Свинец (произносится как «led») — химический элемент ; его символ Pb (от латинского plumbum ) и атомный номер 82. Это тяжелый металл , который плотнее большинства обычных материалов. Свинец мягкий и ковкий , а также имеет относительно низкую температуру плавления . В свежем виде свинец имеет блестящий серый цвет с оттенком синего. Он тускнеет до тускло-серого цвета при контакте с воздухом. 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 является относительно инертным постпереходным металлом . Его слабый металлический характер иллюстрируется его амфотерной природой; свинец и оксиды свинца реагируют с кислотами и основаниями , и он имеет 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 . Как и более легкие члены группы, свинец имеет тенденцию связываться сам с собой ; он может образовывать цепи и полиэдрические структуры.
Поскольку свинец легко извлекается из руд , доисторические люди на Ближнем Востоке знали о нем . Галенит является основной рудой свинца, которая часто содержит серебро. Интерес к серебру помог инициировать широкомасштабную добычу и использование свинца в Древнем Риме . Производство свинца снизилось после падения Рима и не достигало сопоставимых уровней до промышленной революции . Свинец сыграл решающую роль в развитии печатного станка , поскольку подвижные литеры можно было относительно легко отливать из свинцовых сплавов. [9] В 2014 году ежегодное мировое производство свинца составляло около десяти миллионов тонн, более половины из которых приходилось 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 , аккумуляторах , пулях , дробях , грузиках , припоях , оловянной посуде , легкоплавких сплавах , свинцовых красках , этилированном бензине и радиационной защите .
Свинец — нейротоксин , который накапливается в мягких тканях и костях. Он повреждает нервную систему и нарушает работу биологических ферментов , вызывая неврологические расстройства от проблем с поведением до повреждения мозга, а также влияет на общее состояние здоровья, сердечно-сосудистую и почечную системы. Токсичность свинца была впервые задокументирована древнегреческими и римскими писателями, которые отметили некоторые симптомы отравления свинцом , но широкое признание в Европе получило 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 — полная энергия, необходимая для удаления двух 6p-электронов — близка к таковой у олова , верхнего соседа свинца в группе углерода . Это необычно; энергии ионизации обычно падают по мере спуска по группе, поскольку внешние электроны элемента становятся более удаленными от ядра и более экранированными меньшими орбиталями.
Сумма первых четырех энергий ионизации свинца превышает таковую у олова, [10] вопреки тому, что предсказывают периодические тенденции . Это объясняется релятивистскими эффектами , которые становятся значительными в более тяжелых атомах, [11] которые сжимают s- и p-орбитали таким образом, что 6s-электроны свинца имеют большую энергию связи, чем его 5s-электроны. [12] Следствием этого является так называемый эффект инертной пары : 6s-электроны свинца неохотно участвуют в связывании, стабилизируя состояние окисления +2 и делая расстояние между ближайшими атомами в кристаллическом свинце необычно большим. [13]
Более легкие конгенеры углеродной группы свинца образуют стабильные или метастабильные аллотропы с тетраэдрически координированной и ковалентно связанной алмазной кубической структурой. Энергетические уровни их внешних s- и p-орбиталей достаточно близки, чтобы позволить смешивание в четыре гибридные sp 3 -орбитали. В свинце эффект инертной пары увеличивает разделение между его s- и p-орбиталями, и зазор не может быть преодолен энергией, которая высвободилась бы дополнительными связями после гибридизации. [14] Вместо того, чтобы иметь алмазную кубическую структуру, свинец образует металлические связи , в которых только p-электроны делокализованы и разделены между ионами Pb 2+ . Следовательно, свинец имеет гранецентрированную кубическую структуру [15], как и двухвалентные металлы аналогичного размера [16] кальций и стронций . [17] [a] [b] [c]
Чистый свинец имеет яркий, блестящий серый цвет с оттенком синего. [22] Он тускнеет при контакте с влажным воздухом и приобретает тусклый вид, оттенок которого зависит от преобладающих условий. Характерные свойства свинца включают высокую плотность , ковкость, пластичность и высокую устойчивость к коррозии из-за пассивации . [23]
Плотноупакованная гранецентрированная кубическая структура свинца и высокий атомный вес приводят к плотности [24] 11,34 г/см 3 , что больше, чем у обычных металлов, таких как железо (7,87 г/см 3 ), медь (8,93 г/см 3 ) и цинк (7,14 г/см 3 ). [25] Эта плотность является источником идиомы « пролететь как свинцовый шар» . [26] [27] [d] Некоторые более редкие металлы плотнее: вольфрам и золото оба имеют плотность 19,3 г/см 3 , а осмий — самый плотный известный металл — имеет плотность 22,59 г/см 3 , что почти вдвое больше, чем у свинца. [28]
Свинец — очень мягкий металл с твердостью по шкале Мооса 1,5; его можно поцарапать ногтем. [29] Он довольно ковкий и несколько пластичный. [30] [e] Объемный модуль упругости свинца — мера его легкости сжимаемости — составляет 45,8 ГПа . Для сравнения, у алюминия он составляет 75,2 ГПа; у меди — 137,8 ГПа; у мягкой стали — 160–169 ГПа. [31] Прочность свинца на растяжение составляет 12–17 МПа, что является низким показателем (у алюминия он в 6 раз выше, у меди — в 10 раз, а у мягкой стали — в 15 раз выше); его можно усилить, добавив небольшое количество меди или сурьмы . [32]
Температура плавления свинца — 327,5 °C (621,5 °F) [33] — очень низкая по сравнению с большинством металлов. [24] [f] Его температура кипения 1749 °C (3180 °F) [33] является самой низкой среди элементов углеродной группы. Электрическое сопротивление свинца при 20 °C 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 на24,15 нОм·м ). [35] Свинец является сверхпроводником при температурах ниже 7,19 К ; [36] это самая высокая критическая температура среди всех сверхпроводников I типа и третья по величине среди элементарных сверхпроводников. [37]
Природный свинец состоит из четырех стабильных изотопов с массовыми числами 204, 206, 207 и 208, [38] и следов шести короткоживущих радиоизотопов с массовыми числами 209–214 включительно. Большое количество изотопов согласуется с четным атомным числом свинца. [g] Свинец имеет магическое число протонов (82), для которого модель ядерной оболочки точно предсказывает особенно стабильное ядро. [39] Свинец-208 имеет 126 нейтронов, еще одно магическое число, которое может объяснить, почему свинец-208 необычайно стабилен. [39]
Благодаря своему высокому атомному числу свинец является самым тяжелым элементом, естественные изотопы которого считаются стабильными; свинец-208 является самым тяжелым стабильным ядром. (Ранее это различие принадлежало висмуту с атомным числом 83, пока в 2003 году не было обнаружено, что его единственный первичный изотоп , висмут-209, распадается очень медленно.) [h] Четыре стабильных изотопа свинца теоретически могут подвергаться альфа-распаду до изотопов ртути с выделением энергии, но этого не наблюдалось ни для одного из них; их прогнозируемые периоды полураспада составляют от 10 35 до 10 189 лет [42] (по крайней мере, в 10 25 раз больше текущего возраста Вселенной).
Три стабильных изотопа обнаружены 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. [43] Эти цепочки распада называются урановой цепочкой , актиниевой цепочкой и ториевой цепочкой . [44] Их изотопные концентрации в образце природной породы в значительной степени зависят от присутствия этих трех родительских изотопов урана и тория. Например, относительное содержание свинца-208 может варьироваться от 52% в обычных образцах до 90% в ториевых рудах; [45] по этой причине стандартный атомный вес свинца указан только с точностью до одного десятичного знака. [46] С течением времени отношение свинца-206 и свинца-207 к свинцу-204 увеличивается, поскольку первые два дополняются радиоактивным распадом более тяжелых элементов, а последний — нет; это позволяет проводить датирование свинцом-свинцом . По мере распада урана на свинец их относительные количества изменяются; это основа для датирования ураном-свинцом . [47] Свинец-207 проявляет ядерный магнитный резонанс , свойство, которое использовалось для изучения его соединений в растворе и твердом состоянии, [48] [49] в том числе в организме человека. [50]
Помимо стабильных изотопов, которые составляют почти весь свинец, существующий в природе, существуют следовые количества нескольких радиоактивных изотопов. Одним из них является свинец-210; хотя его период полураспада составляет всего 22,2 года, [38] небольшие количества встречаются в природе, поскольку свинец-210 образуется в результате длинной серии распада, которая начинается с урана-238 (который присутствует на Земле миллиарды лет). Свинец-211, -212 и -214 присутствуют в цепочках распада урана-235, тория-232 и урана-238 соответственно, поэтому следы всех трех этих изотопов свинца обнаруживаются в природе. Небольшие 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 при захвате нейтронов в урановых рудах. Свинец-213 также встречается в цепочке распада нептуния-237. Свинец-210 особенно полезен для определения возраста образцов путем измерения его отношения к свинцу-206 (оба изотопа присутствуют в одной цепочке распада). [51]
Всего было синтезировано 43 изотопа свинца с массовыми числами 178–220. [38] Свинец-205 является наиболее стабильным радиоизотопом с периодом полураспада около 1,70 × 107 лет. [7] [i] Вторым по стабильности является свинец-202, период полураспада которого составляет около 52 500 лет, что дольше, чем у любого из естественных следовых радиоизотопов. [38]
Массовый свинец, подвергающийся воздействию влажного воздуха, образует защитный слой различного состава. Карбонат свинца (II) является распространенным компонентом; [53] [54] [55] сульфат или хлорид также могут присутствовать в городских или морских условиях. [56] Этот слой делает массовый свинец фактически химически инертным на воздухе. [56] Мелко измельченный свинец, как и многие металлы, является пирофорным , [57] и горит голубовато-белым пламенем. [58]
Фтор реагирует со свинцом при комнатной температуре, образуя фторид свинца(II) . Реакция с хлором похожа, но требует нагревания, так как образующийся слой хлорида снижает реакционную способность элементов. [56] Расплавленный свинец реагирует с халькогенами, образуя халькогениды свинца(II). [59]
Металлический свинец устойчив к серной и фосфорной кислоте , но не к соляной или азотной кислоте ; результат зависит от нерастворимости и последующей пассивации соли продукта. [60] Органические кислоты, такие как уксусная кислота , растворяют свинец в присутствии кислорода. [56] Концентрированные щелочи растворяют свинец и образуют плюмбиты . [61]
Свинец показывает две основные степени окисления: +4 и +2. Четырехвалентное состояние является общим для группы углерода. Двухвалентное состояние редко встречается у углерода и кремния , второстепенно у германия, важно (но не преобладает) для олова и является более важным из двух степеней окисления для свинца. [56] Это объясняется релятивистскими эффектами , в частности эффектом инертной пары , который проявляется, когда существует большая разница в электроотрицательности между свинцом и оксидными , галогенидными или нитридными анионами, что приводит к значительному частичному положительному заряду на свинце. Результатом является более сильное сокращение 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 со схожей электроотрицательностью, такими как углерод в свинцовоорганических соединениях. В них 6s- и 6p-орбитали остаются одинакового размера, а sp 3- гибридизация по-прежнему энергетически выгодна. Свинец, как и углерод, в таких соединениях преимущественно четырехвалентен. [62]
Существует относительно большая разница в электроотрицательности свинца (II) — 1,87 и свинца (IV) — 2,33. Эта разница отмечает изменение тенденции к повышению стабильности степени окисления +4 по мере спуска по углеродной группе; олово, для сравнения, имеет значения 1,80 в степени окисления +2 и 1,96 в степени окисления +4. [63]
Соединения свинца(II) характерны для неорганической химии свинца. Даже сильные окислители, такие как фтор и хлор, реагируют со свинцом, давая только PbF 2 и PbCl 2 . [56] Ионы свинца(II) обычно бесцветны в растворе, [64] и частично гидролизуются с образованием Pb(OH) + и, наконец, [Pb 4 (OH) 4 ] 4+ (в котором гидроксильные ионы действуют как мостиковые лиганды ), [65] [66] но не являются восстановителями, как ионы олова(II). Методы определения наличия иона Pb 2+ в воде обычно основаны на осаждении хлорида свинца(II) с использованием 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. [67]
Монооксид свинца существует в двух полиморфных модификациях : глет α-PbO (красный) и массикот β-PbO (желтый), причем последний стабилен только при температуре выше 488 °C. Глет является наиболее часто используемым неорганическим соединением свинца. [68] Гидроксида свинца (II) не существует; увеличение pH растворов солей свинца (II) приводит к гидролизу и конденсации. [69] Свинец обычно реагирует с более тяжелыми халькогенами. Сульфид свинца является полупроводником , фотопроводником и чрезвычайно чувствительным детектором инфракрасного излучения . Два других халькогенида, селенид свинца и теллурид свинца , также являются фотопроводниками. Они необычны тем, что их цвет становится светлее по мере продвижения вниз по группе. [70]
Дигалогениды свинца хорошо охарактеризованы; они включают диастатид [71] и смешанные галогениды, такие как PbFCl. Относительная нерастворимость последнего образует полезную основу для гравиметрического определения фтора. Дифторид был первым твердым ионнопроводящим соединением, которое было открыто (в 1834 году Майклом Фарадеем ). [72] Другие дигалогениды разлагаются под воздействием ультрафиолетового или видимого света, особенно дииодид . [73] Известно много псевдогалогенидов свинца(II) , таких как цианид, цианат и тиоцианат . [70] [74] Свинец(II) образует большое разнообразие координационных комплексов галогенидов , таких как [PbCl 4 ] 2− , [PbCl 6 ] 4− , и цепочечный анион [Pb 2 Cl 9 ] n 5 n − . [73]
Сульфат свинца(II) нерастворим в воде, как и сульфаты других тяжелых двухвалентных катионов . Нитрат свинца(II) и ацетат свинца(II) очень хорошо растворимы, и это используется в синтезе других соединений свинца. [75]
Известно немного неорганических соединений свинца(IV). Они образуются только в сильно окислительных растворах и обычно не существуют в стандартных условиях. [76] Оксид свинца(II) дает смешанный оксид при дальнейшем окислении, Pb3O4 . Он описывается как оксид свинца(II,IV) или структурно 2PbO·PbO2 и является наиболее известным соединением свинца со смешанной валентностью. Диоксид свинца является сильным окислителем, способным окислять соляную кислоту до газообразного хлора. [77] Это связано с тем, что ожидаемый PbCl4 , который будет получен, нестабилен и спонтанно разлагается на PbCl2 и Cl2 . [ 78] Аналогично монооксиду свинца , диоксид свинца способен образовывать анионы плюмбата . Дисульфид свинца [79] и диселенид свинца [80] 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. [81]
Некоторые соединения свинца существуют в формальных степенях окисления, отличных от +4 или +2. Свинец(III) может быть получен как промежуточное вещество 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 . [83] [84] [85] То же самое относится к свинцу(I), который может быть обнаружен в таких радикальных видах. [86]
Известны многочисленные смешанные оксиды свинца (II, IV). Когда PbO 2 нагревается на воздухе, он становится Pb 12 O 19 при 293 °C, Pb 12 O 17 при 351 °C, Pb 3 O 4 при 374 °C и, наконец, 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 показывают дефектные структуры флюорита , в которых некоторые атомы кислорода замещены вакансиями: PbO можно рассматривать как имеющий такую структуру, в которой каждый дополнительный слой атомов кислорода отсутствует. [87]
Отрицательные состояния окисления могут возникать в виде фаз Цинтля , либо в виде свободных анионов свинца, как в Ba 2 Pb, где свинец формально является свинцом (−IV), [88] или в кислородочувствительных кольцевых или полиэдрических кластерных ионах, таких как тригональный бипирамидальный ион Pb 5 2− , где два атома свинца являются свинцом (−I), а три — свинцом (0). [89] В таких анионах каждый атом находится в полиэдрической вершине и вносит два электрона в каждую ковалентную связь вдоль края из своих гибридных орбиталей sp 3 , а два других являются внешней неподеленной парой . [65] Их можно получить в жидком аммиаке путем восстановления свинца натрием . [90]
Свинец может образовывать многосвязанные цепи , свойство, которое он разделяет со своими более легкими гомологами в группе углерода. Его способность делать это намного меньше, поскольку энергия связи Pb–Pb более чем в три с половиной раза ниже, чем у связи C–C . [59] Сам по себе свинец может образовывать связи металл–металл порядка до трех. [91] С углеродом свинец образует свинцовоорганические соединения, похожие на типичные органические соединения, но в целом менее стабильные, чем они [92] (из-за того, что связь Pb–C довольно слабая). [65] Это делает металлоорганическую химию свинца гораздо менее широко распространенной, чем у олова. [93] Свинец преимущественно образует свинцовоорганические соединения (IV), даже если начинать с неорганических реагентов свинца (II); известно очень мало свинцовоорганических соединений (II). Наиболее хорошо охарактеризованными исключениями являются Pb[CH(SiMe 3 ) 2 ] 2 и плюмбоцен . [93]
Аналогом свинца простейшего органического соединения , метана , является плюмбан . Плюмбан может быть получен в реакции между металлическим свинцом и атомарным водородом. [94] Два простых производных, тетраметилсвинец и тетраэтилсвинец , являются наиболее известными свинцовоорганическими соединениями. Эти соединения относительно стабильны: тетраэтилсвинец начинает разлагаться только при нагревании [95] или под воздействием солнечного света или ультрафиолетового света. [96] [j] С металлическим натрием свинец легко образует эквимолярный сплав, который реагирует с алкилгалогенидами с образованием металлоорганических соединений, таких как тетраэтилсвинец. [97] Окислительная природа многих свинцовоорганических соединений используется с пользой: тетраацетат свинца является важным лабораторным реагентом для окисления в органическом синтезе. [98] Тетраэтилсвинец, однажды добавленный в автомобильный бензин, производился в больших количествах, чем любое другое металлоорганическое соединение, [93] и до сих пор широко используется в топливе для небольших самолетов . [99] Другие органосвинцовые соединения химически менее стабильны. [92] Для многих органических соединений аналога свинца не существует. [94]
Содержание свинца в расчете на частицу в Солнечной системе составляет 0,121 ppb (частей на миллиард). [100] [k] Эта цифра в два с половиной раза выше, чем у платины , в восемь раз больше, чем у ртути , и в семнадцать раз больше, чем у золота . [100] Количество свинца во Вселенной медленно увеличивается [101], поскольку большинство более тяжелых атомов (все из которых нестабильны) постепенно распадаются на свинец. [102] Содержание свинца в Солнечной системе с момента ее образования 4,5 миллиарда лет назад увеличилось примерно на 0,75%. [103] Таблица содержания свинца в Солнечной системе показывает, что свинец, несмотря на его относительно высокий атомный номер, более распространен, чем большинство других элементов с атомными номерами больше 40. [100]
Первичный свинец, который включает изотопы свинец-204, свинец-206, свинец-207 и свинец-208, в основном был создан в результате повторяющихся процессов захвата нейтронов, происходящих в звездах. Двумя основными режимами захвата являются s- и r-процессы . [104]
В s-процессе (s означает «медленный») захваты разделяются годами или десятилетиями, позволяя менее стабильным ядрам претерпеть бета-распад . [105] Стабильное ядро таллия-203 может захватить нейтрон и стать таллием-204; он претерпевает бета-распад, давая стабильный свинец-204; при захвате другого нейтрона он становится свинцом-205, период полураспада которого составляет около 17 миллионов лет. Дальнейшие захваты приводят к свинцу-206, свинцу-207 и свинцу-208. При захвате другого нейтрона свинец-208 становится свинцом-209, который быстро распадается на висмут-209. При захвате другого нейтрона висмут-209 становится висмутом-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. [106]
В r-процессе (r означает «быстрый») захваты происходят быстрее, чем ядра могут распадаться. [107] Это происходит в средах с высокой плотностью нейтронов, таких как сверхновая или слияние двух нейтронных звезд . Поток нейтронов может быть порядка 10 22 нейтронов на квадратный сантиметр в секунду. [108] r-процесс не образует столько свинца, сколько s-процесс. [109] Он имеет тенденцию останавливаться, как только нейтронно-богатые ядра достигают 126 нейтронов. [110] В этот момент нейтроны располагаются в полных оболочках в атомном ядре, и становится сложнее энергетически разместить больше из них. [111] Когда поток нейтронов спадает, эти ядра бета-распадаются на стабильные изотопы осмия , иридия , платины . [112]
Свинец классифицируется как халькофил по классификации Гольдшмидта , что означает, что он обычно встречается в сочетании с серой. [113] Он редко встречается в своей естественной , металлической форме. [114] Многие минералы свинца относительно легкие и на протяжении всей истории Земли оставались в коре , а не погружались глубже в недра Земли. Это объясняет относительно высокую распространенность свинца в земной коре — 14 частей на миллион; это 36-й по распространенности элемент в коре. [115] [l]
Основным минералом, содержащим свинец, является галенит (PbS), который в основном встречается в цинковых рудах. [117] Большинство других минералов свинца 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 , является продуктом разложения галенита. Мышьяк , олово , сурьма , серебро , золото , медь , висмут являются обычными примесями в минералах свинца. [117]
Мировые ресурсы свинца превышают два миллиарда тонн. Значительные месторождения находятся в Австралии, Китае, Ирландии, Мексике, Перу, Португалии, России, США. Мировые запасы — ресурсы, которые экономически целесообразно извлекать — составили 88 миллионов тонн в 2016 году, из которых в Австралии было 35 миллионов, в Китае — 17 миллионов, в России — 6,4 миллиона. [118]
Типичные фоновые концентрации свинца не превышают 0,1 мкг/м 3 в атмосфере; 100 мг/кг в почве; 4 мг/кг в растительности, 5 мкг/л в пресной и морской воде. [119]
Современное английское слово lead имеет германское происхождение; оно происходит от среднеанглийского leed и древнеанглийского lēad (с макроном над «e», означающим, что гласный звук этой буквы долгий). [120] Древнеанглийское слово происходит от гипотетического реконструированного протогерманского * lauda- ('lead'). [121] Согласно лингвистической теории, это слово имело потомков во многих германских языках с точно таким же значением. [121]
Нет единого мнения о происхождении протогерманского * lauda- . Одна из гипотез предполагает, что оно произошло от протоиндоевропейского * lAudh- ('свинец'; заглавная буква гласной эквивалентна макрону). [122] Другая гипотеза предполагает, что оно заимствовано из протокельтского * ɸloud-io- ('свинец'). Это слово связано с латинским plumbum , который дал элементу его химический символ Pb . Слово * ɸloud-io- , как полагают, является источником протогерманского * bliwa- (что также означает 'свинец'), от которого произошло немецкое Blei . [123]
Название химического элемента не связано с глаголом того же написания, который происходит от протогерманского * laidijan- ('вести'). [124]
Металлические свинцовые бусины, датируемые 7000–6500 гг. до н. э., были найдены в Малой Азии и могут представлять собой первый пример выплавки металла . [126] В то время свинец имел мало (если вообще имел) применений из-за своей мягкости и тусклого вида. [126] Основной причиной распространения производства свинца была его связь с серебром, которое можно было получить путем сжигания галенита (распространенного минерала свинца). [127] Древние египтяне были первыми, кто использовал свинцовые минералы в косметике, применение, которое распространилось в Древней Греции и за ее пределами; [128] египтяне использовали свинец для грузил в рыболовных сетях , глазури , стекол , эмалей , украшений . [127] Различные цивилизации Плодородного полумесяца использовали свинец в качестве писчего материала , в качестве монет , [129] и в качестве строительного материала . [127] Свинец использовался древними китайцами как стимулятор , [127] как валюта , [130] как противозачаточное средство , [131] и в палочках для еды . [132] Цивилизация долины Инда и мезоамериканцы использовали его для изготовления амулетов ; [127] а восточные и южные африканцы использовали свинец для волочения проволоки . [133]
Поскольку серебро широко использовалось в качестве декоративного материала и средства обмена, месторождения свинца начали разрабатываться в Малой Азии с 3000 г. до н. э.; позднее месторождения свинца были разработаны в Эгейском море и Лаврионе . [134] Эти три региона совместно доминировали в производстве добываемого свинца примерно до 1200 г. до н. э . [135] Начиная с 2000 г. до н. э. финикийцы разрабатывали месторождения на Пиренейском полуострове ; к 1600 г. до н. э. добыча свинца существовала на Кипре , в Греции и на Сардинии . [136]
Территориальная экспансия Рима в Европе и по всему Средиземноморью, а также развитие горнодобывающей промышленности привели к тому, что Рим стал крупнейшим производителем свинца в классическую эпоху , с предполагаемым годовым объемом производства в 80 000 тонн. Как и их предшественники, римляне получали свинец в основном как побочный продукт плавки серебра. [125] [138] Добыча свинца велась в Центральной Европе , Британии , на Балканах , в Греции , Анатолии , Испании , причем на последнюю приходилось 40% мирового производства. [125]
Свинцовые таблички обычно использовались в качестве материала для писем. [139] Свинцовые гробы, отлитые в плоских песчаных формах и со сменными мотивами, подходящими для веры умершего, использовались в древней Иудее . [140] Свинец использовался для изготовления пуль для пращи с V века до н. э. Во времена Римской империи свинцовые пули для пращи широко использовались и были эффективны на расстоянии от 100 до 150 метров. Балеарские пращники , использовавшиеся в качестве наемников в карфагенских и римских армиях, славились своей дальностью стрельбы и точностью. [141]
Свинец использовался для изготовления водопроводных труб в Римской империи ; латинское слово для обозначения металла, plumbum , является источником английского слова « водопровод ». Его простота в обработке, его низкая температура плавления, позволяющая легко изготавливать полностью водонепроницаемые сварные соединения, и его устойчивость к коррозии [142] обеспечили его широкое использование в других областях, включая фармацевтику, кровельные работы, валюту, войну. [143] [144] [145] Писатели того времени, такие как Катон Старший , Колумелла и Плиний Старший , рекомендовали свинцовые (и покрытые свинцом) сосуды для приготовления подсластителей и консервантов, добавляемых в вино и пищу. Свинец придавал приятный вкус из-за образования «свинцового сахара» ( ацетата свинца (II) ), тогда как медные сосуды придавали горький привкус из-за образования яри-медянки . [146]
Этот металл был самым используемым материалом в классической античности, и его уместно отнести к (римскому) свинцовому веку. Свинец был для римлян тем же, чем для нас является пластик.
Хайнц Эшнауэр и Маркус Степплер
«Вино — банк энологических образцов», 1992 г. [147]
Римский автор Витрувий сообщал об опасности свинца для здоровья [148] [149], а современные авторы предположили, что отравление свинцом сыграло важную роль в упадке Римской империи . [150] [151] [n] Другие исследователи критиковали такие утверждения, указывая, например, что не все боли в животе вызваны отравлением свинцом. [153] [154] Согласно археологическим исследованиям, римские свинцовые трубы повышали уровень свинца в водопроводной воде, но такой эффект «вряд ли был действительно вредным». [155] [156] Когда отравление свинцом действительно происходило, жертв называли «сатурнианскими», темными и циничными, в честь отвратительного отца богов, Сатурна . По ассоциации свинец считался отцом всех металлов. [157] Его статус в римском обществе был низким, поскольку он был легкодоступным [158] и дешевым. [159]
Начиная с бронзового века , металлурги и инженеры понимали разницу между редким и ценным оловом , необходимым для сплавления с медью для получения прочной и устойчивой к коррозии бронзы , и «дешевым и веселым» свинцом. Однако номенклатура в некоторых языках похожа. Римляне называли свинец plumbum nigrum («черный свинец»), а олово plumbum candidum («яркий свинец»). Связь свинца и олова можно увидеть и в других языках: слово olovo на чешском языке переводится как «свинец», но на русском его родственное слово олово ( olovo ) означает «олово». [160] Чтобы добавить путаницы, свинец имел тесную связь с сурьмой: оба элемента обычно встречаются в виде сульфидов (галенита и стибнита ), часто вместе. Плиний неправильно писал, что стибнит при нагревании даст свинец вместо сурьмы. [161] В таких странах, как Турция и Индия, изначально персидское название surma стало обозначать либо сульфид сурьмы, либо сульфид свинца, [162] а в некоторых языках, таких как русский, дало название сурьме ( сурьма ). [163]
_-_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 пошла на спад после падения Западной Римской империи , единственным регионом, где наблюдался значительный объем добычи, была Аравийская Иберия . [165] [166] Наибольшее производство свинца наблюдалось в Южной и Восточной Азии, особенно в Китае и Индии, где добыча свинца быстро росла. [166]
В Европе производство свинца начало расти в XI и XII веках, когда его снова стали использовать для кровли и труб. Начиная с XIII века, свинец использовался для создания витражей . [167] В европейских и арабских традициях алхимии свинец (символ ♄ в европейской традиции) [168] считался нечистым неблагородным металлом , который путем разделения, очистки и уравновешивания его составляющих эссенций можно было преобразовать в чистое и нетленное золото. [169] В этот период свинец все чаще использовался для фальсификации вина. Использование такого вина было запрещено для использования в христианских обрядах папской буллой в 1498 году, но его продолжали употреблять, что приводило к массовым отравлениям вплоть до конца XVIII века. [165] [170] Свинец был ключевым материалом в некоторых частях печатного станка , и свинцовая пыль обычно вдыхалась работниками печатного станка, вызывая отравление свинцом. [171] Свинец также стал основным материалом для изготовления пуль для огнестрельного оружия: он был дешев, наносил меньше повреждений железным стволам, имел более высокую плотность (что позволяло лучше сохранять скорость), а его более низкая температура плавления упрощала производство пуль, поскольку их можно было изготавливать с использованием дровяного огня. [172] Свинец в форме венецианских белил широко использовался в косметике западноевропейской аристократией, поскольку выбеленные лица считались признаком скромности. [173] [174] Эта практика позже распространилась на белые парики и подводки для глаз и сошла на нет только с Французской революцией в конце 18 века. Похожая мода появилась в Японии в 18 веке с появлением гейш , практика, которая продолжалась и в 20 веке. Белые лица женщин «стали представлять их женскую добродетель как японских женщин», [175] причем свинец обычно использовался в отбеливателе. [176]
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. [177] В Австралии первой шахтой, открытой колонистами на континенте, была свинцовая шахта в 1841 году. [178] В Африке добыча и выплавка свинца были известны в желобе Бенуэ [179] и в нижнем бассейне реки Конго , где свинец использовался для торговли с европейцами и в качестве валюты к 17 веку, [180] задолго до борьбы за Африку .
Во второй половине XVIII века Великобритания, а затем континентальная Европа и США пережили Промышленную революцию . Это был первый раз, когда темпы производства свинца превысили темпы Рима. [181] Великобритания была ведущим производителем, потеряв этот статус к середине XIX века из-за истощения своих рудников и развития добычи свинца в Германии, Испании и США. [182] К 1900 году Соединенные Штаты были лидером по мировому производству свинца, а другие неевропейские страны — Канада, Мексика и Австралия — начали значительное производство; производство за пределами Европы превышало производство внутри. [183] Большая часть спроса на свинец приходилась на сантехнику и покраску — свинцовые краски использовались регулярно. [184] В это время все больше людей (рабочего класса) подвергались воздействию металла, и случаи отравления свинцом участились. Это привело к исследованию последствий потребления свинца. Было доказано, что свинец более опасен в форме паров, чем в виде твердого металла. Отравление свинцом и подагра были связаны; британский врач Альфред Баринг Гаррод отмечал, что треть его пациентов с подагрой были сантехниками и малярами. Последствия хронического приема свинца, включая психические расстройства, также изучались в 19 веке. Первые законы, направленные на снижение отравления свинцом на фабриках, были приняты в 1870-х и 1880-х годах в Соединенном Королевстве. [184]
Дальнейшие доказательства угрозы, которую свинец представляет для людей, были обнаружены в конце 19-го и начале 20-го веков. Механизмы вреда были лучше поняты, свинцовая слепота была задокументирована, и элемент был постепенно выведен из общественного использования в Соединенных Штатах и Европе. Соединенное Королевство ввело обязательные проверки фабрик в 1878 году и назначило первого медицинского инспектора фабрик в 1898 году; в результате было сообщено о 25-кратном снижении случаев отравления свинцом с 1900 по 1944 год. [185] Большинство европейских стран запретили свинцовую краску — обычно используемую из-за ее непрозрачности и водостойкости [186] — для внутренних работ к 1930 году. [187]
Последним серьезным воздействием свинца на человека было добавление тетраэтилсвинца в бензин в качестве антидетонационной присадки , практика, которая возникла в Соединенных Штатах в 1921 году. Она была прекращена в Соединенных Штатах и Европейском союзе к 2000 году. [184]
В 1970-х годах Соединенные Штаты и страны Западной Европы приняли законодательство по сокращению загрязнения воздуха свинцом. [188] [189] Влияние было значительным: в то время как исследование, проведенное Центрами по контролю и профилактике заболеваний в Соединенных Штатах в 1976–1980 годах, показало, что 77,8% населения имели 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%. [190] Основным продуктом, изготовленным из свинца к концу 20-го века, был свинцово-кислотный аккумулятор . [191]
С 1960 по 1990 год производство свинца в Западном блоке выросло примерно на 31%. [192] Доля мирового производства свинца Восточным блоком увеличилась с 10% до 30% с 1950 по 1990 год, причем Советский Союз был крупнейшим в мире производителем в середине 1970-х и 1980-х годов, а Китай начал крупное производство свинца в конце 20-го века. [193] В отличие от европейских коммунистических стран, Китай был в значительной степени неиндустриализирован к середине 20-го века; в 2004 году Китай превзошел Австралию как крупнейшего производителя свинца. [194] Как и во время европейской индустриализации, свинец оказал негативное влияние на здоровье в Китае. [195]
По состоянию на 2014 год производство свинца во всем мире увеличивается из-за его использования в свинцово-кислотных аккумуляторах. [196] Существует две основные категории производства: первичное из добытых руд и вторичное из лома. В 2014 году 4,58 миллиона метрических тонн было получено в результате первичного производства и 5,64 миллиона из вторичного производства. Тремя крупнейшими производителями добытого свинцового концентрата в том году были Китай, Австралия и Соединенные Штаты. [118] Тремя крупнейшими производителями очищенного свинца были Китай, Соединенные Штаты и Индия. [197] Согласно отчету Metal Stocks in Society за 2010 год, общее количество свинца, находящегося в использовании, складируемого, выбрасываемого или рассеиваемого в окружающей среде, в глобальном масштабе составляет 8 кг на душу населения. Большая часть этого приходится на более развитые страны (20–150 кг на душу населения), а не на менее развитые (1–4 кг на душу населения). [198]
Первичные и вторичные процессы производства свинца схожи. Некоторые заводы первичного производства теперь дополняют свои операции свинцовым ломом, и эта тенденция, вероятно, усилится в будущем. При наличии соответствующих технологий свинец, полученный с помощью вторичных процессов, неотличим от свинца, полученного с помощью первичных процессов. Свинцовый лом из строительной отрасли обычно довольно чистый и переплавляется без необходимости плавки, хотя иногда требуется очистка. Поэтому вторичное производство свинца дешевле с точки зрения энергетических потребностей, чем первичное производство, часто на 50% и более. [199]
Большинство свинцовых руд содержат низкий процент свинца (богатые руды имеют типичное содержание 3–8%), который необходимо концентрировать для извлечения. [200] Во время первичной обработки руды обычно подвергаются дроблению, разделению в тяжелой среде, измельчению , пенной флотации , сушке . Полученный концентрат, который имеет содержание свинца 30–80% по массе (обычно 50–60%), [200] затем превращается в (нечистый) металлический свинец.
Существует два основных способа сделать это: двухступенчатый процесс, включающий обжиг с последующим извлечением в доменной печи, осуществляемый в отдельных сосудах; или прямой процесс, при котором извлечение концентрата происходит в одном сосуде. Последний стал наиболее распространенным путем, хотя первый все еще имеет значение. [201]
Сначала сульфидный концентрат обжигают на воздухе для окисления сульфида свинца: [202]
Поскольку исходный концентрат не был чистым сульфидом свинца, обжиг дает не только желаемый оксид свинца (II), но и смесь оксидов, сульфатов и силикатов свинца и других металлов, содержащихся в руде. [203] Этот неочищенный оксид свинца восстанавливается в доменной печи, работающей на коксе , до (опять же неочищенного) металла: [204]
Примеси в основном представляют собой мышьяк, сурьму, висмут, цинк, медь, серебро и золото. Обычно их удаляют в серии пирометаллургических процессов . Расплав обрабатывается в отражательной печи воздухом, паром, серой, которая окисляет примеси, за исключением серебра, золота, висмута. Окисленные примеси всплывают на поверхность расплава и снимаются. [205] [206] Металлическое серебро и золото удаляются и извлекаются экономично с помощью процесса Паркса , в котором цинк добавляется к свинцу. Цинк, который не смешивается со свинцом, растворяет серебро и золото. Раствор цинка можно отделить от свинца, а серебро и золото извлечь. [206] [207] Десеребренный свинец освобождается от висмута с помощью процесса Беттертона-Кролла , обрабатывая его металлическим кальцием и магнием . Полученный висмутовый шлак можно снять. [206]
В качестве альтернативы пирометаллургическим процессам очень чистый свинец может быть получен путем электролитической обработки расплавленного свинца с использованием процесса Беттса . Аноды из неочищенного свинца и катоды из чистого свинца помещаются в электролит из фторсиликата свинца (PbSiF 6 ). После приложения электрического потенциала неочищенный свинец на аноде растворяется и осаждается на катоде, оставляя большую часть примесей в растворе. [206] [208] Это дорогостоящий процесс, поэтому его в основном используют для очистки слитков, содержащих высокий процент примесей. [209]
В этом процессе свинцовый слиток и шлак получаются непосредственно из свинцовых концентратов. Концентрат сульфида свинца плавится в печи и окисляется, образуя оксид свинца. Углерод (в виде кокса или угольного газа [o] ) добавляется в расплавленную шихту вместе с флюсующими веществами . Таким образом, оксид свинца восстанавливается до металлического свинца, посреди шлака, богатого оксидом свинца. [201]
Если исходный материал богат свинцом, то до 80% исходного свинца можно получить в виде слитка; оставшиеся 20% образуют шлак, богатый оксидом свинца. Для низкосортного сырья весь свинец может быть окислен до шлака с высоким содержанием свинца. [201] Металлический свинец далее получают из шлаков с высоким содержанием свинца (25–40%) путем сжигания или впрыскивания топлива под слоем флюса, восстановления с помощью электрической печи или комбинации того и другого. [201]
Исследования более чистого, менее энергоемкого процесса извлечения свинца продолжаются; основным недостатком является то, что либо слишком много свинца теряется в виде отходов, либо альтернативы приводят к высокому содержанию серы в полученном свинцовом металле. Гидрометаллургическое извлечение, при котором аноды из неочищенного свинца погружаются в электролит , а чистый свинец осаждается ( электронаматывается ) на катоды , является методом, который может иметь потенциал, но в настоящее время не является экономичным, за исключением случаев, когда электричество очень дешево. [210]
Плавка, которая является неотъемлемой частью первичного производства, часто пропускается во время вторичного производства. Она выполняется только тогда, когда металлический свинец подвергся значительному окислению. [199] Процесс похож на процесс первичного производства в доменной или вращающейся печи , с существенным отличием в большей изменчивости выходов: доменные печи производят твердый свинец (10% сурьмы), тогда как отражательные и вращающиеся печи производят полумягкий свинец (3–4% сурьмы). [211]
Процесс ISASMELT является более новым методом плавки, который может выступать в качестве расширения первичного производства; аккумуляторная паста из отработанных свинцово-кислотных аккумуляторов (содержащих сульфат свинца и оксиды свинца) подвергается удалению сульфата путем обработки щелочью, а затем обрабатывается в печи, работающей на угле, в присутствии кислорода, что дает неочищенный свинец, причем сурьма является наиболее распространенной примесью. [212] Очистка вторичного свинца аналогична очистке первичного свинца; некоторые процессы очистки могут быть пропущены в зависимости от перерабатываемого материала и его потенциального загрязнения. [212]
Из источников свинца для переработки наиболее важными являются свинцово-кислотные аккумуляторы; также существенны свинцовые трубы, листы и оболочки кабелей. [199]
Вопреки распространенному мнению, стержни деревянных карандашей никогда не изготавливались из свинца. Когда карандаш появился как инструмент для письма из обернутого графита, конкретный тип используемого графита назывался plumbago (буквально, макет свинца ). [214]
Металлический свинец обладает несколькими полезными механическими свойствами, включая высокую плотность, низкую температуру плавления, пластичность и относительную инертность. Многие металлы превосходят свинец в некоторых из этих аспектов, но, как правило, менее распространены и их труднее извлекать из исходных руд. Токсичность свинца привела к его постепенному отказу от некоторых видов использования. [215]
Свинец использовался для пуль с момента их изобретения в Средние века. Он недорогой; его низкая температура плавления означает, что боеприпасы для стрелкового оружия и дробовые пули можно отливать с минимальным техническим оборудованием; и он плотнее других распространенных металлов, что позволяет лучше сохранять скорость. Он остается основным материалом для пуль, легированным другими металлами в качестве отвердителей. [172] Высказывались опасения, что свинцовые пули, используемые для охоты, могут нанести вред окружающей среде. [p] Патроны для дробовиков, используемые для охоты на водоплавающую дичь, сегодня должны быть без свинца в Соединенных Штатах , [217] Канаде , [218] и в Европе . [219]
Высокая плотность свинца и его устойчивость к коррозии нашли применение в ряде смежных областей. Он используется в качестве балласта в килях парусных лодок; его плотность позволяет ему занимать небольшой объем и минимизировать сопротивление воды, тем самым уравновешивая кренящий эффект ветра на паруса. [220] Он используется в грузовых поясах для подводного плавания , чтобы противодействовать плавучести водолаза. [221] В 1993 году основание Пизанской башни было стабилизировано с помощью 600 тонн свинца. [222] Благодаря своей коррозионной стойкости свинец используется в качестве защитной оболочки для подводных кабелей. [223]
_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 архитектурных металлов в кровельном материале , облицовке , фартуках , желобах и соединениях желобов, парапетах крыш. [224] [225] Свинец по-прежнему используется в статуях и скульптурах, [q] в том числе для арматуры . [227] В прошлом его часто использовали для балансировки колес автомобилей ; по экологическим причинам это использование постепенно прекращается в пользу других материалов. [118]
Свинец добавляют в медные сплавы, такие как латунь и бронза , для улучшения обрабатываемости и смазочных свойств. Будучи практически нерастворимым в меди, свинец образует твердые глобулы в дефектах по всему сплаву, таких как границы зерен . В низких концентрациях, а также действуя как смазка, глобулы препятствуют образованию стружки при обработке сплава, тем самым улучшая обрабатываемость. Медные сплавы с большей концентрацией свинца используются в подшипниках . Свинец обеспечивает смазку, а медь обеспечивает несущую опору. [228]
Высокая плотность свинца, атомный номер и формуемость формируют основу для использования свинца в качестве барьера, поглощающего звук, вибрацию и излучение. [229] Свинец не имеет собственных резонансных частот; [229] в результате листовой свинец используется в качестве звукоизолирующего слоя на стенах, полах и потолках звуковых студий. [230] Органные трубы часто изготавливаются из свинцового сплава, смешанного с различным количеством олова для управления тоном каждой трубы. [231] [232] Свинец является признанным защитным материалом от радиации в ядерной науке и в рентгеновских кабинетах [233] из-за своей плотности и высокого коэффициента затухания . [234] Расплавленный свинец использовался в качестве охладителя для быстрых реакторов со свинцовым охлаждением . [235]
Наибольшее применение свинец в начале 21 века получил в свинцово-кислотных аккумуляторах . Свинец в аккумуляторах не контактирует напрямую с людьми, поэтому существует меньше проблем с токсичностью. [r] Люди, работающие на заводах по производству свинцовых аккумуляторов или на заводах по переработке, могут подвергаться воздействию свинцовой пыли и вдыхать ее. [237] Реакции в аккумуляторе между свинцом, диоксидом свинца и серной кислотой обеспечивают надежный источник напряжения . [s] Суперконденсаторы , включающие свинцово-кислотные аккумуляторы, были установлены в приложениях киловаттного и мегаваттного масштаба в Австралии, Японии и Соединенных Штатах для регулирования частоты, сглаживания и смещения солнечной энергии, сглаживания ветра и других приложений. [239] Эти аккумуляторы имеют более низкую плотность энергии и эффективность заряда-разряда, чем литий-ионные аккумуляторы , но они значительно дешевле. [240]
Свинец используется в высоковольтных силовых кабелях в качестве материала оболочки для предотвращения диффузии воды в изоляцию; это использование уменьшается, поскольку свинец постепенно выводится из употребления. [241] Его использование в припое для электроники также постепенно выводится из употребления некоторыми странами, чтобы сократить количество экологически опасных отходов. [242] Свинец является одним из трех металлов, используемых в тесте Одди для музейных материалов, помогая обнаруживать органические кислоты, альдегиды, кислотные газы. [243] [244]
Помимо того, что свинцово-кислотные аккумуляторы являются основным применением свинцового металла, они также являются основным потребителем соединений свинца. Реакция накопления/выделения энергии, используемая в этих устройствах, включает сульфат свинца 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. [245] Хотя свинцовые краски постепенно выводятся из употребления в Европе и Северной Америке, они по-прежнему используются в менее развитых странах, таких как Китай, [246] Индия, [247] или Индонезия. [248] Тетраацетат свинца и диоксид свинца используются в качестве окислителей в органической химии. Свинец часто используется в поливинилхлоридном покрытии электрических шнуров. [249] [250] 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. [251] [252] Свинцовое стекло состоит из 12–28% оксида свинца , что изменяет его оптические характеристики и снижает передачу ионизирующего излучения, [253] свойство, используемое в старых телевизорах и компьютерных мониторах с электронно-лучевыми трубками . Полупроводники на основе свинца, такие как теллурид свинца и селенид свинца, используются в фотоэлектрических элементах и инфракрасных детекторах. [254]
Свинец не имеет подтвержденной биологической роли, и не существует подтвержденного безопасного уровня воздействия свинца. [256] Канадско-американское исследование 2009 года пришло к выводу, что даже на уровнях, которые считаются не представляющими большого или нулевого риска, свинец может вызывать «неблагоприятные последствия для психического здоровья». [257] Его распространенность в организме человека — в среднем для взрослого человека 120 мг [т] — тем не менее, уступает только цинку (2500 мг) и железу (4000 мг) среди тяжелых металлов. [259] Соли свинца очень эффективно усваиваются организмом. [260] Небольшое количество свинца (1%) хранится в костях; остальное выводится с мочой и калом в течение нескольких недель после воздействия. Только около трети свинца выводится ребенком. Постоянное воздействие может привести к биоаккумуляции свинца. [261]
Свинец является крайне ядовитым металлом (как при вдыхании, так и при проглатывании), поражая практически все органы и системы человеческого организма. [262] При концентрации в воздухе 100 мг/м3 он немедленно становится опасным для жизни и здоровья . [263] Большая часть проглоченного свинца всасывается в кровоток. [264] Основной причиной его токсичности является его склонность мешать правильному функционированию ферментов. Он делает это, связываясь с сульфгидрильными группами , обнаруженными во многих ферментах, [265] или имитируя и вытесняя другие металлы, которые действуют как кофакторы во многих ферментативных реакциях. [266] Основные металлы, с которыми взаимодействует свинец, включают кальций, железо и цинк. [267] Высокие уровни кальция и железа, как правило, обеспечивают некоторую защиту от отравления свинцом; низкие уровни вызывают повышенную восприимчивость. [260]
Свинец может вызвать серьезные повреждения мозга и почек и, в конечном итоге, смерть. Подражая кальцию, свинец может пересекать гематоэнцефалический барьер . Он разрушает миелиновые оболочки нейронов , уменьшает их количество, мешает путям нейротрансмиссии и уменьшает рост нейронов. [265] В организме человека свинец ингибирует порфобилиногенсинтазу и феррохелатазу , предотвращая как образование порфобилиногена , так и включение железа в протопорфирин IX , конечный этап синтеза гема . Это вызывает неэффективный синтез гема и микроцитарную анемию . [268]
.png/1280px-Symptoms_of_lead_poisoning_(raster).png)
Симптомы отравления свинцом включают нефропатию , коликообразные боли в животе и, возможно, слабость в пальцах, запястьях или лодыжках. Небольшое повышение артериального давления, особенно у людей среднего и пожилого возраста, может быть очевидным и может вызвать анемию . [ необходима цитата ] Несколько исследований, в основном перекрестных, обнаружили связь между повышенным воздействием свинца и снижением вариабельности сердечного ритма. [269] У беременных женщин высокие уровни воздействия свинца могут вызвать выкидыш. Было показано, что хроническое воздействие высокого уровня снижает фертильность у мужчин. [270]
В развивающемся мозге ребенка свинец влияет на формирование синапсов в коре головного мозга , нейрохимическое развитие (включая развитие нейротрансмиттеров) и организацию ионных каналов . [271] Раннее воздействие свинца связано с повышенным риском нарушений сна и чрезмерной дневной сонливости в более позднем детстве. [272] Высокий уровень свинца в крови связан с задержкой полового созревания у девочек. [273] Рост и падение воздействия свинца в воздухе в результате сгорания тетраэтилсвинца в бензине в течение 20-го века были связаны с историческим ростом и снижением уровня преступности .
Воздействие свинца является глобальной проблемой, поскольку добыча и выплавка свинца, а также производство, утилизация и переработка аккумуляторов распространены во многих странах. Свинец попадает в организм через вдыхание, проглатывание или через кожу. Почти весь вдыхаемый свинец всасывается в организм; при проглатывании этот показатель составляет 20–70%, причем дети всасывают больше, чем взрослые. [274]
Отравление обычно происходит в результате употребления пищи или воды, загрязненной свинцом, и реже после случайного употребления загрязненной почвы, пыли или краски на основе свинца. [275] Продукты из морской воды могут содержать свинец, если они подверглись воздействию близлежащих промышленных вод. [276] Фрукты и овощи могут быть загрязнены высоким содержанием свинца в почве, в которой они были выращены. Почва может быть загрязнена из-за накопления частиц свинца в трубах, свинцовой краски , остаточных выбросов от этилированного бензина. [277]
Использование свинца для водопроводных труб является проблемой в районах с мягкой или кислой водой . [278] Жесткая вода образует нерастворимые защитные слои на внутренней поверхности труб, тогда как мягкая и кислая вода растворяет свинцовые трубы. [279] Растворенный углекислый газ в транспортируемой воде может привести к образованию растворимого бикарбоната свинца ; насыщенная кислородом вода может аналогичным образом растворять свинец в виде гидроксида свинца (II) . Употребление такой воды со временем может вызвать проблемы со здоровьем из-за токсичности растворенного свинца. Чем жестче вода, тем больше в ней содержится бикарбоната кальция и сульфата , и тем больше внутренняя часть труб покрыта защитным слоем карбоната свинца или сульфата свинца. [280]
Проглатывание нанесенной свинцовой краски является основным источником воздействия для детей: прямым источником является жевание старых окрашенных подоконников. Кроме того, по мере того, как свинцовая краска на поверхности портится, она отслаивается и измельчается в пыль. Затем пыль попадает в организм через руки и рот или через зараженную пищу или питье. Проглатывание некоторых домашних средств может привести к воздействию свинца или его соединений. [281]
Вдыхание является вторым основным путем воздействия, влияющим на курильщиков и особенно на рабочих, чья профессия связана со свинцом. [264] Сигаретный дым содержит, среди прочих токсичных веществ, радиоактивный свинец-210 . [282] «В результате регулирующих усилий Агентства по охране окружающей среды, уровень свинца в воздухе [в Соединенных Штатах] снизился на 86 процентов в период с 2010 по 2020 год». [283] Концентрация свинца в воздухе в Соединенных Штатах упала ниже национального стандарта 0,15 мкг/м 3 [284] в 2014 году. [285]
Воздействие на кожу может быть значительным для людей, работающих с органическими соединениями свинца. Скорость поглощения кожей ниже для неорганического свинца. [286]
Свинец может быть обнаружен в пище, если она выращивается на почве с высоким содержанием свинца, свинец, переносимый по воздуху, загрязняет урожай, животные употребляют свинец в пищу или свинец попадает в пищу из того, в чем он хранился или готовился. [287] Проглатывание свинцовой краски и батареек также является путем воздействия на скот, что впоследствии может повлиять на людей. [288] Молоко, произведенное зараженным скотом, можно разбавить до более низкой концентрации свинца и продать для потребления. [289]
В Бангладеш в куркуму добавляют соединения свинца , чтобы сделать ее более желтой. [290] Считается, что это началось в 1980-х годах и продолжается по состоянию на 2019 год [обновлять]. [290] Считается, что это один из основных источников высокого уровня свинца в стране. [291] В Гонконге максимально допустимый уровень свинца в пище составляет 6 частей на миллион в твердых веществах и 1 часть на миллион в жидкостях. [292]
Пыль, содержащая свинец, может оседать на сушащихся какао-бобах, когда они находятся на улице вблизи загрязняющих промышленных предприятий. [293] В декабре 2022 года Consumer Reports протестировал 28 марок темного шоколада и обнаружил, что 23 из них содержали потенциально опасные уровни свинца, кадмия или и того, и другого. Они призвали производителей шоколада снизить уровень свинца, который может быть вреден, особенно для развивающегося плода. [294]
По данным Центра по контролю и профилактике заболеваний США , использование свинца в пластмассах не было запрещено по состоянию на 2024 год. Свинец смягчает пластик и делает его более гибким, чтобы он мог вернуться к своей первоначальной форме. Было обнаружено, что регулярное жевание цветной пластиковой изоляции от оголенных электрических проводов приводит к повышению уровня свинца у 46-летнего мужчины. [295] Свинец может использоваться в пластиковых игрушках для стабилизации молекул от тепла. Свинцовая пыль может образовываться, когда пластик подвергается воздействию солнечного света, воздуха и моющих средств, которые разрушают химическую связь между свинцом и пластмассой. [296]
Лечение отравления свинцом обычно включает в себя введение димеркапрола и сукцимера . [297] Острые случаи могут потребовать использования динатриевой соли кальция эдетата , 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 безвредный кальций. [298]
Добыча, производство, использование и утилизация свинца и его продуктов привели к значительному загрязнению почв и вод Земли. Выбросы свинца в атмосферу достигли пика во время промышленной революции и периода этилированного бензина во второй половине двадцатого века. [299]
Выбросы свинца происходят из природных источников (т. е. концентрации встречающегося в природе свинца), промышленного производства, сжигания и переработки, а также мобилизации ранее захороненного свинца. [299] В частности, поскольку свинец был постепенно выведен из других областей применения, на Глобальном Юге операции по переработке свинца, предназначенные для извлечения дешевого свинца, используемого для мирового производства, стали хорошо документированным источником воздействия. [300] Повышенные концентрации свинца сохраняются в почвах и отложениях в постиндустриальных и городских районах; промышленные выбросы, включая те, которые возникают при сжигании угля, [301] продолжаются во многих частях мира, особенно в развивающихся странах. [302]
Свинец может накапливаться в почвах, особенно с высоким содержанием органических веществ, где он остается в течение сотен или тысяч лет. Экологический свинец может конкурировать с другими металлами, обнаруженными в и на поверхности растений, потенциально подавляя фотосинтез и при достаточно высоких концентрациях отрицательно влияя на рост и выживание растений. Загрязнение почв и растений может позволить свинцу подняться по пищевой цепи, поражая микроорганизмы и животных. У животных свинец проявляет токсичность во многих органах, повреждая нервную, почечную , репродуктивную, кроветворную и сердечно-сосудистую системы после приема внутрь, вдыхания или всасывания через кожу. [303] Рыбы поглощают свинец как из воды, так и из отложений; [304] биоаккумуляция в пищевой цепи представляет опасность для рыб, птиц и морских млекопитающих. [305]
Антропогенный свинец включает свинец из дроби и грузил . Они являются одними из самых мощных источников свинцового загрязнения наряду с местами производства свинца. [306] Свинец был запрещен для дроби и грузил в Соединенных Штатах в 2017 году, [307] хотя этот запрет действовал только в течение месяца, [308] и аналогичный запрет рассматривается в Европейском союзе. [309]
Аналитические методы определения свинца в окружающей среде включают спектрофотометрию , рентгеновскую флуоресценцию , атомную спектроскопию и электрохимические методы . Разработан специальный ионселективный электрод на основе ионофора S , S'- метиленбис( N , N - диизобутилдитиокарбамат ). [310] Важным биомаркером отравления свинцом является уровень δ-аминолевулиновой кислоты в плазме, сыворотке и моче. [311]
К середине 1980-х годов наблюдалось значительное снижение использования свинца в промышленности. [312] В Соединенных Штатах экологические нормы сократили или исключили использование свинца в небатарейных продуктах, включая бензин, краски, припои и системы водоснабжения. На угольных электростанциях были установлены устройства контроля твердых частиц для улавливания выбросов свинца. [301] В 1992 году Конгресс США потребовал от Агентства по охране окружающей среды снизить уровень свинца в крови детей страны. [313] Использование свинца было еще больше сокращено Директивой Европейского союза 2003 года об ограничении использования опасных веществ . [314] Значительное снижение отложений свинца произошло в Нидерландах после введения в 1993 году национального запрета на использование свинцовой дроби для охоты и спортивной стрельбы: с 230 тонн в 1990 году до 47,5 тонн в 1995 году. [315] Использование свинца в топливе Avgas 100LL для авиации общего назначения разрешено в ЕС с 2022 года. [316]
В Соединенных Штатах допустимый предел воздействия свинца на рабочем месте, включая металлический свинец, неорганические соединения свинца и свинцовые мыла, был установлен на уровне 50 мкг/м3 в течение 8-часового рабочего дня, а предельный уровень свинца в крови - 5 мкг на 100 г крови в 2012 году. [317] Свинец все еще может быть обнаружен во вредных количествах в керамической посуде, [318] виниле [319] (например, используемом для труб и изоляции электрических шнуров) и китайской латуни. [u] Старые дома все еще могут содержать свинцовую краску. [319] Белая свинцовая краска была изъята из продажи в промышленно развитых странах, но специализированное использование других пигментов, таких как желтый хромат свинца, сохраняется, [186] особенно в краске для разметки дорожного покрытия. [321] Удаление старой краски путем шлифования приводит к образованию пыли, которую можно вдыхать. [322] Программы по борьбе с выбросами свинца были предписаны некоторыми органами власти в домах, где проживают маленькие дети. [323] Использование свинца в топливе Avgas 100LL для авиации общего назначения, как правило, разрешено в Соединенных Штатах с 2023 года. [324]
Отходы свинца, в зависимости от юрисдикции и характера отходов, могут рассматриваться как бытовые отходы (для содействия мероприятиям по снижению выбросов свинца) [325] или как потенциально опасные отходы, требующие специальной обработки или хранения. [326] Свинец выбрасывается в окружающую среду в местах стрельбы, и для борьбы с загрязнением свинцом был разработан ряд методов управления свинцом. [327] Миграция свинца может усиливаться в кислых почвах; для борьбы с этим рекомендуется обрабатывать почвы известью для нейтрализации почв и предотвращения выщелачивания свинца. [328]
Были проведены исследования того, как удалить свинец из биосистем биологическими способами: кости рыб исследуются на предмет их способности биоремедиировать свинец в загрязненной почве. [329] [330] Грибок Aspergillus versicolor эффективен при поглощении ионов свинца из промышленных отходов перед их сбросом в водоемы. [331] Были исследованы несколько бактерий на предмет их способности удалять свинец из окружающей среды, включая сульфатредуцирующие бактерии Desulfovibrio и Desulfotomaculum , обе из которых высокоэффективны в водных растворах. [332] Просо Urochloa ramosa обладает способностью накапливать значительные количества металлов, таких как свинец и цинк, в своих побегах и корневых тканях, что делает его важным растением для рекультивации загрязненных почв. [333]
результате регулирующих усилий Агентства по охране окружающей среды уровень свинца в воздухе в стране снизился на 86 процентов в период с 2010 по 2020 год.
Национальные стандарты качества окружающего воздуха (40 CFR часть 50) для шести основных загрязняющих веществ
Эта статья была отправлена в WikiJournal of Science для внешнего академического рецензирования в 2017 году (отчеты рецензентов). Обновленный контент был повторно интегрирован в страницу Википедии по лицензии CC-BY-SA-3.0 ( 2018 ). Версия записи, на которой она была проверена: Михаил Болдырев; и др. (3 июля 2018 г.). "Lead: properties, history, and applications" (PDF) . WikiJournal of Science . 1 (2): 7. doi : 10.15347/WJS/2018.007 . ISSN 2470-6345. Wikidata Q56050531.
{{cite book}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на ноябрь 2024 г. ( ссылка )спрос на свинец более чем удвоился с начала 1990-х годов, и почти 90% его использования теперь приходится на свинцово-кислотные аккумуляторы.
