Свинец - удивительный металл с многовековой историей применения. Его температура плавления составляет всего 327 градусов по Цельсию. Это довольно низкий показатель, позволяющий расплавлять свинец в домашних условиях. Давайте разберемся, что это за металл, какие у него свойства и где он используется.
Физические свойства свинца
Свинец при обычных условиях представляет собой синевато-серый металл. Его кристаллическая решетка имеет гранецентрированную кубическую структуру. Свинец отличается высокой плотностью - 11 341,5 кг/м3 при температуре 20°С. Это примерно в 1,5 раза больше, чем у железа.
По твердости по шкале Бринелля свинец находится в пределах 25-40 МПа. Для сравнения, у золота этот показатель равен 45 МПа. То есть свинец является очень мягким металлом, его поверхность легко царапается даже ногтем.
Благодаря мягкости и пластичности из свинца можно ковать тончайшие листы, прокатывать проволоку. Правда, прочность свинца на разрыв невелика, поэтому применяется не волочение, а продавливание расплавленного металла через специальные фильеры.
Свинец плохо проводит тепло и электричество. Его удельное электрическое сопротивление выше такового у других металлов на порядок. Свинец переходит в сверхпроводящее состояние при температуре 7,2 К.
Химические свойства
В химическом отношении свинец довольно инертен при обычных условиях. Основные степени окисления свинца - +2 и +4. С кислородом образует оксиды PbO, PbO2, Pb3O4.
На воздухе поверхность свинца покрывается защитной оксидной пленкой, предохраняющей металл от дальнейшего окисления. Благодаря этому свинец устойчив к коррозии. Он практически не взаимодействует с разбавленными серной и соляной кислотами, но растворяется в азотной кислоте с образованием нитрата свинца(II) Pb(NO 3)2.
Из органических соединений наиболее известен тетраэтилсвинец Pb(C2H5)4, который ранее применялся как антидетонационная присадка к бензинам. Сейчас его использование запрещено в большинстве стран из-за токсичности.
Получение
Основным сырьем для производства свинца служат свинцовые руды, в первую очередь галенит PbS. Их подвергают обогащению методом флотации с получением концентратов, содержащих 40-75% свинца. Затем концентраты обжигают с целью удаления серы:
2PbS + 3O2 = 2PbO + 2SO2
На следующем этапе проводят восстановительную плавку обожженного материала в шахтных печах. Продукт плавки - черновой свинец (93-98% Pb) - подвергают рафинированию для дополнительной очистки.
Также свинец можно получать электролизом водных растворов его солей или путем вторичной переработки лома, например отработанных стартеров.
| Чистота | Название |
| 99,9% | Свинец марки С1 |
| 99,99% | Свинец марки С2 |
В зависимости от чистоты получаемого металла различают свинец марок С0, С1, С2 (см. таблицу).
Применение свинца
Крупнейшая область применения свинца - производство аккумуляторов, главным образом стартерных. Около 80% всего потребляемого свинца идет на изготовление электродов.
Широко используются различные сплавы на основе свинца: с оловом, медью, сурьмой и другими элементами. Они нашли применение в кабельной промышленности, при пайке, литье деталей.
Благодаря высокой плотности и стойкости к агрессивным средам, свинец и его соединения применяют для изготовления футеровки, труб, емкостей, аппаратуры в химической промышленности.
Соединения свинца используют в производстве керамики, стекла, красок, для защиты от радиации. Металлический свинец находит применение при строительстве фундаментов, в военном деле и других областях.
Плавка свинца в лабораторных условиях
Расплавить свинец можно не только в промышленных масштабах, но и в небольшой лаборатории. Для этого потребуется следующее оборудование:
- Плавильная электропечь (муфельная печь) с температурой нагрева выше 327°C;
- Тигли и ложки из жаропрочных материалов (например, кварцевого стекла);
- Вытяжной шкаф;
- Средства индивидуальной защиты (халат, перчатки, респиратор).
Процесс плавления свинца в лаборатории включает следующие этапы:
- Взвешивание навески металлического свинца;
- Помещение свинца в тигель и установка в печь;
- Нагрев до температуры плавления (327°C) в течение 10-15 минут;
- Перемешивание расплава ложкой;
- Выдерживание расплава при 350-400°C для устранения примесей;
- Заливка жидкого свинца в формы или емкости;
- Кристаллизация.
Над расплавом необходима хорошая вытяжка для удаления паров свинца. Также следует соблюдать правила техники безопасности при работе с токсичными материалами.
Оборудование для промышленной плавки свинца
В промышленных масштабах для выплавки свинца из руд и концентратов используется специальное оборудование:
- Вращающиеся печи непрерывного действия;
- Отражательные печи периодического действия;
- Конвертеры для окисления серы и шлакоудаления;
- Агломашинные конвейеры для спекания концентратов;
- Электролизеры (для электролитического рафинирования);
Это технически сложное и энергоемкое оборудование, позволяющее проводить процесс при высоких температурах, необходимых для плавления свинца.
Техника безопасности при работе со свинцом
Свинец является токсичным металлом, поэтому при работе с ним, особенно в жидком состоянии, следует соблюдать ряд мер предосторожности:
- Использовать средства индивидуальной защиты: халаты, респираторы, перчатки;
- Исключить попадание брызг расплава на открытые участки тела;
- Проводить плавку свинца только в вытяжном шкафу;
- После работы тщательно вымыть руки, лицо;
- Проводить медосмотры персонала на содержание свинца в организме.
Соблюдение правил техники безопасности позволит свести к минимуму риск отравления парами и брызгами расплавленного свинца.
Утилизация отходов после плавки свинца
После плавки свинца образуется определенное количество токсичных отходов: шлаки, пыль, загрязненные свинцом материалы и т.д. Их утилизация должна проводиться в соответствии с установленными нормами.
Наиболее распространенные способы обезвреживания и переработки отходов свинцового производства:
- Захоронение в специальных хранилищах;
- Вторичная переработка материалов с извлечением свинца;
- Включение в состав строительных материалов (например, бетона);
- Химическая детоксикация.
Правильная утилизация отходов после выплавки свинца поможет снизить техногенную нагрузку на окружающую среду от этого потенциально опасного производства.
Влияние свинца на здоровье человека
Свинец и его соединения токсичны для человека. Попадание свинца в организм происходит через органы дыхания и пищеварения. Накапливаясь в костях, почках, печени, свинец оказывает следующие негативные эффекты:
- Поражение нервной системы, энцефалопатия;
- Анемия;
- Нарушение синтеза гемоглобина;
- Повреждение желудочно-кишечного тракта, почек, печени;
- Нарушение репродуктивной функции.
Допустимая концентрация свинца в воздухе рабочей зоны не должна превышать 0,01 мг/м3, в питьевой воде - 0,03 мг/л. Превышение этих показателей чревато отравлениями различной степени тяжести.
Методы анализа свинца
Для контроля содержания свинца в различных объектах (воздух, вода, пища, биосреды) используются следующие методы анализа:
- Атомно-абсорбционная спектрометрия;
- Масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ИСП МС);
- Рентгенофлуоресцентный анализ;
- Полярография и вольтамперометрия;
- Йодометрическое титрование.
Эти методы обладают высокой чувствительностью и точностью, позволяя определять массовую концентрацию свинца в диапазоне от единиц нг/г до процентных содержаний.
"Свинцовые времена" Древнего Рима
Название металла свинец происходит от латинского plumbum. В Древнем Риме широко использовались водопроводные трубы из свинца, а также свинцовые кувшины для вина. Из-за растворения свинца такая вода и вино обладали токсическим действием.
Некоторые историки объясняют падение рождаемости, физическое вырождение римлян и снижение иммунитета массовыми хроническими отравлениями свинцом. Эту эпоху называют "свинцовыми временами" Древнего Рима.
Будущее применение свинца
Несмотря на токсичность, свинец не утрачивает своего значения для многих отраслей благодаря уникальным физико-химическим свойствам. В будущем возможно более широкое использование:
- Высокочистого свинца в производстве полупроводников;
- Свинцово-кислотных аккумуляторов для систем резервного питания и накопления энергии;
- Сверхпроводящих материалов на основе свинца для электромагнитов и СВЧ-электроники;
- Сплавов свинца с другими элементами в новых областях техники.
