Свинец

Размещено на http://www.allbest.ru/

Нахождение в природе

Содержание Свинца в земной коре 1,6·10-3% по массе. Образование в земной коре около 80 минералов, содержащих свинец (главный из них галенит PbS), связано в основном с формированием гидротермальных месторождений. В зонах окисления полиметаллических руд образуются многочисленные (около 90) вторичные минералы: сульфаты (англезит PbSO4), карбонаты (церуссит PbCO3), фосфаты [пироморфит Pb5(PO4)3Cl]. В биосфере свинец в основном рассеивается, его мало в живом веществе (5·10-5%), морской воде (3·10-9%). Из природных вод свинец отчасти сорбируется глинами и осаждается сероводородом, поэтому он накапливается в морских илах с сероводородным заражением и в образовавшихся из них чёрных глинах и сланцах.

Получение

Металлический Свинец получают окислительным обжигом PbS с последующим восстановлением PbO до сырого Pb ("веркблея") и рафинированием (очисткой) последнего. Окислительный обжиг концентрата ведётся в агломерационных ленточных машинах непрерывного действия (см. Агломерация). При обжиге PbS преобладает реакция:

2PbS + 3O2 = 2PbO + 2SO2

Кроме того, получается и немного сульфата PbSO4, который переводят в силикат PbSiO3, для чего в шихту добавляют кварцевый песок. Одновременно окисляются и сульфиды других металлов (Cu, Zn, Fe), присутствующие как примеси. В результате обжига вместо порошкообразной смеси сульфидов получают агломерат - пористую спекшуюся сплошную массу, состоящую преимущественно из окислов PbO, CuO, ZnO, Fe2O3. Куски агломерата смешивают с коксом и известняком и эту смесь загружают в ватержакетную печь, в которую снизу через трубы ("фурмы") подают воздух под давлением. Кокс и окись углерода восстанавливают PbO до Pb уже при невысоких температурах (до 500 °C).

Физические свойства

Свинец - тяжёлый металл голубовато-серого цвета, очень пластичный, мягкий (режется ножом, царапается ногтем). Историческая справка. Свинец был известен за 6-7 тыс. лет до н. э. народам Месопотамии, Египта и других стран древнего мира. Он служил для изготовления статуй, предметов домашнего обихода, табличек для письма. Римляне пользовались свинцовыми трубами для водопроводов. Алхимики называли свинец Сатурном и обозначали его знаком этой планеты. Соединения свинца - "свинцовая зола" PbO, свинцовые белила 2PbCO3`Pb (OH)2 применялись в Древней Греции и Риме как составные части лекарств и красок. Когда было изобретено огнестрельное оружие, свинец начали применять как материал для пуль. Ядовитость свинца отметили ещё в 1 в. н. э. греческий врач Диоскорид и Плиний Старший.

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); tnл = 327,4 °C; tkип = 1725 °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·оС)]; 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 7,18К становится сверхпроводником.

Электронное строение атома

82Pb- металл- 6- ой период IVА- группа- 6 квантовых слоев: KLMNOP

1s2¦2s22p6¦3s23p63d10¦4s24p64d104f14¦5s25p65d105f0¦6s26p2- валентные подуровни

Атомный номер свинца - 82 - определяет величину положительного заряда ядра его атома и общее количество электронов в его электронной оболочке. Номер периода-6-й - показывает количество квантовых слоев (энергоуровней) в электронной оболочке атома. Свинец находится в главной подгруппе (А) IV группы: номер группы соответствует количеству валентных электронов элемента, способных участвовать в окислительно-восстановительных процессах, а положение свинца в главной подгруппе означает, что валентные электроны располагаются только на внешнем энергетическом уровне. У свинца не наблюдается эффект провала электронов.

Свинец- p- элемент, т.к. его последний электрон располагается на внешнем p- подуровне.

Свинец - металл по ряду физических свойств. Принадлежность его к металлам определяется тем, что атом его способен только терять валентные электроны и проявлять положительные степени окисления. Red-элемент, т.к. проявляет восстановительные свойства.

Конфигурация внешних электронных оболочек атома Pb - 6s2 6р2, в соответствии с чем он проявляет степени окисления +2 и +4.

Основной (существуют промежуточные) тип гибридизации- sp3, т.к. при реакции атом переходит в возбужденное состояние, пара s-электронов распаривается и один из них переходит на свободную р-орбиталь, образуя в пространстве 4 одинаковые по свойствам гибридные орбитали.

Соединения свинца с неметаллами (H2,Cl2,F2,S,N2,C,O2)

Металлический блеск свежего разреза свинца постепенно исчезает на воздухе вследствие образования тончайшей плёнки PbO, предохраняющей от дальнейшего окисления. С кислородом образует ряд оксидов Pb2O, PbO, PbO2, Pb3O4 и Pb2O3.

В отсутствие O2 вода при комнатной температуре на свинец не действует, но он разлагает горячий водяной пар с образованием окиси свинца и водорода. Соответствующие оксидам PbO и PbO2 гидроксиды Pb(OH)2 и Pb(OH)4 имеют амфотерный характер.

Соединение свинца с водородом PbH4 получается в небольших количествах при действии разбавленной соляной кислоты на Mg2Pb. PbH4 - бесцветный газ, который очень легко разлагается на Pb и H2. При нагревании свинец соединяется с галогенами, образуя галогениды PbX2 (X - галоген). Все они малорастворимы в воде. Получены также галогениды PbX4: тетрафторид PbF4 - бесцветные кристаллы и тетрахлорид PbCl4 - жёлтая маслянистая жидкость. Оба соединения легко разлагаются, выделяя F2 или Cl2, гидролизуются водой. С азотом свинец не реагирует. Азид свинца Pb(N3)2 получают взаимодействием растворов азида натрия NaN3 и солей Pb (II); бесцветные игольчатые кристаллы, труднорастворимые в воде; при ударе или нагревании разлагается на Pb и N2 со взрывом. Сера действует на свинец при нагревании с образованием сульфида PbS - чёрного аморфного порошка. Сульфид может быть получен также при пропускании сероводорода в растворы солей Pb (II); в природе встречается в виде свинцового блеска - галенита. При высокой температуре свинец реагирует с углеродом с образованием PbC- карбида свинца.

Оксиды и гидроксиды свинца

свинец металл оксид

Ряд оксидов свинца:

Pb2O, PbO, PbO2, Pb3O4, Pb2O3

PbO2- нестойкое соединение (переходит в PbO), проявляет кислые свойства (сильный окислитель)

2PbO + PbO2 > Pb2(PbO4) > Pb3O4 (cурик)

PbO + PbO2 > Pb(PbO3) > Pb2O3

PbO- амфотерный оксид

PbO + 2NaOH > H2O + Na2PbO2

PbO + 2HNO3 > Pb(NO3)2 + H2O

Pb(OH)4, Pb(OH)2- амфотерные гидроксиды. Тв. вещества, в воде не растворяются - слабые электролиты.

Pb(OH)2 + 2HCl > PbCl2 + 2H2O

Pb(OH)2 + 2KOH > K2[Pb(OH)4]

Pb(OH)2(н) - слабый электролит, т.к. Кд Pb(OH)2,1 = 9,6 ·10-4<10-3, диссоциация идет по стадиям:

Кд,1 Кд,1

Pb(OH)2 + aq - (PbOH)+aq + OH-aq - Pb2+aq + 2OH-aq

С(PbOH)+aq + COH-aq

Кд,об = Кд,1 · Кд,2

СPb2+aq + COH-aq

CPb(OH)2aq

Кд,об = Кд,1 · Кд,2

H2PbO2 - свинцовая кислота, соли - плюмбиты.

Пример: K2PbO2 - плюмбит калия.

Na2[Pb(OH)4] - комплексная соль - тетрагидроксоплюмбит натрия.

-> Pb(OH)2 - слабое основание ¬

Pb(NO3)2 + + => гидролиз по катиону

(р) L> HNO3 - сильная кислота - рH<7 - кислая среда

См = 0,01 моль

pH = -1/2 lg (10-14 · 0,01/3 · 10-8) = 4,2

Pb2+ + H2O - (PbOH)+ + H+

¦ v^ v^ ¦

¦ H+ + OH- Pb2+ + OH- ¦

L------ L--

Kд,H2O = 1,8 · 10-16

Кд,Pb(OH)2 = 9,6 · 10-4

Pb(NO3)2 +H2O - PbOHNO3 + HNO3

основной нитрат Pb

Гидролиз можно усилить следующими способами:

1. Повышением температуры

2. Разбавлением раствора

3. Подкислением раствора

Окислительно-восстановительные процессы

ст.усл.: ? Pb2+/Pb = -0,130B - знак «-» показывает, что Pb в реакциях проявляет сильные восстановительные свойства, а его ион (Pb2+) - слабые окислительные свойства;

ст.усл.: ? Pb4+/Pb = +0,800B

pH<7: ? Pb4+/Pb = +1,690B

 - знак «+» показывает, что Pb в реакциях проявляет слабые восстановительные свойства, а его ион (Pb4+) - сильные окислительные свойства;

Электрохимические свойства металла

Металлический блеск свежего разреза свинца постепенно исчезает на воздухе вследствие образования тончайшей плёнки PbO, предохраняющей от дальнейшего окисления. В отсутствие O2 вода при комнатной температуре на свинец не действует, но он разлагает горячий водяной пар с образованием окиси свинца и водорода ( ? Pb2+/Pb = -0,130B<+0,82B).

C неокислительными кислотами (с HCl, pH=1):

Pb + HCl > H2^ + PbCl2

0 0 0

Т.к. E = ? H+/H - ? Pb2+/Pb = -0,059·1 - (-0,130) = +0,071B>0 => взаимодействие будет, но неинтенсивное.

ПРPbCl2 = 1,6 · 10-5<10-2 => соль малорастворимая.

VPbCl2

---- = 2,6 => взаимодействие прекратится, как только на поверхности Pb VPb сформируется сплошная малорастворимая пленка PCl2.

С окислительными кислотами (с HNO3):

3Pb + 8HNO3(p) > 2NO^ + 3Pb(NO3)2 + 4H2O

Pb + 4HNO3(к) > 2NO2^+ Pb(NO3)2 + 2H2O

«на холоду»

Pb + 2HNO3(к) ----> 2NO2^+ PbO + H2O

оксидная пленка

Со щелочами:

Pb + 2KOH(р-в) > K2PbO2 + H2^

плюмбит калия

Pb + 2KOH(р) + 2H2O > K2[Pb(OH)4] + 3H2^

тетрагидроксоплюмбит калия

10.2 0 n m 0 n m

? Ox/Red = ? Ox/Red + (R·T/z ·F) · ln(COx /C Red) = ? Ox/Red + 0,059/z · lg(COx /C Red)

R = 8,31 n m

F = 96500 Кл COx ,C Red - концентрации окисленной и восстанов-

ln = 2,303lg ленной форм в степени стехиометрических

T = 298 К коэффициентов (n,m)

Свинец - пластичный легкоплавкий металл, имеющий широкое применение. Из свинца производят различные легкоплавкие сплавы (типографский сплав, припои, легкоплавкие предохранители и т.д.), но применяется он и в чистом виде - для производства кислотостойких труб, для кабельной изоляции, для защиты от радиоактивного излучения. Свинцом покрывают металлические поверхности для защиты их от серной кислоты и других агрессивных сред. Из свинца производят пластины транспортных и стационарных аккумуляторов.

Размещено на Allbest.ru