Сульфид свинца: свойства, применение, получение

Сульфид свинца - удивительное вещество с уникальными свойствами, которое человек использует уже не одно тысячелетие. От красителя для волос в Древнем Египте до полупроводниковых материалов нашего времени - мы расскажем обо всем интересном, что связано с этим соединением.

История открытия и применения сульфида свинца

Сульфид свинца, или галенит, был известен человечеству с глубокой древности. Уже в Древнем Египте около 3000 лет до н.э. использовали соединения свинца для придания волосам черного цвета. Древние парфюмеры и косметологи научились создавать наночастицы размером всего 5 нанометров на основе солей свинца, которые проникали в структуру волоса и образовывали в нем мельчайшие кристаллики черного сульфида свинца.

Египтяне, греки и римляне использовали наночастицы для создания красителей еще несколько тысяч лет назад.

Позже, в Средние века и в эпоху Возрождения широко применялись сульфид свинца свинцовые белила - смесь углекислого свинца и гидроксида свинца. Они использовались для белил и красок, однако со временем живопись темнела.

Это происходит из-за того, что свинцовые белила реагируют с постоянно присутствующим в воздухе в следовых количествах сероводородом, при этом образуется сульфид свинца формула - темный PbS:

• 2 PbCO₃ · Pb(OH)₂ + 3 H₂S → 3 PbS + 2 CO₂ + 4 H₂O

В настоящее время сульфид свинца находит широкое применение благодаря своим полупроводниковым свойствам. Его используют для создания различных электронных компонентов - диодов, транзисторов, фотоэлементов.

Химический состав и строение сульфида свинца

По химическому составу сульфид свинца представляет собой бинарное неорганическое соединение, состоящее из атомов свинца и серы. Его молекулярная формула - PbS.

В кристаллической решетке сульфида свинца атомы размещаются в определенном геометрическом порядке. При обычных условиях кристаллы PbS имеют сульфид свинца цвет кубическую структуру типа хлорида натрия с пространственной группой Fm3m. Однако при повышенном давлении свыше 2,4 МПа они переходят в ромбическую сингония с группой Pcmn.

При отклонениях от стехиометрии в кристаллической решетке могут возникать разного рода дефекты, такие как вакансии, междоузлия и примесные атомы. Это оказывает существенное влияние на физические свойства получающегося материала.

По типу кристаллической структуры сульфид свинца сходен с некоторыми другими бинарными соединениями, например сульфидом цинка ZnS или селенидом цинка ZnSe.

Основные физические и химические свойства

Отличительные физические характеристики сульфида свинца следующие:

• цвет - серовато-синий с металлическим блеском;
• твердость по Моосу - 2,5;
• плотность - 7,5 г/см3;
• температуры плавления и кипения - соответственно 1114°С и 1281°С.

Химические свойства сульфида свинца обусловлены тем, что соединение является солью слабого основания PbO и слабой кислоты H2S. Растворимость PbS невелика, он практически нерастворим в воде и разбавленных растворах.

Концентрированные минеральные кислоты вступают с ним в реакцию, где PbS является восстановителем:

• PbS + 2HCl → PbCl₂ + H₂S↑
• PbS + 8HNO₃ → PbSO₄ + 8NO₂↑ + 4H₂O

При обжиге на воздухе сульфид свинца частично разлагается с образованием оксида свинца PbO и уходом оксида серы SO₂. Получение свинца из сульфида свинца проводят путем восстановления водородом:

1. 2PbS + 3O₂ → 2PbO + 2SO₂↑
2. PbS + H₂ → Pb + H₂S↑

Таким образом получают металлический свинец, который находит применение в аккумуляторах и в производстве сплавов, например, в составе припоев для пайки.

Методы получения в лаборатории и промышленности

В лабораторных условиях сульфид свинца чаще всего синтезируют из чистых компонентов - металлического свинца и серы. Их смесь нагревают до температуры выше точки плавления PbS, после чего медленно охлаждают для образования кристаллов:

• Pb + S → PbS

Другим распространенным методом является осаждение сульфида свинца из водных растворов солей. В качестве осадителя используют сероводород H2S, сульфиды натрия или аммония:

• Pb(NO 3)2 + Na2S → PbS↓ + 2NaNO 3

В промышленных масштабах основные способы производства сульфида свинца - пирометаллургический (обжиг сульфидных руд) и гидрометаллургический. Последний заключается в выщелачивании свинца из руды растворами кислот или щелочей с последующим осаждением PbS.

Месторождения, добыча и переработка природного сырья

В природе сульфид свинца встречается в виде минерала галенита, который представляет собой руду, содержащую до 86,6% PbS. Крупнейшие месторождения галенита расположены на территории Миссури (США), Германии, Великобритании и Австралии.

Добыча галенитовых руд ведется открытым и подземным способом. Затем проводится обогащение руды с получением галенитового и свинцового концентратов, которые направляют на металлургические заводы для извлечения свинца, а также сопутствующих ценных компонентов вроде серебра.

Перспективы применения сульфида свинца

Благодаря уникальному сочетанию электрических и оптических свойств, сульфид свинца обладает большим потенциалом для создания материалов электронной техники нового поколения. Уже сейчас на его основе производят различные оптоэлектронные приборы, включая светоизлучающие диоды, лазеры, фотоприемники.

Интенсивно идут исследования каталитической активности наночастиц PbS. Предполагается их использование в технологиях очистки воды и воздуха от загрязнений, а также для ускорения химических реакций в промышленности.

Кроме того, ученые работают над созданием на основе сульфида свинца высокоэффективных и дешевых солнечных батарей третьего поколения. Это позволит сделать солнечную энергетику еще более конкурентоспособной.

Экологические аспекты

Несмотря на полезные свойства, сульфид свинца относится к токсичным веществам. При добыче и переработке свинцовых руд происходит загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами, представляющее опасность для здоровья людей и животных.

Поэтому в настоящее время разрабатываются более экологичные гидрометаллургические методы извлечения свинца из рудного сырья, позволяющие существенно снизить вредные выбросы в атмосферу и гидросферу.