Свинец. Получение и использование

Национальный исследовательский  технологический университет «МИСиС»

Кафедра высокотемпературных процессов, материалов и алмазов

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

«Свинец. Получение и использование»

 

 

                                                                                                 Выполнила: студентка

  группы Ф7-09-8/НМ-09-2

                                                                                        Свинобоева М. А.

                                                                                                Проверил: Юдин А. Г.

 

 

 

 

 

 

Москва, 2011 г.

Содержание:

1. Введение
2. Свойства металла
3. Использование свинца

3.1 В народном хозяйстве

3.2 В медицине

4. Получение свинца
1. Технологическая схема получения свинца
5. Заключение
6. Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

Свинец  – один из немногих металлов, который  нашел практическое применение уже  в глубокой древности. Археологические  находки показывают, что свинец использовали для изготовления монет ещё в 5-7 тысячелетии до н.э. Хорошо известен свинцовый водопровод Древнего Рима.

Легкоплавкость  и пластичность свинца позволяли  обрабатывать его самыми примитивными методами. Задолго до начала нашей  эры из него изготавливали сосуды, трубы, кровельные листы, орнаментальные литые изделия и многое другое.

Первоначальное  применение свинца, по-видимому, обусловлено  его попутным получением из серебряных руд. Позднее ряд ценных его свойств  послужил причиной увеличения спроса на этот металл. В настоящее время  потребность в свинце остается очень  высокой и его широко используют во многих отраслях народного хозяйства.

Свинец  – элемент IV группы 6-го периода периодической системы элементов. Атомный номер свинца 82, атомная масса 207,2. В химических соединениях устойчивыми являются его двух и четырехвалентные состояния.

Свинец  – металл темно-серого цвета с  легким синеватым оттенком. Плотность  свинца 11336 кг/м³ . Твердость свинца повышается при наличии в нем ряда металлических примесей. Со многими металлами свинец образует ряд важных сплавов, которые более тверды и часто хрупки, чем свинец. Некоторые сплавы на основе свинца очень легкоплавки. С железом свинец не сплавляется, что позволяет применять железную аппаратуру при его получении.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Свойства металла

 

Свинец  очень легко плавится – при 327,5° С, кипит при 1751° С и заметно летуч уже при 700° С. Этот факт очень важен для работающих на комбинатах по добыче и переработке свинца. Свинец – один из самых мягких металлов. Он легко царапается ногтем и прокатывается в очень тонкие листы. Свинец сплавляется со многими металлами. С ртутью он дает амальгаму, которая при небольшом содержании свинца жидкая

По химическим свойствам свинец – малоактивный металл: в электрохимическом ряду напряжений он стоит непосредственно  перед водородом. Поэтому свинец легко вытесняется другими металлами  из растворов его солей. Если опустить в подкисленный раствор ацетата  свинца цинковую палочку, свинец выделяется на ней в виде пушистого налета из мелких кристалликов, имеющего старинного название «сатурнова дерева». Если затормозить  реакцию, обернув цинк фильтровальной бумагой, вырастают более крупные  кристаллы свинца. Наиболее типична  для свинца степень окисления +2; соединения свинца(IV) значительно менее  устойчивы. В разбавленных соляной  и серной кислотах свинец практически  не растворяется, в том числе из-за образования на поверхности нерастворимой  пленки хлорида или сульфата. С  крепкой серной кислотой (при концентрации более 80%) свинец реагирует с образованием растворимого гидросульфата Pb(HSO4)2, а в горячей концентрированной соляной кислоте растворение сопровождается образованием комплексного хлорида H₄PbCl₆. Разбавленной азотной кислотой свинец легко окисляется:

Pb + 4HNO₃ = Pb(NO₃)₂ + 2NO₂ + H₂O.

Разложение  нитрата свинца(II) при нагревании – удобный лабораторный метод  получения диоксида азота:

 2Pb(NO₃)₂ = 2PbO + 4NO₂ + O₂.

В присутствии  кислорода свинец растворяется также  в ряде органических кислот. При  действии уксусной кислоты образуется легкорастворимый ацетат Pb(CH₃COO)₂ (старинное название – «свинцовый сахар»). Свинец заметно растворим также в муравьиной, лимонной и винной кислотах. Растворимость свинца в органических кислотах могло раньше приводить к отравлениям, если пищу готовили в посуде, луженной или паянной свинцовым припоем. Растворимые соли свинца (нитрат и ацетат) в воде гидролизуются:

Pb(NO₃)₂ + H₂O = Pb(OH)NO₃ + HNO₃.

Взвесь  основного ацетата свинца («свинцовая примочка») имеет ограниченное медицинское  применение в качестве наружного  вяжущего средства. Свинец медленно растворяется и в концентрированных щелочах  с выделением водорода:

Pb + 2NaOH + 2H₂O = Na₂Pb(OH)₄ + H₂

что указывает  на амфотерные свойства соединений свинца. Белый гидроксид свинца(II), легко  осаждаемый из растворов его солей, также растворяется как в кислотах, так и в сильных щелочах:

Pb(OH)₂ + 2HNO₃ = Pb(NO₃)₂ + 2H₂O;

Pb(OH)₂ + 2NaOH = Na₂Pb(OH)₄

При стоянии  или нагревании Pb(OH)₂ разлагается с выделением PbO. При сплавлении PbO со щелочью образуется плюмбит состава Na₂PbO₂. Из щелочного раствора тетрагидроксоплюмбата натрия Na2Pb(OH)4 тоже можно вытеснить свинец более активным металлом. Если в такой нагретый раствор положить маленькую гранулу алюминия, быстро образуется серый пушистый шарик, который насыщен мелкими пузырьками выделяющегося водорода и потому всплывает. Если алюминий взять в виде проволоки, выделяющийся на ней свинец превращает ее в серую «змею». При нагревании свинец реагирует с кислородом, серой и галогенами. Так, в реакции с хлором образуется тетрахлорид PbCl₄ – желтая жидкость, дымящая на воздухе из-за гидролиза, а при нагревании разлагающаяся на PbCl₂ и Cl₂. (Галогениды PbBr₄ и PbI₄ не существуют, так как Pb(IV) – сильный окислитель, который окислил бы бромид- и иодид-анионы.) Тонкоизмельченный свинец обладает пирофорными свойствами – вспыхивает на воздухе. При продолжительном нагревании расплавленного свинца он постепенно переходит сначала в желтый оксид PbO (свинцовый глет), а затем (при хорошем доступе воздуха) – в красный сурик Pb₃O₄ или 2PbO·PbO₂. Это соединение можно рассматривать также как свинцовую соль ортосвинцовой кислоты Pb₂[PbO₄]. С помощью сильных окислителей, например, хлорной извести, соединения свинца(II) можно окислить до диоксида:

Pb(CH₃COO)₂ + Ca(ClO)Cl + H₂O = PbO₂ + CaCl₂ + 2CH₃COOH

Диоксид образуется также при обработке  сурика азотной кислотой:

Pb₃O₄ + 4HNO₃ = PbO₂ + 2Pb(NO₃)₂ + 2H₂O.

Если  сильно нагревать коричневый диоксид, то при температуре около 300° С он превратится в оранжевый Pb₂O₃ (PbO·PbO₂), при 400° С – в красный Pb₃O₄, а выше 530° С – в желтый PbO (разложение сопровождается выделением кислорода). В смеси с безводным глицерином свинцовый глет медленно, в течение 30–40 минут реагирует с образованием водоупорной и термостойкой твердой замазки, которой можно склеивать металл, стекло и камень. Диоксид свинца – сильный окислитель. Струя сероводорода, направленная на сухой диоксид, загорается; концентрированная соляная кислота окисляется им до хлора:

PbO₂ + 4HCl = PbCl₂ + Cl₂ + H₂O,

сернистый газ  – до сульфата:

PbO₂ + SO₂ = PbSO₄,

а соли Mn²⁺ – до перманганат-ионов:

5PbO₂ + 2MnSO₄ + H₂SO₄ = 5PbSO₄ + 2HMnO₄ + 2H₂O.

Диоксид свинца образуется, а затем расходуется  при зарядке и последующем  разряде самых распространенных кислотных аккумуляторов. Соединения свинца(IV) обладают еще более типичными  амфотерными свойствами. Так, нерастворимый гидроксид Pb(OH)₄ бурого цвета легко растворяется в кислотах и щелочах:

Pb(OH)₄ + 6HCl = H₂PbCl₆;

Pb(OH)₄ + 2NaOH = Na₂Pb(OH)₆.

Диоксид свинца, реагируя со щелочью, также  образует комплексный плюмбат(IV):

PbO₂ + 2NaOH + 2H₂O = Na₂[Pb(OH)₆].

 Если же PbO2 сплавить с твердой щелочью, образуется плюмбат состава Na2PbO3. Из соединений, в которых свинец(IV) входит в состав катиона, наиболее важен тетраацетат. Его можно получить кипячением сурика с безводной уксусной кислотой:

Pb₃O₄ + 8CH₃COOH = Pb(CH₃COO)₄ + 2Pb(CH₃COO)₂ + 4H₂O.

При охлаждении из раствора выделяются бесцветные кристаллы  тетраацетата свинца. Другой способ – окисление ацетата свинца(II) хлором:

2Pb(CH₃COO)₂ + Cl₂ = Pb(CH₃COO)₄ + PbCl₂.

Водой тетраацетат мгновенно гидролизуется до PbO₂ и CH₃COOH. Тетраацетат свинца находит применение в органической химии в качестве селективного окислителя. Например, он весьма избирательно окисляет только некоторые гидроксильные группы в молекулах целлюлозы, а 5-фенил-1-пентанол под действием тетраацетата свинца окисляется с одновременной циклизацией и образованием 2-бензилфурана. Органические производные свинца – бесцветные очень ядовитые жидкости. Один из методов их синтеза – действие алкилгалогенидов на сплав свинца с натрием:

4C₂H₅Cl + 4PbNa = (C₂H₅)₄Pb + 4NaCl + 3Pb

Действием газообразного HCl можно отщеплять от тетразамещенных свинца один алкильный радикал за другим, заменяя их на хлор. Соединения R4Pb разлагаются при нагревании с образованием тонкой пленки чистого металла. Такое разложение тетраметилсвинца было использовано для определения времени жизни свободных радикалов. Тетраэтилсвинец – антидетонатор моторного топлива.

3. Использование свинца

3.1 В народном хозяйстве

Нитрат  свинца применяется для производства мощных смесевых взрывчатых веществ. Азид свинца применяется как наиболее широкоупотребляемый детонатор (инициирующее взрывчатое вещество). Перхлорат свинца используется для приготовления тяжелой жидкости (плотность 2,6 г/см³), используемой во флотационном обогащении руд, он иногда применяется в мощных смесевых взрывчатых веществах как окислитель. Фторид свинца PbF2 самостоятельно, а также совместно с фторидом висмута, меди, серебра применяется в качестве катодного материала в химических источниках тока. Висмутат свинца PbBiO3, сульфид свинца PbS, иодид свинца PbI2 применяются в качестве катодного материала в литиевых аккумуляторных батареях. Хлорид свинца PbCl2 в качестве катодного материала в резервных источниках тока. Теллурид свинца PbTe широко применяется в качестве термоэлектрического материала (термоЭДС 350 мкВ/К), самый широкоприменяемый материал в производстве термоэлектрогенераторов и термоэлектрических холодильников. Двуокись свинца PbO2 широко применяется не только в свинцовом аккумуляторе, но так же на её основе производятся многие резервные химические источники тока, например — свинцово-хлорный элемент, свинцово-плавиковый элемент и др.

Свинцовые белила, основной карбонат Pb(OH)2•PbCO3, плотный белый порошок, — получается из свинца на воздухе под действием углекислого газа и уксусной кислоты. Использование свинцовых белил в качестве красящего пигмента теперь не так распространено, как ранее, из-за их разложения под действием сероводорода H2S. Свинцовые белила применяют также для производства шпатлевки, в технологии цемента и свинцовокарбонатной бумаги.

Арсенат Pb3(AsO4)2 и арсенит свинца Pb3(AsO3)2 применяют  в технологии инсектицидов для уничтожения  насекомых — вредителей сельского  хозяйства (непарного шелкопряда и  хлопкового долгоносика). Борат свинца Pb(BO2)2•H2O, нерастворимый белый порошок, используют для сушки картин и лаков, а вместе с другими металлами — в качестве покрытий стекла и фарфора. Хлорид свинца PbCl2, белый кристаллический порошок, растворим в горячей воде, растворах других хлоридов и особенно хлорида аммония NH4Cl. Его применяют для приготовления мазей при обработке опухолей.

Хромат  свинца PbCrO4 известен как хромовый желтый краситель, является важным пигментом  для приготовления красок, для  окраски фарфора и тканей. В  промышленности хромат применяют в  основном в производстве желтых пигментов. Нитрат свинца Pb(NO3)2 — белое кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде. Это вяжущее ограниченного применения. В промышленности его используют в спичечном производстве, крашении и набивке текстиля, окраске рогов и гравировке. Сульфат свинца Pb(SO4)2, нерастворимый в воде белый порошок, применяют как пигмент, в аккумуляторах, литографии, в технологии набивных тканей.

Сульфид свинца PbS, чёрный нерастворимый в воде порошок, используют при обжиге глиняной посуды и для обнаружения ионов свинца.

Вследствие  большого заряда ядра и высокой плотности  свинец является одним из лучших поглотителей гамма-излучения,[5][6] благодаря чему активно используется в качестве биологической защиты в ядерной  технологии (в ядерных реакторах, при переработке радиоактивных  отходов и т.п.), а также в  рентгеновских установках (например, в кабинетах флюорографии в виде свинцовых накидок, накладок и фартуков). Кроме того, свинец рассматривается в качестве теплоносителя в проектах перспективных ядерных реакторов на быстрых нейтронах.

Значительное  применение находят сплавы свинца. Пьютер (сплав олова со свинцом), содержащий 85-90 % Sn и 15-10 % Pb, формуется, недорог и используется в производстве домашней утвари. Припой, содержащий 67 % Pb и 33 % Sn, применяют в электротехнике. Сплавы свинца с сурьмой используют в производстве пуль и типографского шрифта, а сплавы свинца, сурьмы и олова — для фигурного литья и подшипников. Сплавы свинца с сурьмой обычно применяют для оболочек кабелей и пластин электрических аккумуляторов. Соединения свинца используются в производстве красителей, красок, инсектицидов, стеклянных изделий и как добавки к бензину в виде тетраэтилсвинца (C2H5)4Pb (умеренно летучая жидкость, пары которой в малых концентрациях имеют сладковатый фруктовый запах, в больших — неприятный запах; tпл = 130 °C, tкип = 80°С/13 мм рт.ст.; плотн. 1,650 г/см³; nD20 = 1,5198; не раств. в воде, смешивается с орг. растворителями; высокотоксичен, легко проникает через кожу; ПДК = 0,005 мг/м³; ЛД50 = 12,7 мг/кг [крысы, перорально]) для повышения октанового числа. Из-за высокой плотности применяется в пулях, и как компонент сплавов и в чистом виде. Из-за мягкости и низкой температуры плавления, применяется как материал для пломб. По тем же причинам ранее широко применялся в издательском деле, как материал для шрифтов.

3.2 В медицине

Широкого  применения в медицине свинец не получил  из-за своей высокой токсичности. Используется только Pb(CH3COO)2•3H2O, или свинцовая вода, для примочек от ссадин. Тяжелый свинец хорошо задерживает губительные для человека излучения и потому свинцовые экраны используются для защиты работников рентгеновских кабинетов, в свинцовых контейнерах хранят и перевозят радиоактивные препараты.

4. Получение свинца

Основным  сырьем для производства свинца являются сульфидные полиметаллические руды. Наибольшее распространение имеют  свинцово-цинковые и медно-свинцово-цинковые руды. Помимо свинца, в таких рудах обычно содержатся цинк, медь, кадмий, висмут, золото, серебро, мышьяк, сурьма, таллий, селен, теллур, германий и индий. В природе встречаются также смешанные и окисленные руды, которые имеют в настоящее время ограниченное промышленное значение.

Важное  место в общем балансе производства свинца занимает вторичное сырье  — промышленные лом и отходы: аккумуляторный бой, оболочки кабелей, свинцовые сплавы и т.д. На долю вторичного сырья приходится около 40 % от общего выпуска свинца.

Важнейшим свинцовым минералом является галенит  PbS. В смешанных и окисленных рудах встречаются церуссит РbСОз и англезит PbS0₄. Основные сопутствующие металлы в свинецсодержащих рудах присутствуют в форме сфалерита ZnS. халькопирита CuFeS₂. гринокита CdS. арсенопирита FeAsS₂, пирита FeS₂ и пирротина Fe₇ S₈. Пустая порода представлена различными силикатами и карбонатами.

Свинцовые руды, содержащие не более 8—9 % Рb, для непосредственной металлургической переработки непригодны. По этой причине практически все добываемые руды подвергают обогащению методом селективной флотации.

При обогащении свинецсодержащих руд преследуют две цели: отделить большую часть пустой породы и одновременно разделить основные пенные компоненты по самостоятельным концентратам. Максимально при обогащении полиметаллических руд получают шесть продуктов — свинцовый, цинковый, медный, пиритный и баритовый концентраты и отвальные хвосты. Селекция металлов по одноименным концентратам, перерабатываемым на соответствующих заводах, обеспечивает упрощение и удешевление технологии их переработки и повышенное извлечение всех ценных компонентов.

При производстве свинца обычно перерабатывают свинцовые  концентраты, содержащие, %: 30—80 РЬ_; 1—14 Zn; до 10 Сu; 2-15 Fe; 9-15 S; 2-13 SiO₂,; до 5 кг/т Аu+Аg. На свинцовых предприятиях качестве сырьевых материалов используют также пыли сернокислотных установок, медеплавильных и цинковых заводов и заводов вторичной металлургии.

Для переработки  сульфидных свинцовых концентратов применимы в принципе как пирометаллургическая, так и гидрометаллургическая  технология. Однако гидрометаллургические способы извлечения свинца вследствие технологического несовершенства не конкурентоспособны с пирометаллургией и до сего времени не нашли применения в промышленности.

Возможны  три метода выплавки синица из сульфидных концентратов: реакционной, осадительной и восстановительной плавкой.

Реакционная плавка пригодна для переработки только очень богатых по свинцу концентратов с минимальным содержанием примесей и поэтому имеет ограниченное применение. В основе реакционной плавки лежит принцип частичного обжига концентрата;

2PbS+3O₂=2PbO+2SO₂, PbS+ +2O₂=PbS0₄

с последующим  взаимодействием продуктов обжига с остатком сульфида свинца

PbS+2PbO=3Pb+SO₂ и PbS +PbSO₄=2Pb-f-2SO₂.

Для наиболее полного восстановления свинца необходимо, чтобы концентрат содержал как можно  меньше примесей, изолирующих реагенты, участвующие в реакциях. Реакционная  плавка может быть осуществлена в  горнах, в электропечах, кивцэтным процессом и т. д.

Осадительная плавка основана на реакции вытеснения синил из его сульфида железом

PbS+Fe=-Pb+FeS.

Хотя  осадительная плавка полностью не применяется в настоящее время и промышленности, реакция, лежащая в ее основе, частично реализуется в практике шахтной восстановительной плавки.

По указанным  причинам современная металлургия свинца практически полностью базируется на использовании технологических схем, включающих восстановительную плавку.

Прямое  восстановление сульфидов традиционными  углеродистыми восстановителями —  задача очень сложная и технологически в промышленных условиях не осуществимая. В то же время оксид свинца (глет) очень легко восстанавливает  си уже при 160—180°С даже в слабо восстановительной атмосфере

Чтобы получить металлический свинец методом восстановительной плавки и сульфидных концентратов, их нужно предварительно подвергнуть окислительному обжигу с одновременным спеканием, так как плавку на черновой свинец ведут в шахтных печах Обожженный агломерат плавят с коксом; свиней при этом восстанавливается по реакции РbО+СО—РЬ+СО₂.

Примеси с большим сродством к кислороду  при плавке образуют шлак, а с  малым — восстанавливаются до металлов и растворяются в свинце. Загрязненный свинец, содержащий обычно не менее десяти примесей, называется черновым После выпуска из печи черновой свинец в жидком визе направляют на рафинирование.

1. Технологическая схема получения свинца

 

5. Заключение

Таким образом, свинец - один из самых распространенных тяжелых металлов. Он содержится в земной коре - 0,0016 % по массе, в морской воде - 0,03 мкг/л. Известно много рудных месторождений, богатых свинцом, причем металл легко выделяется из минералов. Месторождения свинца известны в России, Армении, Германии, Мексике.

Свинец используется во многих отраслях, т.к. он имеет довольно низкую теплопроводность, большой заряд и высокую плотность, вследствие чего является лучшим поглотителем гамма-излучения (начальной радиации, состоящей в основном из гамма лучей).

По данным International Lead and Zinc Study Group, производство рафинированного свинца в мире в 2009 году выросло на 2 %, составив 8,827 млн тонн. При этом потребление выросло до 8,756 млн тонн против 8,649 млн тонн в 2008 году, то есть на 1,2 %.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Список использованной литературы:

1. Басов А.И  Механическое оборудование обогатительных  фабрик и заводов тяжелых цветных  металлов. 3-е изд. М,: Металлургия, 1984. 526с

2. Гудима  Н.В., Шейн Я.П. Краткий справочник  по металлургии цветных металлов. М,: Металлургия, 1975. 536с

3. Севрюков Н.Н., Кузьмин Б.Н., Челещев Е.В. Общая металлургия. М,: Металлургия, 1976. 568 с

4. Шиврин Г.Н. Металлургия свинца и цинка. М Металлургия, 1982. 352 с.

5. Уткин Н.И.  Металлургия цветных металлов