Свойства соединений свинца и степень окисления металла

Степень окисления свинца является важным параметром, характеризующим химические свойства металла и его соединений. Он учитывается при разведке, разработке месторождений разных типов, технологии извлечения ценного компонента и сферах применения материала.

Степень окисления свинца определяет его химические и физические свойства

Химические и физические свойства металла

Химический элемент № 82 представляет собой тяжелый металл серебристого цвета с синеватым оттенком. Его плотность при нормальных условиях составляет 11,34 г/см³, которая падает при повышении температуры. Степени окисления свинца в соединениях равны 4,2 и 0.

• Металл обладает отличной ковкостью, температура его плавления соответствует 327,46 °C, кипения – 1749 °C. Кристаллическая решетка минерального образования имеет кубическую структуру.
• Химическому элементу свойственна низкая теплопроводность. При механическом воздействии он деформируется, легко режется ножом. Поверхность металла обычно защищена пленкой из оксида, образующаяся под влиянием воздуха.
• Свинец является смесью нерадиоактивных (стабильных) изотопов, образующихся в результате распада урана и тория. Абсолютные и относительные концентрации металла зависят от времени образования минерала. Это свойство используется при определении возраста горных пород.

Свинец известен человечеству с древних времен, как убийца и как спаситель

Свинец известен человечеству с древних времен, а процесс выплавки металла из руды был первым из разработанных металлургических процессов. Материал широко применялся в Древнем Риме для производства труб для водопроводов.

На протяжении истории материал применялся в разных сферах. Его использовали для навесных печатей к грамотам, делали покрытия крыш храмов, добавляли в вино для улучшения вкусовых качеств.

До недавнего времени большое количество материала применялось для изготовления типографских шрифтов, в виде соединения — для повышения способности топлива противостоять самовозгоранию при сжатии.

В самородном виде свинец встречается очень редко. Обычно он входит в состав осадочных и интрузивных пород, в которых часто образует интерметаллические соединения с платиной, оловом и естественные сплавы.

Природные минералы химического элемента

В природе находится множество минеральных образований свинца, но промышленное значение имеют соединения с серой. Сульфид свинца PbS (свинцовая окалина, галенит) — хрупкий минерал серого цвета, в нем содержится до 87% металла.

В природе он встречается в форме кристаллической зернистой массы. В основном минерал сосредоточен в гидротермальных месторождениях, где он находится в форме кубических или восьмигранных кристаллов.

В природе свинец можно распознать в руде по зернистым блестящим наростам

Твердость образования составляет 2,5–2,7 по шкале Мооса, плотность 7,5. При ударе молотком минеральное образование распадается на мелкие кубики со ступенчатыми уступами. Галенит отличается совершенной спайностью в 3 направлениях по граням куба.

Спутниками сульфида свинца являются такие минералы:

• кварц;
• сфалерит;
• азурит;
• малахит;
• доломит;
• антимонит;
• халькопирит;
• самородное серебро;
• пирит.

Основные месторождения свинца в России расположены в Красноярском и Приморском краях, на Алтае, Дальнем Востоке, в Бурятии. Крупные запасы руды находятся во многих странах мира и сосредоточены в США, Канаде, Перу, Мексике, Австралии. Месторождения свинцовых руд имеются в Казахстане, Китае, Болгарии, ФРГ, Венгрии, Словении, Вьетнаме.

В меньшей степени проводится промышленная разработка окисленных руд, которые сложены карбонатом свинца (церуссит) и сульфатом (англезит). Повышает ценность руд наличие драгоценных и цветных металлов.

Месторождения разрабатываются в основном подземным способом. Однако в зависимости от характера формирования залежей верхние горизонты разрабатываются открытым методом.

Технологический процесс производства металла

Технологический процесс предусматривает обогащение руды, плавление и отделение металла

В естественных условиях химический элемент входит в состав залежей полиметаллических руд разного типа. Он содержится в рудах тория и урана. Свинец является компонентом 180 минералов, в числе которых находятся такие соединения:

• церуссит;
• англезит;
• джемсонит;
• буланжерит.

Но основным минералом для извлечения ценного компонента является сульфид свинца (II) PbS. Он представляет собой неорганическое минеральное образование, известное под названием галенит или свинцовый блеск.

1. Технологический процесс предусматривает использование различных методов обогащения руды. В результате флотации получают концентрат, содержащий до 70% металла.
2. Затем проводят предварительный обжиг, после чего материал загружают в печь для восстановления свинца из оксида металла. Для удаления примесей меди из чернового свинца его разогревают. За счет различия температур плавления происходит отделение металлов.
3. После обработки серой путем очистки (рафинирования) удаляют примеси мышьяка и сурьмы. С помощью цинка отделяют из состава благородные металлы (серебро и золото). Висмут удаляют при обработке материала магнием, кальцием.

Соединения химического элемента

Свинец не реагирует с серной и соляной кислотами благодаря пленке из малорастворимых соединений металла, препятствующих реакции. При взаимодействии с азотной кислотой образуется нитрат, где свинец проявляет степень окисления +2.

Свинец реагирует со щелочами и некоторыми кислотами, в результате чего образуются комплексные соединения

Металл растворяется в водных щелочных растворах при нагревании с образованием комплексных соединений и выделением водорода. Химический элемент образует гидроксиды со степенью окисления +2 и +4 и амфотерные оксиды:

• оксид свинца (II) — кристаллы красного цвета, плохо растворимые в воде;
• метаплюмбат — черные кристаллы или порошок, нерастворимые в воде;
• оксид свинца (IV) — порошок темно-коричневого цвета с характерным запахом озона;
• свинцовый сурик — твердое, устойчивое соединение темного красного цвета.

Свинец непосредственно не реагирует с азотом, фосфором, водородом, углеродом, мышьяком, бором. В жидком состоянии он растворяет кремний без образования соединения и поглощает фосфор, который выделяется при затвердевании.

Если соединения металла, образованные в результате взаимодействия с кислотой, растворяются в ней, то и металл растворяется в реагенте. Протеканию реакции способствует наличие окислителей в кислотах.

Например, плавиковая кислота слабо реагирует с металлом, поэтому ее можно готовить и хранить в сосудах из свинца. Разбавленная соляная и серная кислоты взаимодействуют со свинцом с поверхности. При подогреве разрушаются защитные пленки PbCl2 и PbSO4.

Под воздействием органических кислот в присутствии кислорода металл образует соединение, где проявляет валентность II. Концентрированные растворы щелочей при нагревании растворяют металл. При этом образуются гидроксоплюмбиты, и выделяется водород. При плавке металла с нитратом калия образуется свинец (степень окисления II) и KNO2.

Практическое применение металла и его соединений

Свинец и его соединения, несмотря на токсичность широко применяются в производстве

• Свинец применяется как материал для свинцового аккумулятора, где на 2 пластинах по-разному изменяет свое состояние окисления. При разрядке происходит переход окислителя, содержащего свинец в степени окисления +4, в состояние, при котором показатель изменяется на +2. При этом восстановитель из состояния 0 переходит в соединение со степенью окисления +2.
• Свинцовый сурик применяют как пигмент для антикоррозионных красок и замазки в аккумуляторах.
• Сульфид металла используют при изготовлении керамических изделий. Его применяют в качестве материала для получения защитных пленок, полупроводниковых и новых наноматериалов.
• Как лигатурный компонент свинец входит в состав особых сплавов-баббитов, типографских соединений, бронзы. В смеси с мышьяком его применяют для изготовления дроби.
• Свойство металла не пропускать рентгеновское излучение применяется на практике для изготовления изолятора. Соединения свинца используются при производстве красок (белила, сурик, крон).
• Известен факт, что свинцовые белила, используемые при создании картин, со временем приобретают серый оттенок. Это связано с реакцией соединения с присутствующим в воздухе сероводородом с образованием сульфида металла.
• Свинец применяют в качестве добавки при изготовлении хрустального стекла. Неорганическое химическое соединение нитрат свинца применяется при изготовлении взрывчатых веществ. Соли азотистоводородной кислоты (азид металла) используются в качестве материала для детонаторов.
• Соединение металла — перхлорат применяется при обогащении руд методом флотации в тяжелой жидкости. Фторид и хлорид свинца используются для изготовления катодов. Соединение металла с теллуром применяется в качестве материала для производства термоэлектрических генераторов.
• Арсенат свинца применяется в сельском хозяйстве при борьбе с насекомыми вредителями. Нерастворимый порошок белого цвета — борат свинца используют как материал для покрытия изделий из фарфора и стекла.