Неорганическая
Органическая
Коллоидная
Биологическая
Биохимия
Токсикологическая
Экологическая
Химическая энциклопедия
Советская энциклопедия
Справочник по веществам
Гетероциклы
Теплотехника
Углеводы
Квантовая химия
Моделирование ХТС
Номенклатура
Таблица Менделеева
Неорганические реакции
Органические реакции
Молярные массы
Форматирование формул
Редактор формул
Уравнивание реакций
Электронное строение атомов
Игра «Таблица Менделеева»
Термодинамические свойства
Конвертер величин
Гальванопара
Форум
Лекарства
Фармацевтика
Термины биохимии
Коды загрязняющих веществ
Стандартизация
Каталог предприятий


СВИНЕЦ

СВИНЕЦ (Plumbum) Pb, хим. элемент IV гр. периодич. системы, ат. н. 82, ат. м. 207,2. Природный свинец состоит из пяти стабильных изотопов: 202Рb (следы), 204Рb (1,5%), 206Рb (23,6%), 207Рb (22,6%) и 208Рb (52,3%). Последние три изотопа-конечные продукты радиоактивного распада соотв. U, Ас и Th. В природе образуются и радиоактивные изотопы: 209Рb, 210Рb, 211Рb, 212Рb, 214Рb. Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов прир. смеси ок. 0,2·10-28 м2; хороший поглотитель рентгеновского и g-из-лучения. Конфигурация внеш. электронной оболочки атома 6s26p2; степени окисления +2 (наиб. характерна) и +4; энергии ионизации Рb0 : Рb+ : Рb2+ равны соотв. 7,41678 и 15,0320 эВ; работа выхода электрона 4,05 эВ; электроотрицательность по Полингу 1,55; атомный радиус 0,175 нм, ионные радиусы (нм, в скобках даны координац. числа) Рb4+ 0,079 (4), 0,092 (6), Рb2+ 0,112 (4), 0,133(6).

Содержание свинца в земной коре 1,6-10 3% по массе, в водах Мирового океана 0,03 мкг/л (41,1 млн. т), в речных водах 0,2-8,7 мкг/л. Известно ок. 80 минералов, содержащих свинец, главнейший из них-галенит, или свинцовый блеск, PbS. Небольшое пром. значение имеют англезит PbSO4 и церус-сит РbСО3. В рудах свинцу сопутствуют Сu, Zn; Cd, благородные металлы, Bi, Те и др. ценные элементы. Прир. фон в атмосфере 2·10-9-5·10-4 мкг/м3. В теле взрослого человека содержится 7-15 мг свинца.

Свойства. Свинец-металл синевато-серого цвета, кристаллизуется в гранецентрир. кубич. решетке типа Сu, а — = 0,49389 нм, z = 4, пространств. группа Fm3m. Свинец-один из легкоплавких металлов, тяжелый цветной металл; т. пл. 327,50 °С, т. кип. 1751 °С; плотн., г/см3: 11,3415 (20 °С), 10,686 (327,6 °С), 10,536 (450 °С), 10,302 (650 °С), 10,078 (850 °С); 4060-1.jpg 26,65 Дж/(моль · К); 4060-2.jpg 4,81 кДж/моль,4060-3.jpg 177,7 кДж/моль;4060-4.jpg64,80 ДжДмоль · К); давление пара, Па: 4,3·10-7 (600 К), 9,6·10-5 (700 К), 5,4·10-2 (800 К). 1,2·10-1 (900 К), 59,5 (1200 К), 8,2·102 (1500 К), 12,8·103 (1800 К). Свинец-плохой проводник тепла и электричества; теплопроводность 33,5 Вт/(м·К) (менее 10% от теплопроводности Ag); температурный коэф. линейного расширения свинца (чистотой 99,997%) в интервале т-р 0-320 °С описывается ур-нием: a = 28,15·10-6t + 23,6·10-9t2 °C-1; при 20°С r 20,648 мкОм·см (менее 10% от r Ag), при 300 °С и 460 °С соотв. 47,938 и 104,878 мкОм·см. При -258,7°С r свинца падает до 13,11·10 -3 мкОм·см; при 7,2 К он переходит в сверхпроводящее состояние. Свинец диамагнитен, магн. восприимчивость —0,12·10-6. В жидком состоянии свинец жидкотекуч, h в интервале т-р 330-800 °С изменяется в пределах 3,2-1,2 мПа·с; g в интервале 330-1000 °С находится в пределах (4,44-4,01)·10-3 Н/м.

Свинец мягок, пластичен, легко прокатывается в тончайшие листы. Твердость по Бринеллю 25-40 МПа; sраст 12-13 МПа, sсж ок. 50 МПа; относит. удлинение при разрыве 50-70%. Значительно повышают твердость и прочность свинца Na, Ca и Mg, но уменьшают его хим. стойкость. Медь увеличивает антикоррозионную стойкость свинца (к действию H2SO4). С добавкой Sb возрастает твердость, а также кислотоупорность свинца по отношению к H2SO4. Понижают кислотоупорность свинца Bi и Zn, a Cd, Те и Sn повышают твердость и сопротивление усталости свинца. В свинце практически не раств. N2, CO, CO2, O2, SO2, H2.

В хим. отношении свинец довольно инертен. Стандартный электродный потенциал свинца —0,1265 В для Рb0/Рb2+. В сухом воздухе не окисляется, во влажном-тускнеет, покрываясь пленкой оксидов, переходящей в присут. СО2 в основной карбонат 2РbСО3·Рb(ОН)2. С кислородом свинец образует ряд оксидов: Рb2О, РbО (глет), РbО2, Рb3О4 (сурик) и Рb2О3 (см. Свинца оксиды). При комнатной т-ре свинец не реагирует с разб. серной и соляной к-тами, т. к. образующиеся на его пов-сти труднорастворимые пленки PbSO4 и РbС12 препятствуют дальнейшему растворению металла. Конц. H2SO4 (>80%) и НС1 при нагр. взаимод. со свинцом с образованием р-римых соед. Pb(HSO4)2 и Н4[РbСl6]. Свинец устойчив по отношению к фтористоводородной к-те, водным р-рам NH3 и щелочей и к мн. орг. к-там. Лучшие р-рители свинца-разб. HNO3 и СН3СООН. При этом образуются свинца нитрат Pb(NO3)2 и свинца ацетат Рb(СН3СОО)2. Свинец заметно раств. также в лимонной, муравьиной и винной к-тах.

Соли Pb(IV) м. б. получены электролизом подкисленных H2SO4 р-ров солей Pb(II); важнейшие из них-свинца сульфат Pb(SO4)2 и ацетат Рb(ОСОСН3)4. Соли свинца легко гидро-лизуются. Рb -энергичный окислитель, поэтому, напр., не существуют РbI4 и РbВr4. При разряде свинцового аккумулятора Рb4+ также служит окислителем:

Рb + РbO2 + 2H2SO4 :2PbSO4 + 2Н2О

При взаимод. оксидов Pb(IV) и Pb(II) с расплавами щелочей образуются соли-соотв. плюмбаты(IV) и плюмбиты(II), напр. Na2PbO3, Na2PbO2. Свинец медленно раств. в конц. р-рах щелочей с выделением Н2 и образованием М4[Рb(ОН)6].

При нагревании свинец реагирует с галогенами, образуя свинца галогениды. С азотистоводородной к-той свинец дает свинца азид Pb(N3)2, с серой при нагр.- сульфид PbS (см. Свинца халь-когениды). Гидриды для свинца не характерны. В нек-рых р-циях обнаруживают тетрагидрид РbН4-бесцв. газ, легко разлагающийся на Рb и Н2; образуется при действии разб. соляной к-ты на Mg2Pb. См. также Свинца титанат, Сви-нецорганические соединения.

Получение. Осн. источник получения свинца-сульфидные полиметаллич. руды. Селективной флотацией из руд, содержащих 1-5% Рb, получают свинцовые и др. концентраты. Свинцовый концентрат обычно содержит 40-75% Рb, 5-10% Zn, до 5% Сu, а также благородные металлы и Bi. Ок. 90% свинца получают по технологии, включающей стадии: агломерирующий обжиг сульфидных концентратов, шахтная восстановит. плавка агломерата и рафинирование чернового свинца. Разрабатывают автогенные процессы плавки, позволяющие использовать тепло сгорания сульфидов.

Агломерирующий обжиг при традиц. произ-ве свинца проводят на прямолинейных машинах с дутьем воздуха либо путем просасывания его. При этом PbS окисляется преим. в жидком состоянии: 2PbS + 3О2 : 2РbО + 2SO2. В шихту добавляют флюсы (SiO2, CaCO3, Fe2O3), к-рые, реагируя между собой и с РbО, образуют жидкую фазу, цементирующую шихту. В готовом агломерате свинец в осн. концентрируется в свинцовосиликатном стекле, занимающем до 60% объема агломерата. Оксиды Zn, Fe, Si, Ca кристаллизуются в форме сложных соед., образуя жаропрочный каркас. Эффективная (рабочая) площадь агломерац. машин 6-95 м2.

В готовом агломерате содержится 35-45% Рb и 1,2-3% S, часть к-рой находится в виде сульфатов. Производительность агломерац. машин по агломерату зависит от содержания S в шихте и колеблется от 10 (бедные концентраты) до 20 т/(м2 · сут) (богатые концентраты); по выжигаемой S она находится в пределах 0,7-1,3 т/(м2· сут). Часть газов, содержащих 4-6% SO2, используют для произ-ва H2SO4. Степень утилизации S составляет 40-50%.

Полученный агломерат направляют на восстановит. плавку в шахтных печах. Печь для выплавки свинца представляет собой шахту прямоугольного сечения, образуемую водо-охлаждаемыми коробками (кессонами). Воздух (или воздушно-кислородная смесь) подается в печь через спец. сопла (фурмы), расположенные по всему периметру печи в ниж. ряду кессонов. В шихту плавки входят в осн. агломерат и кокс, иногда загружают кусковое оборотное и вторичное сырье. Уд. проплав агломерата 50-80 т/(м2 · сут). Прямое извлечение свинца в черновой металл 90-94%.

Цель плавки-максимально извлечь свинец в черновой металл, a Zn и пустую породу вывести в шлак. Осн. р-ция шахтной плавки свинцового агломерата: РbОрасплав + СО : Рb + + СО2. В качестве восстановителя в шихту вводят кокс. Часть свинца восстанавливается им непосредственно. Для восстановления свинца требуется слабовосстановит. атмосфера (давление О24060-5.jpg10-6-10-8 Па). Расход кокса к массе агломерата при шахтной плавке 8-14%. В этих условиях оксиды Zn и Fe не восстанавливаются и переходят в шлак. Медь присутствует в агломерате в форме СuО и CuS. Оксид меди в условиях шахтной плавки легко восстанавливается до металла и переходит в свинец. При высоком содержании Си и S в агломерате при шахтной плавке образуется самостоят. фаза-штейн.

Осн. шлакообразующие компоненты шлаков (80-85% от массы шлака) - FeO, SiO2, CaO и ZnO-направляются на дальнейшую переработку для извлечения Zn. В шлак переходит до 2-4% Рb и ~20% Си, содержание в нем этих металлов соотв. 0,5-3,5 и 0,2-1,5%. Образующаяся при шахтной плавке (и агломерации) пыль служит исходным сырьем для извлечения редких и рассеянных элементов.

В основе автогенных процессов выплавки свинца лежит экзотермич. р-ция PbS + О2 : Рb + SO2, состоящая из двух стадий:

2PbS + 3O2:2PbO + 2SO2 PbS + 2РbО:3Рb + SO2

Преимущества автогенных способов перед традиц. технологией: исключается агломерац. обжиг, устраняется необходимость разбавления концентрата флюсами, что снижает выход шлака, используется тепло от горения сульфидов и исключается (частично) расход кокса, повышается извлечение SO2 с газами, что упрощает их использование и повышает безопасность на заводе. В пром-сти применяют два автогенных процесса: КИВЦЭТ-ЦС, разработанный в СССР и осуществленный на Усть-Каменогорском заводе и в Италии на заводе Порто-Весме, и американский процесс QSL.

Технология плавки по методу КИВЦЭТ-ЦС: тонкоизмельченную, хорошо высушенную шихту, содержащую концентрат, оборотную пыль и кокс, с помощью горелки инжектируют техническим О2 в плавильную камеру печи, где происходит окисление сульфидов металлов, получение свинца и формирование шлака. Газы (содержат 20-40% SO2) после очистки от пыли, возвращаемой в шихту плавки, поступают на произ-во H2SO4. Черновой свинец и шлак через разделит. перегородку протекают в электротермич. печь-отстойник, откуда их выпускают через летки. Кокс подают в шихту для восстановления избыточного оксида свинца в плавильной зоне.

Процесс QSL проводят в агрегате типа конвертера. Печь разделена перегородкой на зоны. В плавильной зоне происходит загрузка гранулир. концентрата, плавка и окисление расплава техническим О2. Шлак поступает во вторую зону, где с помощью фурм он продувается пылеугольной смесью для восстановления свинца. Во всех способах плавки осн. кол-во Zn (~80%) переходит в шлак. Для извлечения Zn, а также оставшегося свинца и нек-рых редких и рассеянных элементов шлак перерабатывают способом фьюмингования или вальцевания.

Черновой свинец, полученный тем или иным способом, содержит 93-98% Рb. Примеси в черновом свинце: Сu (1-5%), Sb, As, Sn (0,5-3%), Аl (1-5 кг/т), Аu (1-30%), Bi (0,05-0,4%). Очистку чернового свинца производят пирометаллургически или (иногда) электролитически.

Пирометаллургич. методом из чернового свинца последовательно удаляют: 1) медь-двумя операциями: ликвацией и с помощью элементарной S, образующей сульфид Cu2S. Предварит. (грубую) очистку от Си до содержания 0,5-0,7.% проводят в отражательных либо электротермических печах с глубокой свинцовой ванной, имеющей перепад т-ры по высоте. Медь взаимод. на пов-сти с сульфидным свинцовым концентратом с образованием Cu-Pb штейна. Штейн направляют в медное произ-во либо на самостоят. гидроме-таллургич. переработку.

2) Теллур-действием металлич. Na в присут. NaOH. Натрий селективно взаимод. с Те, образуя Na2Te, всплывающий на пов-сть ванны и растворяющийся в NaOH. Плав идет на переработку для извлечения Те.

3) Олово, мышьяк и сурьму-окислением их либо О2 воздуха в отражат. печах при 700-800 °С, либо NaNO3 в присут. NaOH при 420 °C. Щелочные плавы направляют на гидрометаллургич. переработку для регенерации из них NaOH и извлечения Sb и Sn; As выводят в виде Ca3(AsO4)2, к-рый направляют на захоронение.

4) Серебро и золото-с помощью Zn, избирательно реагирующего с растворенными в свинце благородными металлами; образуются AuZn3, AgZn3, всплывающие на пов-сть ванны. Образовавшиеся съемы удаляют с пов-сти для послед. переработки их на сплав Ag-Au. На этой стадии свинец загрязняется Zn (0,5-0,8%).

5) Цинк-окислением воздухом либо NaNO3 в щелочном расплаве, хлорированием, а также отгонкой в вакууме.

6) Висмут-действием Са, Mg, Sb. Предварительно вводят в ванну Са и Mg, при этом образуется Bi2CaMg2, а в свинце остается 0,008-0,01% Bi; затем добавляют в ванну, наряду с Са и Mg, также Sb, при этом в свинце остается 0,006-0,004% Bi. Полученные на предварит. стадии богатые съемы (дроссы) направляют на переработку для извлечения из них Bi. В свинцовой ванне остаются Са, Mg, Sb.

7) Примеси Са, Mg, Sb и Zn удаляют окислением NaNO3 в присут. NaOH либо хлорированием.

Рафинирование свинца осуществляют в стальных котлах полу-сферич. формы емкостью 50-300 т с открытой пов-стью ванны. Готовый свинец разливают в чушки (~ 30 кг) либо блоки (~1 т). При электролитич. рафинировании чернового свинца в качестве электролита используют водный р-р фторосиликата свинца (8-10% H2SiF6, 6-8% PbSiF6). Черновой свинец предварительно рафинируют (пирометаллургически) от Sn и Си. Электролиз проводят при напряжении на ванне 0,4-0,7 В, плотн. тока 130-180 А/м2 и т-ре электролита 40-50 °C. Выход свинца по току составляет 90-97%. Примеси свинца концентрируются в анодном шламе.

Определение. Свинец определяют: по изменению степени мутности р-ра, образующегося при взаимод. Рb2+ с К2СrО4; колориметрически с дитизоном, амперометрич. титрованием с молибдатом аммония; спектрометрически с диэтилди-тиокарбаматом Na и 8-гидроксихинолином; хроматогра-фически.

Применение. До 45% свинца от общего потребления идет на произ-во электродов аккумуляторов; до 20%-на изготовление проводов и кабелей и покрытий к ним; 5-20% свинца-на произ-во тетраэтилсвинца. Свинец используют для изготовления футеровки, труб и аппаратуры в хим. пром-сти. Применяют свинца сплавы с Sn, Са, содержащие Sb, Cu, As, Cd. В стр-ве свинец используют в качестве изоляции, уплотнителя швов, стыков, в т.ч. при создании сейсмостойких фундаментов. В военной технике свинец применяют для изготовления шрапнели и сердечников пуль. Экраны из свинца служат для защиты от радиоактивного и рентгеновского излучений.

По объему произ-ва и потребления свинец занимает четвертое место среди цветных металлов после А1, Си и Zn. Произ-во свинца в капиталистич. и развивающихся странах ок. 4,0 млн. т/год (1983). Осн. производители и потребители: США, ФРГ, Великобритания, Япония, Канада и Австралия.

Свинец был известен за 6-7 тыс. лет до н.э. народам Месопотамии, Египта и др. стран древнего мира.

Свинец-яд, вызывает профессиональные отравления. ПДК в воздухе рабочей зоны 0,01 мг/м3, атм. воздухе 0,003 мг/м3, воде 0,03 мг/л, почве 20,0 мг/кг. Осн. источники загрязнения свинцом окружающей среды: металлургич. предприятия (ежегодный выброс не менее 89 тыс.т), выхлопные газы двигателей внутр. сгорания (до 260 тыс. т/год), сточные воды пром. предприятий (выброс в Мировой океан 430-650 тыс. т/год) и др.

Лит.: Гудима Н.В., Шейн Я. П., Краткий справочник по металлургии цветных металлов, М., 1975; Смирнов М. П., Рафинирование свинца и переработка полупродуктов, М., 1977; Рабинович В. А., Хавин З.Я., Краткий химический справочник, Л., 1977; Зайцев В. Я., Маргулис Е. В., Металлургия свинца и цинка, М., 1985; Козин Л.Ф., Морачевский А. Г., Физико-химия и металлургия высокочистого свинца, М., 1991. М.П. Смирнов.

Еще по теме:

     © ХиМиК.ру




Реклама   Обратная связь   Дизайн