Илья Леенсон
СВИНЕЦ - химический элемент IV группы периодической таблицы. Относительная атомная масса (Ar = 207,2) является усредненной из масс нескольких изотопов: 204Pb (1,4%), 206Pb (24,1%), 207Pb (22,1%) и 208Pb (52,4%). Последние три нуклида - конечные продукты естественных радиоактивных превращений урана, актиния и тория. Известно также более 20 радиоактивных изотопов свинца, из которых наиболее долгоживущие - 202Pb и 205Pb (с периодами полураспада 300 тысяч и 15 млн. лет). В природе образуются также и короткоживущие изотопы свинца с массовыми числами 209, 210, 212 и 214 с периодами полураспада соответственно 3,25 ч, 27,1 года, 10,64 ч и 26,8 мин. Соотношение различных изотопов в разных образцах свинцовых руд может несколько различаться, что не дает возможности определить для свинца значение Ar с большей точностью.
В земной коре свинца немного - 0,0016% по массе, но этот один из самых тяжелых металлов распространен гораздо больше, чем его ближайшие соседи - золото, ртуть и висмут. Это связано с тем, что разные изотопы свинца являются конечными продуктами распада урана и тория, так что содержание свинца в земной коре медленно увеличивалось в течение миллиардов лет.
Известно много рудных месторождений, богатых свинцом, причем металл легко выделяется из минералов. Всего известно более ста свинцовых минералов. Из них основные - галенит (свинцовый блеск) PbS и продукты его химических превращений - англезит (свинцовый купорос) PbSO4 и церуссит («белая свинцовая руда») PbCO3. Реже встречаются пироморфит («зеленая свинцовая руда») PbCl2·3Pb3(PO4)2, миметит PbCl2·3Pb3(AsO4)2, крокоит («красная свинцовая руда») PbCrO4, вульфенит («желтая свинцовая руда») PbMoO4, штольцит PbWO4. В свинцовых рудах часто находятся также другие металлы - медь, цинк, кадмий, серебро, золото, висмут и др. В месте залегания свинцовых руд этим элементом обогащена почва (до 1% Pb), растения и воды.
В сильноокислительной щелочной среде степей и пустынь возможно образование диоксида свинца - минерала платтнерита. И исключительно редко встречается самородный металлический свинец. См. также СВИНЦОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ.
История. Происхождение слова «свинец» неясно. В старину свинец не всегда четко отличали от олова. В большинстве славянских языков (болгарском, сербскохорватском, чешском, польском) свинец и называется оловом. Наш же «свинец» встречается только в языках балтийской группы: svinas (литовский), svin (латышский). У некоторых горе-переводчиков это приводило к забавным недоразумениям, например, к «оловянным аккумуляторам» в автомобилях. Английское название свинца lead и голландское lood, возможно, связаны с нашим «лудить». Латинское же plumbum (тоже неясного происхождения) дало английское слово plumber - водопроводчик (когда-то трубы зачеканивали мягким свинцом. И еще одна путаница, связанная со свинцом. Древние греки называли свинец «молибдос» (название сохранилось и в новогреческом языке). Отсюда - латинское molibdaena: так в средние века называли и свинцовый блеск PbS, и более редкий молибденовый блеск (MoS2), и другие похожие минералы, оставлявшие черный след на светлой поверхности. Такой же след оставляли графит и сам свинец. Тонкими свинцовыми стержнями можно было писать на пергаменте; недаром по-немецки карандаш - Bleistift, т.е. свинцовый стержень.
Свинец вместе с золотом, серебром, медью, оловом, железом и ртутью входит в семерку металлов, известных с глубокой древности. Эти металлы сопоставлялись с известными тогда планетами (свинцу соответствовал Сатурн). Считается, что впервые люди выплавили свинец из руд 8 тысяч лет назад. Раскопки в Древнем Египте обнаружили изделия из серебра и свинца в захоронениях до династического периода. К этому же времени относятся аналогичные находки, сделанные в Месопотамии. Совместные находки серебряных и свинцовых изделий не удивительны. Еще в доисторические времена внимание людей привлекли красивые тяжелые кристаллы свинцового блеска. Залежи этого минерала находили в горах Армении, в центральных районах Малой Азии. А минерал галенит часто содержит значительные примеси серебра. Если положить куски этого минерала в костер, то сера выгорит и потечет расплавленный свинец (древесный уголь препятствует окислению свинца). Уже за много тысячелетий до новой эры в Месопотамии, Египте из него отливали статуи.
В VI в. до н.э. богатые залежи галенита были обнаружены в Лаврионе - гористой местности недалеко от Афин. Во времена пунических войн (264-146 до н.э.) на территории современной Испании работали многочисленные свинцовые шахты, которые были заложены греками и финикийцами. Позднее они разрабатывались римлянами; римские инженеры использовали свинец для изготовления труб древнего водопровода. Древнегреческий историк Геродот (V в. до н.э.) писал о методе укрепления железных и бронзовых скоб в каменных плитах путем заливки отверстий легкоплавким свинцом. Позднее при раскопках Микен нашли свинцовые скобы в каменных стенах.
При получении свинца античные металлурги сначала прокаливали руду, при этом шли реакции
2PbS + 3O2 ® 2PbO + 2SO2 и PbS + 2O2 ® PbSO4. Затем температуру повышали, что приводило к выплавке свинца:
PbS + 2PbO ® 3Pb + SO2; PbS + PbSO4 ® 2Pb + 2SO2. Первые плавильные печи, сделанные из глины и камней, были весьма примитивны. Их старались установить на склонах холмов, где дуют ветры, помогающие обжигу. Выплавленный свинец, как правило, содержал серебро - иногда до 0,5% и более. При медленном охлаждении такого расплава сначала кристаллизуется чистый свинец, а жидкость обогащается серебром - примерно до 2%. Для выделения серебра использовали метод купелирования: окисляли расплавленный свинец в пористом глиняном сосуде - купели, а его оксид затем снова восстанавливали до металла. Механизм этого процесса был изучен только в 1833.
Использовали свинец и для очистки золота и серебра методом купелирования. Для этого подлежащий очистке драгоценный металл сплавляли со свинцом. Свинец и другие примеси легко окислялись при высокой температуре; образующиеся оксиды сдувались струей воздуха, а частично впитывались в поры купели, а на дне оставался слиток чистого серебра или золота. Оксид свинца затем снова могли превратить в металл, нагревая его с древесным углем. Археологические находки в Уре и Трое свидетельствуют, что купелирование было известно на северо-западе Малой Азии уже в первой половине III тыс. до н.э. А греческим умельцам из добытого в Лаврионе свинца удавалось извлечь почти все серебро: по современным анализам его оставалось в свинце всего 0,02%! Искусство древних металлургов достойно удивления: ведь у них не было ни возможности контролировать температуру на разных стадиях процесса, ни проводить химических анализов. И все же в отвалах рудников оставалось много неизвлеченного свинца. Еще лучших результатов добились римские металлурги, вдвое снизив остаточное количество серебра. Конечно, их беспокоила не чистота свинца, а полнота извлечения из него драгоценного металла. Более того, как свидетельствует греческий историк Страбон, перерабатывая старые отвалы в Лаврионе, римляне смогли извлечь довольно много и свинца, и серебра, оставив около двух миллионов тонн отработанной руды в отвалах. После этого рудники были заброшены почти на два тысячелетия, но в 1864 отвалы снова начали перерабатывать - теперь уже ради только серебра (его в них оставалось около 0,01%). На современных металлургических предприятиях в свинце оставляют еще в сотни раз меньше серебра.
Древние гончары, размалывая свинцовый блеск с глиной и водой, обливали этой смесью подлежащие обжигу глиняные сосуды. При высокой температуре поверхность сосуда покрывалась легкоплавким свинцовым стеклом. В 1673 английский стекольный мастер Джордж Равенскрофт, добавив в состав стекла оксид свинца, изобрел хрустальное стекло, которое легко плавится, прекрасно поддается обработке и обладает особым блеском, приближающим его к настоящему горному хрусталю. Позднее, сплавив чистый белый песок, поташ и оксид свинца, получили страз (от имени жившего в конце 18 в. ювелира Страсса) - сорт стекла с таким сильным блеском, что оно хорошо имитировало алмаз, а с примесью разных пигментов - другие драгоценные камни.
Тонкими свинцовыми пластинами обшивали деревянные корпуса древних кораблей. Один такой греческий корабль, построенный в III в. до н.э., был найден в 1954 на дне Средиземного моря недалеко от Марселя. Римляне изготовляли также из свинца трубы длиной 3 метра и разного, но строго определенного диаметра (всего было 15 вариантов). Это первый в истории пример стандартизированного промышленного производства. Сначала из свинца отливали пластину, оборачивали ее вокруг деревянного стержня и запаивали шов оловянно-свинцовым припоем (его состав с тех пор практически не изменился). В трубах нередко обнаруживались течи, и их надо было ремонтировать. До сих пор во время раскопок в Италии и в Англии находят такие трубы в очень хорошем состоянии. Римский зодчий и инженер Марк Витрувий Поллион рекомендовал заменить свинцовые трубы керамическими - из обожженной глины. Он обратил внимание на болезненность рабочих, занятых выплавкой свинца и считал, что свинец «лишает кровь ее силы». Однако не все разделяли это мнение. Так, римский государственный деятель, ученый и писатель Плиний, автор знаменитой «Естественной истории», писал о пользе свинцовых препаратов, о том, что свинцовая мазь помогает выводить шрамы, излечивать язвы и глазные болезни.
В средние века крыши церквей и дворцов нередко покрывали свинцовыми пластинами, устойчивыми к атмосферным влияниям. Еще в 669 свинцом покрыли крышу монастырской церкви в Йорке, а в 688 епископ в Нортумберленде приказал обшить свинцовыми пластинами крышу и стены церкви. Знаменитые витражи в соборах собирали с помощью свинцовых рамок с желобками, в которых укрепляли пластинки цветного стекла. Делали из свинца, по примеру римлян, и водопроводные, а также дренажные трубы. Так, в 1532 в Вестминстерском дворце установили свинцовые водосточные трубы квадратного сечения. Все эти изделия в те времена не прокатывали, а отливали в формах, на дно которых насыпали тонко просеянный песок. Со временем на свинцовых изделиях появлялся прочный защитный слой - патина. Некоторые облицованные свинцом средневековые шпили сохранились в течение почти семисот лет. К сожалению, пожар 1561 в Лондоне уничтожил такой шпиль величайшего собора святого Петра.
Когда появилось огнестрельное оружие, большие количества свинца пошли для изготовления пуль и дроби, и свинец начал ассоциироваться также со смертельной опасностью: «Засвищет вокруг меня губительный свинец» (А.Пушкин), «За твой окоп другой боец подставил грудь под злой свинец» (К.Симонов). Сначала дробь отливали в разъемных формах. В 1650 английский принц Руперт изобрел более быстрый и удобный способ. Он обнаружил, что если к свинцу добавить немного мышьяка и лить этот сплав через своего рода большой дуршлаг в бак с водой, то получаются шарики дроби правильной сферической формы. А после того, как в 1436 Иоганн Гутенберг изобрел способ печатать книги с использованием подвижных металлических литер, печатники в течение сотен лет отливали буквы из так называемого типографского сплава на основе свинца (с примесью олова и сурьмы).
Из соединений свинца с древних времен использовали свинцовый сурик Pb3O4 и основной карбонат свинца (свинцовые белила) в качестве красной и белой краски. Почти все картины старых мастеров писаны красками, приготовленными на основе свинцовых белил. Оригинальным был старинный способ их получения: горшки с крепким уксусом ставили в навоз, а над ними подвешивали скрученные в спираль тонкие свинцовые пластины. Разлагаясь, навоз давал тепло (оно необходимо для усиленного испарения уксусной кислоты) и углекислый газ. Совместное действие на свинец этих веществ, а также кислорода воздуха и давало белила. Помимо ядовитости, эти белила темнеют со временем, так как реагируют со следами сероводорода, который всегда присутствует в воздухе: 2PbCO3·Pb(OH)2 + 3H2S ® 3PbS + 2CO2 + 4H2O. При реставрации таких картин потемневшие участки осторожно обрабатывают раствором Н2О2, что переводит черный сульфид в белый сульфат: PbS + 4H2O2 ® PbSO4 + 4H2O. В настоящее время ядовитые свинцовые белила заменены более дорогими, но безвредными титановыми. Ограниченное применение (например, в качестве пигментов для художественных масляных красок) имеют пигменты, содержащих свинец: свинцовый крон лимонный 2PbCrO4·PbSO4, свинцовый крон желтый 13PbCrO4·PbSO4, красного цвета свинцово-молибдатный крон 7PbCrO4·PbSO4·PbMoO4.
Свойства свинца. Свинец обычно имеет грязно-серый цвет, хотя свежий его разрез имеет синеватый отлив и блестит. Однако блестящий металл быстро покрывается тускло-серой защитной пленкой оксида. Плотность свинца (11,34 г/см3) в полтора раза больше, чем у железа, вчетверо больше, чем у алюминия; даже серебро легче свинца. Недаром в русском языке «свинцовый» - синоним тяжелого: «Ненастной ночи мгла по небу стелется одеждою свинцовой»; «И как свинец пошел ко дну» - эти пушкинские строки напоминают, что со свинцом неразрывно связано понятие гнета, тяжести.
Свинец очень легко плавится - при 327,5° С, кипит при 1751° С и заметно летуч уже при 700° С. Этот факт очень важен для работающих на комбинатах по добыче и переработке свинца. Свинец - один из самых мягких металлов. Он легко царапается ногтем и прокатывается в очень тонкие листы. Свинец сплавляется со многими металлами. С ртутью он дает амальгаму, которая при небольшом содержании свинца жидкая.
По химическим свойствам свинец - малоактивный металл: в электрохимическом ряду напряжений он стоит непосредственно перед водородом. Поэтому свинец легко вытесняется другими металлами из растворов его солей. Если опустить в подкисленный раствор ацетата свинца цинковую палочку, свинец выделяется на ней в виде пушистого налета из мелких кристалликов, имеющего старинного название «сатурнова дерева». Если затормозить реакцию, обернув цинк фильтровальной бумагой, вырастают более крупные кристаллы свинца.
Наиболее типична для свинца степень окисления +2; соединения свинца(IV) значительно менее устойчивы. В разбавленных соляной и серной кислотах свинец практически не растворяется, в том числе из-за образования на поверхности нерастворимой пленки хлорида или сульфата. С крепкой серной кислотой (при концентрации более 80%) свинец реагирует с образованием растворимого гидросульфата Pb(HSO4)2, а в горячей концентрированной соляной кислоте растворение сопровождается образованием комплексного хлорида H4PbCl6. Разбавленной азотной кислотой свинец легко окисляется:
Pb + 4HNO3 ® Pb(NO3)2 + 2NO2 + H2O. Разложение нитрата свинца(II) при нагревании - удобный лабораторный метод получения диоксида азота:
2Pb(NO3)2 ® 2PbO + 4NO2 + O2.
В присутствии кислорода свинец растворяется также в ряде органических кислот. При действии уксусной кислоты образуется легкорастворимый ацетат Pb(CH2COO)2 (старинное название - «свинцовый сахар»). Свинец заметно растворим также в муравьиной, лимонной и винной кислотах. Растворимость свинца в органических кислотах могло раньше приводить к отравлениям, если пищу готовили в посуде, луженной или паянной свинцовым припоем. Растворимые соли свинца (нитрат и ацетат) в воде гидролизуются:
Pb(NO3)2 + H2O Pb(OH)NO3 + HNO3. Взвесь основного ацетата свинца («свинцовая примочка») имеет ограниченное медицинское применение в качестве наружного вяжущего средства.
Свинец медленно растворяется и в концентрированных щелочах с выделением водорода: Pb + 2NaOH + 2H2O ® Na2Pb(OH)4 + H2, что указывает на амфотерные свойства соединений свинца. Белый гидроксид свинца(II), легко осаждаемый из растворов его солей, также растворяется как в кислотах, так и в сильных щелочах:
Pb(OH)2 + 2HNO3 ® Pb(NO3)2 + 2H2O; Pb(OH)2 + 2NaOH ® Na2Pb(OH)4. При стоянии или нагревании Pb(OH)2 разлагается с выделением PbO. При сплавлении PbO со щелочью образуется плюмбит состава Na2PbO2.
Из щелочного раствора тетрагидроксоплюмбата натрия Na2Pb(OH)4 тоже можно вытеснить свинец более активным металлом. Если в такой нагретый раствор положить маленькую гранулу алюминия, быстро образуется серый пушистый шарик, который насыщен мелкими пузырьками выделяющегося водорода и потому всплывает. Если алюминий взять в виде проволоки, выделяющийся на ней свинец превращает ее в серую «змею».
При нагревании свинец реагирует с кислородом, серой и галогенами. Так, в реакции с хлором образуется тетрахлорид PbCl4 - желтая жидкость, дымящая на воздухе из-за гидролиза, а при нагревании разлагающаяся на PbCl2 и Cl2. (Галогениды PbBr4 и PbI4 не существуют, так как Pb(IV) - сильный окислитель, который окислил бы бромид- и иодид-анионы.) Тонкоизмельченный свинец обладает пирофорными свойствами - вспыхивает на воздухе. При продолжительном нагревании расплавленного свинца он постепенно переходит сначала в желтый оксид PbO (свинцовый глет), а затем (при хорошем доступе воздуха) - в красный сурик Pb3O4 или 2PbO·PbO2. Это соединение можно рассматривать также как свинцовую соль ортосвинцовой кислоты Pb2. С помощью сильных окислителей, например, хлорной извести, соединения свинца(II) можно окислить до диоксида:
Pb(CH3COO)2 + Ca(ClO)Cl + H2O ® PbO2 + CaCl2 + 2CH3COOH. Диоксид образуется также при обработке сурика азотной кислотой:
Pb3O4 + 4HNO3 ® PbO2 + 2Pb(NO3)2 + 2H2O. Если сильно нагревать коричневый диоксид, то при температуре около 300° С он превратится в оранжевый Pb2O3 (PbO·PbO2), при 400° С - в красный Pb3O4, а выше 530° С - в желтый PbO (разложение сопровождается выделением кислорода). В смеси с безводным глицерином свинцовый глет медленно, в течение 30-40 минут реагирует с образованием водоупорной и термостойкой твердой замазки, которой можно склеивать металл, стекло и камень.
Диоксид свинца - сильный окислитель. Струя сероводорода, направленная на сухой диоксид, загорается; концентрированная соляная кислота окисляется им до хлора:
PbO2 + 4HCl ® PbCl2 + Cl2 + H2O, сернистый газ - до сульфата: PbO2 + SO2 ® PbSO4, а соли Mn2+ - до перманганат-ионов: 5PbO2 + 2MnSO4 + H2SO4 ®5PbSO4 + 2HMnO4 + 2H2O. Диоксид свинца образуется, а затем расходуется при зарядке и последующем разряде самых распространенных кислотных аккумуляторов. Соединения свинца(IV) обладают еще более типичными амфотерными свойствами. Так, нерастворимый гидроксид Pb(OH)4 бурого цвета легко растворяется в кислотах и щелочах: Pb(OH)4 + 6HCl ® H2PbCl6; Pb(OH)4 + 2NaOH ® Na2Pb(OH)6. Диоксид свинца, реагируя с щелочью, также образует комплексный плюмбат(IV):
PbO2 + 2NaOH + 2H2O ® Na2. Если же PbO2 сплавить с твердой щелочью, образуется плюмбат состава Na2PbO3. Из соединений, в которых свинец(IV) входит в состав катиона, наиболее важен тетраацетат. Его можно получить кипячением сурика с безводной уксусной кислотой:
Pb3O4 + 8CH3COOH ® Pb(CH3COO)4 + 2Pb(CH3COO)2 + 4H2O. При охлаждении из раствора выделяются бесцветные кристаллы тетраацетата свинца. Другой способ - окисление ацетата свинца(II) хлором: 2Pb(CH3COO)2 + Cl2 ® Pb(CH3COO)4 + PbCl2. Водой тетраацетат мгновенно гидролизуется до PbO2 и CH3COOH. Тетраацетат свинца находит применение в органической химии в качестве селективного окислителя. Например, он весьма избирательно окисляет только некоторые гидроксильные группы в молекулах целлюлозы, а 5-фенил-1-пентанол под действием тетраацетата свинца окисляется с одновременной циклизацией и образованием 2-бензилфурана.
Органические производные свинца - бесцветные очень ядовитые жидкости. Один из методов их синтеза - действие алкилгалогенидов на сплав свинца с натрием:
4C2H5Cl + 4PbNa ® (C2H5)4Pb + 4NaCl + 3Pb. Действием газообразного HCl можно отщеплять от тетразамещенных свинца один алкильный радикал за другим, заменяя их на хлор. Соединения R4Pb разлагаются при нагревании с образованием тонкой пленки чистого металла. Такое разложение тетраметилсвинца было использовано для определения времени жизни свободных радикалов. Тетраэтилсвинец - антидетонатор моторного топлива.
Получение свинца. Количество добываемого свинца непрерывно возрастает. Если в 1800 во всем мире его было получено около 30 000 тонн, то в 1850 - 130 000 т, в 1875 - 320 000 т, в 1900 - 850 000 т, 1950 - почти 2 млн. т, а в настоящее время в год добывают около 5 млн. т. По объему производства свинец занимает четвертое место среди цветных металлов - после алюминия, меди и цинка.
Основной источник свинца - сульфидные полиметаллические руды, содержащие от 1 до 5% свинца. Руду концентрируют до содержания свинца 40 - 75%, затем подвергают обжигу: 2PbS + 3O2 ® 2PbO + 2SO2 и восстанавливают свинец коксом и оксидом углерода(II). Более экономичный, так называемый автогенный, способ заключается в проведении реакции PbS + 2PbO ® 3Pb + SO2 (PbO образуется при частичном обжиге PbS). Получаемый из руды свинец содержит от 3 до 7% примесей в виде меди, сурьмы, мышьяка, олова, алюминия, висмута а также золота и серебра. Их удаление (или выделение, если это экономически рентабельно), требует сложных и длительных операций. Очистку свинца можно проводить также методом электрохимического рафинирования. Электролитом служит водный раствор фторосиликата свинца PbSiF6. На катоде оседает чистый свинец, а примеси концентрируются в анодном шламе, содержащем много ценных компонентов, которые затем выделяют.
Свинец в организме человека. Соединения свинца ядовиты. Но очевидным это стало далеко не сразу. В прошлом покрытия гончарных изделий свинцовой глазурью, изготовление свинцовых водопроводных труб, использование свинцовых белил (особенно в косметических целях), применение свинцовых трубок в конденсаторах паров на винокуренных заводах - все это приводило к накоплению свинца в организме. Древние греки знали, что вино и кислые соки нельзя держать в глазурованных глиняных сосудах (глазурь содержала свинец), а вот римляне этим правилом пренебрегали. Джемс Линд, рекомендовавший в 1753 английскому адмиралтейству лимонный сок как средство против цинги для моряков в дальнем плавании, предостерегал от хранения сока в гончарных глазурованных изделиях. Тем не менее случаи отравления, в том числе и смертельные, наблюдались по той же причине и двести лет спустя.
Свинец проникает в организм через желудочно-кишечный тракт или дыхательную систему и разносится затем кровью по всему организму. Причем вдыхание свинцовой пыли значительно опаснее присутствия свинца в пище. В воздухе городов содержание свинца составляет в среднем от 0,15 до 0,5 мкг/м3. В районах, где расположены предприятия по переработке полиметаллических руд, эта концентрация выше.
Свинец накапливается в костях, частично замещая кальций в фосфате Са3(РО4)2. Попадая в мягкие ткани - мышцы, печень, почки, головной мозг, лимфатические узлы, свинец вызывает заболевание - плюмбизм. Как и многие другие тяжелые металлы, свинец (в виде ионов) блокирует деятельность некоторых ферментов. Было установлено, что их активность снижается в 100 раз при увеличении концентрации свинца в крови в 10 раз - с 10 до 100 микрограммов на 100 мл крови. При этом развивается анемия, поражаются кроветворная система, почки и мозг, снижается интеллект. Признак хронического отравления - серая кайма на деснах, расстройство нервной системы. Особенно опасен свинец для детей, так как он вызывает задержку в развитии. В то же время десятки миллионов детей во всем мире в возрасте до 6 лет имеют свинцовое отравление; основная причина - попадание в рот краски, содержащей свинец. Антидотом при отравлении может служить кальциевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты. В отравленном организме происходит замещение кальция на ионы свинца, которые удерживаются в этой соли очень прочно и в таком виде выводятся.
Свинец легко может попасть в организм с питьевой водой, если она соприкасалась с металлом: в присутствии углекислого газа в раствор медленно переходит растворимый гидрокарбонат Pb(HCO3)2. В Древнем Риме, где для подачи воды использовали свинцовые трубы, такое отравление было весьма распространенным, на что указывают анализы останков римлян. Причем отравлялись, в основном, богатые римляне, пользовавшиеся водопроводом, хранившие вино, оливковое масло и другие продукты в освинцованных сосудах, использовавшие содержащие свинец косметические средства. Достаточно, чтобы в литре воды был всего один миллиграмм свинца - и питье такой воды становится очень опасным. Это количество свинца так малó, что не изменяет ни запаха, ни вкуса воды, и только точные современные приборы могут его обнаружить.
Свинцовым отравлением некоторые историки объясняют и болезненность ряда русских царей. В 1633 в московском Кремле закончили строительство водопровода. Вода в него поступала из колодца в нижнем этаже Свибловой башни, стоявшей на слиянии Неглинной и Москвы-реки. Воду из колодца качали при помощи подъемной машины - взвода (с тех пор эта кремлевская башня называется Водовзводной). Машину приводили в движение лошади. Воду закачивали в большой бак, а оттуда вода сама по трубам текла на царскую кухню, в сады, другие места. Трубы были изготовлены из свинца; бак для воды изнутри тоже был выложен свинцовыми листами, чтобы вода из него не просачивалась в щели. Особенно много свинца накапливалось в воде за ночь, после ее неподвижного стояния в свинцовом баке и трубах.
Кремлевский «свинцовый водопровод» работал чуть больше 100 лет - его уничтожил пожар 1737. И в период действия этого водопровода русские цари жили меньше обычного. Так, царь и великий князь Иван V Алексеевич, сын царя Алексея Михайловича и первой жены его, Милославской, прожил всего 29 лет. Незадолго до смерти он выглядел дряхлым стариком. С детства он был, как писали тогда, «слабый и болезненный, немощен телом и рассудком, заикался, скорбен головою, страдал цингою и глазною болезнью». Из шести братьев царя пятеро не дожили до 20 лет. Некоторые ученые считают, что это последствия свинцового отравления. А вот шестой брат, Петр Алексеевич, будущий Петр I, избежал отравления - детство и отрочество он провел не в Кремле, а в подмосковных селах. Да и позднее он мало бывал в Кремле - много воевал, путешествовал по Европе, а потом и вовсе перенес столицу на берега Невы. Кстати, первый водопровод в Петербурге, который давал воду для дворцов и фонтанов Летнего сада, был деревянным. Его трубы были сделаны из бревен с просверленными в них отверстиями. Свинец же Петр использовал в военных целях - для отливки пуль.
А вот как пишут о свинцовом отравлении современные медицинские справочники: вялость, апатия, потеря памяти, раннее слабоумие, ослабление зрения, больные выглядят старше своих лет. Удивительно напоминает старинное описание царя Ивана Алексеевича!
Травились когда-то не только «свинцовой водой». Свинец широко использовали при изготовлении посуды (свинцовая глазурь), свинцовых белил, которыми окрашивали стены домов. Сейчас такое применение свинца строжайше запрещено. Белила, например, делают цинковые или титановые. Тем не менее у жителей промышленно развитых стран свинца в организме больше, чем у жителей отсталых и развивающихся стран, а у городских жителей больше, чем у сельских. Разница может быть огромной - в сотни раз.
Свинцовое загрязнение приобрело в 20 в. глобальный характер. Даже в снегах Гренландии его содержание за сто лет увеличилось в пять раз, а в центрах крупных городов в почве и растениях свинца в 25 раз больше, чем на окраинах! Загрязнение свинцом наблюдается в районах его добычи, а также в местах переработки и автострад, особенно если еще используется этилированный бензин. Немало свинца оседает на дне озер в виде охотничьей дроби. Каждый год в Мировой океан со сточными водами попадает более полумиллиона тонн этого ядовитого металла. А кто не видел выброшенные в мусорные ящики, а то и просто в канавы отработанные аккумуляторы! Пока свинец дешев, собирание и переработка его отходов невыгодна. Малая растворимость большинства соединений свинца, к счастью, не позволяет ему накапливаться в значительных количествах в воде. В водах Мирового океана его содержится в среднем 0,03 мкг/л (3·10-9%). Мало в среднем свинца и в живом веществе - 10-4%.
Применение свинца. Несмотря на ядовитость свинца, отказаться от него невозможно. Свинец дешев - вдвое дешевле алюминия, в 11 раз дешевле олова. После того как в 1859 французский физик Гастон Планте изобрел свинцовый аккумулятор, для изготовления аккумуляторных пластин с тех пор израсходовали миллионы тонн свинца; в настоящее время на эти цели уходит в ряде стран до 75% всего добываемого свинца! Постепенно снижается применение свинца для изготовления очень ядовитого антидетонатора - тетраэтилсвинца. Способность тетраэтилсвинца улучшать качество бензина было открыто группой молодых американских инженеров в 1922; в своих поисках они руководствовались периодической таблицей элементов, планомерно приближаясь к наиболее эффективному средству. С тех пор производство тетраэтилсвинца непрерывно росло; максимум приходится на конец 1960-х, когда только в США ежегодно с выхлопами выбрасывались сотни тысяч тонн свинца - по килограмму на каждого жителя! В последние годы применение этилированного бензина запрещено во многих регионах, и его производство снижается.
Мягкий и пластичный свинец, не ржавеющий в присутствии влаги, - незаменимый материал для изготовления оболочек электрических кабелей; на эти цели в мире расходуется до 20% свинца. Малоактивный свинец используют для изготовления кислотоупорной аппаратуры для химической промышленности, например, для облицовки реакторов, в которых получают соляную и серную кислоты. Тяжелый свинец хорошо задерживает губительные для человека излучения и потому свинцовые экраны используются для защиты работников рентгеновских кабинетов, в свинцовых контейнерах хранят и перевозят радиоактивные препараты. Свинец содержат также подшипниковые сплавы баббиты, «мягкие» припои (самый известный - «третник» - сплав свинца с оловом).
В строительстве свинец используют для уплотнения швов и создания сейсмостойких фундаментов. В военной технике - для изготовления шрапнели и сердечников пуль.
Илья Леенсон
ЛИТЕРАТУРА
A History of Technology. Vol. I - V. Oxford: Clarendon Press, 1956-1958
Chisolm J.J. Lead Poisoning. Scientific American, 1971, February
Свинец. Женева: изд-воООНиВОЗ, 1980
ПолянскийН.Г. Свинец. М., «Наука», 1986
Давыдова С.Л., Пименов Ю.Т., Милаева Е.Р. Ртуть, олово, свинец и их органические производные в окружающей среде. Астрахань, 2001
От проклятия римской империи до храма Христа спасителя Этот серый металл оставил неоднозначный след в человеческой истории.
Свинцовый
водопровод
древнего Рима
принес Вечному городу изобилие воды – но и погубил его спустя столетия. В древней Греции мифический беллерофонт куском свинца
победил ужасную химеру – но и в наши дни вихри свинцовых
пуль косят на полях сражений солдат, заставляя забыть о химерах свободы, равенства и братства. инквизиторы Средневековья пытали и казнили расплавленным свинцом
– но свинцовые
типографские литеры на книжных страницах несли человеку новые знания и надежду на свободу… Свинец
выплавляется из руды легче легкого, но из-за своей исключительной мягкости этому металлу не суждено было конкурировать за внимание человека с медью, бронзой и железом – ни в оружии, ни в орудиях труда. Неудивительно, что вплоть до эпохи Древнего Рима
применение его было очень ограниченным. Впрочем, начали понемногу использовать в Древнем Египте и Малой Азии уже с седьмого тысячелетия до нашей эры – но разве что для изготовления ювелирных украшений, печатей, статуэток и ритуальных фигурок. Затем, с VII–VI века до н.э., его для тех же целей освоили и в Древней Греции – где ему приписывались и некие чудесные свойства.
Например, оседлавший крылатого Пегаса мифический герой Беллерофонт во время схватки с Химерой изловчился и забросил в пасть огнедышащей твари слиток свинца – расплавившись в огненном дыхании бестии, сжег ей внутренности. Греки считали, что этот металл защищает от злого колдовства, и носили на груди тонкие свинцовые пластинки. Свинец применяли для изготовления красок и даже писали на свинцовых дощечках письма.
Ну а в Риме ценили как прекрасный кровельный материал, использовали его как дополнение к каменной кладке, делали из него водосточные желоба и цистерны-водохранилища. Ярким символом самой могущественной империи Древнего мира и свидетельством высочайшего уровня инженерного и строительного искусства стали акведуки «сработанного еще рабами Рима » водопровода .
Римское производство труб хорошо известно – его описал в своих трактатах архитектор второй половины I века до н.э. Марк Витрувий Поллион, занимавшийся в числе прочего водопроводами и акведуками. Обычно наружный диаметр труб составлял 25–27 см при толщине стенок 3–5 см. Делали их из литых свинцовых листов – сначала изгибали их на деревянном сердечнике, затем боковые края соединяли, а сердечник вытаскивали. Боковой шов запаивали сплавом свинца и олова – при этом соединение могло быть и встык, и внахлест. Такие трубы получались овальными или грушевидными в сечении. Витрувий полагал наиболее целесообразным изготовление труб длиной не меньше 3 метров – такие трубы со стенками в 35 мм выдерживали давление до 10 атмосфер. После укладки трубы обычно замуровывали в каменную кладку, чтобы гарантировать их герметичность.
Легендарный водопровод дал Риму водяное изобилие и невиданные удобства – но как раз трубы водопровода принесли Вечному городу смерть. Не ведающие жалости парки – римские богини судьбы – с усмешкой определили, что одной из главных причин гибели Римской империи станет . Именно из свинца делались трубы римских водопроводов , свинцовыми были кубки, бутыли, чаши, и даже косметические краски готовились с использованием свинца . Римляне и вино предпочитали хранить в свинцовых сосудах – способствовал консервации и придавал вину сладкий вкус. А ведь все растворимые соединения свинца ядовиты!
Вода, что текла по водопроводам в Рим , была богата углекислым газом – а он в реакции со свинцом образовывал кислый углекислый , хорошо растворимый в воде. Поступая затем в организм человека, накапливался в нем и вызывал хроническое отравление римской знати – со всеми вытекающими последствиями. Во времена заката Рима , в первые века нашей эры, продолжительность жизни знатных римлян обычно не превышала 25–27 лет, а многие императоры страдали заболеваниями психики. И это касалось не только утопавших в роскоши патрициев – водопроводом пользовались все, от рабов до императорского семейства. Римляне болели и вымирали, и великая империя умирала вместе с ними. Разумеется, погубило Рим не одно лишь свинцовое изобилие, закат и гибель империи вызвали многие другие объективные причины – но в скелетах римлян, найденных при раскопках, ученые неизменно обнаруживали высочайшее содержание свинца … Но одним римским водопроводом «работа» свинца в Древнем мире не исчерпывалась. Конечно, все слышали о Висячих садах Семирамиды – одном из семи чудес света. Находились эти сады в Вавилоне, на территории нынешнего Ирака, и назывались вообще-то Висячими садами Амитис – так на самом деле звали жену вавилонского владыки Навуходоносора, ради которой он в VI веке до н.э. сады и построил. Немыслимое для месопотамских пустынь буйство вознесенной ввысь растительности стало возможным лишь благодаря сложнейшей системе гидравлических сооружений, при строительстве которых использовались гигантские количества свинца .
Да и российские примеры долго искать не придется – всем известная Водовзводная башня Московского Кремля, когда ее построили в 1488 году, называлась по-другому – Свибловой башней, по фамилии бояр, двор которых примыкал к башне.
А нынешнее название она получила только в 1633-м, после того как на ней установили водоподъемную машину и огромный резервуар для воды, выложенный свинцовыми листами. Машина закачивала наверх, в резервуар, воду из Москвы-реки, а оттуда она самотеком шла в «государев Сытный и Кормовой дворец» и кремлевские сады – разумеется, по свинцовым трубам .
Общие сведения и история открытия свинца
Свинец (англ. Lead, франц. Plomb, нем. Blei) известен с III - II тысячелетия до н.э. в Месопотамии, Египте и других древних странах, где из него изготовляли большие кирпичи (чушки), статуи богов и царей, печати и различные предметы быта. Из свинца делали бронзу, а также таблички для письма острым твердым предметом. В более позднее время римляне стали изготовлять из свинца трубы для водопроводов. В древности свинец сопоставлялся с планетой Сатурн и часто именовался сатурном. В средние века благодаря своему тяжелому весу свинец играл особую роль в алхимических операциях, ему приписывали способность легко превращаться в золото. Вплоть до XVII в. свинец нередко путали с оловом. На древнеславянских языках он именовался оловом; это название сохранилось в современном чешском языке (Olovo).
Древнегреческое название свинца, вероятно, связано с какой-либо местностью. Некоторые филологи сопоставляют греческое название с латинским Plumbum и утверждают, что последнее слово образовалось из mlumbum. Другие указывают, что оба эти названия произошли от санскритского bahu-mala (очень грязный); в XVII в. различали Plumbum album (белый свинец, т. е. олово) и Plumbum nigrum (черный свинец). В алхимической литературе свинец имел множество названий, часть которых принадлежала к тайным. Греческое название алхимики иногда переводили как plumbago - свинцовая руда. Немецкое Blei обычно производят не от лат. Plumbum, несмотря на явное созвучие, а от древнегерманского blio (bliw) и связанного с ним литовского bleivas (свет, ясный), но это мало достоверно. С названием Blei связано англ. Lead и датское Lood.
Свинец (Plumbum) Рb - элемент IV группы 6-го периода периодической системы Д. И. Менделеева, номер 82, атомная масса 207,19.
Самородный свинец встречается редко, наиболее важный минерал - галенит (свинцовый блеск) PbS. Свинец - мягкий, ковкий и пластичный металл серого цвета. На воздухе быстро покрывается тонким слоем окиси, защищающим его от дальнейшего окисления. В электрохимическом ряду напряжений свинец стоит непосредственно перед водородом. Проявляет валентность 2+, а также 4+. Соединения четырехвалентного свинца значительно менее стойки. Разбавленная соляная и серная кислоты почти не действуют на свинец вследствие малой растворимости PbCl 2 и PbS0 4 . Легко растворяется в азотной кислоте. Свинец так же как и гидроокись его, растворяется в щелочах, при этом образуются плюмбит-ионы. Все растворимые соединения свинца ядовиты. С крепкой серной кислотой (при концентрации более 80%) свинец реагирует с образованием растворимого гидросульфата Pb(HSO 4) 2 , а в горячей концентрированной соляной кислоте растворение сопровождается образованием комплексного хлорида H 4 PbCl 6 .
В присутствии кислорода свинец растворяется также в ряде органических кислот. При действии уксусной кислоты образуется легкорастворимый ацетат Pb(CH 2 COO) 2 (старинное название – «свинцовый сахар»). Свинец заметно растворим также в муравьиной, лимонной и винной кислотах. Растворимость свинца в органических кислотах могло раньше приводить к отравлениям, если пищу готовили в посуде, луженной или паянной свинцовым припоем.
Растворимые соли свинца (нитрат и ацетат) в воде гидролизуются:
Pb(NO 3) 2 + H 2 O = Pb(OH)NO 3 + HNO 3
При нагревании свинец реагирует с кислородом, серой и галогенами. Так, в реакции с хлором образуется тетрахлорид PbCl 4 – желтая жидкость, дымящая на воздухе из-за гидролиза, а при нагревании разлагающаяся на PbCl 2 и Cl 2 . (Галогениды PbBr 4 и PbI 4 не существуют, так как Pb(IV) – сильный окислитель, который окислил бы бромид- и иодид-анионы.) Тонкоизмельченный свинец обладает пирофорными свойствами – вспыхивает на воздухе. При продолжительном нагревании расплавленного свинца он постепенно переходит сначала в желтый оксид PbO (свинцовый глет), а затем (при хорошем доступе воздуха) – в красный сурик Pb 3 O 4 или 2PbO·PbO 2 . Это соединение можно рассматривать также как свинцовую соль ортосвинцовой кислоты Pb 2 . С помощью сильных окислителей, например, хлорной извести, соединения свинца(II) можно окислить до диоксида:
Pb(CH 3 COO) 2 + Ca(ClO)Cl + H 2 O = PbO 2 + CaCl 2 + 2CH 3 COOH.
Диоксид образуется также при обработке сурика азотной кислотой:
Pb 3 O 4 + 4HNO 3 = PbO 2 + 2Pb(NO 3) 2 + 2H 2 O.
Если сильно нагревать коричневый диоксид, то при температуре около 300° С он превратится в оранжевый Pb 2 O 3 (PbO·PbO 2), при 400°С – в красный Pb 3 O 4 , а выше 530° С – в желтый PbO (разложение сопровождается выделением кислорода).
Органические производные свинца – бесцветные очень ядовитые жидкости. Один из методов их синтеза – действие алкилгалогенидов на сплав свинца с натрием:
4C 2 H 5 Cl + 4PbNa = (C 2 H 5) 4 Pb + 4NaCl + 3Pb
Действием газообразного HCl можно отщеплять от тетразамещенных свинца один алкильный радикал за другим, заменяя их на хлор. Соединения R 4 Pb разлагаются при нагревании с образованием тонкой пленки чистого металла. Такое разложение тетраметилсвинца было использовано для определения времени жизни свободных радикалов.
Минералогия свинца
Минералов, содержащих в том или ином количестве свинец, более 150. Главнейшее же промышленное значение имеют лишь галенит и церуссит.
Галенит - самый распространенный минерал свинца. Его химическая формула PbS. В качестве примесей он часто содержит серебро, висмут, сурьму, мышьяк и некоторые другие элементы. Разновидности галенита - селенистый галенит (галенит с примесями селена), свинчак - сплошной тонкозернистый галенит.
Рис.1. Галенит
Галенит является главнейшим первичным минералом свинца. В земной коре он чаще всего образуется при осаждении из горячих водных растворов (флюидов). На поверхности галенит под действием воздуха и воды разлагается (химически выветривается). В результате за счет галенита образуются другие минералы: карбонаты - церуссит и англезит, окислы - глет и сурик, фосфаты и аналогичные фосфатам химически природные арсенаты и ванадаты - пироморфит, ванадинит, миметезит и некоторые другие.
Церуссит (PbCO 3.) после галенита является важнейшей свинцовой рудой. Минерал обычно встречается в виде сплошных, реже зернистых масс белого, грязно-серого или серого цвета. Церуссит - типичный экзогенный минерал, возникающий в зоне окисления свинцовых месторождений, причем здесь он образует псевдоморфозы по галениту, англезиту и другим свинцовым минералам. По церусситу известны псевдоморфозы пироморфита, глета (РbО).
Пироморфит Pb 5 3 Cl. Пироморфит - типичный экзогенный минерал, возникающий в зоне окисления свинцовых месторождений. Здесь он часто образует псевдоморфозы по галениту, причем замещение начинается во внутренних частях кристаллов. Наблюдаются также псевдоморфозы пироморфита по церусситу.
Англезит Pb. Англезит является типичным экзогенным минералом, возникающим за счет взаимодействия поверхностных растворов с первичными свинцовыми рудами, чаще всего с галенитом, по такой реакции:
PbS + 2O 2 = PbSO 4 .
Этот минерал присутствует главным образом в верхних горизонтах свинцовых месторождений. Известны очень редкие находки англезита гидротермального происхождения. Бурнонит PbCuSbS 3. Бурнонит возникает гидротермальным путем и наблюдается в полиметаллических жилах в тесной ассоциации с блеклыми рудами, галенитом, а также с сульфоантимонидами свинца - джемсонитом и буланжеритом. Часто он встречается на контакте тетраэдрита и галенита, где, вероятно, является реакционным образованием. Джемсонит - редкий минерал. Он встречается в гидротермальных полиметаллических месторождениях в ассоциации с галенитом, кварцем и различными сульфоантимонидами.
Промышленные месторождения свинца
1) Скарны.
2) Метосоматические залежи полиметаллических руд в эффузивноосадочных породах.
3) Пластовые месторождения в карбонатных толщах.
4) Пластообразные и линзообразные залежи колчеданных руд в эффузивах.
5) Кварцево-сульфидные жилы преимущественно в гранитоидах.
Извлечение и применение свинца
Для извлечения свинца из твердых материалов можно применять различные методы, в том числе и гидрометаллургические. Выбор метода переработки всегда обусловлен составом исходного материала. Так, для извлечения свинца из медно-свинцового материала применяют щелочной раствор гипохлорита, содержащий 80 – 100 г/л едкой щелочи и 10 – 40 г/л хлора. Недостатками указанного способа являются загрязнение раствора ионами хлора и сложность регенерации реагента. Известен также метод селективного отделения свинца от меди при равном их содержании в концентрате (≈ 11 – 12%). Обожженный медно-свинцовый материал выщелачивают раствором едкого натра при 70 – 100 о С. Однако в этих условиях в раствор переходит часть меди, и для ее удаления пульпу охлаждают до 20 – 40 о С и вводят в нее порошок металлического свинца.
Материалы, содержащие мышьяк, серу и тяжелые цветные металлы, представляющие собой возгоны, пыли, шлаки и другие промышленные полупродукты, обрабатывают раствором кальцинированной соды при 35 – 45 о С и рН 7,5 – 8,0. Полученную пульпку фильтруют и из фильтрата выделяют сульфат натрия, а кек выщелачивают в темифатурном интервале 95 – 100 о С с оборотным раствором, содержащим 90 – 100 г/л NaOH и не более 10 г/л Na 2 СО 3 . После фильтрования пульпы металлы выделяют карбонизацией углекислым газом. Процесс многостадиен, продолжителен, энергоемок и не дает восстановленного металла.
Рис.2. Джемсонит
Известны также методы извлечения свинца из рудных материалов сплавлением их со щелочами при температуре 365 – 450 о С. При этом свинец превращается в твердые плюмбиты. Далее сплавленный материал восстанавливают в электропечах, возможна также дополнительная продувка восстанавливающим газом
В средние века крыши церквей и дворцов нередко покрывали свинцовыми пластинами, устойчивыми к атмосферным влияниям. Когда появилось огнестрельное оружие, большие количества свинца пошли для изготовления пуль и дроби. Из соединений свинца с древних времен использовали свинцовый сурик Pb 3 O 4 и основной карбонат свинца (свинцовые белила) в качестве красной и белой краски. Почти все картины старых мастеров писаны красками, приготовленными на основе свинцовых белил.
В настоящее время ядовитые свинцовые белила заменены более дорогими, но безвредными титановыми. Ограниченное применение (например, в качестве пигментов для художественных масляных красок) имеют пигменты, содержащих свинец: свинцовый крон лимонный 2PbCrO 4 *PbSO 4 , свинцовый крон желтый 13PbCrO 4 *PbSO 4 , красного цвета свинцово-молибдатный крон 7PbCrO 4 *PbSO 4 *PbMoO 4 .
До 45% свинца от общего потребления идет на производство электродов, аккумуляторов; до 20%-на изготовление проводов и кабелей и покрытий к ним; 5-20% С - на производство тетраэтилсвинца. Свинец используют для изготовления футеровки, труб и аппаратуры в химической промышленности. Применяют сплавы свинца с Sn, Са, содержащие Sb, Cu, As, Cd. В строительстве свинец используют в качестве изоляции, уплотнителя швов, стыков, в том числе 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.
Геохимия свинца
Природный свинец состоит из пяти стабильных изотопов: 202 Рb (следы), 204 Рb (1,5%), 206 Рb (23,6%), 207 Рb (22,6%) и 208 Рb (52,3%). Последние три изотопа - конечные продукты радиоактивного распада соотв. U, Ас и Th. В природе образуются и радиоактивные изотопы: 209 Рb, 210 Рb, 211 Рb, 212 Рb, 214 Рb.
Ионные радиусы: Рb 4+ 0,079, 0,092; Рb 2+ 0,112, 0,133.
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. По классификации Гольдшмидта свинец принадлежит к халькофильным элементам. Обладает 18-электронной оболочкой. Для свинца главным фактором механической миграции, вероятно, является сорбция глинами. Свинец – амфотерный элемент – катиогенный и аниогенный (в том числе образует комплексные анионы). Он участвует как окислитель и восстановитель не играющий существенной роли в окислительно-восстановительных реакциях (главным образом из-за низких кларков и малой способностью к концентрации). Для Рb в сильнощелочных водах возможны комплексные анионы НРbО 2 -, а в термальных водах - тиосульфатные комплексы типа 4 -, °, 2 .
Перенос Рb происходит в основном в водных растворах в эндогенных условиях с участием S 2 и Сl. Только в зоне окисления свинцовых месторождений, где в воде повышается концентрация РЬ 2+ , может образоваться англезит (PbSO 4), a PbS может возникнуть почти везде, где имеется ион S 2 -. Подтверждением этому служат находки галенита и сфалерита в угольных залежах, в которых трудно предположить высокие концентрации Рb 2+ и Zn 2+ в питающих водах.
Свинец является стабильным продуктом распада главных и естественных радиоактивных элементов в земной коре. Газообразные соединения свинца находятся только в глубоких частях земной коры (гидротермальных, метаморфических и магматических системах). Имеет среднюю интенсивность концентрации.
Анализ газово-жидких включений, изучение состава гидротермальных минералов, термодинамические расчеты свидетельствуют о большом разнообразии ионов гидротерм. Для свинца - РbСl+, PbF+, Pb (OH)+, 3 - , PbHS+, 4
Гидротермальные системы – основной источник свинца. Интенсивность миграций свинца – слабая или средняя. Свинец – элемент среднего биологического захвата. Типы геохимических барьеров свинца: сульфидный, щелочной, испарительный, сорбционный и термодинамический. Свинец мигрирует в кислых и щелочных водах окислительной обстановки. Биофильность (биогенная миграция)- 6*10 -1
Техногенная миграция. Среди других отраслей наиболее неблагополучными по РЬ являются предприятия цветной металлургии (особенно по производству Pb, Zn, Си, А1 и др.), машиностроения, металлообработки, строительной, печатной, химической, электротехнической промышленности, коммунального хозяйства и т.д. Среди них в пылях предприятий первых шести отраслей промышленности коэффициенты концентрации Рb наиболее велики и составляют n*100, в остальных п – n*10. свинец один из элементов-загрязнителей «страшной троицы», в которую входят также Hg и Cd.
Наиболее значительно воздействие 210 Рb для населения районов Крайнего Севера.
В почвах ПДК свинца составляет 20мг/кг, с учётом фона – 6мг/кг (растворимого) и 32 мг\кг (валового).
В зонах влияния высокосвинцовых производств (завод цветных металлов), по И. Л. Борисенко (1993 г.), РЬ в основном накапливается в почвах, так как имеет в них низкую подвижность. Воздух имеет эталон частоты по Pb 0,19-1,2 нг\м 3 .
В биосфере концентрации Рb в основном связаны с техногенезом, имеют четкую тенденцию к быстрому увеличению во времени - в современных почвах, атмосфере и водных источниках в районах промышленных и городских агломераций они на порядок выше. Опасность свинца для человека определяется его значительной токсичностью и способностью накапливаться в организме. Различные соединения свинца обладают разной токсичностью: малотоксичен стеарат свинца; токсичны соли неорганических кислот (хлорид свинца, сульфат свинца и другие). В организм человека большая часть свинца поступает с продуктами питания (от 40 до 70% в разных странах и по различным возрастным группам), а также с питьевой водой, атмосферным воздухом, при курении, при случайном попадании в пищевод кусочков свинецсодержащей краски или загрязненной свинцом почвы.
В продовольственное сырье и пищевые продукты свинец может поступать из почвы, воды, воздуха, кормов сельскохозяйственных животных по ходу пищевой цепи. Кроме того, определенное значение имеет и возможность прямого загрязнения при производстве готовых изделий. Наиболее высокие уровни содержания свинца отмечаются в консервах в жестяной таре, рыбе свежей и мороженной, пшеничных отрубях, желатине, моллюсках и ракообразных. Высокое содержание свинца наблюдается в корнеплодах и других растительных продуктах, выращенных на землях вблизи промышленных районов и вдоль дорог.
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.
Свинцовая статуя Святого Мартина в Братиславе
Свинец - это металл, который был известен еще в древние времена. Человек использует его со 2-3 тыс. до нашей эры, и впервые он был открыт в Месопотамии. Там из свинца делали небольшие кирпичи, статуэтки, разнообразные бытовые предметы. Уже тогда люди получали с помощью этого элемента бронзу, а также изготавливали из этого для письма острыми предметами.
Какой цвет имеет металл?
Он является элементом IV группы 6 периода таблицы Менделеева, где он имеет порядковый номер 82. Что такое свинец в природе? Это чаще всего встречающийся галенит, формула которого - PbS. Иначе галенит называется свинцовым блеском. Чистый элемент является мягким и ковким металлом грязно-серого цвета. На воздухе его срез быстро покрывается небольшим слоем окиси. Оксиды надежно защищают металл от дальнейшего окисления как во влажной, так и в сухой среде. Если же металлическую поверхность, покрытую оксидами, очистить, она приобретет блестящий оттенок с синим отливом. Такую очистку можно произвести, если перелить свинец в вакууме и запаять его в вакуумную колбу.
Взаимодействие с кислотами
Серная и соляная кислоты действуют на свинец очень слабо, но зато металл легко растворяется в азотной кислоте. Все химические соединения металла, которые могут быть растворимыми, являются ядовитыми. Его получают, главным образом, из руд: сначала свинцовый блеск обжигается до перехода в окись свинца, а затем это вещество восстанавливают при помощи угля до чистого металла.
Общие свойства элемента
Плотность свинца составляет 11,34 г/см 3 . Это в 1,5 раза больше, чем плотность железа и в четыре раза больше, чем у легкого алюминия. Неспроста в русском языке слово «свинцовый» является синонимом слова «тяжелый». Плавление свинца происходит при температуре 327,5 о С. Летучим становится металл уже при температуре окружающей среды в 700 С°. Эта информация очень важна для тех, кто работает в сфере добывания этого металла. Его очень легко поцарапать даже ногтем, его легко прокатать в тонкие листы. Это очень мягкий металл.
Взаимодействие с другими металлами, нагревание
Удельная теплоемкость свинца равна 140 Дж/кг. По своим химическим свойствам это малоактивный металл. В ряду напряжений он расположен перед водородом. Из своих солей свинец легко вытесняется другими металлами. Например, можно провести опыт: опустить палочку из цинка в раствор ацетата этого элемента. Тогда он осядет на цинковой палочке в виде пушистых кристаллов, которые химики называют «сатурновым деревом». Сколько удельная теплоемкость свинца равна? Что это означает? Этот показатель - 140 Дж/кг. А значит он следующее: чтобы нагреть килограмм металла на 1 о С, требуется 140 Джоулей тепла.
Распространение в природе
Этого металла не так уж и много в земной коре - всего лишь 0,0016% по массе. Однако даже эта величина показывает, что он больше распространен, чем ртуть, висмут и золото. Ученые связывают это с тем, что различные свинцовые изотопы представляют собой продукты распада тория и урана, поэтому содержание свинца в земной коре медленно увеличивалось в течение миллионов лет. В настоящий момент известно множество свинцовых руд - это уже указанный галенит, а также результаты его химических перевоплощений.
В последние входят свинцовый купорос, церуссит (другое название - белая миметит, штольцит. В рудах также содержатся другие металлы - кадмий, медь, цинк, серебро, висмут. Там, где залегают руды из свинца, этим металлом насыщается не только почва, но и водоемы, растения. Что такое свинец в природе? Это всегда его определенное соединение. А также этот металл содержится в рудах радиоактивных металлов - урана и тория.
Тяжелый металл в промышленности
Самым используемым в промышленности является соединение свинца и олова. Обыкновенный припой под названием «третник» широко используется для соединений трубопроводов и электрических проводов. Это соединение содержит в себе одну часть свинца и две части олова. Оболочки для телефонных кабелей, части аккумуляторов также могут содержать в себе свинец. Температура плавления некоторых его соединений является очень низкой - например, сплавы с кадмием или оловом плавятся при 70 о С. Из таких соединений изготавливают противопожарное оборудование. Широко используются сплавы металла в судостроении. Они обычно окрашены в светло-серый цвет. Суда часто покрывают сплавами из олова и свинца для защиты от коррозии.
Значение для людей прошлого и применение
Римляне использовали этот металл для изготовления труб в трубопроводах. Свинец в древние времена ассоциировался у людей с планетой Сатурн, и поэтому раньше его и называли сатурном. В средневековье благодаря своему тяжелому весу металл часто использовали для алхимических опытов. Ему нередко приписывали способность превращаться в золото. Свинец - это металл, который очень часто путали с оловом, что продолжалось вплоть до 17 века. А на древнеславянских языках он и носил это название.
Оно дошло и до современного чешского языка, где этот тяжелый металл называют olovo. Некоторые специалисты в области языкознания считают, что название Plumbum связано с определенной греческой местностью. Русское происхождение слова «свинец» для ученых пока неясно. Некоторые лингвисты связывают его с литовским словом «scwinas».
Традиционное применение свинца в истории - это изготовление пуль, оружейной дроби, и других различных снарядов. Его использовали из-за дешевизны и низкой температуры плавления. Раньше при изготовлении оружейной дроби в металл добавляли небольшое количество мышьяка.
Использовался свинец и в Древнем Египте. Из него изготавливали строительные блоки, статуи знатных людей, во всю чеканили монеты. Египтяне были уверены, что свинец обладает особой энергетикой. Они делали из него небольшие пластинки и пользовались ими для защиты от недоброжелателей. А древние римляне не только делали водопроводные трубы. Они еще и производили из этого металла косметику, даже не подозревая, что сами себе подписывают этим смертный приговор. Ведь, попадая в организм каждый день, свинец вызывал серьезные заболевания.
А как насчет современной окружающей среды?
Есть такие вещества, которые убивают человечество медленно, но верно. И это относится не только к непросвещенным предкам древности. Источники токсичного свинца сегодня - это дым сигарет, городская пыль жилых домов. Опасность несут также пары лакокрасочных материалов. Но самый большой вред несут выхлопные газы автомобилей, в большом количестве содержащие свинец.
Но в зоне риска находятся не только жители мегаполисов, но и те, кто живет в деревнях. Здесь металл может накапливаться в почвах, затем попадать в состав фруктов и овощей. В результате человек более трети свинца получает через пищу. В этом случае противоядием могут послужить только мощные антиоксиданты: магний, кальций, селен, витамины А, С. Если их употреблять регулярно, можно надежно обезвредить себя от вредного действия металла.
Вред
Каждый школьник знает, что такое свинец. Но не все взрослые способны ответить на вопрос о том, в чем заключается его вред. Частицы его попадают в организм через дыхательную систему. Далее он начинает взаимодействовать с кровью, вступая в реакции с различными частями организма. Больше всего от этого страдает опорно-двигательный аппарат. Здесь оказывается 95% всего потребленного человеком свинца.
Высокий уровень содержания его в организме приводит к отставанию в умственном развитии, а у взрослых он проявляется в виде депрессивных симптомов. Об избытке свидетельствует рассеянность, утомляемость. Страдает и кишечник - из-за свинца часто могут возникать спазмы. Этот тяжелый металл также негативно воздействует и на репродуктивную систему. Женщинам становится трудно выносить плод, а у мужчин могут наблюдаться проблемы с качеством спермы. Также он очень опасен для почек. По некоторым исследованиям, он способен вызвать злокачественные опухоли. Однако в количестве, не превышающем 1 мг, свинец может быть полезен для организма. Ученые выяснили, что этот металл может оказывать бактерицидное действие на органы зрения - однако следует помнить, что такое свинец и использовать его только в дозах, не превышающих допустимые.
В качестве заключения
Как уже было сказано, в древности покровителем этого металла считалась планета Сатурн. Но Сатурн в астрологии - это образ одиночества, печали и тяжелой судьбы. Не поэтому ли свинец - не самый лучший спутник для человека? Возможно, ему не стоит навязывать свое общество, как интуитивно предполагали древние, называя свинец сатурном. Ведь вред для организма от этого металла может быть непоправимым.