Свине́ц — элемент главной подгруппы четвёртой группы, шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 82. Обозначается символом Pb (лат. Plumbum). Простое вещество свинец (CAS-номер: 7439-92-1) — ковкий, сравнительно легкоплавкий металл серого цвета.

Исторические сведения

Происхождение названия

Происхождение слова «свинец» неясно. В большинстве славянских языков (болгарском, сербско-хорватском, чешском, польском, дореформенном белорусском (тарашкевица)^[2][3]) 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), официальном белорусском («наркомовка») (свінец) и словенском (svinec).

Латинское plumbum, употребляемое, помимо остальных, Петронием Арбитром 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 — 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^[4].

Нахождение в природе

В земной коре свинца немного — 0,0016 % по массе. Содержание в морской воде 0,03 мкг/л. Но этот один из самых тяжёлых металлов распространен гораздо больше, чем его ближайшие соседи — золото, ртуть и висмут. Это связано с тем, что разные изотопы свинца являются конечными продуктами распада урана и тория, так что содержание свинца в земной коре медленно увеличивалось в течение миллиардов лет. Свинец (урановый) частично концентрируется в пегматитах. Обычный свинец концентрируется лишь в контактово-метасоматических и гидротермальных образованиях.

Известно много рудных месторождений, богатых свинцом, причем металл легко выделяется из минералов. В природе известно 180 минералов свинца. Многие из них имеют гипергенное происхождение. Основные — галенит (свинцовый блеск) PbS и продукты его химических превращений — англезит (свинцовый купорос) PbSO₄ и церуссит («белая свинцовая руда») PbCO₃. Реже встречаются пироморфит («зелёная свинцовая руда») PbCl₂·3Pb₃(PO₄)₂, миметит PbCl₂·3Pb₃(AsO₄)₂, крокоит («красная свинцовая руда») PbCrO₄, вульфенит («жёлтая свинцовая руда») PbMoO₄, штольцит PbWO₄. В свинцовых рудах часто находятся также другие металлы — медь, цинк, кадмий, серебро, золото, висмут и др. В местах залегания свинцовых руд этим элементом обогащена почва (до 1 % Pb), растения и воды.

В сильноокислительной щелочной среде степей и пустынь возможно образование диоксида свинца — минерала платтнерита. И исключительно редко встречается самородный металлический свинец. В урановых и ториевых рудах всегда содержится свинец, являющийся конечным продуктом распада урана-238, урана-235 и тория-232.

Месторождения

Месторождения свинца известны в России, Армении, Германии, Мексике^[5].

Производство

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

Изотопы

Ядро нуклида свинца ²⁰⁸Pb с Z=82 и N=126 (N — число нейтронов) является «дважды магическим», таким образом этот нуклид принадлежит к числу наиболее устойчивых изотопов согласно теории оболочечного строения ядра.

Физические свойства

Свинец имеет довольно низкую теплопроводность, она составляет 35,1 Вт/(м·К) при температуре 0 °C. 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.

Свинец широко используют для защиты от гамма-излучения, как элемент с большим атомным номером (и следовательно большим количеством электронов на один атом), достаточно распространённый в природе, не радиоактивный.

Свинец - диамагнетик.

• Плотность — 11,3415 г/см³ (при 20 °C)^[1]
• Температура плавления — 327,4 °C (621,32 °F; 600,55 K)
• Температура кипения — 1740 °C (3164 °F; 2013,15 K)
• Магнитная восприимчивость - -0,12•10^-6

Химические свойства

Электронная формула: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 6s² 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6p², в соответствии с чем он имеет степени окисления +2 и +4. Свинец не очень активен химически. На металлическом разрезе свинца виден металлический блеск, постепенно исчезающий из-за образования тонкой плёнки PbO.

С кислородом образует ряд соединений Pb₂О, PbO, Pb₂О₃, Pb₃О₄, PbO₂. Без кислорода вода при комнатной температуре не реагирует со свинцом, но при большой температуре при взаимодействии свинца и горячего водяного пара получаются оксиды свинца и водород.

Оксидам PbO и PbO₂ соответствуют амфотерные гидроксиды Pb(ОН)₂ и Pb(ОН)₄.

При реакции Mg₂Pb и разбавленной HCl получается небольшое количество PbH₄. PbH₄ — газообразное вещество без запаха, которое очень легко разлагается на свинец и водород. При большой температуре галогены образовывают со свинцом соединения вида PbX₂ (X — соответствующий галоген). Все эти соединения мало растворяются в воде. Могут быть получены галогениды и типа PbX₄. Свинец с азотом прямо не реагирует. Азид свинца Pb(N₃)₂ получают косвенным путём: взаимодействием растворов солей Pb(II) и соли NaN₃. Сульфиды свинца можно получить при нагревании серы со свинцом, образуется сульфид PbS. Сульфид получают также пропусканием сероводорода в растворы солей Pb(II). В ряду напряжений свинец стоит левее водорода, но свинец не вытесняет водород из разбавленных HCl и H₂SO₄, из-за перенапряжения Н₂ на Pb, а также на поверхности металла образуются плёнки труднорастворимых хлорида PbCl₂ и сульфата PbSO₄, защищающие металл от дальнейшего действия кислот. Концентрированные кислоты типа H₂SO₄ и HCl при нагревании действуют на Pb и образуют с ним растворимые комплексные соединения состава Pb(HSO₄)₂ и Н₂[PbCl₄]. Азотная, а также некоторые органических кислоты (например, лимонная) растворяют свинец с получением солей Pb(II). По растворимости в воде соли свинца делятся на нерастворимые (например, сульфат, карбонат, хромат, фосфат, молибдат и сульфид), малорастворимые (хлорид и фторид) и растворимые (к примеру, ацетат, нитрат и хлорат свинца). Соли Pb(IV) могут быть получены электролизом сильно подкисленных серной кислотой растворов солей Pb(II). Соли Pb(IV) присоединяют отрицательные ионы с образованием комплексных анионов, например, плюмбатов (PbO₃)²⁻ и (PbO₄)⁴⁻, хлороплюмбатов [PbCl₆]²⁻, гидроксоплюмбатов [Pb(ОН)₆]²⁻ и других. Концентрированные растворы едких щелочей при нагревании реагируют со свинцом с выделением водорода и гидроксоплюмбитов типа [Pb(ОН)₄ X₂].

Потенциал ионизации Е_ион=7,42 эВ.

Основные соединения свинца

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.

Галогениды свинца

Халькогениды свинца

Халькогениды свинца — сульфид свинца, селенид свинца и теллурид свинца — представляют собой кристаллы чёрного 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 шёлка и для получения других соединений свинца. Основный 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^[6].

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 PbF₂ самостоятельно, а также совместно с фторидом висмута, меди, серебра применяется в качестве катодного материала в химических источниках тока. Висмутат свинца PbBiO₃, сульфид свинца PbS, иодид свинца PbI₂ 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 (термоЭДС 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 Pb₃(AsO₄)₂ и арсенит свинца Pb₃(AsO₃)₂ 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 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, чёрный нерастворимый в воде порошок, используют при обжиге глиняной посуды и для обнаружения ионов свинца.

Вследствие большого заряда ядра и высокой плотности свинец является одним из лучших поглотителей гамма-излучения,^[7][8] благодаря чему активно используется в качестве биологической защиты в ядерной технологии (в ядерных реакторах, при переработке радиоактивных отходов и т. п.), а также в рентгеновских установках (например, в кабинетах флюорографии в виде свинцовых накидок, накладок и фартуков). 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 которой в малых концентрациях имеют сладковатый фруктовый запах, в больших — неприятный запах; t_пл = −130 °C, t_кип = 80 °C при 13 мм рт. ст. и 216 °C при 760 мм.рт.ст. с разложением; плотность 1,650 г/см³; n_D²⁰ = 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. Из-за высокой плотности применяется в пулях, и как компонент сплавов и в чистом виде. Из-за мягкости и низкой температуры плавления, применяется как материал для пломб. По тем же причинам ранее широко применялся в издательском деле, как материал для шрифтов.

В медицине

Широкого применения в медицине свинец не получил из-за своей высокой токсичности. Используется только Pb(CH₃COO)₂·3H₂O, или свинцовая вода, для примочек от ссадин. Тяжелый свинец хорошо задерживает губительные для человека излучения и потому свинцовые экраны используются для защиты работников рентгеновских кабинетов, в свинцовых контейнерах хранят и перевозят радиоактивные препараты.

Экономические показатели

По данным International Lead and Zinc Study Group, производство рафинированного свинца в мире в 2009 году выросло на 2 %, составив 8,827 млн тонн. При этом потребление выросло до 8,756 млн тонн против 8,649 млн тонн в 2008 году, то есть на 1,2 %.

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):

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.

Примечания