Свинец — химический элемент ; у него есть символ Pb (от латинского Plumbum ) и атомный номер 82. Это тяжелый металл , который плотнее большинства распространенных материалов. Свинец мягок и податлив , а также имеет относительно низкую температуру плавления . Свежеразрезанный свинец имеет блестящий серый цвет с оттенком синего. На воздухе он тускнеет до тускло-серого цвета. Свинец имеет самый высокий атомный номер среди всех стабильных элементов , и три его изотопа являются конечными точками основных цепочек ядерного распада более тяжелых элементов.
Свинец — относительно нереактивный постпереходный металл . Его слабый металлический характер иллюстрируется его амфотерной природой; Свинец и оксиды свинца реагируют с кислотами и основаниями и имеют тенденцию образовывать ковалентные связи . Соединения свинца обычно находятся в степени окисления +2 , а не в состоянии +4, обычном для более легких членов углеродной группы . Исключения в основном ограничиваются свинцовоорганическими соединениями . Подобно более легким членам группы, свинец имеет тенденцию связываться сам с собой ; он может образовывать цепочки и многогранные структуры.
Поскольку свинец легко извлекается из руд , о нем знали доисторические люди на Ближнем Востоке . Галенит — это основная свинцовая руда, часто содержащая серебро. Интерес к серебру помог начать широкомасштабную добычу и использование свинца в Древнем Риме . Производство свинца снизилось после падения Рима и не достигло сопоставимых уровней до промышленной революции . Свинец сыграл решающую роль в развитии печатного станка , поскольку подвижный шрифт можно было сравнительно легко отлить из свинцовых сплавов. [8] В 2014 году годовое мировое производство свинца составило около десяти миллионов тонн, более половины из которых пришлось на переработку. Высокая плотность свинца, низкая температура плавления, пластичность и относительная инертность к окислению делают его полезным. Эти свойства в сочетании с его относительной распространенностью и низкой стоимостью привели к его широкому использованию в строительстве , сантехнике , батареях , пулях , дробях , гирях , припоях , оловянных сплавах , легкоплавких сплавах , белых красках , этилированном бензине , радиационной защите .
Свинец — нейротоксин , который накапливается в мягких тканях и костях. Он повреждает нервную систему и нарушает работу биологических ферментов , вызывая неврологические расстройства , начиная от поведенческих проблем и заканчивая повреждением головного мозга, а также влияет на общее состояние здоровья, сердечно-сосудистую и почечную системы. Токсичность свинца была впервые задокументирована древнегреческими и римскими авторами, которые отметили некоторые симптомы отравления свинцом, но получила широкое признание в Европе в конце 19 века нашей эры.
Атом свинца имеет 82 электрона , расположенных в электронной конфигурации [ Xe ]4f 14 5d 10 6s 2 6p 2 . Сумма первой и второй энергий ионизации свинца — общая энергия, необходимая для удаления двух электронов 6p — близка к сумме олова , верхнего соседа свинца в углеродной группе . Это необычно; Энергия ионизации обычно падает вниз по группе, поскольку внешние электроны элемента становятся все дальше от ядра и в большей степени экранируются меньшими орбиталями.
Сумма первых четырех энергий ионизации свинца превышает сумму энергий ионизации олова [9] , вопреки предсказаниям периодических тенденций . Это объясняется релятивистскими эффектами , которые становятся значительными в более тяжелых атомах, [10] которые сжимают s- и p-орбитали так, что 6s-электроны свинца имеют большую энергию связи, чем его 5s-электроны. [11] Следствием этого является так называемый эффект инертной пары : 6s-электроны свинца отказываются участвовать в связывании, стабилизируя степень окисления +2 и делая расстояние между ближайшими атомами в кристаллическом свинце необычайно длинным. [12]
Родственные соединения более легких углеродных групп свинца образуют стабильные или метастабильные аллотропы с тетраэдрически координированной и ковалентно связанной кубической структурой алмаза. Энергетические уровни их внешних s- и p-орбиталей достаточно близки, чтобы обеспечить смешивание с четырьмя гибридными sp 3 -орбиталями. В свинце эффект инертной пары увеличивает расстояние между его s- и p-орбиталями, и этот разрыв не может быть преодолен за счет энергии, которая будет высвобождена дополнительными связями после гибридизации. [13] Вместо алмазной кубической структуры свинец образует металлические связи , в которых только p-электроны делокализованы и распределены между ионами Pb 2+ . Следовательно, свинец имеет гранецентрированную кубическую структуру [14], как и аналогичные по размеру [15] двухвалентные металлы кальций и стронций . [16] [а] [б] [в]
Чистый свинец имеет яркий, блестящий серый цвет с оттенком синего. [21] При контакте с влажным воздухом он тускнеет и приобретает тусклый вид, оттенок которого зависит от преобладающих условий. Характерные свойства свинца включают высокую плотность , ковкость, пластичность и высокую стойкость к коррозии вследствие пассивации . [22]
Плотноупакованная гранецентрированная кубическая структура и большой атомный вес свинца приводят к его плотности [23] 11,34 г/см 3 , что выше, чем у обычных металлов, таких как железо (7,87 г/см 3 ), медь (8,93 г /см 3 ). /см 3 ) и цинк (7,14 г/см 3 ). [24] Эта плотность является источником идиомы «перелетать, как свинцовый воздушный шар» . [25] [26] [d] Некоторые более редкие металлы более плотные: вольфрам и золото имеют плотность 19,3 г/см 3 , а осмий — самый плотный из известных металлов — имеет плотность 22,59 г/см 3 , что почти вдвое больше, чем у свинца. . [27]
Свинец — очень мягкий металл с твердостью по шкале Мооса 1,5; его можно поцарапать ногтем. [28] Он довольно податлив и несколько пластичен. [29] [e] Модуль объемного сжатия свинца — мера его легкости сжимаемости — составляет 45,8 ГПа . Для сравнения, у алюминия оно составляет 75,2 ГПа; медь 137,8 ГПа; и мягкая сталь 160–169 ГПа. [30] Предел прочности свинца на разрыв , составляющий 12–17 МПа, низок (у алюминия в 6 раз выше, меди в 10 раз и мягкой стали в 15 раз выше); его можно укрепить, добавив небольшое количество меди или сурьмы . [31]
Температура плавления свинца — 327,5 °C (621,5 °F) [32] — очень низкая по сравнению с большинством металлов. [23] [f] Его температура кипения 1749 ° C (3180 ° F) [32] является самой низкой среди элементов углеродной группы. Удельное электросопротивление свинца при 20 °С составляет 192 наноом -метра, что почти на порядок выше, чем у других промышленных металлов (меди при15,43 нОм·м ; золото20,51 нОм·м ; и алюминий в24,15 нОм·м ). [34] Свинец является сверхпроводником при температуре ниже 7,19 К ; [35] это самая высокая критическая температура среди всех сверхпроводников I рода и третья по величине среди элементарных сверхпроводников. [36]
Природный свинец состоит из четырех стабильных изотопов с массовыми числами 204, 206, 207 и 208 [37] и следов шести короткоживущих радиоизотопов с массовыми числами 209–214 включительно. Большое количество изотопов соответствует четному атомному номеру свинца. [g] Свинец имеет магическое число протонов (82), для которого модель ядерной оболочки точно предсказывает особенно стабильное ядро. [38] Свинец-208 имеет 126 нейтронов, еще одно магическое число, которое может объяснить, почему свинец-208 необычайно стабилен. [38]
Благодаря высокому атомному номеру свинец является самым тяжелым элементом, природные изотопы которого считаются стабильными; свинец-208 — самое тяжелое стабильное ядро. (Раньше это различие относилось к висмуту с атомным номером 83, пока в 2003 году не было обнаружено, что его единственный изначальный изотоп , висмут-209, распадается очень медленно.) [h] Четыре стабильных изотопа свинца теоретически могут подвергаться альфа-распаду с образованием изотопы ртути с выделением энергии, но ни для одного из них этого не наблюдалось; их прогнозируемые периоды полураспада варьируются от 10 35 до 10 189 лет [41] (по крайней мере, в 10 25 раз больше нынешнего возраста Вселенной).
Три стабильных изотопа встречаются в трех из четырех основных цепочек распада : свинец-206, свинец-207 и свинец-208 являются конечными продуктами распада урана-238 , урана-235 и тория-232 соответственно. [42] Эти цепочки распада называются урановой цепочкой, актиниевой цепочкой и ториевой цепочкой. [43] Их изотопная концентрация в образце природной породы во многом зависит от присутствия этих трех исходных изотопов урана и тория. Например, относительное содержание свинца-208 может варьироваться от 52% в обычных образцах до 90% в ториевых рудах; [44] по этой причине стандартный атомный вес свинца дается только с одним десятичным знаком. [45] С течением времени соотношение свинца-206 и свинца-207 к свинцу-204 увеличивается, поскольку первые два дополняются радиоактивным распадом более тяжелых элементов, а второй - нет; это позволяет проводить свидания между лидерами . По мере распада урана на свинец их относительные количества меняются; это основа датирования урана и свинца . [46] Свинец-207 проявляет ядерный магнитный резонанс — свойство, которое использовалось для изучения его соединений в растворе и твердом состоянии, [47] [48], в том числе в человеческом организме. [49]
Помимо стабильных изотопов, составляющих почти весь свинец, существующий в природе, существуют следовые количества нескольких радиоактивных изотопов. Один из них – свинец-210; хотя его период полураспада составляет всего 22,2 года, [37] его небольшие количества встречаются в природе, поскольку свинец-210 образуется в результате длинной серии распада, начинающейся с урана-238 (который присутствует на Земле миллиарды лет). Свинец-211, -212 и -214 присутствует в цепочках распада урана-235, тория-232 и урана-238 соответственно, поэтому следы всех трех этих изотопов свинца обнаруживаются в природе. Мельчайшие следы свинца-209 возникают в результате очень редкого кластерного распада радия-223, одного из дочерних продуктов природного урана-235, и цепочки распада нептуния-237, следы которого образуются в результате захвата нейтронов в урановых рудах. Свинец-213 также встречается в цепочке распада нептуния-237. Свинец-210 особенно полезен для определения возраста образцов путем измерения его соотношения со свинцом-206 (оба изотопа присутствуют в одной цепочке распада). [50]
Всего синтезировано 43 изотопа свинца с массовыми числами 178–220. [37] Свинец-205 является наиболее стабильным радиоизотопом с периодом полураспада около 1,70 × 10.7 лет. [6] [i] На втором месте по стабильности находится свинец-202, период полураспада которого составляет около 52 500 лет, что больше, чем у любого из природных следовых радиоизотопов. [37]
Массивный свинец, подвергающийся воздействию влажного воздуха, образует защитный слой различного состава. Карбонат свинца (II) является обычным компонентом; [52] [53] [54] сульфат или хлорид также могут присутствовать в городских или морских условиях . [55] Этот слой делает объемный свинец химически инертным на воздухе. [55] Мелко измельченный свинец, как и многие металлы, пирофорен , [56] и горит голубовато-белым пламенем. [57]
Фтор реагирует со свинцом при комнатной температуре, образуя фторид свинца(II) . Реакция с хлором аналогична, но требует нагрева, так как образующийся слой хлорида снижает реакционную способность элементов. [55] Расплавленный свинец реагирует с халькогенами с образованием халькогенидов свинца(II). [58]
Металлический свинец устойчив к серной и фосфорной кислоте , но не к соляной или азотной кислоте ; результат зависит от нерастворимости и последующей пассивации соли продукта. [59] Органические кислоты, такие как уксусная кислота , растворяют свинец в присутствии кислорода. [55] Концентрированные щелочи растворяют свинец и образуют плюмбиты . [60]
Свинец имеет две основные степени окисления: +4 и +2. Четырехвалентное состояние является общим для группы углерода. Двухвалентное состояние редко встречается для углерода и кремния , второстепенное для германия, важное (но не преобладающее) для олова и является более важным из двух состояний окисления для свинца. [55] Это связано с релятивистскими эффектами , в частности с эффектом инертной пары , который проявляется, когда существует большая разница в электроотрицательности между анионами свинца и оксида , галогенида или нитрида , что приводит к значительному частичному положительному заряду свинца. В результате происходит более сильное сжатие 6s-орбитали свинца, чем в случае 6p-орбитали, что делает ее довольно инертной в ионных соединениях. Эффект инертной пары менее применим к соединениям, в которых свинец образует ковалентные связи с элементами аналогичной электроотрицательности, такими как углерод в свинцовоорганических соединениях. В них орбитали 6s и 6p остаются одинакового размера, а sp3- гибридизация по-прежнему энергетически выгодна. Свинец, как и углерод, в таких соединениях преимущественно четырехвалентен. [61]
Существует относительно большая разница в электроотрицательности свинца (II) - 1,87 и свинца (IV) - 2,33. Эта разница отмечает изменение тенденции увеличения стабильности степени окисления +4 по углеродной группе; олово, для сравнения, имеет значения 1,80 в степени окисления +2 и 1,96 в степени окисления +4. [62]
Соединения свинца (II) характерны для неорганической химии свинца. Даже сильные окислители, такие как фтор и хлор, реагируют со свинцом, образуя только PbF 2 и PbCl 2 . [55] Ионы свинца(II) обычно бесцветны в растворе, [63] и частично гидролизуются с образованием Pb(OH) + и, наконец, [Pb 4 (OH) 4 ] 4+ (в котором гидроксильные ионы действуют как мостиковые лиганды ). , [64] [65] , но не являются восстановителями , как ионы олова (II). Методы определения присутствия иона Pb 2+ в воде обычно основаны на осаждении хлорида свинца (II) с помощью разбавленной соляной кислоты. Поскольку хлоридная соль плохо растворима в воде, в очень разбавленных растворах осаждение сульфида свинца (II) вместо этого достигается путем барботирования сероводорода через раствор. [66]
Моноксид свинца существует в двух полиморфных модификациях : глет α-PbO (красный) и β-PbO туши (желтый), причем последний стабилен только при температуре выше 488 ° C. Глет — наиболее часто используемое неорганическое соединение свинца. [67] Гидроксид свинца(II) отсутствует; Увеличение pH растворов солей свинца(II) приводит к гидролизу и конденсации. [68] Свинец обычно вступает в реакцию с более тяжелыми халькогенами. Сульфид свинца — полупроводник , фотопроводник и чрезвычайно чувствительный детектор инфракрасного излучения . Два других халькогенида, селенид свинца и теллурид свинца , также являются фотопроводящими. Они необычны тем, что по мере продвижения по группе их цвет становится светлее. [69]
Дигалогениды свинца хорошо изучены; сюда входят диастатид [70] и смешанные галогениды, такие как PbFCl. Относительная нерастворимость последнего служит полезной основой для гравиметрического определения фтора. Дифторид был первым открытым твердым ионопроводящим соединением (в 1834 году Майклом Фарадеем ). [71] Другие дигалогениды разлагаются под воздействием ультрафиолетового или видимого света, особенно дииодид. [72] Известны многие псевдогалогениды свинца(II) , такие как цианид, цианат и тиоцианат . [69] [73] Свинец(II) образует широкий спектр галогенидных координационных комплексов , таких как [PbCl 4 ] 2- , [PbCl 6 ] 4- и [Pb 2 Cl 9 ] n 5 n - цепной анион. [72]
Сульфат свинца(II) нерастворим в воде, как и сульфаты других тяжелых двухвалентных катионов . Нитрат свинца (II) и ацетат свинца (II) хорошо растворимы, и это используется в синтезе других соединений свинца. [74]
Известно немного неорганических соединений свинца(IV). Они образуются только в сильно окислительных растворах и обычно не существуют в стандартных условиях. [75] Оксид свинца(II) при дальнейшем окислении дает смешанный оксид Pb 3 O 4 . Он описывается как оксид свинца (II,IV) или структурно 2PbO·PbO 2 и является наиболее известным соединением свинца со смешанной валентностью. Диоксид свинца является сильным окислителем, способным окислять соляную кислоту до газообразного хлора. [76] Это связано с тем, что ожидаемый PbCl 4 , который будет производиться, нестабилен и самопроизвольно разлагается на PbCl 2 и Cl 2 . [77] Аналогично монооксиду свинца , диоксид свинца способен образовывать свинцовые анионы. Дисульфид свинца [78] и диселенид свинца [79] стабильны только при высоких давлениях. Тетрафторид свинца , желтый кристаллический порошок, стабилен, но менее стабилен, чем дифторид . Тетрахлорид свинца (желтое масло) разлагается при комнатной температуре, тетрабромид свинца еще менее стабилен, а существование тетраиодида свинца сомнительно. [80]
Некоторые соединения свинца существуют в формальных степенях окисления, отличных от +4 или +2. Свинец (III) может быть получен как промежуточное звено между свинцом (II) и свинцом (IV) в более крупных свинцовоорганических комплексах; эта степень окисления нестабильна, поскольку и ион свинца (III), и более крупные комплексы, содержащие его, являются радикалами . [82] [83] [84] То же самое относится и к свинцу (I), который можно обнаружить в таких радикальных соединениях. [85]
Известны многочисленные смешанные оксиды свинца(II,IV). При нагревании PbO 2 на воздухе он превращается в Pb 12 O 19 при 293 °C, в Pb 12 O 17 при 351 °C, в Pb 3 O 4 при 374 °C и, наконец, в PbO при 605 °C. Еще один полуторный оксид Pb 2 O 3 может быть получен при высоком давлении вместе с несколькими нестехиометрическими фазами. Многие из них имеют дефектную структуру флюорита , в которой некоторые атомы кислорода заменены вакансиями: PbO можно рассматривать как имеющий такую структуру, в которой отсутствуют все чередующиеся слои атомов кислорода. [86]
Отрицательные степени окисления могут возникать в виде фаз Цинтла , либо в виде свободных анионов свинца, как в Ba 2 Pb, причем свинец формально представляет собой свинец (-IV) [87] , либо в виде чувствительных к кислороду кольцевых или полиэдрических кластерных ионов, таких как тригональные бипирамидальный ион Pb 5 2− , где два атома свинца — это свинец (—I), а три — свинец (0). [88] В таких анионах каждый атом находится в вершине многогранника и вносит два электрона в каждую ковалентную связь вдоль края своих sp 3- гибридных орбиталей, причем два других являются внешней неподеленной парой . [64] Их можно производить в жидком аммиаке путем восстановления свинца натрием . [89]
Свинец может образовывать многосвязные цепи — свойство, которое он разделяет со своими более легкими гомологами в углеродной группе. Его способность к этому гораздо меньше, поскольку энергия связи Pb–Pb более чем в три с половиной раза меньше энергии связи C–C. [58] Сам по себе свинец может образовывать связи металл-металл порядка до трех. [90] С углеродом свинец образует свинцовоорганические соединения, аналогичные типичным органическим соединениям, но, как правило, менее стабильные, чем типичные органические соединения [91] (из-за довольно слабой связи Pb–C). [64] Это делает металлоорганическую химию свинца гораздо менее разнообразной, чем химия олова. [92] Свинец преимущественно образует свинцовоорганические соединения (IV), даже если исходить из неорганических реагентов свинца (II); Известно очень мало свинцовоорганических соединений(II). Наиболее хорошо охарактеризованными исключениями являются Pb[CH(SiMe 3 ) 2 ] 2 и Pb( η 5 -C 5 H 5 ) 2 . [92]
Свинцовым аналогом простейшего органического соединения метана является свинец . Пламбан можно получить в результате реакции металлического свинца с атомарным водородом . [93] Два простых производных, тетраметилсвинец и тетраэтилсвинец , являются наиболее известными свинцовоорганическими соединениями. Эти соединения относительно стабильны: тетраэтилсвинец начинает разлагаться только при нагревании [94] или под воздействием солнечного или ультрафиолетового света. [95] [j] С металлическим натрием свинец легко образует эквимолярный сплав, который реагирует с алкилгалогенидами с образованием металлоорганических соединений, таких как тетраэтилсвинец. [96] Окислительная природа многих свинцовоорганических соединений успешно используется: тетраацетат свинца является важным лабораторным реагентом для окисления в органическом синтезе. [97] Тетраэтилсвинец, добавленный в автомобильный бензин, производился в больших количествах, чем любое другое металлоорганическое соединение, [92] и до сих пор широко используется в топливе для небольших самолетов . [98] Другие свинцовоорганические соединения менее химически стабильны. [91] Для многих органических соединений свинцовых аналогов не существует. [93]
Содержание свинца на частицу в Солнечной системе составляет 0,121 частей на миллиард (частей на миллиард). [99] [k] Этот показатель в два с половиной раза выше, чем у платины , в восемь раз больше, чем у ртути, и в семнадцать раз больше, чем у золота. [99] Количество свинца во Вселенной медленно увеличивается [100], поскольку большинство более тяжелых атомов (все из которых нестабильны) постепенно распадаются на свинец. [101] Содержание свинца в Солнечной системе с момента ее образования 4,5 миллиарда лет назад увеличилось примерно на 0,75%. [102] Таблица распространенности в Солнечной системе показывает, что свинец, несмотря на его относительно высокий атомный номер, более распространен, чем большинство других элементов с атомными номерами больше 40. [99]
Первичный свинец, состоящий из изотопов свинец-204, свинец-206, свинец-207 и свинец-208, в основном образовался в результате повторяющихся процессов захвата нейтронов, происходящих в звездах. Двумя основными способами захвата являются s- и r-процессы . [103]
В s-процессе (s означает «медленный») захваты разделены годами или десятилетиями, что позволяет менее стабильным ядрам подвергаться бета-распаду . [104] Стабильное ядро таллия-203 может захватывать нейтрон и превращаться в таллий-204; он подвергается бета-распаду с образованием стабильного свинца-204; при захвате другого нейтрона он становится свинцом-205, период полураспада которого составляет около 17 миллионов лет. Дальнейшие захваты приводят к отведению-206, отведению-207 и отведению-208. При захвате другого нейтрона свинец-208 превращается в свинец-209, который быстро распадается на висмут-209. При захвате другого нейтрона висмут-209 превращается в висмут-210, и этот бета-распад превращается в полоний-210, который альфа-распадается до свинца-206. Таким образом, цикл заканчивается на свинце-206, свинце-207, свинце-208 и висмуте-209. [105]
В r-процессе (r означает «быстрый») захват происходит быстрее, чем ядра успевают распасться. [106] Это происходит в средах с высокой плотностью нейтронов, таких как сверхновая или слияние двух нейтронных звезд . Поток нейтронов может составлять порядка 10 22 нейтронов на квадратный сантиметр в секунду. [107] В r-процессе не образуется столько свинца, сколько в s-процессе. [108] Он имеет тенденцию прекращаться, как только число нейтронов в ядрах достигает 126. [109] На этом этапе нейтроны располагаются в полных оболочках в атомном ядре, и становится труднее энергетически разместить большее их количество. [110] Когда поток нейтронов утихает, эти ядра бета распадаются на стабильные изотопы осмия, иридия и платины. [111]
Свинец классифицируется как халькофил по классификации Гольдшмидта , что означает, что он обычно встречается в сочетании с серой. [112] Он редко встречается в своей естественной металлической форме. [113] Многие минералы свинца относительно легкие и на протяжении всей истории Земли оставались в земной коре , а не погружались глубже в недра Земли. Это объясняет относительно высокое содержание свинца в земной коре - 14 частей на миллион; это 36-й по распространенности элемент в земной коре. [114] [л]
Основным минералом, содержащим свинец, является галенит (PbS), который чаще всего встречается в цинковых рудах. [116] Большинство других свинцовых минералов так или иначе связаны с галенитом; буланжерит , Pb 5 Sb 4 S 11 , представляет собой смешанный сульфид, полученный из галенита; англезит , PbSO 4 , является продуктом окисления галенита; а церуссит или белая свинцовая руда PbCO 3 представляет собой продукт разложения галенита. Мышьяк , олово, сурьма, серебро, золото, медь и висмут являются обычными примесями в свинцовых минералах. [116]
Мировые ресурсы свинца превышают два миллиарда тонн. Значительные месторождения расположены в Австралии, Китае, Ирландии, Мексике, Перу, Португалии, России и США. Мировые запасы — ресурсы, добыча которых экономически целесообразна — в 2016 году составили 88 миллионов тонн, из которых у Австралии было 35 миллионов, у Китая — 17 миллионов, а у России — 6,4 миллиона. [117]
Типичные фоновые концентрации свинца в атмосфере не превышают 0,1 мкг/м 3 ; 100 мг/кг в почве; 4 мг/кг в растительности и 5 мкг/л в пресной и морской воде. [118]
Современное английское слово «lead» имеет германское происхождение; оно происходит от среднеанглийского leed и древнеанглийского lēad (макрон над буквой «е» означает, что гласный звук этой буквы долгий). [119] Древнеанглийское слово происходит от гипотетического реконструированного протогерманского * lauda- («свинец»). [120] Согласно лингвистической теории, это слово имело потомков на нескольких германских языках с одинаковым значением. [120]
Единого мнения о происхождении протогерманского * lauda- не существует . Одна из гипотез предполагает, что оно происходит от протоиндоевропейского * lAudh- («свинец»; заглавная буква гласной эквивалентна макрону). [121] Другая гипотеза предполагает, что оно заимствовано из прото-кельтского * ɸloud-io- («свинец»). Это слово родственно латинскому Plumbum , которое дало элементу химический символ Pb . Слово * ɸloud-io- считается источником протогерманского * bliwa- (что также означает «свинец»), от которого произошло немецкое Blei . [122]
Название химического элемента не родственно глаголу того же написания, происходящему от прагерманского * layijan- («вести»). [123]
Металлические свинцовые бусы , датируемые 7000–6500 гг. до н.э., были найдены в Малой Азии и могут представлять собой первый пример выплавки металла . [125] В то время свинец практически не применялся (если вообще имелся) из-за его мягкости и тусклого вида. [125] Основной причиной распространения производства свинца была его связь с серебром, которое можно получить путем сжигания галенита (обычного свинцового минерала). [126] Древние египтяне были первыми, кто использовал свинцовые минералы в косметике, и это применение распространилось в Древней Греции и за ее пределами; [127] Египтяне, возможно, использовали свинец для грузил в рыболовных сетях, глазурей , стекол, эмалей и украшений. [126] Различные цивилизации Плодородного Полумесяца использовали свинец в качестве пишущего материала, монет , [128] и в качестве строительного материала. [126] Свинец использовался при древнекитайском королевском дворе как стимулятор , [126] как валюта, [129] и как противозачаточное средство ; [130] цивилизация долины Инда и мезоамериканцы использовали его для изготовления амулетов; [126] а народы Восточной и Южной Африки использовали свинец при волочении проволоки . [131]
Поскольку серебро широко использовалось в качестве декоративного материала и средства обмена, месторождения свинца стали разрабатываться в Малой Азии с 3000 г. до н. э.; позднее месторождения свинца были разработаны в Эгейском море и Лаурионе . [132] Эти три региона коллективно доминировали в производстве добытого свинца до c. 1200 г. до н.э. [133] Начало ок. 2000 г. до н. э. финикийцы разрабатывали месторождения на Пиренейском полуострове ; к 1600 году до нашей эры добыча свинца существовала на Кипре , в Греции и Сардинии . [134]
Территориальная экспансия Рима в Европе и Средиземноморье, а также развитие горнодобывающей промышленности привели к тому, что он стал крупнейшим производителем свинца в классическую эпоху , с предполагаемым годовым объемом производства, достигающим 80 000 тонн. Как и их предшественники, римляне получали свинец в основном как побочный продукт выплавки серебра. [124] [136] Добыча свинца происходила в Центральной Европе, Великобритании , на Балканах , в Греции , Анатолии и Испании , причем на долю последней приходится 40% мирового производства. [124]
Свинцовые таблички обычно использовались в качестве материала для букв. [137] Свинцовые гробы, отлитые в плоских песчаных формах и со сменными мотивами, соответствующими вере умершего, использовались в древней Иудее . [138] Свинец использовался для изготовления пращных пуль в V веке до нашей эры. Во времена Римской империи широко использовались пули из свинцовой пращи, которые были эффективны на расстоянии от 100 до 150 метров. Балеарские пращники , использовавшиеся в качестве наемников в карфагенской и римской армиях, славились дальностью стрельбы и точностью. [139]
Свинец использовался для изготовления водопроводных труб в Римской империи ; Латинское слово , обозначающее металл, Plumbum , является источником английского слова «сантехника». Простота работы, низкая температура плавления, позволяющая легко изготавливать полностью водонепроницаемые сварные соединения, а также устойчивость к коррозии [140] обеспечили его широкое использование в других областях, включая фармацевтику, кровельные работы, валюту и военное дело. [141] [142] [143] Писатели того времени, такие как Катон Старший , Колумелла и Плиний Старший , рекомендовали свинцовые (или покрытые свинцом) сосуды для приготовления подсластителей и консервантов , добавляемых в вино и еду. Свинец придавал приятный вкус из-за образования «сахара свинца» ( ацетата свинца (II) ), тогда как медные или бронзовые сосуды могли придавать горький вкус за счет образования ярь-медянки . [144]
Этот металл был, безусловно, наиболее часто используемым материалом в классической античности, и его уместно отнести к (римскому) свинцовому веку. Свинец был для римлян тем же, чем для нас пластик.
Хайнц Эшнауэр и Маркус Степплер
«Вино — банк энологических образцов», 1992 г. [145]
Римский автор Витрувий сообщил об опасности свинца для здоровья [146] [147] , а современные писатели предположили, что отравление свинцом сыграло важную роль в упадке Римской империи . [148] [149] [n] Другие исследователи раскритиковали подобные утверждения, указав, например, что не все боли в животе вызваны отравлением свинцом. [151] [152] Согласно археологическим исследованиям, римские свинцовые трубы повышали уровень свинца в водопроводной воде, но такой эффект «вряд ли был действительно вредным». [153] [154] Когда действительно происходило отравление свинцом, жертв называли «сатурнинами», мрачными и циничными, в честь омерзительного отца богов Сатурна . По ассоциации свинец считался отцом всех металлов. [155] Его статус в римском обществе был низким, поскольку он был легко доступен [156] и дешев. [157]
Начиная с бронзового века , металлурги и инженеры поняли разницу между редким и ценным оловом , необходимым для легирования меди с целью получения прочной и устойчивой к коррозии бронзы , и «дешевым и дешевым» свинцом. Однако номенклатура на некоторых языках аналогична. Римляне называли свинец Plumbum Nigrum («черный свинец») и олово Plumbum Candidum («яркий свинец»). Ассоциацию свинца и олова можно увидеть и в других языках: слово олово на чешском языке переводится как «свинец», но на русском его родственное слово олово ( olovo ) означает «олово». [158] Еще больше путаницы усугубляло то, что свинец был тесно связан с сурьмой: оба элемента обычно встречаются в виде сульфидов (галенит и антимонит ), часто вместе. Плиний неправильно писал, что антимонит при нагревании дает свинец, а не сурьму. [159] В таких странах, как Турция и Индия, первоначально персидское название « сурма» стало обозначать либо сульфид сурьмы, либо сульфид свинца, [160] а в некоторых языках, например в русском, оно дало название сурьме ( сурьма ). [161]
_-_Portrait_of_Queen_Elizabeth_I_-_Google_Art_Project.jpg/1280px-Nicholas_Hilliard_(called)_-_Portrait_of_Queen_Elizabeth_I_-_Google_Art_Project.jpg)
Добыча свинца в Западной Европе пришла в упадок после падения Западной Римской империи , при этом Аравийская Иберия была единственным регионом, имеющим значительный объем добычи. [163] [164] Крупнейшее производство свинца произошло в Южной и Восточной Азии, особенно в Китае и Индии, где добыча свинца быстро росла. [164]
В Европе производство свинца начало увеличиваться в 11 и 12 веках, когда его снова начали использовать для кровли и труб. Начиная с 13 века для создания витражей использовался свинец . [165] В европейских и арабских традициях алхимии свинец (символ ♄ в европейской традиции) [166] считался нечистым недрагоценным металлом , который путем разделения, очистки и балансировки составляющих его сущностей можно было преобразовать в чистый и нетленное золото. [167] В этот период свинец все чаще использовался для фальсификации вина. Использование такого вина в христианских обрядах было запрещено папской буллой в 1498 году, но его продолжали употреблять, что приводило к массовым отравлениям вплоть до конца 18 века. [163] [168] Свинец был ключевым материалом в печатных станках , и свинцовая пыль обычно вдыхалась работниками типографии, вызывая отравление свинцом. [169] Свинец также стал основным материалом для изготовления пуль для огнестрельного оружия: он был дешевым, менее вредным для железных стволов оружия, имел более высокую плотность (что позволяло лучше сохранять скорость), а его более низкая температура плавления обусловила производство пуль. проще, поскольку их можно приготовить на дровах. [170] Свинец в форме венецианской церузы широко использовался в косметике западноевропейской аристократией, поскольку побеленные лица считались признаком скромности. [171] [172] Позже эта практика распространилась на белые парики и подводку для глаз и исчезла только с Французской революцией в конце 18 века. Подобная мода появилась в Японии в 18 веке с появлением гейш , и эта практика продолжалась вплоть до 20 века. Белые лица женщин «стали символизировать их женскую добродетель как японских женщин» [173] , а в отбеливателях обычно использовался свинец. [174]
В Новом Свете производство свинца было зафиксировано вскоре после прибытия европейских поселенцев. Самая ранняя запись датируется 1621 годом в английской колонии Вирджиния , через четырнадцать лет после ее основания. [175] В Австралии первой шахтой, открытой колонистами на континенте, была свинцовая шахта, в 1841 году. [176] В Африке добыча и выплавка свинца были известны в желобе Бенуэ [177] и нижнем бассейне Конго , где свинец использовался для торговли с европейцами и в качестве валюты в 17 веке, [178] задолго до борьбы за Африку .
Во второй половине XVIII века Великобритания, а затем и континентальная Европа и США пережили промышленную революцию . Это был первый случай, когда темпы производства свинца превысили темпы производства в Риме. [179] Великобритания была ведущим производителем, потеряв этот статус к середине 19 века с истощением своих рудников и развитием добычи свинца в Германии, Испании и США. [180] К 1900 году Соединенные Штаты были лидером в мировом производстве свинца, а другие неевропейские страны — Канада, Мексика и Австралия — начали значительное производство; производство за пределами Европы превысило производство внутри страны. [181] Большая часть спроса на свинец исходила от сантехники и малярных работ — свинцовые краски использовались регулярно. [182] В это время больше людей (рабочего класса) подверглись воздействию металла, и число случаев отравления свинцом возросло. Это привело к исследованию последствий потребления свинца. Было доказано, что свинец более опасен в виде дыма, чем в виде твердого металла. Отравление свинцом и подагра были связаны; Британский врач Альфред Бэринг Гаррод отметил, что треть его пациентов с подагрой были водопроводчиками и малярами. Последствия хронического употребления свинца, включая психические расстройства, также изучались в XIX веке. Первые законы, направленные на снижение отравления свинцом на фабриках, были приняты в 1870-х и 1880-х годах в Соединенном Королевстве. [182]
Дополнительные доказательства угрозы, которую свинец представляет для человека, были обнаружены в конце 19 - начале 20 веков. Механизмы вреда были лучше поняты, свинцовая слепота была задокументирована, и этот элемент был постепенно исключен из общественного использования в Соединенных Штатах и Европе. Соединенное Королевство ввело обязательные фабричные проверки в 1878 году и назначило первого медицинского инспектора фабрик в 1898 году; в результате сообщалось о 25-кратном уменьшении количества случаев отравления свинцом с 1900 по 1944 год. [183] В большинстве европейских стран к 1930 году запретили свинцовую краску, широко используемую из-за ее непрозрачности и водостойкости [184] для внутренних работ . [185]
Последним крупным воздействием свинца на человека было добавление тетраэтилсвинца в бензин в качестве антидетонационного агента . Эта практика возникла в Соединенных Штатах в 1921 году. К 2000 году она была прекращена в Соединенных Штатах и Европейском Союзе. [182]
В 1970-х годах США и страны Западной Европы приняли законодательство по снижению загрязнения воздуха свинцом. [186] [187] Воздействие было значительным: хотя исследование, проведенное Центрами по контролю и профилактике заболеваний в США в 1976–1980 годах, показало, что у 77,8% населения наблюдался повышенный уровень свинца в крови , в 1991–1994 годах исследование того же института показало, что доля людей с таким высоким уровнем снизилась до 2,2%. [188] Основным изделием из свинца к концу 20 века были свинцово-кислотные аккумуляторы . [189]
С 1960 по 1990 год производство свинца в Западном блоке выросло примерно на 31%. [190] Доля мирового производства свинца Восточным блоком увеличилась с 10% до 30% с 1950 по 1990 год, при этом Советский Союз был крупнейшим в мире производителем в середине 1970-х и 1980-х годах, а Китай стал основным лидером. Производство конца 20 века. [191] В отличие от европейских коммунистических стран, Китай к середине 20-го века был в значительной степени неиндустриализирован; в 2004 году Китай обогнал Австралию как крупнейшего производителя свинца. [192] Как и во время европейской индустриализации, свинец оказал негативное влияние на здоровье в Китае. [193]
По состоянию на 2014 год производство свинца во всем мире растет за счет его использования в свинцово-кислотных батареях. [194] Существует две основные категории производства: первичное из добытых руд и вторичное из металлолома. В 2014 году 4,58 миллиона тонн было получено от первичного производства и 5,64 миллиона тонн от вторичного производства. В тройку крупнейших производителей добытого свинцового концентрата в том году вошли Китай, Австралия и США. [117] В тройку крупнейших производителей рафинированного свинца вошли Китай, США и Индия. [195] Согласно отчету Международной группы ресурсов о запасах металлов в обществе за 2010 год, общее количество используемого, складируемого, выбрасываемого или рассеиваемого в окружающей среде свинца в глобальном масштабе составляет 8 кг на душу населения. Большая часть этого количества приходится на более развитые страны (20–150 кг на душу населения), а не на менее развитые (1–4 кг на душу населения). [196]
Первичные и вторичные процессы производства свинца аналогичны. Некоторые заводы по первичному производству в настоящее время дополняют свою деятельность ломом свинца, и эта тенденция, вероятно, усилится в будущем. При наличии адекватных технологий свинец, полученный вторичными процессами, неотличим от свинца, полученного первичными процессами. Свинцовый лом строительной отрасли обычно довольно чистый и переплавляется без необходимости плавки, хотя иногда требуется рафинирование. Таким образом, производство вторичного свинца с точки зрения энергопотребления обходится дешевле, чем первичное производство, часто на 50% и более. [197]
Большинство свинцовых руд содержат низкий процент свинца (обычное содержание богатых руд составляет 3–8%), который для добычи необходимо концентрировать. [198] Во время первоначальной переработки руды обычно подвергаются дроблению, разделению на плотную среду, измельчению , пенной флотации и сушке. Полученный концентрат с содержанием свинца 30–80% по массе (обычно 50–60%) [198] затем превращают в (нечистый) металлический свинец.
Есть два основных способа сделать это: двухэтапный процесс, включающий обжиг с последующей доменной экстракцией, осуществляемой в отдельных емкостях; или прямой процесс, при котором экстракция концентрата происходит в одном сосуде. Последний маршрут стал наиболее распространенным, хотя первый по-прежнему важен. [199]
Сначала сульфидный концентрат обжигают на воздухе для окисления сульфида свинца: [200]
Поскольку исходный концентрат не представлял собой чистый сульфид свинца, при обжиге получается не только желаемый оксид свинца (II), но и смесь оксидов, сульфатов и силикатов свинца и других металлов, содержащихся в руде. [201] Этот нечистый оксид свинца восстанавливается в коксовой доменной печи до (опять же нечистого) металла: [202]
Примесями в основном являются мышьяк, сурьма, висмут, цинк, медь, серебро и золото. Обычно их удаляют в ходе пирометаллургических процессов . Расплав обрабатывается в отражательной печи воздухом, паром и серой, которая окисляет примеси, за исключением серебра, золота и висмута. Окисленные примеси всплывают наверх расплава и удаляются. [203] [204] Металлическое серебро и золото удаляются и восстанавливаются экономично с помощью процесса Паркса , в котором к свинцу добавляется цинк. Цинк, несмешивающийся со свинцом, растворяет серебро и золото. Раствор цинка можно отделить от свинца и извлечь серебро и золото. [204] [205] Десеребряный свинец освобождают от висмута с помощью процесса Беттертона-Кролла , обрабатывая его металлическими кальцием и магнием . Образовавшийся висмутовый шлак можно снять. [204]
В качестве альтернативы пирометаллургическим процессам очень чистый свинец можно получить путем электролитической обработки плавленого свинца с использованием процесса Беттса . Аноды из примесного свинца и катоды из чистого свинца помещены в электролит из фторосиликата свинца (PbSiF 6 ). При приложении электрического потенциала нечистый свинец на аноде растворяется и осаждается на катоде, оставляя большую часть примесей в растворе. [204] [206] Это дорогостоящий процесс, поэтому он в основном предназначен для аффинажа слитков, содержащих высокий процент примесей. [207]
В этом процессе свинцовые слитки и шлак получают непосредственно из свинцовых концентратов. Концентрат сульфида свинца плавится в печи и окисляется с образованием монооксида свинца. Углерод (в виде кокса или угольного газа [о] ) добавляют в расплавленную шихту вместе с флюсами . Таким образом, монооксид свинца восстанавливается до металлического свинца в шлаке, богатом монооксидом свинца. [199]
Если сырье богато свинцом, до 80% исходного свинца можно получить в виде слитков; оставшиеся 20% образуют шлак, богатый монооксидом свинца. В случае низкосортного сырья весь свинец может быть окислен до шлака с высоким содержанием свинца. [199] Металлический свинец дополнительно получают из шлаков с высоким содержанием свинца (25–40%) путем сжигания или впрыска топлива под водой, восстановления с помощью электрической печи или комбинации того и другого. [199]
Продолжаются исследования более чистого и менее энергоемкого процесса извлечения свинца; Основным недостатком является то, что либо слишком много свинца теряется в виде отходов, либо альтернативные варианты приводят к высокому содержанию серы в получаемом металлическом свинце. Гидрометаллургическая экстракция, при которой аноды из нечистого свинца погружаются в электролит , а чистый свинец осаждается ( электровата ) на катод, представляет собой метод, который может иметь потенциал, но в настоящее время не является экономичным, за исключением случаев, когда электроэнергия очень дешева. [208]
Плавка, которая является важной частью первичного производства, во время вторичного производства часто пропускается. Это выполняется только в том случае, если металлический свинец подвергся значительному окислению. [197] Этот процесс аналогичен процессу первичного производства в доменной или вращающейся печи , с существенной разницей, заключающейся в большей вариативности выходов: доменные печи производят твердый свинец (10% сурьмы), а отражательные и вращающиеся печи производят полумягкий свинец (3–4% сурьмы). [209]
Процесс ISASMELT — это более современный метод плавки, который может служить расширением основного производства; Из аккумуляторной пасты из отработанных свинцово-кислотных аккумуляторов (содержащей сульфат свинца и оксиды свинца) сульфат удаляют обработкой щелочью, а затем обрабатывают в угольной печи в присутствии кислорода, в результате чего образуется примесный свинец с сурьмой. Самая распространенная примесь. [210] Очистка вторичного свинца аналогична очистке первичного свинца; некоторые процессы переработки можно пропустить в зависимости от перерабатываемого материала и его потенциального загрязнения. [210]
Из источников свинца для переработки наиболее важными являются свинцово-кислотные аккумуляторы; свинцовые трубы, листы и оболочка кабеля также имеют важное значение. [197]
Вопреки распространенному мнению, стержни деревянных карандашей никогда не делались из свинца. Когда карандаш возник как графитовый пишущий инструмент в обертке, конкретный тип используемого графита назывался плюмбаго (буквально « действовать для свинца» или «макет свинца »). [212]
Металлический свинец обладает несколькими полезными механическими свойствами, включая высокую плотность, низкую температуру плавления, пластичность и относительную инертность. Многие металлы превосходят свинец по некоторым из этих аспектов, но, как правило, менее распространены и их труднее извлечь из материнских руд. Токсичность свинца привела к постепенному отказу от его использования в некоторых целях. [213]
Свинец использовался для изготовления пуль с момента их изобретения в средние века. Это недорого; его низкая температура плавления означает, что боеприпасы для стрелкового оружия и дробовые дроби можно отливать с минимальным использованием технического оборудования; и он плотнее, чем другие распространенные металлы, что позволяет лучше сохранять скорость. Он остается основным материалом для пуль, легированным другими металлами в качестве отвердителей. [170] Высказывались опасения, что свинцовые пули, используемые для охоты, могут нанести вред окружающей среде. [п]
Высокая плотность свинца и его устойчивость к коррозии нашли применение во многих смежных областях. Он используется в качестве балласта в килях парусных лодок; его плотность позволяет ему занимать небольшой объем и минимизировать сопротивление воды, тем самым уравновешивая кренящее воздействие ветра на паруса. [215] Он используется в грузовых поясах для подводного плавания , чтобы противодействовать плавучести дайвера. [216] В 1993 году основание Пизанской башни было стабилизировано 600 тоннами свинца. [217] Благодаря своей коррозионной стойкости свинец используется в качестве защитной оболочки подводных кабелей. [218]
_07.jpg/1280px-Parc_de_Versailles,_Bassin_de_Flore,_Jean-Baptiste_Tuby_(1672-79)_07.jpg)
Свинец имеет множество применений в строительной отрасли; Свинцовые листы используются в качестве архитектурного металла в кровельном материале, облицовке , гидроизоляции , желобах и соединениях желобов, а также на парапетах крыш. [219] [220] Свинец до сих пор используется в статуях и скульптурах, [q] в том числе для изготовления арматуры . [222] В прошлом его часто использовали для балансировки колес автомобилей ; по экологическим причинам это использование постепенно сокращается в пользу других материалов. [117]
Свинец добавляется в медные сплавы, такие как латунь и бронза, для улучшения обрабатываемости и смазочных качеств. Будучи практически нерастворимым в меди, свинец образует твердые шарики в дефектах сплава, таких как границы зерен . В низких концентрациях шарики не только действуют как смазка, но и препятствуют образованию стружки при обработке сплава, тем самым улучшая обрабатываемость. В подшипниках используются медные сплавы с повышенным содержанием свинца . Свинец обеспечивает смазку, а медь обеспечивает несущую способность. [223]
Высокая плотность, атомный номер и формуемость свинца составляют основу для использования свинца в качестве барьера, поглощающего звук, вибрацию и излучение. [224] Свинец не имеет собственных резонансных частот; [224] в результате листовой свинец используется в качестве звукопоглощающего слоя в стенах, полах и потолках звуковых студий. [225] Органные трубы часто изготавливаются из свинцового сплава, смешанного с различным количеством олова, чтобы контролировать тон каждой трубы. [226] [227] Свинец является признанным материалом для защиты от радиации в ядерной науке и рентгеновских кабинетах [228] благодаря своей плотности и высокому коэффициенту ослабления . [229] Расплавленный свинец использовался в качестве теплоносителя для быстрых реакторов со свинцовым теплоносителем . [230]
Наибольшее использование свинца в начале 21 века приходится на свинцово-кислотные аккумуляторы . Свинец в батареях не подвергается прямому контакту с людьми, поэтому возникает меньше проблем с токсичностью. [r] Люди, работающие на предприятиях по производству или переработке свинцовых аккумуляторов, могут подвергаться воздействию свинцовой пыли и вдыхать ее. [232] Реакции в батарее между свинцом, диоксидом свинца и серной кислотой обеспечивают надежный источник напряжения . [s] Суперконденсаторы на основе свинцово-кислотных аккумуляторов были установлены в киловаттных и мегаваттных приложениях в Австралии, Японии и США для регулирования частоты, сглаживания и смещения солнечной энергии, сглаживания ветра и других приложений. [234] Эти аккумуляторы имеют меньшую плотность энергии и эффективность заряда-разряда, чем литий-ионные аккумуляторы , но значительно дешевле. [235]
Свинец используется в силовых кабелях высокого напряжения в качестве материала оболочки для предотвращения диффузии воды в изоляцию; это использование сокращается по мере прекращения использования свинца. [236] Некоторые страны также постепенно отказываются от его использования в припое для электроники, чтобы уменьшить количество экологически опасных отходов. [237] Свинец — один из трех металлов, используемых в тесте Одди для музейных материалов, помогающем обнаруживать органические кислоты, альдегиды и кислые газы. [238] [239]
Помимо основного применения металлического свинца, свинцово-кислотные аккумуляторы также являются основным потребителем соединений свинца. Реакция накопления/высвобождения энергии, используемая в этих устройствах, включает сульфат и диоксид свинца :
Другие применения соединений свинца очень специализированы и часто исчезают. Красители на основе свинца используются в керамической глазури и стекле, особенно для красных и желтых оттенков. [240] Хотя свинцовые краски постепенно выводятся из обращения в Европе и Северной Америке, они по-прежнему используются в менее развитых странах, таких как Китай, [241] Индия, [242] или Индонезия. [243] Тетраацетат свинца и диоксид свинца используются в качестве окислителей в органической химии. Свинец часто используется в поливинилхлоридном покрытии электрических шнуров. [244] [245] Его можно использовать для обработки фитилей свечей, чтобы обеспечить более длительное и равномерное горение. Из-за его токсичности европейские и североамериканские производители используют альтернативы, такие как цинк. [246] [247] Свинцовое стекло состоит из 12–28% оксида свинца , изменяя его оптические характеристики и уменьшая передачу ионизирующего излучения, [248] свойство, используемое в старых телевизорах и компьютерных мониторах с электронно-лучевыми трубками . Полупроводники на основе свинца , такие как теллурид и селенид свинца, используются в фотоэлектрических элементах и инфракрасных детекторах. [249]
Свинец не имеет подтвержденной биологической роли, и не существует подтвержденного безопасного уровня воздействия свинца. [251] Канадско-американское исследование 2009 года пришло к выводу, что даже при уровнях, которые считаются практически не представляющими риска, свинец может вызывать «неблагоприятные последствия для психического здоровья». [252] Его распространенность в организме человека — при средней дозе у взрослого человека 120 мг [т] — тем не менее, среди тяжелых металлов уступает только цинку (2500 мг) и железу (4000 мг). [254] Соли свинца очень эффективно усваиваются организмом. [255] Небольшое количество свинца (1%) сохраняется в костях; остальная часть выводится с мочой и калом в течение нескольких недель после воздействия. Лишь около трети свинца выводится ребенком. Постоянное воздействие может привести к биоаккумуляции свинца. [256]
Свинец — очень ядовитый металл (как при вдыхании, так и при проглатывании), поражающий практически все органы и системы человеческого организма. [257] При концентрации в воздухе 100 мг/м 3 он сразу опасен для жизни и здоровья . [258] Большая часть поступившего в организм свинца всасывается в кровоток. [259] Основной причиной его токсичности является его склонность нарушать правильное функционирование ферментов. Он делает это путем связывания с сульфгидрильными группами , обнаруженными во многих ферментах, [260] или имитируя и вытесняя другие металлы, которые действуют как кофакторы во многих ферментативных реакциях. [261] К основным металлам, с которыми взаимодействует свинец, относятся кальций, железо и цинк. [262] Высокий уровень кальция и железа обеспечивает некоторую защиту от отравления свинцом; низкие уровни вызывают повышенную восприимчивость. [255]
Свинец может вызвать серьезное повреждение головного мозга и почек и, в конечном итоге, смерть. Имитируя кальций, свинец может преодолевать гематоэнцефалический барьер . Он разрушает миелиновые оболочки нейронов , уменьшает их количество, нарушает пути нейротрансмиссии и замедляет рост нейронов. [260] В организме человека свинец ингибирует порфобилиногенсинтазу и феррохелатазу , предотвращая как образование порфобилиногена , так и включение железа в протопорфирин IX , заключительный этап синтеза гема . Это вызывает неэффективный синтез гема и микроцитарную анемию . [263]
.png/1280px-Symptoms_of_lead_poisoning_(raster).png)
Симптомы отравления свинцом включают нефропатию , коликоподобные боли в животе и, возможно, слабость в пальцах, запястьях или лодыжках. Небольшое повышение артериального давления, особенно у людей среднего и старшего возраста, может быть очевидным и может вызвать анемию . [ нужна ссылка ] Несколько исследований, в основном перекрестных, обнаружили связь между повышенным воздействием свинца и снижением вариабельности сердечного ритма. [264] У беременных женщин высокие уровни воздействия свинца могут вызвать выкидыш. Было показано, что хроническое воздействие высоких доз снижает фертильность у мужчин. [265]
В развивающемся мозге ребенка свинец препятствует образованию синапсов в коре головного мозга , нейрохимическому развитию (в том числе нейротрансмиттеров) и организации ионных каналов . [266] Воздействие в раннем детстве связано с повышенным риском нарушений сна и чрезмерной дневной сонливости в более позднем детстве. [267] Высокие уровни в крови связаны с задержкой полового созревания у девочек. [268] Рост и снижение воздействия переносимого по воздуху свинца в результате сгорания тетраэтилсвинца в бензине в 20 веке было связано с историческим ростом и снижением уровня преступности .
Воздействие свинца является глобальной проблемой, поскольку добыча и выплавка свинца, а также производство, утилизация и переработка аккумуляторов широко распространены во многих странах. Свинец попадает в организм при вдыхании, проглатывании или всасывании через кожу. Почти весь вдыхаемый свинец всасывается в организм; при приеме внутрь этот показатель составляет 20–70%, при этом дети усваивают более высокий процент, чем взрослые. [269]
Отравление обычно возникает в результате приема пищи или воды, загрязненных свинцом, и реже – в результате случайного проглатывания загрязненной почвы, пыли или краски на основе свинца. [270] Продукты из морской воды могут содержать свинец, если на них попадают близлежащие промышленные воды. [271] Фрукты и овощи могут быть загрязнены высоким содержанием свинца в почвах, в которых они выращивались. Почва может быть загрязнена в результате накопления частиц свинца в трубах, свинцовой краске и остаточных выбросов этилированного бензина. [272]
Использование свинца для водопроводных труб является проблемой в районах с мягкой или кислой водой . [273] Жесткая вода образует нерастворимые защитные слои на внутренней поверхности труб, тогда как мягкая и кислая вода растворяет свинец труб. [274] Растворенный углекислый газ в транспортируемой воде может привести к образованию растворимого бикарбоната свинца ; Насыщенная кислородом вода может аналогичным образом растворять свинец, как и гидроксид свинца (II) . Употребление такой воды со временем может вызвать проблемы со здоровьем из-за токсичности растворенного свинца. Чем жестче вода, тем больше в ней будет содержаться бикарбоната и сульфата кальция , и тем больше внутренняя часть труб будет покрыта защитным слоем из карбоната или сульфата свинца. [275]
Основным источником воздействия на детей является проглатывание нанесенной краски на основе свинца: прямым источником является жевание старых окрашенных подоконников. Кроме того, по мере того, как свинцовая краска на поверхности портится, она отслаивается и превращается в пыль. Затем пыль попадает в организм через контакт рук со ртом или через зараженную пищу или напитки. Прием некоторых домашних средств может привести к воздействию свинца или его соединений. [276]
Вдыхание является вторым основным путем воздействия, поражающим курильщиков и особенно работников профессий, связанных со свинцом. [259] Сигаретный дым содержит, помимо других токсичных веществ, радиоактивный свинец-210 . [277] «В результате нормативных усилий Агентства по охране окружающей среды уровень свинца в воздухе [в США] снизился на 86 процентов в период с 2010 по 2020 год». [278] В 2014 году концентрация свинца в воздухе в США упала ниже национального стандарта в 0,15 мкг/м 3 [279] [280] .
Воздействие на кожу может быть значительным для людей, работающих с органическими соединениями свинца. Скорость поглощения кожей неорганического свинца ниже. [281]
Свинец может быть обнаружен в продуктах питания, когда продукты выращиваются на почве с высоким содержанием свинца, свинец, переносимый по воздуху, загрязняет сельскохозяйственные культуры, животные едят свинец в своем рационе или свинец попадает в пищу либо из того, в чем она хранилась, либо из того, в чем она была приготовлена. [282] Проглатывание . свинцовые краски и аккумуляторы также являются источником воздействия на домашний скот, что впоследствии может повлиять на людей. [283] Молоко, произведенное от зараженного крупного рогатого скота, можно разбавить до более низкой концентрации свинца и продать для потребления. [284]
В Бангладеш в куркуму добавили соединения свинца, чтобы сделать ее более желтой. [285] Считается, что это началось в 1980-х годах и продолжается по состоянию на 2019 год [обновлять]. [285] Считается, что он является одним из основных источников высокого уровня свинца в стране. [286] В Гонконге максимально допустимый уровень свинца в пищевых продуктах составляет 6 частей на миллион в твердых веществах и 1 часть на миллион в жидкостях. [287]
Содержащая свинец пыль может оседать на сушащихся какао-бобах, когда они выкладываются на улице вблизи загрязняющих окружающую среду промышленных предприятий. [288] В декабре 2022 года Consumer Reports протестировал 28 марок темного шоколада и обнаружил, что 23 из них содержат потенциально вредные уровни свинца, кадмия или того и другого. Они призвали производителей шоколада снизить уровень свинца, который может быть вредным, особенно для развивающегося плода. [289]
По данным Центра по контролю заболеваний США , использование свинца в пластмассах не запрещено с 2024 года. Свинец смягчает пластик и делает его более гибким, чтобы он мог вернуться к своей первоначальной форме. Было обнаружено, что привычное жевание цветной пластиковой изоляции с зачищенных электрических проводов вызвало повышенный уровень свинца у 46-летнего мужчины. [290] Свинец может использоваться в пластиковых игрушках для стабилизации молекул при нагревании. Свинцовая пыль может образовываться, когда пластик подвергается воздействию солнечного света, воздуха и моющих средств, которые разрушают химическую связь между свинцом и пластиком. [291]
Лечение отравления свинцом обычно включает введение димеркапрола и сукцимера . [292] В острых случаях может потребоваться использование динатриевой соли эдетата кальция , хелата кальция и динатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты ( ЭДТА ). Он имеет большее сродство к свинцу, чем к кальцию, в результате чего хелат свинца образуется путем обмена и выводится с мочой, оставляя после себя безвредный кальций. [293]
Добыча, производство, использование и утилизация свинца и продуктов его переработки привели к значительному загрязнению почв и вод Земли. Пик выбросов свинца в атмосферу пришелся на период промышленной революции и периода использования этилированного бензина во второй половине двадцатого века. [294]
Выбросы свинца происходят из природных источников (т.е. концентрации свинца природного происхождения), промышленного производства, сжигания и переработки, а также мобилизации ранее захороненного свинца. [294] В частности, поскольку использование свинца в других целях постепенно прекращается, на Глобальном Юге операции по переработке свинца, предназначенные для извлечения дешевого свинца, используемого в мировом производстве, стали хорошо документированным источником воздействия. [295] Повышенные концентрации свинца сохраняются в почвах и отложениях постиндустриальных и городских территорий; Промышленные выбросы, в том числе возникающие в результате сжигания угля, [296] продолжаются во многих частях мира, особенно в развивающихся странах. [297]
Свинец может накапливаться в почвах, особенно с высоким содержанием органических веществ, где он сохраняется в течение сотен и тысяч лет. Экологический свинец может конкурировать с другими металлами, обнаруженными внутри и на поверхности растений, потенциально подавляя фотосинтез и в достаточно высоких концентрациях, отрицательно влияя на рост и выживание растений. Загрязнение почв и растений может привести к восхождению по пищевой цепи, поражающему микроорганизмы и животных. У животных свинец оказывает токсичное воздействие на многие органы, повреждая нервную, почечную , репродуктивную, кроветворную и сердечно-сосудистую системы после приема внутрь, вдыхания или проникновения через кожу. [298] Поглощение рыбой свинца как из воды, так и из отложений; [299] Биоаккумуляция в пищевой цепи представляет опасность для рыб, птиц и морских млекопитающих. [300]
Антропогенный свинец включает свинец из дроби и грузил . Это одни из самых мощных источников загрязнения свинцом наряду с местами производства свинца. [301] Свинец был запрещен для дроби и грузил в США в 2017 году, [302] хотя этот запрет действовал только в течение месяца, [303] аналогичный запрет рассматривается в Европейском Союзе. [304]
Аналитические методы определения свинца в окружающей среде включают спектрофотометрию , рентгенофлуоресценцию , атомную спектроскопию и электрохимические методы . Разработан специфический ионоселективный электрод на основе ионофора S,S'-метиленбис (N,N- диизобутилдитиокарбамат ). [305] Важным биомаркером отравления свинцом является уровень δ-аминолевулиновой кислоты в плазме, сыворотке и моче. [306]
К середине 1980-х годов произошло значительное снижение использования свинца в промышленности. [307] В США экологические нормы сократили или исключили использование свинца в продуктах, не связанных с аккумуляторами, включая бензин, краски, припои и системы водоснабжения. На угольных электростанциях были установлены устройства контроля твердых частиц для улавливания выбросов свинца. [296] В 1992 году Конгресс США потребовал от Агентства по охране окружающей среды снизить уровень свинца в крови детей страны. [308] Использование свинца было дополнительно ограничено Директивой Европейского Союза об ограничении использования опасных веществ 2003 года . [309] Значительное снижение отложений свинца произошло в Нидерландах после национального запрета в 1993 году на использование свинцовой дроби для охоты и спортивной стрельбы: с 230 тонн в 1990 году до 47,5 тонн в 1995 году. [310] Использование свинца в Avgas 100LL. для авиации общего назначения разрешено в ЕС с 2022 года. [311]
В США допустимый предел воздействия свинца на рабочем месте, включающий металлический свинец, неорганические соединения свинца и свинцовые мыла, установлен на уровне 50 мкг/м 3 в течение 8-часового рабочего дня, а предел уровня свинца в крови — на уровне 5 мкг/м 3 в течение 8-часового рабочего дня. мкг на 100 г крови в 2012 году. [312] Свинец все еще может быть обнаружен в вредных количествах в керамике, [313] виниле [314] (например, используемом для изготовления трубок и изоляции электрических шнуров) и китайской латуни. [u] Старые дома все еще могут содержать свинцовую краску. [314] Свинцовые белила были изъяты из продажи в промышленно развитых странах, но специализированное использование других пигментов, таких как желтый хромат свинца, остается, [184] особенно в красках для разметки дорожного покрытия. [316] При удалении старой краски путем шлифования образуется пыль, которую можно вдохнуть. [317] Некоторые органы власти утвердили программы по снижению выбросов свинца в домах, где живут маленькие дети. [318] Использование свинца в Avgas 100LL для авиации общего назначения в целом разрешено в США с 2023 года. [319]
Свинцовые отходы, в зависимости от юрисдикции и характера отходов, могут рассматриваться как бытовые отходы (для облегчения мероприятий по сокращению выбросов свинца) [320] или как потенциально опасные отходы, требующие специальной обработки или хранения. [321] Свинец выбрасывается в окружающую среду на местах стрельбы, и для борьбы с загрязнением свинцом был разработан ряд методов обращения со свинцом. [322] Миграция свинца может усиливаться в кислых почвах; Чтобы противостоять этому, рекомендуется обрабатывать почвы известью, чтобы нейтрализовать почву и предотвратить вымывание свинца. [323]
Были проведены исследования о том, как удалить свинец из биосистем биологическими средствами: исследуются рыбьи кости на предмет их способности биовосстанавливать свинец в загрязненной почве. [324] [325] Гриб Aspergillus versicolor эффективно поглощает ионы свинца из промышленных отходов перед попаданием в водоемы. [326] Несколько бактерий были исследованы на предмет их способности удалять свинец из окружающей среды, в том числе сульфатредуцирующие бактерии Desulfovibrio и Desulfotomaculum , которые высоко эффективны в водных растворах. [327] Просо Urochloa ramosa обладает способностью накапливать значительные количества металлов, таких как свинец и цинк, в тканях побегов и корней, что делает его важным растением для восстановления загрязненных почв (Lakshmi et al., 2013). [328]
В результате нормативных усилий Агентства по охране окружающей среды уровень свинца в воздухе по всей стране снизился на 86 процентов в период с 2010 по 2020 год.
Национальные стандарты качества окружающего воздуха (40 CFR, часть 50) для шести основных загрязнителей.
Эта статья была отправлена в WikiJournal of Science на внешнюю академическую рецензию в 2017 году (отчеты рецензента). Обновленный контент был реинтегрирован на страницу Википедии по лицензии CC-BY-SA-3.0 ( 2018 ). Проверяемая версия записи: Михаил Болдырев; и др. (3 июля 2018 г.). «Свинец: свойства, история и применение» (PDF) . Викижурнал науки . 1 (2): 7. дои : 10.15347/WJS/2018.007 . ISSN 2470-6345. Викиданные Q56050531.
Мировой спрос на свинец увеличился более чем вдвое с начала 1990-х годов, и сейчас почти 90% его потребления приходится на свинцово-кислотные аккумуляторы.
