Применение металла свинец в народном хозяйстве и строительстве. Что такое свинец, его свойства и характеристики

Применение свинца. Металлический свинец широко применяют для изготовления трубопроводов, оболочек для кабелей; листовой свинец используют для покрытий и обкладки, например, свинцовых камер в серно-кислотном производстве. Далее, он служит для изготовления тиглей, чаш и сковород для упаривания, а также пластин для аккумуляторов. Благодаря большому весу свинец используют для наполнения снарядов, а также для изготовления дроби.

К свинцу, идущему на изготовление ружейной дроби, добавляют мышьяк (приблизительно 0,3 %), что делает его более текучим и легко разбиваемым на капли в расплавленном состоянии и более твердым после затвердевания. Из других сплавов свинца следует назвать металл для отливки типографского шрифта (гарт), содержащий 70−90 % свинца, сурьму и часто также олово и третник или мягкий припой. Это легкоплавкие сплавы свинца и олова. Наиболее низкой температурой плавления (181 °С) обладает сплав 64 % олова и 36 % свинца. Однако часто применяют более богатый свинцом припой; для запаивания тары, служащей для хранепия пищевых продуктов, например, консервных банок, следует употреблять припои с содержанием свинца не более 30 %. О содержащих свинец металлах для заливки подшипников было уже сказано в разделе об олове. Свинцовые металлы для заливки подшипников содержат свинец как главную составную часть, к которой для увеличения твердости добавляют либо сурьму (и часто наряду с ней также некоторые количества олова, меди, мышьяка и т. д.), Либо незначительные количества щелочных и щелочноземельных металлов. Ко второй группе относится «дорожный металл», широко применяемый в настоящее время немецким объединением дорог для изготовления подшипников для коленчатых валов. Он состоит из свинца и примерно 0,7 % кальция, 0,6 % натрия и 0,04 % лития и при температурах ниже 65 ºС превосходит оловянные металлы для заливки подшипников. Свинцово-сурьмяные металлы для заливки подшипников содержат обычно 60−80 % свинца, наряду с ним сурьму или сурьму и олово в равных количествах. Свинцово-сурьмяные сплавы называют твердым свинцом, а в противоположность им обычный чистый свинец − мягким свинцом.

Среди технически важных соединений свинца, прежде всего, следует назвать свинцовые краски, которые принадлежат к самым древним из минеральных красок. Важнейшими из них являются свинцовые белила (основной карбонат свинца), затем сурик Рb 3 O 4 и хромовая желтая РbСrO 4 . При использовании этих красок следует учитывать ядовитость свинца. После высыхания масляного слоя на подгрунтовке отравления уже можно не опасаться. Из других соединений свинца техническое применение находят прежде всего свинцовый глет [оксид свинца (II)], диоксид свипца (II), хлорид свинца, нитрат свинца и ацетат свинца (свинцовый сахар).

С органическими кислотами, содержащимися в смоле и льняном масле, свинец образует соединения, значительно ускоряющие высыхание и твердение употребляемых для окраски масел. Препараты, способствующие быстрому высыханию красок, называют «сиккативами», а их раствори в льняном масле − «олифами». Помимо оксида свинца, для изготовления сиккативов и олиф применяют еще оксиды марганца и цинка.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Свинец - восемьдесят второй элемент Периодической таблицы. Обозначение - Pb от латинского «plumbum». Расположен в шестом периоде, IVA группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 82.

Свинец - голубовато-белый тяжелый металл (рис. 1). В разрезе поверхность свинца блестит. На воздухе покрывается пленкой оксидов и из-за этого тускнеет. Он очень мягок и режется ножом. Обладает низкой теплопроводностью. Плотность 11,34 г/см 3 . Температура плавления 327,46 o С, кипения 1749 o С.

Рис. 1. Свинец. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса свинца

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии свинец существует в виде одноатомных молекул Pb, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 207,2.

Изотопы свинца

Известно, что в природе свинец может находиться в виде четырех стабильных изотопов 204 Pb, 206 Pb, 207 Pb и 208 Pb. Их массовые числа равны 204, 206, 207 и 208 соответственно. Ядро атома изотопа свинца 204 Pb содержит восемьдесят два протона и сто двадцать два нейтрона, а остальные отличаются от него только числом нейтронов.

Существуют искусственные нестабильные изотопы свинца с массовыми числами от 178-ми до 215-ти, а также более десяти изомерных состояний ядер, среди которых наиболее долгоживущими являются изотопы 202 Pb и 205 Pb, периоды полураспада которых равны 52,5 тысячи и 15,3 млн. лет соответственно.

Ионы свинца

На внешнем энергетическом уровне атома свинца имеется четыре электрона, которые являются валентными:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 4f 14 5s 2 5р 6 5d 10 6s 2 6р 2 .

В результате химического взаимодействия свинец отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Pb 0 -2e → Pb 2+ ;

Pb 0 -4e → Pb 4+ .

Молекула и атом свинца

В свободном состоянии свинец существует в виде одноатомных молекул Pb. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу свинца:

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

В истории развития человечества именно свинец был одним из первых металлов, который был взят в обработку. Первые упоминания об этом относятся к третьему тысячелетию до нашей эры. Гораздо позже перед человеком возникла необходимость изготовления труб для водопроводов и было решено производить их из свинца. От этой идеи пришлось отказаться, когда ученые доказали наличие вредных свойств этого необыкновенного металла. Прошло много времени с тех пор, но и сегодня, имея большой арсенал знаний о токсичности свинца, люди даже не думают отказываться от его использования. Есть много отраслей промышленности и сфер производства, где промышленный прокат и продукция из свинца постоянно востребованы.

Какие марки свинца бывают?

В зависимости от того, какое количество различных примесей содержит свинец, различают 3 основных вида:

С1 - cвинец, называемый первичным, с примесями в количестве 0,015%. Агрессивная среда и коррозия ему не страшны. Пластичен, легок в обработке и плавлении.

C2 - большое сходство с С1, только примесей 0,05%, потому и стоит меньше.

C3 - первичный свинец с предельно допустимым количеством примесей - 0,1%. Слитки и чушки производят именно из такого свинца.

Какие виды проката и изделий из свинца востребованы?

Свинцовый прокат бывает таких типов:

Листовой свинец в рулонах

Трубы из свинца

Свинцовая чушка

Проволока из свинца

Свинцовая дробь

Каждый из этих видов применим в своей сфере. Во многих случаях свинец, как металл токсичный, жизненно необходим людям для защиты от многих природных факторов. Невероятно, но факт. Обо всем подробнее.

1) Листовым свинцом обшивают стены рентгеновских кабинетов с целью защиты их от радиоактивного облучения. Пластины аккумуляторов транспортных средств также изготовлены из листового свинца. Цвет этого вида свинца серый с синим оттенком. Вес листа по ГОСТу в пределах от 3-х кг до 57 кг в зависимости от размеров продукции. Свинец легко плавится и закипает, демонстрируя во всей красе свои летучие свойства, награждая окружающих вредными веществами. Производство свинца является особо опасным.

2) Не зря наши предки изготавливали трубы из свинца - коррозия им не по чем, потому в химической промышленности таким трубам нет равных. Интересным их свойством является то, что они отличные проводники звуков.

3) Слитки в форме параллелепипеда получили название свинцовых чушек и стали заготовками для проката. Для их производства подходит любая марка свинца.

4) Свинцовая проволока мало кому неизвестна. Рыбаки используют грузила, стекольная промышленность по технологии тоже применяет свинцовую проволоку.

5) Про дробь из свинца и говорить нечего - известна каждому. Рыбаки, охотники, военные, полиция знают о ней не понаслышке. Существует целый ряд типоразмеров дроби, каждый из которых предназначен для соответствующих целей. при этом используется не только на охоте, но и для спортивной стрельбы по тарелочкам, а также в спецподразделениях и армии для снаряжения патронов гладкоствольного штурмового оружия.

Свинцовый прокат в нашей жизни.

Оглянувшись вокруг, понимаем, что свинцовый прокат рядом с нами, хотя и название у него другое, привычное с детства: батарейка, аккумуляторы, тросы, кабели и многое другое. Свинец легко плавится, поэтому с успехом используется в датчиках, извещающих о пожаре. Антикоррозийные свойства применяются особенно часто. Подводные фундаменты без этой защиты не обходятся. В строительстве применяются листы из свинца, благодаря их крепости, гибкости, возможности длительного использования. Интересным является факт использования свинцовых труб в органах и других музыкальных инструментах. Приборостроительные отрасли промышленности тоже не обходятся без продукции из свинца.

В природе существуют элементы, которые, будучи добавленными в свинец, значительно улучшают многие его свойства: мышьяк, никель, кальций, натрий, медь, кадмий, олово. Многие характеристики, являющиеся важными в технологических процессах, значительно улучшаются. Часто свинец находит применение в таких областях, о которых многие не знают:

Производство керамической глазури

Экраны, поглощающие звуки

Производство хрусталя

Изготовление зеркал

Вторичное использование лома свинца является не только выгодно финансово, но и приносит большую пользу природе.

Физические свойства. Свинец - тяжелый цветной металл синевато-серого цвета, свежий излом его имеет сильный металлический блеск. Подобно большинству металлов, свинец кристаллизуется в правильной системе, давая кубы и октаэдры несовершенной формы.
Чистый свинец очень мягок и легко чертится ногтем. Его твердость зависит от способа охлаждения и присутствия примесей. Медленно охлажденный свинец более мягок, чем быстро охлажденный.
Примеси очень сильно изменяют механические и физико-химические свойства свинца. Некоторые присадки значительно улучшают механические свойства (прочность, твердость, сопротивление ползучести) при сохранении высокой стойкости против коррозии.
Свинец - очень пластичный металл, легко поддается ковке и прокатке в тончайшую фольгу. Благодаря исключительной мягкости и ковкости он легко выдавливается в сплошные и пустотелые цилиндры при температуре ниже его точки плавления. Ho вместе с тем свинец обладает настолько малой тягучестью, что вытянуть из него тонкую проволоку почти невозможно, вследствие чего проволоку выдавливают и прессуют так же, как изготовляют свинцовые трубы.
Свинец хорошо поддается обработке, обладает хорошими литейными свойствами, но низкая механическая прочность и относительно высокая ползучесть ограничивают его применение как конструкционного материала.
Свинец легко сплавляется с некоторыми металлами, давая простые и сложные сплавы. Основные свинцовые сплавы - подшипниковые (баббиты), деформируемые (для кабельных оболочек), типографские сплавы и припои. Свинцовые баббиты содержат, кроме основной составляющей - свинца, натрий, кальций и другие элементы. Оловянные баббиты, кроме свинца и олова, содержат медь, сурьму, кадмий, никель, теллур и др.
Свинцовые натриекальциевые баббиты обладают хорошими механическими антифрикционными свойствами, что позволяет применять их для заливки подшипников.
В состав деформируемых свинцовых сплавов в качестве добавок входят олово, медь, теллур и сурьма.
Типографские сплавы на свинцовой основе содержат сурьму, олово и медь.
Для характеристики физических свойств свинца приведем некоторые цифровые данные, заимствованные из литературы.
Температура плавления свинца 327° С; температура кипения 1750° С. Давление насыщенного пара свинца в зависимости от температуры следующее:

Объемная масса твердого свинца колеблется в пределах 11,273-11,48 г/см3.
Объемная масса жидкого свинца меняется в зависимости от температуры:

Теплота плавления свинца при 327°С 5100 дж/моль*°К. Изменение теплоты плавления в зависимости от температуры выражается следующей зависимостью:

Зависимость теплоты испарения свинца от температуры следующая:

Средняя удельная теплоемкость свинца:
- твердого:

- жидкого:

Поверхностное натяжение в зависимости от температуры:

Вязкость свинца в зависимости от температуры:

Твердость свинца по Бринелю 3,8-4,2 кг/мм2.
Давление истечения свинца высокой чистоты 6,6 кг/мм2. Тепловой поток для твердого и жидкого свинца при разных температурах:

Из приведенных цифр видно, что свинец - легкоплавкий металл, но уже при низких температурах обладает заметной летучестью, которая возрастает с температурой.
От летучести свинца и его соединений возрастают потери при металлургическом производстве, что вынуждает принимать ряд мер по улавливанию свинцовых паров. Некоторые примеси, как например мышьяк и сурьма, повышают летучесть свинца.
Свинец - очень жидкотекучий металл, его вязкость лишь в 2 раза больше, чем воды. Свинец плохой проводник электрического тока, по отношению к серебру его проводимость составляет меньше 0,1.
Химические свойства . Свинец - химический элемент IV группы периодической системы Д.И. Менделеева. Порядковый номер его 82. Атомный вес 207,21. Валентность 2 и 4. В совершенно сухом воздухе свинец химически не изменяется. Во влажном и содержащем углекислый газ воздухе свинец тускнеет, покрываясь пленкой закиси Рb2О, которая медленно превращается в основной карбонат ЗРbСО3*Рb(OН)2. Расплавленный свинец в присутствии воздуха медленно окисляется до закиси, которая при повышении температуры превращается в окись PbO (глет).
При продолжительном нагревании расплавленного свинца в атмосфере воздуха в интервале от 330 до 450° С образующийся глет превращается в трехокись свинца Рb2О3; в интервале от 450 до 470° С образуется сурик Рb3O4. Как Рb2О3, так и Рb3O4 при повышении температуры разлагаются.
Диссоциация Рb3O4 протекает по реакции

Зависимость между давлением р диссоциации Рb3O4 и температурой выражается следующими цифрами:

Все окислы свинца, кроме окиси PbO, при повышенных температурах нестойки и диссоциируют на PbO и О2.
Углекислый газ оказывает на свинец незначительное окисляющее действие.
Чистая вода реагирует со свинцом лишь в присутствии кислорода и при продолжительном воздействии образует рыхлый гидрат окиси свинца.
Соляная и серная кислоты действуют только на поверхность свинца, так как образующийся хлористый (РbСl2) и сернокислый (PbSO4) свинец почти нерастворимы и предохраняют лежащий под ними слой металла от дальнейшего действия кислот. Концентрированная серная кислота растворяет свинец лишь при температуре выше 200° С. Кроме того, свинец химически стоек по отношению к следующим веществам; смесям серной и азотной кислот, нитрозам, щелочам, аммиаку и аммиачным солям, хлору и хлорсодержащим растворам, плавиковой кислоте и ее солям, большинству органических кислот, цианистому калию, фосфорному ангидриду, расплавленной буре и маслам.
Лучший растворитель свинца - азотная кислота.
Применение свинца. Свинец обладает рядом ценнейших свойств, обеспечивающих применение его в самых различных областях промышленности.
Очень большой потребитель свинца - аккумуляторная промышленность. Из свинца изготовляют пластины аккумуляторов, решетки которых делают из свинцово-сурьмяного сплава и заполняют смесью свинца и глета. Потребность в свинцовых аккумуляторах непрерывно возрастает в связи с ростом выпуска автомобилей и тракторов.
В электротехнической промышленности свинец используют в производстве кабелей для покрытия их коррозионностойкой оболочкой.
Свинец применяют для изготовления химических соединений (белила, сурик, глет, нитрид) и для химического аппарато- и машиностроения. В больших количествах расходуют свинец в производстве серной кислоты, белильных солей, искусственного шелка, целлюлозы и др. Широко используют свинец при производстве связанного азота, квасцов, в жировой и мыловаренной промышленности.
В металлургическом производстве свинец используют на многих гидрометаллургических установках, при электролитическом рафинировании и для аппаратов пылеулавливания.
Широко применяют сплавы свинца с другими металлами, входящими в большую группу бронз, латуней, баббитов и припоев. Эти сплавы используют для подшипников в машиностроении и в электротехнике. Большое значение имеет типографский сплав.
Свинец лучше других материалов способен поглощать гамма-лучи, благодаря чему применяется при использовании атомной энергии.
Свинец применяют также в современной военной технике.
Применение тетраэтила свинца как добавки к бензину для уменьшения его взрывоопасности (антидетонация) и для улучшения его качества - также крупные статьи расхода свинца.
В современной технике имеется тенденция заменять свинец другими материалами. Для покрытия кабелей вместо свинца в возрастающих количествах применяются алюминиевые и пластикатные полиэтиленовые оболочки.
Свинцовые пигментные продукты успешно заменяют пигментами на основе титана.
Свинец, расходуемый на антикоррозионные покрытия, в ряде случаев может быть заменен синтетическими химическими материалами. Свинцовую фольгу успешно заменяют алюминиевой. Внедрение в полиграфической промышленности цинковых сплавов. вместо свинцовосурьмяных также должно сократить расход свинца.

Свинец (Pb от лат. Plumbum) – химический элемент, который находится в IV группе Таблицы Менделеева. Свинец имеет множество изотопов, среди которых более 20 обладают радиоактивными свойствами. Изотопы свинца являются продуктами распада урана и тория, поэтому содержание свинца в литосфере постепенно увеличивалось в течение миллионов лет и сейчас составляет около 0,0016% по массе, но он более распространен, чем его ближайшие родственники, такие как золото и . Свинец легко выделяется из рудных месторождений. Основные источники свинца - галенит, англезит и церуссит. В руде со свинцом очень часто соседствуют другие металлы, например, цинк , кадмий и висмут. В самородном виде свинец встречается исключительно редко.

Свинец - интересные исторические факты

Этимология слова «свинец» до сих пор точно не выяснена и является предметом очень интересных исследований. Свинец очень похож на олово, очень часто их путали, поэтому в большинстве западнославянских языков свинец это олово. Зато слово «свинец» встречается в литовском (svinas) и латышском (svin) языках. Свинец в переводе на английский lead, на голландский lood. Видимо отсюда и пошло слово «лудить», т.е. покрывать изделие слоем олова (или свинца). Не до конца понятно также происхождение латинского слова Plumbum, от которого произошло английское слово plumber – водопроводчик. Дело в том, что когда-то водопроводные трубы «запечатывали» свинцом, «пломбировали» (франц. plomber «запечатывать свинцом»). Кстати, отсюда же всем известное слово «пломба». Но на этом путаница не заканчивается, греки всегда называли свинец «молибдос», отсюда и латинское «molibdaena», незнающему человеку легко спутать это название с наименованием химического элемента молибден . Так в древности называли блестящие минералы оставляющие тёмный след на светлой поверхности. Этот факт оставил свой след в немецком языке: «карандаш» по-немецки называется Bleistift, т.е. свинцовый стержень.
Человечество знакомо со свинцом с незапамятных времен. Археологами найдены свинцовые изделия выплавленные 8000 лет тому назад. В Древнем Египте из свинца даже отливали статуи. В Древнем Риме из свинца были изготовлены водопроводные трубы, именно он предопределил первую в истории экологическую катастрофу. Римляне не имели никакого представления о вреде свинца, им нравился податливый, прочный и простой в работе металл. Считалось даже, что свинец, добавленный в вино, улучшает его вкус. Поэтому почти каждый римлянин был отравлен свинцом. О симптомах отравления свинцом мы расскажем ниже, а пока лишь укажем, что одним из них является расстройство рассудка. Видимо отсюда и берут свое начало все эти безумные выходки знатных римлян и бесчисленные сумасшедшие оргии. Некоторые исследователи даже считают, что свинец явился чуть ли основной причиной падения Древнего Рима.
В древности гончары мололи свинцовую руду, разводили водой и обливали полученной смесью глиняные предметы. После обжига такие сосуды покрывались тонким слоем блестящего свинцового стекла.
Англичанин Джордж Равенскрофт в 1673 году усовершенствовал состав стекла, добавив к исходным компонентам оксид свинца и таким образом получил легкоплавкое блестящее стекло, которое было очень похоже на натуральный горный хрусталь. А в конце 18 века Георг Страсс при производстве стекла сплавил вместе белый песок, поташ и оксид свинца, получив такое чистое и блестящее стекло, что его сложно было отличить от алмаза. Отсюда и пошло название «стразы», по сути подделка под драгоценные камни. К сожалению, среди современников Страсс прослыл мошенником и его изобретение находилось в забвении до тех пор, пока в начале XX века Даниэль Сваровски не смог сделать из производства страз целую индустрию моды и направление искусства.
После появления и широкого распространения огнестрельного оружия, свинец начал использоваться для производства пуль и дроби. Из свинца изготавливали типографские литеры. Свинец ранее входил в состав белой и красной красок, ими писали почти все старинные художники.

Свинцовая дробь

Химические свойства свинца кратко

Свинец - металл матового серого цвета. Однако его свежий срез хорошо блестит, но к сожалению почти моментально покрывается грязноватой оксидной плёнкой. Свинец очень тяжелый металл, он тяжелее железа в полтора раза, а алюминия в четыре. Недаром в русском языке слово «свинцовый» является в некоторой мере синонимом тяжести. Свинец очень легкоплавкий металл, он плавится уже при 327 ° С. Ну, этот факт известен всем рыбакам, которые с легкостью выплавляют нужные по весу грузила. Также свинец очень мягок, его можно резать обычным стальным ножом. Свинец очень малоактивный металл, провести с ним реакцию или растворить его не составляет никакого труда даже при комнатной температуре.
Органические производные свинца являются очень ядовитыми веществами. К сожалению, одно из них, тетраэтилсвинец, широко использовалось как присадка к бензину, позволяющая повысить октановое число. Но зато к счастью, тетраэтилсвинец больше не применяется в такой ипостаси, химики и производственники научились повышать октановое число более безопасными способами.

Влияние свинца на организм человека и симптомы отравления

Любые соединения свинца очень ядовиты. Металл проникает в организм вместе с едой или со вдыхаемым воздухом и разносится кровью. Причем вдыхание паров свинцовых соединений и пыли намного более опасно, чем присутствие его в пище. Свинец имеет свойство накапливаться в костях, частично замещая в этом случае кальций . При повышении концентрации свинца в организме развивается анемия, поражается головной мозг, что приводит к снижению интеллекта, а у детей может вызвать необратимые задержки в развитии. Достаточно растворить один миллиграмм свинца в литре воды и она станет не только непригодной, но и опасной для питья. Такое низкое количество свинца представляет также определенную опасность, ни цвет ни вкус воды не изменяется. Основные симптомы отравления свинцом:

• серая кайма на деснах,
• вялость,
• апатия,
• потеря памяти,
• слабоумие,
• проблемы со зрением,
• раннее старение.

Применение свинца

Всё же, несмотря на токсичность, отказаться от использования свинца пока нет никакой возможности ввиду его исключительных свойств и дешевизны. Свинец в основном используется для производства аккумуляторных пластин, на эти нужды в настоящее время тратится около 75% добываемого на планете свинца. Свинец используется как оболочка для электрических кабелей, благодаря своей пластичности и неподверженности коррозии. Этот металл широко используется в химической и нефтеперерабатывающей промышленности, например, для облицовки реакторов в которых получают серную кислоту. Свинец обладает свойством задерживать радиоактивное излучение, этим тоже широко пользуются в энергетике, медицине и химии. В свинцовых контейнерах, к примеру, транспортируют радиоактивные элементы. Свинец идет в производство сердечников пуль и шрапнели. Также этот металл находит свое применение в производстве подшипников.