При температуре 7,26 К становится сверхпроводником.
Химические свойства
Свинец образует комплексные соединения с координационным числом 4, например, [Pb(OH)4] 2−
Реакция диспропорционирования между PbO2 и Pb лежит в основе работы свинцовых аккумуляторов.
Основные соединения свинца
Галогениды свинца
Свинец образует галогениды в степени окисления +2 вида PbHal2 для всех галогенов. Известны также галогениды свинца(IV): PbF4 и PbCl4, тетрабромиды и тетрайодиды не получены.
Халькогениды свинца
Халькогениды свинца — сульфид свинца PbS, селенид свинца(II) PbSe и теллурид свинца PbTe — представляют собой кристаллы чёрного цвета, которые являются узкозонными полупроводниками.
Оксиды свинца
Оксиды свинца имеют преимущественно основный или амфотерный характер. Многие из них окрашены в красные, жёлтые, чёрные, коричневые цвета. На фотографии в начале статьи, на поверхности свинцовой отливки, в её центре видны цвета побежалости — это тонкая плёнка оксидов свинца, образовавшаяся из-за окисления горячего металла на воздухе. Свинец образует два простых оксида — оксид свинца(II) PbO и оксид свинца(IV) PbO2 — и один смешанный Pb3O4 (свинцовый сурик), фактически являющийся плюмбатом (IV) свинца(II) Pb2PbO4.
Соли свинца
Изотопы
Весь свинец в основном является смесью изотопов 204 Pb, 206 Pb, 207 Pb, 208 Pb. Эти изотопы не радиоактивны, то есть стабильны. Свинец — последний элемент в периодической таблице, у которого существуют стабильные изотопы, элементы после свинца стабильных изотопов не имеют (хотя висмут-209 на практике можно считать стабильным, т.к. его период полураспада примерно в миллиард раз больше возраста Вселенной). Изотопы 206 Pb, 207 Pb, 208 Pb являются радиогенными и образуются в результате радиоактивного распада соответственно 238 U, 235 U и 232 Th. Изотоп 208
82 Pb 126
является одним из пяти существующих в природе дважды магических ядер. Схемы радиоактивного распада имеют вид:
238 U → 206 Pb + 8 4 He; 235 U → 207 Pb + 7 4 He; 232 Th → 208 Pb + 6 4 He.
Уравнения распада имеют вид соответственно:
206 Pb = 238 U (e λ8 t − 1 ), 207 Pb = 235 U (e λ5 t − 1 ), 208 Pb = 232 Th(e λ2 t − 1 ),
Кроме этих изотопов, известны и нестабильные изотопы 194 Pb — 203 Pb, 205 Pb, 209 Pb — 214 Pb. Из них наиболее долгоживущие — 202 Pb и 205 Pb (с периодами полураспада 52,5 тысяч и 15,3 млн лет). Короткоживущие изотопы свинца 210 Pb (радий D), 211 Pb (актиний B), 212 Pb (торий B) и 214 Pb (радий B) имеют периоды полураспада соответственно 22,2 года, 36,1 мин, 10,64 ч и 26,8 мин (в скобках приведены редко используемые исторические названия этих изотопов); эти четыре радиоактивных изотопа входят в состав радиоактивных рядов урана и тория и, следовательно, также встречаются в природе, хотя и в крайне малых количествах.
Количество ядер изотопа 204 Pb (нерадиогенного и нерадиоактивного) является стабильным, в минералах свинца концентрация 204 Pb во многом зависит от концентрации радиогенных изотопов, образованных как в процессе распада радиоактивных ядер, так и в процессах вторичного преобразования свинецсодержащих минералов. Поскольку число радиогенных ядер, образовавшихся в результате радиоактивного распада, зависит от времени, то и абсолютные, и относительные концентрации зависят от времени образования минерала. Этим свойством пользуются при определении возраста горных пород и минералов.
Распространённость изотопов свинца
| Изотоп | 204 Pb | 206 Pb | 207 Pb | 208 Pb |
|---|---|---|---|---|
| Содержание в природе (в %) | 0 1,4 0 | 0 24,1 0 | 22,1 | 52,4 |
Свинец, состав которого приведён в таблице, отражает изотопный состав свинца преимущественно в галенитах, в которых урана и тория 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, таких, как уранинит UO2, настуран UO2 (урановая смолка), урановые черни, в которых существенно преобладает уран, радиогенный изотоп 206 Pbрад существенно преобладает над другими изотопами свинца, и его концентрации могут достигать 90 %. Например, в урановой смолке (Сан-Сильвер, Франция) концентрация 206 Pb равна 92,9 %, в урановой смолке из Шинколобве (Киншаса) — 94,25 %. В ториевых минералах, например, в торите ThSiO4, существенно преобладает радиогенный изотоп 208 Pbрад. Так, в монаците из Казахстана концентрация 208 Pb равна 94,02 %, в монаците из пегматита Бекета (Зимбабве) — 88,8 %. Имеется комплекс минералов, например, монацит (Ce, La, Nd)[PO4], циркон ZrSiO4 и др., в которых в переменных соотношениях находятся уран и торий и соответственно в разных соотношениях присутствуют все или большинство изотопов свинца. Следует отметить, что в цирконах содержание нерадиогенного свинца крайне мало, что делает их удобным объектом для уран-торий-свинцового метода датирования (цирконометрия).
Применение
Нитрат свинца применяется для производства мощных смесевых взрывчатых веществ.
Азид свинца применяется как наиболее широко употребляемый детонатор (инициирующее взрывчатое вещество).
Перхлорат свинца используется для приготовления тяжёлой 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 также 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.
Диоксид свинца PbO2 широко применяется не только в свинцовом аккумуляторе, но и также на её основе производятся многие резервные химические источники тока, например — свинцово-хлорный элемент, свинцово-плавиковый элемент и другие.
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 шпатлёвки, 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 жёлтый краситель, является важным пигментом для приготовления красок, для окраски фарфора и тканей. В промышленности хромат применяют в основном в производстве жёлтых 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 PbSO4, нерастворимый в воде белый порошок, применяют как пигмент в аккумуляторах, литографии, в технологии набивных тканей.
Сульфид свинца PbS, чёрный нерастворимый в воде порошок, используют при обжиге глиняной посуды и для обнаружения ионов свинца.
Тетраэтилсвинец (C2H5)4Pb до недавнего времени применялся к качестве присадки к бензину для повышения октанового числа.
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. Было время, когда на оболочки кабелей шла значительная часть производимого в мире свинца, благодаря хорошим влагозащитным свойствам таких изделий. Однако впоследствии свинец в существенной мере вытеснили из этой области алюминий и полимеры. Так, в странах Запада использование свинца на оболочки кабелей упало с 342 тысяч тонн в 1976 году до 51 тысяч тонн в 2002 году.
В медицине
Используется для защиты пациентов от излучения рентгеновских аппаратов.
В геологии
Измерение содержания изотопов свинца используется для определения возраста минералов и горных пород в абсолютной геохронологии. Обобщённая сводка геохронологических методов приведена в работе. Уран-торий-свинцовый метод датирования основан на уравнениях распада изотопов урана и тория.
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 тысячах тонн (по данным ILZSG):