Свинец

Свинец — это химический элемент 14-й группы (по устаревшей классификации — IV группы главной подгруппы) шестого периода периодической системы Д. И. Менделеева, с атомным номером 82. Обозначается символом Pb (от лат. Plumbum). Простое вещество свинец представляет собой ковкий, сравнительно легкоплавкий металл серо-голубоватого цвета. Свинец известен человечеству с глубокой древности и широко применяется в промышленности, однако обладает высокой токсичностью для человека и окружающей среды.

История

Свинец — один из первых металлов, освоенных человеком. Благодаря низкой температуре плавления (327,5 °C) и доступности руд (в первую очередь галенита — PbS) его выплавляли уже в эпоху неолита. Древнейшие известные свинцовые изделия (бусины, подвески) датируются VII—VI тысячелетиями до н. э. и найдены на территории Малой Азии (современная Турция). В Древнем Египте свинец использовали для изготовления амулетов, косметики (сурьмы) и при пайке металлических изделий. Древние римляне применяли свинец в огромных масштабах: из него делали водопроводные трубы (отсюда латинское название plumbum, давшее слово «пломба»), посуду, кровельные покрытия, а также использовали для изготовления свинцовых белил и подсластителя вина (сатурновый сахар — ацетат свинца). Массовое отравление свинцом, по мнению ряда историков, могло способствовать упадку Римской империи.

В Средние века свинец применяли для кровли соборов и замков, изготовления пуль и дроби, а также в алхимии, где его связывали с планетой Сатурн. Алхимики считали свинец «несовершенным» металлом, который можно превратить в золото. С развитием химии в XVIII—XIX веках были открыты многие соединения свинца, а сам металл стал незаменимым в промышленности: для производства аккумуляторов, кабельных оболочек, типографских сплавов (гарт), красок (свинцовые белила, сурик) и бензиновых присадок (тетраэтилсвинец). В XX веке, после выявления массовых случаев отравления, началось активное вытеснение свинца из бытовых сфер (краски, водопровод, топливо).

Физические и химические свойства

Физические свойства

Свинец — тяжелый (плотность 11,34 г/см³), мягкий (твёрдость по Моосу 1,5) и пластичный металл. Он легко режется ножом, царапается ногтем и хорошо куётся. Температура плавления — 327,5 °C, кипения — 1749 °C. Свинец обладает низкой теплопроводностью и высокой коррозионной стойкостью благодаря образованию на поверхности защитной оксидной плёнки. Он является хорошим поглотителем гамма-излучения и рентгеновских лучей, что обуславливает его применение в радиационной защите.

Химические свойства

Свинец проявляет степени окисления +2 и +4. На воздухе он быстро покрывается тонкой плёнкой оксида PbO, предохраняющей металл от дальнейшего окисления. С водой в отсутствие кислорода свинец не реагирует, но в присутствии кислорода и углекислого газа медленно разрушается с образованием основного карбоната свинца (Pb₃(OH)₂(CO₃)₂). Свинец реагирует с разбавленными азотной и уксусной кислотами, образуя растворимые соли (нитрат и ацетат). С соляной и серной кислотами реакция замедляется из-за образования нерастворимых хлорида и сульфата свинца. Свинец не взаимодействует со щелочами, но растворяется в концентрированных растворах щелочей при нагревании, образуя плюмбиты.

Месторождения и добыча

Свинец встречается в земной коре в концентрации около 1,6×10⁻³ % по массе. Основные минералы:

• Галенит (PbS) — главная руда, содержит до 86,6 % свинца.
• Церуссит (PbCO₃) — карбонат свинца.
• Англезит (PbSO₄) — сульфат свинца.

Крупнейшие месторождения свинца находятся в Китае, Австралии, США, Перу, Мексике, России (Горевское месторождение в Красноярском крае, Холоднинское в Бурятии, Дальнегорское в Приморье), Казахстане и Канаде. Свинец обычно добывается попутно с цинком и медью из полиметаллических руд. Технология добычи включает обогащение руды флотацией, обжиг концентрата с получением оксида свинца и последующую плавку в шахтных или электропечах с восстановлением углеродом (коксом). Полученный черновой свинец рафинируют (очищают) пирометаллургическими или электролитическими методами.

Применение

Свинец и его соединения имеют широкий спектр промышленного применения, хотя в последние десятилетия многие сферы использования сокращаются из-за токсичности.

Аккумуляторы

Свинцово-кислотные аккумуляторы (стартерные батареи для автомобилей, источники бесперебойного питания) остаются крупнейшим потребителем свинца (около 80 % мирового потребления). В них используется свинец в виде решёток и активной массы (диоксид свинца на аноде, губчатый свинец на катоде).

Радиационная защита

Благодаря высокой плотности и большому атомному номеру свинец эффективно поглощает гамма-излучение и рентгеновские лучи. Из него изготавливают защитные экраны, контейнеры для хранения радиоактивных материалов, фартуки и воротники для рентгенологических кабинетов.

Строительство и машиностроение

• Кровельные листы и облицовка (свинцовая кровля устойчива к коррозии и долговечна).
• Кабельные оболочки (для защиты подземных и подводных кабелей от влаги и механических повреждений).
• Сплавы (баббиты — антифрикционные сплавы для подшипников; типографские сплавы — гарт; припои — сплавы с оловом).
• Дробь и пули (в охотничьих и спортивных патронах, хотя в ряде стран вводятся ограничения из-за токсичности).

Химическая промышленность

• Пигменты (свинцовые белила — основной карбонат свинца; свинцовый сурик — Pb₃O₄; кроны — хроматы свинца).
• Стабилизаторы ПВХ (соли свинца — стеарат, фталат — для предотвращения термического разложения поливинилхлорида).
• Стекла и хрусталь (оксид свинца PbO добавляют в стекло для увеличения показателя преломления, блеска и плотности; хрусталь содержит до 30 % PbO).

Прочие применения

• Тетраэтилсвинец (ТЭС) — антидетонационная присадка к бензину, запрещённая в большинстве стран мира с конца XX века из-за экологического вреда.
• Свинцовые аккумуляторы для систем аварийного питания и электромобилей (в ограниченных масштабах).
• Свинцовые грузила (для рыболовства, дайвинга, балансировки колёс).

Токсичность и экологические проблемы

Свинец и его соединения являются высокотоксичными веществами. Свинец относится к I классу опасности (чрезвычайно опасные вещества). Он способен накапливаться в организме (кости, мягкие ткани) и оказывать хроническое токсическое действие, поражая нервную систему, почки, печень, сердечно-сосудистую и репродуктивную системы. Особенно опасен свинец для детей, вызывая задержку умственного развития, снижение IQ и поведенческие нарушения. Острое отравление свинцом (сатурнизм) проявляется болями в животе, головной болью, анемией, поражением периферических нервов.

Основные пути поступления свинца в организм человека — через пищеварительный тракт (с загрязнённой водой, пищей, пылью) и вдыхание свинцовой пыли. В прошлом массовое отравление вызывали свинцовые водопроводные трубы, свинцовые белила в красках и тетраэтилсвинец в бензине. В современном мире главными источниками загрязнения окружающей среды свинцом являются:

• Промышленные выбросы (металлургические заводы, производство аккумуляторов).
• Свалки и переработка свинцовых аккумуляторов (особенно в развивающихся странах).
• Остатки свинцовых красок в старых зданиях.
• Свинцовая дробь и грузила, попадающие в водоёмы и почву.

В Российской Федерации и многих других странах приняты законы, ограничивающие содержание свинца в бензине, красках, водопроводных трубах, игрушках, упаковке пищевых продуктов. Предельно допустимая концентрация (ПДК) свинца в воздухе рабочей зоны составляет 0,01 мг/м³, в питьевой воде — 0,01 мг/л. Ведётся активная работа по замене свинцовых аккумуляторов на литий-ионные, а также по разработке безопасных альтернатив свинцовым припоям и стабилизаторам.

Интересные факты

• Свинец — стабильный изотоп, конечный продукт распада урана и тория (радиоактивный свинец-206, -207, -208).
• В Древнем Риме из свинца делали не только трубы, но и монеты, посуду и даже косметику (свинцовые белила для лица).
• Тетраэтилсвинец был изобретён в 1921 году и массово применялся как антидетонатор до 1970-х годов, пока не выяснилось, что он вызывает массовые отравления и загрязнение воздуха.
• Свинцовый хрусталь (содержащий до 30 % PbO) ценится за блеск и игру света, но не рекомендуется для длительного хранения напитков из-за выщелачивания свинца.
• Свинцовая дробь для охоты в ряде стран (например, в Дании, Нидерландах, некоторых штатах США) запрещена из-за отравления водоплавающих птиц, которые заглатывают дробинки со дна водоёмов.

Источники

• Химическая энциклопедия / Под ред. И. Л. Кнунянца. — М.: Советская энциклопедия, 1995. — Т. 4.
• Свинец // Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов. — М.: Большая российская энциклопедия, 2004—2017.
• ГОСТ 12.1.007-76. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности.
• Вредные химические вещества. Неорганические соединения элементов I–IV групп / Под ред. В. А. Филова. — Л.: Химия, 1988.
• Lead: Environmental Health Criteria 165. WHO, Geneva, 1995.
• Свинец и его неорганические соединения. Гигиенические критерии состояния окружающей среды. ВОЗ, 1995.