Как выглядит свинец в природе

Свинец – польза и опасность металла

Ассоциации с этим металлом суровы: свинцовое небо, девять граммов свинца (вес пули). Но современная жизнь без него была бы сложна.

Что представляет собой

Свинец – элемент периодической системы Менделеева №82. Международное обозначение (и формула) – Pb.

Это типичный металл – тяжелый, плотный, сизовато-серых оттенков.

Состоит из четырех стабильных и четырех «мобильных» природных радиоактивных изотопов. Их дополняет десяток радиоактивных искусственного происхождения.

По классификации причислен к «тяжелой» группе цветных металлов.

История

Повсеместная распространенность плюс легкоплавкость и легкость обработки способствовали знакомству человека с металлом тысячелетия назад.

У него бурная история, сочетающая ажиотаж и времена забвения.

Древний мир

Он считается первым выплавленным людьми металлом.

Его использовали как декоративный материал:

Свинец как металл упоминается книгами Ветхого Завета.

Производителем металла номер один был Древний Рим. Его добывали по всей Римской империи, выдавая ежегодно 80 тыс. тонн продукта. Такие объемы не залеживались: из свинца был сделан римский водопровод.

Падение Римской империи (V век) прервало использование металла европейцами на 600 лет.

Средневековье

Следующий всплеск популярности металла связан с Германией, где начали добычу свинцовой руды:

Для алхимиков Plumbum воплощал планету Сатурн. Его забрасывали в тигли, чтобы получить взамен золото.

В Древней Руси свинцовыми листами покрывали крыши храмов, «пломбировали» такими печатями грамоты и конфиденциальную переписку. Подражая римлянам, соорудили свинцовый водопровод. Он снабжал Кремль водой сто лет – до 1737 года.

Свинцовые трубы древнеримского водопровода с надписями

Индустриальная эпоха

Промышленная революция возродила величие металла. К середине XIX века мировой объем добычи превысил 100 тысяч тонн. А за следующие 20 лет увеличился еще в 2,5 раза.

Вплоть до 1990 года гарт (свинцово-сурьмяно-оловянный сплав) был сырьем для типографских шрифтов.

Свинцовыми соединениями повышали октановое число бензина.

Физико-химические характеристики

Свинец – один из наиболее массивных металлов.

Сизоватость оттенков дополняется металлическим блеском:

По химическим свойствам «простолюдин» свинец спорит с благородными металлами:

Такую стойкость металлу обеспечивает «щит» из оксидной пленки на поверхности.

Металл проявляет интересное оптическое свойство. Отраженный свет придает ему коричневатость, дополняемую буровато-багровым внутренним отражением.

Ниже в таблице данные изменения плотности свинца в зависимости от температуры.

Технология получения

Главный исходник для получения чистого металла – руды, содержащие галенит.

Галенит

На выходе образуется свинец с содержанием примесей до 0,2%. Еще большую чистоту металла получают рафинированием.

Месторождения, добыча

Залежи сульфидных руд рассредоточены по планете. В России это Забайкалье, Приморье, Южный и Средний Урал, Норильск.

Добыча ведется открытым либо закрытым способом.

Запасы исчисляются миллионами тонн, но, по расчетам ученых, исчерпаются к концу XXI века.

Присутствие в природе

Свинец – один из самых распространенных элементов земной коры (0,016% по массе). Формы нахождения в природе – осадочные и кислые горные породы, основные и ультраосновные массивы.

Накоплению крупных объемов способствуют гипергенные и гидротермальные процессы.

Чемпион по запасам и уникум – Пакистан. Только в породах Кохистанско-Ладакхской дуги на севере страны свинца больше, чем урана.

Зарегистрирована почти сотня свинцовых минералов. Самые важные – галенит, англезит, церрусит.

Из четырех стабильных изотопов свинца три радиогенны. Их доля постоянно возрастает.

В биологических организмах и воде доля металла на порядки меньше.

Где используется

Главная сфера применения свинцовых продуктов – промышленный и оборонный комплекс, наука.

Применение свинца

На практике используется чистый «тяжёлый» металл и сплавы.

Промышленность

Физические свойства – пластичность, гибкость, малая тепло- и электропроводность – обусловили ассортимент продукции из свинца и сплавов:

Самый известный продукт из соединений свинца – аккумуляторы.

Сегодня две трети объемов свинцовых продуктов расходуется на производство электродов, аккумуляторов, проводов, кабелей и покрытий к ним.

Второй «раскрученный» продукт – свинцовые белила. Химически это основной карбонат, выглядит как плотный белый порошок.

Компонент шпатлевки, цемента, свинцово-карбонатной бумаги.

Другие сферы

Из соединений свинца получают продукты для многих сфер деятельности человека:

Полезное свойство металла – поглощение гамма-излучения. Оно востребовано медициной и энергетикой. Свинцовые экраны служат щитом в рентгеновских аппаратах и реакторах на атомных объектах.

Свинец планируют использовать как источник тепла в реакторах на быстрых нейтронах.

Свойство радиогенности изотопов используется в геологии. Оно дает возможность устанавливать возраст горных пород, ход геологических процессов в диапазоне миллиардов лет.

Ограничения

Применение металла ограничивают малая стойкость к вибрациям, низкая коррозионная устойчивость к гниющим органическим веществам, растворам извести, бетона, некоторым другим смесям. Такие свойства создает структура кристаллической решетки.

Кабели со свинцовой оболочкой не прокладывают в местах, подвергающихся вибрации, сотрясениям: обочины автобанов, железных дорог, эстакады мостов.

Механические сотрясения, вибрации разрушают свинец.

Для устранения дефекта создают свинцовые сплавы с сурьмой, медью, кадмием, другими присадками.

Влияние металла на экологию

Производство свинца в мире уменьшается (его вытесняет пластик).

Но загрязнение окружающей среды остается одним из опаснейших. Только океан ежегодно «получает» 500-600 тонн отработанного материала.

Для изделий с использованием металла обязательна утилизация по специальной процедуре.

Предостережение

Главный недостаток металла – токсичность. Это также опасный канцероген.

Свинец и его соединения отнесены к химически опасным веществам 1 класса.

В XIX веке в зоне риска находились модницы: металл был основным компонентом белил для лица.

Сегодня отравиться еще легче:

Свинцовые пары и пыль особо опасны: проникают в организм через носоглотку. Из легких свинец переходит в кровь, с ней разносится по телу. Аккумулируется в костях, печени, почках, сбивает синтез гемоглобина в крови.

Признаки свинцового отравления:

Они характерны и для анемии. Опознать свинцовое отравление помогают дополнительные симптомы: судороги, боль в костях, животе, тошнота, рвота. В тяжелых случаях добавляется скачок давления.

Выводится металл долго, трудно. Люди, постоянно работающие с ним, нередко наживают профессиональные заболевания.

Отравление соединениями свинца называется сатурнизмом.

Источник

Свинец

Свинец – это химический элемент с атомным номером 82 и символом Pb (от латинского plumbum – слиток). Это тяжелый металл с плотностью, превышающей плотность большинства обычных материалов; свинец мягкий, податливый и плавится при относительно низких температурах. Свежесрубленный свинец имеет голубовато-белый оттенок; он притупляется до тускло-серого при воздействии воздуха. Свинец имеет второй по величине атомный номер классически устойчивых элементов и стоит в конце трех основных цепочек распада более тяжелых элементов. Свинец является относительно нереактивным постпереходным элементом. Его слабый металлический характер иллюстрируется его амфотерной природой (оксиды свинца и свинец реагируют как с кислотами, так и с основаниями) и склонностью к образованию ковалентных связей. Соединения свинца обычно находятся в состоянии окисления +2, а не +4, как правило, с более легкими членами углеродной группы. Исключения, в основном, ограничены органическими соединениями. Как и более легкие члены этой группы, свинец проявляет тенденцию связываться сам с собой; он может образовывать цепи, кольца и многогранные структуры. Свинец легко извлекается из свинцовых руд и был известен уже доисторическим людям в Западной Азии. Основная руда свинца, галена, часто содержит в себе серебро, и интерес к серебру способствовал широкомасштабной экстракции свинца и его использованию в Древнем Риме. Производство свинца сократилось после падения Римской империи и не доходило до тех же уровней вплоть до промышленной революции. В настоящее время, мировое производство свинца составляет около десяти миллионов тонн в год; вторичная добыча от переработки составляет более половины от этого количества. Свинец обладает несколькими свойствами, которые делают его полезным: высокая плотность, низкая температура плавления, пластичность и относительная инертность к окислению. В сочетании с относительным изобилием и низкой стоимостью, эти факторы привели к широкому использованию свинца в строительстве, сантехнике, производстве батарей, пуль, весов, припоев, сплавов олова со свинцом, плавких сплавов и радиационной защите. В конце 19-го века, свинец был признан высокотоксичным, и с тех пор его применение было постепенно сокращено. Свинец является нейротоксином, который накапливается в мягких тканях и костях, повреждая нервную систему и вызывая нарушения головного мозга, а у млекопитающих – расстройства крови.

Физические свойства

Атомные свойства

Большие объемы

Изотопы свинца

Химия

Неорганические соединения

Свинец имеет два основных состояния окисления: +4 и +2. Четырехвалентное состояние является общим для углеродной группы. Двухвалентное состояние редко встречается для углерода и кремния, незначительно для германия, важно (но не преобладающее) для олова, и более важно для свинца. 11) Это объясняется релятивистскими эффектами, в частности, эффектом инертных пар, который проявляется, когда наблюдается большая разница в электроотрицательности между свинцовыми и оксидными, галогенидными или нитридными анионами, что приводит к значительным частичным положительным зарядам свинца. В результате наблюдается более сильное сжатие 6s-орбитали свинца, чем 6p-орбитали, что делает свинец весьма инертным в ионных соединениях. Это менее применимо к соединениям, в которых свинец образует ковалентные связи с элементами аналогичной электроотрицательности, такими как углерод в органолептических соединениях. В таких соединениях, 6s и 6p-орбитали имеют одинаковый размер, и sp3-гибридизация все еще энергетически выгодна. Свинец, как и углерод, преимущественно четырехвалентный в таких соединениях. Относительно большая разница в электроотрицательности свинца (II) при 1,87 и свинца (IV) составляет 2,33. Эта разница подчеркивает обратную тенденцию повышения устойчивости состояния окисления +4 с понижением концентрации углерода; олово, для сравнения, имеет значения 1,80 в состоянии окисления +2 и 1,96 в состоянии +4.

Свинец (II)

Свинец (IV)

Другие состояния окисления

Некоторые соединения свинца существуют в формальных состояниях окисления, отличных от +4 или +2. Свинец (III) может быть получен в качестве промежуточного соединения между свинцом (II) и свинцом (IV) в более крупных органолептических комплексах; это состояние окисления нестабильно, так как и ион свинца (III), и более крупные комплексы, содержащие его, являются радикалами. 16) То же самое относится и к свинцу (I), который можно найти в таких видах. Известны многочисленные смешанные оксиды свинца (II, IV). Когда PbO2 нагревается на воздухе, он становится Pb12O19 при 293 °C, Pb12O17 при 351 °C, Pb3O4 при 374 °C и, наконец, PbO при 605 °C. Еще один полуторный оксид Pb2O3 может быть получен при высоком давлении наряду с несколькими нестехиометрическими фазами. Многие из них показывают дефектные структуры флюорита, в которых некоторые атомы кислорода заменяются пустотами: PbO можно рассматривать как имеющий такую структуру, причем каждый альтернативный слой атомов кислорода отсутствует. Отрицательные состояния окисления могут возникать как фазы Цинтля, как либо в случае Ba2Pb, причем свинец формально представляет собой свинец (-IV), или как в случае чувствительных к кислороду кольцеобразных или полиэдрических кластерных ионов, таких как тригональный бипирамидный ион Pb52-i, где два свинцовых атома – свинец (- I), а три – свинец (0). В таких анионах, каждый атом находится на полиэдральной вершине и вносит два электрона в каждую ковалентную связь по краю от их sp3-гибридных орбиталей, а остальные два являются внешней одиночной парой. Они могут быть сформированы в жидком аммиаке путем восстановления свинца натрием.

Свинецорганическое соединение

Происхождение и распространенность

В космосе

Распространенность свинца на частицу в Солнечной системе составляет 0,121 чнм (частей на миллиард). 20) Эта цифра в два с половиной раза выше, чем у платины, в восемь раз выше, чем у ртути, и в 17 раз выше, чем у золота. Количество свинца во Вселенной медленно увеличивается, поскольку самые тяжелые атомы (все из которых нестабильны) постепенно распадаются на свинец. Обилие свинца в Солнечной системе с момента её образования 4,5 миллиарда лет назад увеличилось примерно на 0,75%. Таблица численности изотопов солнечной системы показывает, что свинец, несмотря на его относительно высокий атомный номер, более распространен, чем большинство других элементов с атомными числами больше 40. Изначальный свинец, который содержит изотопы свинца-204, свинца-206, свинца-207 и свинца-208-, в основном, были созданы в результате повторяющихся процессов захвата нейтронов, происходящих в звездах. Двумя основными режимами захвата являются s- и r-процессы. В s-процессе (s означает «медленный»), захваты разделяются годами или десятилетиями, позволяя менее стабильным ядрам проходить бета-распад. Устойчивое ядро таллия-203 может захватить нейтрон и стать таллием-204; это вещество подвергается бета-распаду, давая стабильный свинец-204; при захвате другого нейтрона, он становится свинцом-205, период полураспада которого составляет около 15 миллионов лет. Дальнейшие захваты приводят к образованию свинца-206, свинца-207 и свинца-208. При захвате другого нейтрона, свинец-208 становится свинцом-209, который быстро распадается на висмут-209. При захвате другого нейтрона, висмут-209 становится висмутом-210, бета которого распадается на полоний-210, а альфа распадается на свинец-206. Цикл, следовательно, заканчивается у свинца-206, свинца-207, свинца-208 и висмута-209. 21) В r-процессе (r означает «быстрый»), захваты бывают быстрее, чем ядра могут распадаться. Это происходит в средах с высокой плотностью нейтронов, таких как сверхновая или слияние двух нейтронных звезд. Поток нейтронов может быть порядка 1022 нейтронов на квадратный сантиметр в секунду. R-процесс не формирует столько же свинца, сколько s-процесс. Он имеет тенденцию останавливаться, как только нейтрон-богатые ядра достигают 126 нейтронов. В этот момент, нейтроны располагаются в полных оболочках в атомном ядре, и становится сложнее энергетически вместить большее их количество. Когда поток нейтронов спадает, их бета-ядра распадаются на стабильные изотопы осмия, иридия и платины.

На Земле

Свинец классифицируется как халькофил по классификации Гольдшмидта, что означает, что он обычно встречается в сочетании с серой. Он редко встречается в своей естественной металлической форме. 22) Многие минералы свинца относительно легки и, в течение истории Земли, остались в коре, а не погружались глубже в недра Земли. Это объясняет относительно высокий уровень содержания свинца в коре, 14 чнм; это 38-й наиболее распространенный элемент в коре. Основным свинцовым минералом является галенит (PbS), который, в основном, содержится в цинковых рудах. Большинство других минералов свинца в какой-то мере связаны с галенитом; буланжерит, Pb5Sb4S11, представляет собой смешанный сульфид, полученный из галенита; англезит, PbSO4, является продуктом окисления галенита; а серусит или белая свинцовая руда, PbCO3, является продуктом разложения галенита. Мышьяк, олово, сурьма, серебро, золото, медь и висмут являются распространенными примесями в свинцовых минералах. Мировые ресурсы свинца превышают 2 миллиарда тонн. Значительные запасы свинца были обнаружены в Австралии, Китае, Ирландии, Мексике, Перу, Португалии, России и США. Глобальные резервы – ресурсы, которые экономически целесообразно добывать – в 2015 году составили 89 млн. тонн, 35 млн из которых находятся в Австралии, 15,8 млн – в Китае, и 9,2 млн. – в России. 23) Типичные фоновые концентрации свинца не превышают 0,1 мкг / м3 в атмосфере; 100 мг / кг в почве; и 5 мкг / л в пресной воде и морской воде.

Этимология

Современное английское слово «lead» (свинец) имеет германское происхождение; оно происходит из среднеанглийского и староанглийского языка (со знаком долготы над гласным «е», означающим, что гласный звук этой буквы длинный). Староанглийское слово происходит от гипотетического реконструированного протогерманского *lauda- («lead»). Согласно принятой лингвистической теории, это слово «родило» потомков на нескольких германских языках с точно таким же значением. Происхождение протогерманского *lauda не однозначно в лингвистическом сообществе. Согласно одной из гипотез, это слово является производным от протоиндоевропейского *lAudh- («свинец»). [98] Согласно другой гипотезе, это слово заимствовано из прото-кельтского * ɸloud-io- («свинец»). Это слово связано с латинским plumbum, который давал этому элементу химический символ Pb. Слово *ɸloud-io- также может быть источником протогерманского *bliwa- (что также означает «свинец»), из которого вытекает немецкое Blei. Название химического элемента не связано с глаголом такого же написания, полученного из протогерманского *layijan- («to lead»). 24)

История

Предыстория и ранняя история

Металлические свинцовые бусины, относящиеся к 7000-6500 г. до н.э., найденные в Малой Азии, могут представлять собой первый пример плавки металлов. В то время, у свинца было несколько применений (если вообще было) из-за его мягкости и блеклого внешнего вида. Основной причиной распространения производства свинца была его связь с серебром, которое может быть получено путем сжигания галенита (общего свинцового минерала). Древние египтяне первыми использовали свинец в косметике, что распространилось на Древнюю Грецию и за ее пределы. 25) Египтяне, возможно, использовали свинец в качестве грузила в рыболовных сетях, а также при изготовлении глазури, очков, эмали и украшений. Различные цивилизации Плодородного Полумесяца использовали свинец в качестве письменного материала, как валюту и в строительстве. Свинец использовался в древнекитайском королевском дворе в качестве стимулятора, в качестве валюты и в качестве противозачаточного средства. В цивилизации долины Инда и у мезоамериканцев, свинец использовался для изготовления амулетов; восточные и южноафриканские народы использовали свинец при волочении проволоки.

Классическая эпоха

Путаница с оловом и сурьмой

В классическую эпоху (и даже до XVII века), олово часто не отличали от свинца: римляне называли свинец plumbum nigrum («черный свинец»), а олово – plumbum candidum («светлый свинец»). Связь свинца и олова можно проследить и в других языках: слово «olovo» на чешском языке означает «свинец», но на русском языке родственное олово означает «олово». Кроме этого, свинец имеет близкое отношение к сурьме: оба элемента обычно встречаются в виде сульфидов (галена и стибнит), часто вместе. Плиний неправильно написал, что стибнит дает при нагревании свинец вместо сурьмы. В таких странах, как Турция и Индия, первоначально персидское название сурьмы относилось к сульфиду сурьмы или сульфиду свинца, а на некоторых языках, таких как русский, называлось сурьмой. 29)

Средние века и Ренессанс

За пределами Европы и Азии

В Новом Свете, свинец стал производиться вскоре после прибытия европейских поселенцев. Самое раннее зарегистрированное производство свинца датируется 1621 годом в английской колонии Вирджиния, спустя четырнадцать лет после её основания. В Австралии, первая шахта, открытая колонистами на континенте, была ведущей шахтой в 1841 году. 32) В Африке, добыча и плавка свинца были известны в Бенуэ-Тауре и нижнем бассейне Конго, где свинец использовался для торговли с европейцами и в качестве валюты к 17 веку, задолго до борьбы за Африку.

Промышленная революция

Во второй половине 18 века, в Британии, а затем и в континентальной Европе и Соединенных Штатах, произошла индустриальная революция. Это был первый случай, когда темпы производства свинца где-либо в мире превысили темпы производства свинца в Риме [101]. Британия была ведущим производителем свинца, однако, она потеряла этот статус к середине 19-го века с истощением своих шахт и с развитием добычи свинца в Германии, Испании и Соединенных Штатах. 33) К 1900 году, Соединенные Штаты были лидерами мирового производства свинца, а другие неевропейские страны – Канада, Мексика и Австралия – начали значительное производство свинца; производство за пределами Европы увеличилось. Значительная доля спроса на свинец приходилась на водопровод и краски – свинцовые краски тогда регулярно использовались. В это время больше людей (рабочий класс) контактировали с металлами и увеличивались случаи отравления свинцом. Это привело к исследованию влияния потребления свинца на организм. Свинец оказался более опасным в своей дымовой форме, чем твердый металл. Была обнаружена связь между отравлением свинцом и подагрой; британский врач Альфред Баринг Гаррод отметил, что треть его пациентов с подагрой были водопроводчиками и художниками. Последствия постоянного попадания свинца в организм, включая психические расстройства, также изучались в XIX веке. Первые законы, направленные на снижение случаев отравления свинцом на фабриках, были введены в действие в 1870-х и 1880-х годах в Соединенном Королевстве. 34)

Новое время

Дальнейшие свидетельства угрозы, которая связана со свинцом, были обнаружены в конце 19-го и начале 20-го веков. Механизмы вреда были лучше поняты, а также была задокументирована свинцовая слепота. Страны Европы и США приступили к усилиям по сокращению количества свинца, с которым люди вступали в контакт. В 1878 году Соединенное Королевство ввело обязательные обследования на фабриках и назначило первого медицинского инспектора заводов в 1898 году; в результате сообщалось о 25-кратном сокращении случаев отравления свинцом с 1900 по 1944 годы. Последним основным воздействием свинца на человека было добавление тетраэтилового эфира к бензину в качестве антидетонационного вещества, практика, которая появилась в Соединенных Штатах в 1921 году. Она была постепенно прекращена в Соединенных Штатах и Европейском союзе к 2000 году. Большинство европейских стран запретили свинцовую краску, обычно используемую из-за ее непрозрачности и водонепроницаемости 35) для украшения интерьеров к 1930 году. Воздействие было значительным: в последней четверти 20-го века процент людей с избыточным уровнем свинца в крови снизился с более чем трех четвертей населения Соединенных Штатов до немногим более двух процентов. Основным продуктом из свинца к концу 20-го века была свинцово-аккумуляторная батарея, которая не представляла непосредственной угрозы для человека. С 1960 по 1990 годы производство свинца в Западном блоке выросло на треть. Доля мирового производства свинца в Восточном блоке увеличилась втрое с 10% до 30% с 1950 по 1990 годы, когда Советский Союз был крупнейшим в мире производителем свинца в середине 1970-х и 1980-х годов, а Китай начал обширное производство свинца в конце 20-го века. 36) В отличие от европейских коммунистических стран, в середине 20-го века Китай был, в основном, неиндустриализированой страной; в 2004 году Китай превзошел Австралию как крупнейшего производителя свинца. Как и в случае европейской индустриализации, свинец негативно сказался на здоровье в Китае.

Производство

Производство свинца увеличивается во всем мире из-за его использования в свинцово-аккумуляторных батареях. Существуют две основные категории продукции: первичные, из руд; и вторичные, от лома. В 2014 году, из первичной продукции было произведено 4,58 млн. тонн свинца, а из вторичной – 5,64 млн. тонн. В этом году, тройку ведущих производителей добытого свинцового концентрата возглавили Китай, Австралия и Соединенные Штаты. Тройку производителей рафинированного свинца возглавили Китай, США и Южная Корея. Согласно докладу Международной ассоциации экспертов по металлам, сделанном в 2010 году, общий объем использования свинца, накопленный, выброшенный или рассеянный в окружающую среду на глобальном уровне на душу населения, составляет 8 кг. Значительная часть из этого объема приходится на более развитые страны (20-150 кг на душу населения), а не на менее развитые страны (1-4 кг на душу населения). Производственные процессы для первичного и вторичного свинца аналогичны. Некоторые первичные производственные заводы в настоящее время дополняют свою деятельность листами свинца, и эта тенденция, вероятно, будет увеличиваться в будущем. При адекватных методах производства, вторичный свинец неотличим от первичного свинца. Отходы металлолома от строительной торговли обычно довольно чисты и повторно расплавляются без необходимости плавки, хотя иногда требуется перегонка. Таким образом, производство вторичного свинца является более дешевым с точки зрения энергетических потребностей, чем производство первичного свинца, часто на 50% и более. 37)

Основное

Большинство свинцовых руд содержат низкий процент свинца (богатые руды имеют типичное содержание свинца 3-8%), который должен быть сконцентрирован для извлечения. Во время первоначальной обработки, руды обычно подвергаются дроблению, отделению плотных сред, шлифованию, пенной флотации и сушке. Полученный концентрат с содержанием свинца 30-80% по массе (обычно 50-60%) затем превращается в (нечистый) свинцовый металл. Существует два основных способа сделать это: двухступенчатый процесс, включающий обжиг с последующим извлечением из доменной печи, осуществляемый в отдельных сосудах; или прямой процесс, в котором экстракция концентрата происходит в одном сосуде. Последний способ стал более распространенным, хотя первый по-прежнему значителен. 38)

Двухстадийный процесс

Во-первых, сульфидный концентрат обжаривается на воздухе для окисления сульфида свинца: 2 PbS + 3 O2 → 2 PbO + 2 SO2 ↑ Первоначальный концентрат не был чистым сульфидом свинца, и обжиг дает оксид свинца и смесь сульфатов и силикатов свинца и других металлов, содержащихся в руде. Этот неочищенный оксид свинца восстанавливается в коксовой печи до (опять же нечистого) металла: 39) 2 PbO + C → Pb + CO2 ↑. Примеси, в основном, представляют собой мышьяк, сурьму, висмут, цинк, медь, серебро и золото. Расплав обрабатывают в реверберационной печи воздухом, паром и серой, которая окисляет примеси, за исключением серебра, золота и висмута. Окисленные загрязняющие вещества плавают в верхней части расплава и снимаются. Металлическое серебро и золото удаляются и извлекаются экономически с помощью процесса Паркса, в который цинк добавляется к свинцу. Цинк растворяет серебро и золото, оба из которых, не смешиваясь в свинце, могут быть разделены и извлечены. Обессеребрянный свинец освобождается висмутом методом Беттертона-Кролла, обрабатывая его металлическим кальцием и магнием. Полученные висмутсодержащие шлаки могут быть сняты. Очень чистый свинец может быть получен путем электролитической обработки плавленого свинца с использованием процесса Беттса. Аноды нечистого свинца и катоды чистого свинца помещают в электролит фторосиликата свинца (PbSiF6). После применения электрического потенциала, нечистый свинец на аноде растворяется и накладываются на катод, оставляя подавляющее большинство примесей в растворе. 40)

Прямой процесс

В этом процессе, свинцовый слиток и шлак получают непосредственно из свинцовых концентратов. Сульфидный концентрат свинца расплавляется в печи и окисляется, образуя монооксид свинца. Углерод (кокс или угольный газ) добавляется к расплавленному заряду вместе с флюсами. Таким образом, монооксид свинца восстанавливается до металлического свинца в середине шлака, богатого монооксидом свинца. До 80% свинца в высококонцентрированных исходных концентратах можно получить в виде слитков; остальные 20% образуют шлак, богатый монооксидом свинца. Для низкосортного сырья, весь свинец может быть окислен до высокосортного шлака. 41) Металлический свинец далее получают из высокосортных (25-40%) шлаков с помощью сжигания или впрыскивания с подводным топливом, с помощью вспомогательной электропечи или комбинации обоих методов.

Альтернативы

Продолжаются исследования более чистого и менее энергоемкого процесса добычи свинца; основным его недостатком является то, что либо слишком много свинца теряется в качестве отходов, либо альтернативные методы приводят к высокому содержанию серы в полученном свинцовом металле. Гидрометаллургическая экстракция, в которой аноды нечистого свинца погружены в электролит, и чистый свинец осаждаются на катод, является методом, который может иметь потенциал.

Вторичный метод

Плавление, являющееся неотъемлемой частью первичной продукции, часто пропускается во время вторичного производства. Это происходит только тогда, когда металлический свинец подвергся значительному окислению. Этот процесс аналогичен процессу первичной добычи в доменной печи или роторной печи, причем существенным отличием является большая изменчивость выходов. Процесс выплавки свинца – это более современный метод, который может выступать в качестве продолжения первичной продукции; аккумуляторная паста из отработанных свинцово-аккумуляторных батарей удаляет серу, обрабатывая ее щелочью, и затем обрабатывается в печи с угольным топливом в присутствии кислорода, что приводит к образованию нечистого свинца, причем сурьма является наиболее распространенной примесью. 42) Переработка вторичного свинца аналогична переработке первичного свинца; Некоторые процессы очистки могут быть пропущены в зависимости от переработанного материала и его потенциального загрязнения, причем висмут и серебро чаще всего принимаются в качестве примесей. Из источников свинца для утилизации, свинцово-аккумуляторные батареи являются наиболее важными источниками; свинцовая труба, лист и оболочка кабеля также являются значительными.

Применения

Вопреки распространенному мнению, графит в деревянных карандашах никогда не делался из свинца. Когда карандаш был создан как инструмент для намотки графита, конкретный тип используемого графита был назван plumbago (в буквальном смысле – для свинца или свинцового макета). 43)

Элементарная форма

Металл свинца имеет несколько полезных механических свойств, включая высокую плотность, низкую температуру плавления, пластичность и относительную инертность. Многие металлы превосходят свинец в некоторых из этих аспектов, но, как правило, они менее распространены и их труднее извлекать из руд. Токсичность свинца привела к поэтапному отказу от некоторых видов его использования. Свинец использовался для изготовления пуль с момента их изобретения в средние века. Свинец недорог; его низкая температура плавления означает, что стрелковые боеприпасы могут быть отлиты с минимальным использованием технического оборудования; кроме того, свинец плотнее других обычных металлов, что позволяет лучше удерживать скорость. Были высказаны опасения, что свинцовые пули, используемые для охоты, могут нанести вред окружающей среде. Его высокая плотность и устойчивость к коррозии были использованы в ряде связанных применений. Свинец используется в качестве киля на кораблях. Его вес позволяет ему уравновешивать эффект взвода ветра на парусах; будучи настолько плотным, он занимает небольшой объем и минимизирует водостойкость. Свинец используется при подводных погружениях, чтобы противостоять способности дайвера держаться на поверхности. В 1993 году, базу Пизанской башни в Пизе стабилизировали с помощью 600 тонн свинца. Из-за своей коррозионной стойкости, свинец используется как защитная оболочка для подводных кабелей. Свинец используется в архитектуре. Листы свинца используются в качестве кровельных материалов, при облицовке, оплавлении, при изготовлении водосточных желобов и соединений водосточных труб, а также парапетов на крыше. Свинцовые молдинги используются в качестве декоративного материала для фиксации свинцовых листов. Свинец все еще используется при изготовлении статуй и скульптур. 44) В прошлом, свинец часто использовался для балансировки колес автомобилей; по экологическим причинам, это использование постепенно прекращается. Свинец добавляется к медным сплавам, таким как латунь и бронза, для улучшения их обрабатываемости и смазочных свойств. Будучи практически нерастворимым в меди, свинец образует твердые глобулы в несовершенствах по всему сплаву, такие как границы зерен. В низких концентрациях, а также в качестве смазки, глобулы препятствуют образованию стружки при работе сплава, тем самым улучшая обрабатываемость. В подшипниках используются медные сплавы с большей концентрацией свинца. Свинец обеспечивает смазку, а медь обеспечивает несущую опору. Благодаря своей высокой плотности, атомному номеру и формуемости, свинец используется в качестве барьера, поглощающего звук, вибрацию и излучение. Свинец не имеет естественных резонансных частот, в результате, лист свинца используется в качестве звукоизоляционного слоя в стенах, полах и потолках звуковых студий. 45) Органические трубы часто изготавливаются из свинцового сплава, смешанного с различными количествами олова, чтобы контролировать тон каждой трубы. Свинец – это защитный материал, используемый от излучения в ядерной науке и в рентгеновских камерах: гамма-лучи поглощаются электронами. Атомы свинца плотно упакованы и плотность их электронов велика; большой атомный номер означает, что на атом приходится много электронов. Расплавленный свинец использовался в качестве охлаждающей жидкости для быстрых реакторов со свинцовым охлаждением. Наибольшее использование свинца наблюдалось в начале XXI века в свинцово-аккумуляторных батареях. Реакции в батарее между свинцом, диоксидом свинца и серной кислотой обеспечивают надежный источник напряжения. Свинец в батареях не подвергается непосредственному контакту с людьми, поэтому связан с меньшей угрозой токсичности. Суперконденсаторы, содержащие свинцово-аккумуляторные батареи, были установлены в киловаттах и мегаваттах в Австралии, Японии и США в области частотного регулирования, сглаживания солнечной энергии и для других применений. 46) Эти батареи имеют более низкую плотность энергии и эффективность разряда заряда, чем литий-ионные батареи, но значительно дешевле. Свинец используется в высоковольтных силовых кабелях в качестве материала оболочки для предотвращения диффузии воды при теплоизоляции; такое использование уменьшается по мере постепенного прекращения использования свинца. В некоторых странах также сокращается использование свинца в припоях для электроники, чтобы уменьшить количество экологически опасных отходов. Свинец является одним из трех металлов, используемых в тесте Одди для музейных материалов, помогая обнаружить органические кислоты, альдегиды и кислые газы. 47)

Соединения

Соединения свинца используются в качестве или в составе красящих агентов, окислителей, пластика, свечей, стекла и полупроводников. Красители на основе свинца используются в керамической глазури и стекле, особенно для красных и желтых оттенков. В качестве окислителей в органической химии используют тетраацетат свинца и диоксид свинца. Свинец часто используется в поливинилхлоридных покрытиях электрических шнуров. Его можно использовать для обработки свечных фитилей, чтобы обеспечить более продолжительное, более равномерное сжигание. Из-за токсичности свинца, европейские и североамериканские производители используют такие альтернативы, как цинк. 48) Стекло свинца состоит из 12-28% оксида свинца. Он изменяет оптические характеристики стекла и уменьшает передачу ионизирующего излучения. Свинцовые полупроводники, такие как теллурид свинца, селенид свинца и антимонид свинца, используются в фотогальванических элементах и инфракрасных детекторах.

Биологические и экологические эффекты

Биологические эффекты

Свинец не имеет подтвержденной биологической роли. Его распространенность в организме человека, в среднем, составляет 120 мг у взрослого человека – его распространенность превосходит только цинк (2500 мг) и железо (4000 мг) среди тяжелых металлов. Соли свинца очень эффективно поглощаются телом. 49) Небольшое количество свинца (1%) будет храниться в костях; остальное будет выводиться с мочой и фекалиями в течение нескольких недель после воздействия. Ребенок будет способен выводить из организма только около трети свинца. Постоянное воздействие свинца может привести к биоаккумуляции свинца.

Токсичность

Свинец – чрезвычайно ядовитый металл (при вдыхании или проглатывании), затрагивающий почти каждый орган и систему в организме человека. При уровне в воздухе 100 мг / м3, он представляет собой немедленную опасность для жизни и здоровья. Свинец быстро всасывается в кровоток. Основной причиной его токсичности является его склонность вмешиваться в правильное функционирование ферментов. Он делает это путем связывания с сульфгидрильными группами, обнаруженными на многих ферментах, или имитирует и вытесняет другие металлы, которые действуют как кофакторы во многих ферментативных реакциях. Среди основных металлов, с которыми взаимодействует свинец, находятся кальций, железо и цинк. 50) Высокие уровни кальция и железа, как правило, обеспечивают некоторую защиту от отравления свинцом; низкие уровни вызывают повышенную восприимчивость.

Эффекты

Свинец может нанести серьезный ущерб мозгу и почкам и, в конечном счете, привести к смерти. Как и кальций, свинец может пересекать гематоэнцефалический барьер. Он разрушает миелиновые оболочки нейронов, уменьшает их количество, препятствует пути нейротрансмиссии и уменьшает рост нейронов. Симптомы отравления свинцом включают нефропатию, коликовые боли в животе и, возможно, слабость в пальцах, запястьях или лодыжках. Малое кровяное давление увеличивается, особенно у людей среднего и старшего возраста, что может вызывать анемию. У беременных женщин, высокий уровень воздействия свинца может вызывать выкидыш. Было показано, что хроническое воздействие высоких уровней свинца снижает фертильность у мужчин. В развивающемся мозге ребенка, свинец препятствует образованию синапсов в коре головного мозга, нейрохимическому развитию (в том числе нейротрансмиттеров) и организации ионных каналов. Раннее воздействие свинца на детей связано с повышенным риском нарушений сна и чрезмерной дневной сонливости в более позднем детском возрасте. Высокий уровень свинца в крови связан с задержкой полового созревания у девочек. 51) Увеличение и снижение воздействия переносимого по воздуху свинца от сжигания тетраэтилсвинца в бензине в течение 20-го века связано с историческим ростом и снижением уровня преступности, однако, эта гипотеза не является общепринятой.

Лечение

Лечение отравления свинцом обычно включает введение димеркапрола и сукцимера. Острые случаи могут потребовать использования динатрия кальция эдетата, хелата кальция динатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТК). Свинец имеет большее сродство к свинцу, чем кальций, в результате чего хелат свинца образуется путем обмена и выводится с мочой, оставляя безвредный кальций.

Источники воздействия

Воздействие свинца является глобальной проблемой, поскольку добыча и плавка свинца распространены во многих странах мира. Отравление свинцом обычно происходит в результате приема пищи или воды, зараженной свинцом, и реже – в результате случайного попадания в организм загрязненной почвы, пыли или краски на основе свинца. Продукты морской воды могут содержать свинец, если вода подвергается воздействию промышленных вод. Плоды и овощи могут быть заражены высоким содержанием свинца в почвах, в которых они выращивались. Почва может быть загрязнена путем накопления твердых частиц из свинца в трубах, свинцовой краске и остаточных выбросов из этилированного бензина. 52) Использование свинца в водопроводных трубах проблематично в районах с мягкой или кислой водой. Твердая вода образует нерастворимые слои в трубах, тогда как мягкая и кислая вода растворяет свинцовые трубы. Растворенный диоксид углерода в перевозимой воде может привести к образованию растворимого бикарбоната свинца; кислородсодержащая вода может аналогичным образом растворять свинец в виде гидроксида свинца (II). Питьевая вода со временем может вызывать проблемы со здоровьем из-за токсичности растворенного свинца. Чем тверже вода, тем больше она будет содержать бикарбоната и сульфата кальция, и тем больше внутренняя часть труб будет покрыта защитным слоем карбоната свинца или сульфата свинца. Проглатывание свинцовой краски является основным источником воздействия свинца на детей. По мере того как краска разрушается, она отслаивается, измельчается в пыль, а затем поступает в организм через контакт с руками или загрязненную пищу, воду или спирт. Проглатывание некоторых народных средств может привести к воздействию свинца или его соединений. Вдыхание – это второй важный путь воздействия свинца, в том числе для курящих, и особенно для работников, занятых свинцом. Сигаретный дым содержит, среди других токсичных веществ, радиоактивный свинец-210. [239] Почти весь вдыхаемый свинец всасывается в тело; для приема внутрь, показатель составляет 20-70%, при этом дети поглощают больше свинца, чем взрослые. 53) Кожное воздействие может быть значительным для узкой категории людей, работающих с органическими соединениями свинца. Скорость поглощения свинца в коже ниже для неорганического свинца.

Экология

Добыча, производство, использование и утилизация свинца и его продуктов вызвали значительное загрязнение почв и вод Земли. Атмосферные выбросы свинца находились на пике во время промышленной революции, а бензиновый период свинца был во второй половине двадцатого века. Повышенные концентрации свинца сохраняются в почвах и отложениях в постиндустриальных и городских районах; промышленные выбросы, в том числе, связанные со сжиганием угля, продолжаются во многих частях мира. 54) Свинец может накапливаться в почвах, особенно с высоким содержанием органических веществ, где он сохраняется в течение от сотен до тысяч лет. Он может занять место других металлов в растениях и может накапливаться на их поверхностях, тем самым замедляя процесс фотосинтеза и предотвращая их рост или убивая их. Загрязнение почв и растений влияет на микроорганизмы и на животных. Пострадавшие животные имеют уменьшенную способность синтезировать эритроциты, что вызывает анемию. Аналитические методы определения свинца в окружающей среде включают спектрофотометрию, рентгеновскую флуоресценцию, атомную спектроскопию и электрохимические методы. Конкретный ион-селективный электрод был разработан на основе ионофора S, S’-метиленбиса (N, N-диизобутилдитиокарбамат).

Ограничение и восстановление

К середине 1980-х годов произошел значительный сдвиг в использовании свинца. В Соединенных Штатах, природоохранные правила сокращают или исключают использование свинца в не-аккумуляторных продуктах, включая бензин, краски, припои и системы водоснабжения. Устройства для контроля твердых частиц могут использоваться на угольных электростанциях для сбора выбросов свинца. Использование свинца еще более ограничено Директивой Европейского союза об ограничении использования опасных веществ. 55) Использование свинцовых пуль для охоты и спортивной стрельбы было запрещено в Нидерландах в 1993 году, что привело к значительному сокращению выбросов свинца с 230 тонн в 1990 году до 47,5 тонн в 1995 году. В Соединенных Штатах Америки, Администрация профессиональной безопасности и здоровья установила допустимый предел воздействия свинца на рабочем месте на уровне 0,05 мг / м3 в течение 8-часового рабочего дня; это относится к металлическому свинцу, неорганическим свинцовым соединениям и свинцовым мылам. Национальный институт безопасности и гигиены труда США рекомендует, чтобы концентрации свинца в крови находились ниже 0,06 мг на 100 г крови. Свинец может все еще встречаться во вредных количествах в керамике, виниле (используемом для прокладки труб и изоляции электрических шнуров) и китайской латуни. В старых домах, все еще может содержаться свинцовая краска. Белая свинцовая краска была выведена из продажи в промышленно развитых странах, но желтый хромат свинца все ещё остается в употреблении. Удаление старой краски путем шлифования дает пыль, которую человек может вдыхать. 56) Некоторые ведомства уполномочены осуществлять программы по борьбе со свинцовым загрязнением зданий, в которых живут маленькие дети. Отходы свинца, в зависимости от юрисдикции и характера отходов, могут рассматриваться как бытовые отходы (в целях содействия мероприятиям по борьбе со свинцовым загрязнением), или как потенциально опасные отходы, требующие специальной обработки или хранения. Были проведены исследования по удалению свинца из биосистем биологическими способами. Рыбные кости изучаются относительно их способности к биовосстановлению свинца в загрязненной почве. Гриб Aspergillus versicolor эффективен при удалении ионов свинца. 57) Было исследовано несколько бактерий относительно их способности удалять свинец из окружающей среды, включая сульфат-восстанавливающие бактерии Desulfovibrio и Desulfotomaculum, обе из которых являются высокоэффективными в водных растворах.

Источник