Изучение геохимических свойств элементов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лабораторная работа

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ ГЕОХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭЛЕМЕНТОВ

Свинец

Общие сведенья об элементе:

История открытия. 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. Неясно происхождение русского слова свинец (литовск. scwinas). Автор этих строк в свое время предложил связывать это название со словом вино, так как у древних римлян (и на Кавказе) вино хранили в свинцовых сосудах, придававших ему своеобразный вкус; этот вкус ценили столь высоко, что не обращали внимания на возможность отравления ядовитыми веществами.

Область применения. Благодаря своей высокой коррозионной стойкости свинец находит широкое применение в различных отраслях промышленности. В наибольших количествах его используют в производстве аккумуляторов и антикоррозионных оболочек кабелей. Важными областями применения свинца являются химическая и металлургическая промышленности, где его в виде труб и листов применяют для футеровки трубопроводов и различной аппаратуры, работающих в контакте с агрессивными средами, а также для изготовления нерастворимых анодов, используемых при электролизе цинка, меди и др.

Свинец широко применяют для производства различных сплавов на основе меди, антифрикционных сплавов - баббитов, припоев различных композиций, легкоплавких типографских сплавов и др.

Свинец используется для получения тетраэтилсвинца Рb(С2Н5)4, добавка которого в бензик существенно повышает эффективность работы двигателей внутреннего сгорания Значительное количество свинца в виде химических соединений используют для производства красителей (свинцовые белила, сурик и др.) и различных химикатов.

Основные физические характеристики. 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. 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.

Свинец кристаллизуется в гранецентрированной кубической решётке (а = 4,9389), аллотропических модификаций не имеет. Атомный радиус 1,75, ионные радиусы: Pb2+ 1,26 , Pb4+ 0,76 : плотность 11,34 г/см3 (20°C); удельная теплоёмкость при 20°C 0,128 кДж/(кг·К) [0,0306 кал/г·°C]; теплопроводность 33,5 вт/(м·К)[0,08 кал/(см·сек·°С)]; температурный коэффициент линейного расширения 29,1·10-6 при комнатной температуре; твёрдость по Бринеллю 25-40 Мн/м2 (2,5-4 кгс/мм2); предел прочности при растяжении 12-13 Мн/м2, при сжатии около 50 Мн/м2; относительное удлинение при разрыве 50-70%. Наклёп не повышает механических свойств свинца, т. к. температура его рекристаллизации лежит ниже комнатной (около -35 °C при степени деформации 40% и выше). Свинец диамагнитен, его магнитная восприимчивость - 0,12·10-6. При 7,18 К становится сверхпроводником.

Химические свойства. 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:

свинец химический магматический земной

Pb + 4HNO₃ = Pb(NO₃)₂ + 2NO₂ + H₂O

Распространенность химического элемента:

В земной коре. В земной коре свинца немного 0,0016% по массе. 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. Свинец (урановый) частично концентрируется в пегматитах. Обычный свинец концентрируется лишь в контактово-метасоматических и гидротермальных образованиях.

В магматических породах распределен однородно. Среднее содержание свинца в магматических породах составляет 1,5*10-3%, что позволяет отнести его к категории редких металлов. Следует отметить, что он концентрируется в сульфидных породах, которые встречаются во многих местах в мире, и поэтому свинец легко выделить путем выплавки из руды. В природном состоянии свинец обнаруживают в основном в виде галенита - PbS и продуктов его химических превращений -- англезит (свинцовый купорос) PbSO4 и церуссит ("белая свинцовая руда") PbCO3. Реже встречаются пироморфит ("зелёная 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 природе известно 180 минералов свинца.

В осадочных горных породах. Концентрация цинка в глинистых осадках и сланцах повышена до 80-120 мг/кг. В карбонатных породах и песчаниках составляет 10-30 мг/кг.

В метаморфических горных породах. Свинец входит в состав метаморфических и осадочных горных пород. В осадочных горных породах -- 2*103%. 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.

В других природных объектах. Содержание свинца в почвах неравномерно и определяется, прежде всего, региональными факторами, составом почвообразующих пород рельефом местности, климатом, растительным покровом. Свинец входит в состав более 200 минералов (галенит - PbS, англезит - PbSO4 , церуссит - PbCO3), а также состав калиевых полевых шпатов. В атмосферу свинец попадает при сжигании горючих ископаемых, мусора, с выхлопами автомобилей. В воду и почву мигрирует с атмосферными осадками, промышленными стоками и отходами. Очевидно, что наиболее важное значение среди различных миграционных факторов свинца имеют его водорастворимые соединения. Из почвы они поглощаются корнями растений. В организмы животных свинец попадает после поедания растений и поглощения загрязнённой воды, а также ингаляционно, при вдыхании атмосферных аэрозолей, содержащих свинец. Из воды, загрязнённой промышленными стоками свинец мигрирует в водные организмы. Загрязнение окружающей среды свинцом также происходит при сбросе вод из рудников и обработке фруктов и овощей пестицидами. Многие растения накапливают свинец, который передается по пищевым цепям и обнаруживается в мясе и молоке сельскохозяйственных животных, особенно активное накопление свинца происходит вблизи промышленных центров и крупных автомагистралей.

Из основных минералов свинца выделяют:

Галенит - минерал, сульфид свинца(II). Химическая формула PbS. Синоним: свинцовый блеск.Часто содержит примеси Ag, Cd, Se и др. Свинцово-серые кристаллы и агрегаты. Твёрдость 2--3; плотность 7,4--7,6 г/см?. Цвет стальной, серый с голубоватым отливом, иногда присутствует пёстрая побежалость, блеск металлический, излом ступенчатый, хрупкий. Спайность совершенная по кубу. Образует кубические, кубооктаэдрические, реже октаэдрические кристаллы и сплошные массы. Месторождения гидротермальные и метасоматические. В гипергенных условиях изменяется с образованием карбонатов (например, фосгенита) и сульфатов свинца. Основная руда свинца.От арсенопирита отличается по цвету, низкой твёрдости, спайности по кубу и высокой плотности. Галенит является одним из наиболее распространенных гидротермальных сульфидов, часто встречается со сфалеритом, пиритом, халькопиритом, кварцем, флюоритом, карбонатами.

Церуссит - белая свинцовая руда -- минерал, карбонат свинца, ценная свинцовая руда. Название происходит от др.-греч.-- воск, лат. -- белила, по схожести цвета (прежде церуссит использовался в косметике как пудра), дано в 1845 году австрийским минералогом В.Хэйдингером.

Ванадинит минерал, ванадат свинца с дополнительными анионами Cl- из надгруппы апатита. Химический состав Pb5[VO4]3Cl; кристаллизуется в гексагональной сингонии. Встречается в виде мелких призматических или таблитчатых кристаллов, почковидных скоплений и землистых масс. Цвет жёлтый и красный до красно-бурого.

Твёрдость 2,75 -- 3, удельный вес 6,66 -- 7,1. Находится в зоне окисления некоторых свинцово-цинковых месторождений. Относительно редок, но при значительных скоплениях используется как руда для получения ванадия.

Англезит - (англ. Anglesit, свинцовый купорос, серно-свинцовая руда) минеральное безводное соединение сернокислой окиси свинца, PbSO₄, состоящее из 73,6 % окиси свинца и 26,4 % серной кислоты, которое образуется в природе главным образом вследствие окисления свинцового блеска (сернистого свинца). Назван по месту первоначальнлй находки на острове Англези в Уэльсе.

Поведение в геологических процессах. в магматических процессах свинец рассеивается, несколько накапливается в гранитоидах. В основных породах 8·10-4 %, в ультраосновных - 1·10-5 %.

Геохимические барьеры. Типы геохимических барьеров свинца: сульфидный, щелочной, испарительный, сорбционный и термодинамический.

Сорбционные барьеры возникают в результате резкого снижения миграционной способности химических элементов при фильтрации ионных водных растворов или газовых смесей через среды, обладающие повышенной сорбционной способностью. Эти барьеры особенно важны для элементов с низкими кларками, так как осаждение в процессе сорбции может происходить при очень низких концентрациях, намного меньших, чем концентрации насыщения. Различаются два вида процессов сорбирования: адсорбция и абсорбция. В первом случае сорбируемое вещество поглощается только поверхностью тела, во втором - всем его объёмом.

Сульфидный геохимический барьер (тип В)характеризуется наличием большого количества сероводорода H2S и, как следствие, появлением в водах анионов гидросульфида HS-и сульфида S2-.

Термодинамический геохимический барьер (тип Н)характеризуется концентрированием химических элементов в результате резкого изменения температуры и давления. Наиболее хорошо такой тип геохимического барьера изучен для явлений понижения давления в водах, содержащих углекислоту Н2СО3.

Щелочной геохимический барьер (тип D)характеризуется изменением среды в сторону снижения концентрации ионов водорода (увеличение рН среды). Идут процессы образования нерастворимых гидрооксидов и карбонатов металлов.

Испарительный геохимический барьер (тип F) характеризуется увеличением концентрации анионов и катионов в растворе вследствие процесса испарения воды. Происходит кристаллизация и осаждение солей из-за уменьшения их растворимости.

Круговорот свинца в природе. Свинец накапливается в земной коре не только за счет выплавления его из вещества мантии, но и в результате радиоактивного распада изотопов урана (238U, 235U) и тория (232Th). При выветривании горных пород катионы свинца высвобождаются, большая часть их сорбируется высокодисперсными глинистыми частицами и гидроксидами железа, а меньшая поступает в грунтовые воды. В составе взвесей, а также в виде органических соединений, простых и комплексных ионов свинец выносится с речным стоком и осаждается преимущественно в дельтах и узкой прибрежной полосе шельфа. Небольшое количество свинца, попадающее в океан, выпадает в осадок благодаря биофильтрации морской воды организмами планктона. Таким образом, Мировой океан - глобальный аккумулятор растворимых форм свинца.

На суше свинец поглощается растениями. Во время лесных пожаров значительные массы элемента поступают в атмосферу (в виде дыма). Кроме того, свинец содержится в высокодисперсной минеральной пыли. "Время жизни" свинецсодержащих аэрозолей составляет около 7 суток.

Годовая добыча свинца значительно превышает и вынос растворимых форм, и годовой захват растительностью этого элемента. Техногенное рассеяние свинца, в отличие от рассеяния газообразных веществ, не распространяется на большие пространства, а сосредотачивается, в основном, вдоль автомагистралей, это связано с использованием соединений свинца в качестве добавок и присадок в бензин - для повышения октанового числа последнего.

Свинец влияет на нервную систему человека, что приводит к снижению интеллекта, вызывает изменение физической активности, воздействует на сердечно-сосудистую систему, приводя к заболеванию сердца. Поражает все отделы головного мозга, угнетая синтез необходимых веществ. Вызывает хроническую слабость, головокружение, головные боли, судороги, поражение нервной системы, умственную отсталость. Активно накапливается в костных тканях скелета, причем естественное время полувыведения свинца из крови составляет около 25 суток, из мягких тканей - около 40 суток, а из костей - более 25 лет!

Это оказывает негативное влияние на состояние здоровья населения и в первую очередь детей, которые наиболее восприимчивы к свинцовым отравлениям.При одинаковых условиях поступления в организм - биодоступность свинца у взрослых составляет 10%, а у детей 40%.

Размещено на Allbest.ru