Свинец сплав каких металлов
Рассмотрим сплавы свинца с другими металлами, имеющие наибольшее значение при рафинировании свинца.
Свинец—железо. Железо и свинец взаимно не растворимы ни в жидком, ни в твердом состоянии и не взаимодействуют между собой, поэтому выплавляемый свинец бывает загрязнен лишь небольшим количеством железа, увлеченного механически или связанного с медью. Полная очистка свинца от железа достигается простой ликвацией.
Так как железо стойко по отношению к свинцу, его широко используют на свинцовых заводах в качестве материала для различной аппаратуры, соприкасающейся с расплавленным свинцом. Например, при горновой плавке горны делают чугунными, при рафинировании свинца все процессы проводят в чугунных или стальных котлах, для перекачивания свинца применяют стальные насосы.
Свинец—золото (рис. 89). Свинец и золото образуют два химических соединения; Аu2Рb и АuРb2. Система АиРb2—Pb образует эвтектику с содержанием 85% Pb и 15% Au, температура плавления которой 215° С.
Так как в черновом свинце золото присутствует в долях процента, то, как видно из диаграммы, удаление золота из свинца возможно при охлаждении сплава; при этом выпадают кристаллы чистого свинца, а золото концентрируется в остающемся жидком маточном растворе до 15% Au (теоретически).
Свинец—cеребро (рис. 90). Серебро, как и золото, в свинце неограниченно растворяется в жидком состоянии. Система Ag—Pb имеет эвтектику с температурой плавления 304° С, содержащую 2,5% Ag. Серебро со свинцом образует твердый раствор. Диаграмма показывает, что серебро, так же как и золото, можно извлекать в виде эвтектического сплава вымораживанием большей части свинца в виде кристаллов, не содержащих серебра. На этом свойстве свинца и благородных металлов основан один из способов обессеребривания свинца.
Свинец—олово (рис. 91). Химических соединений олово со свинцом не образует; в жидком состоянии имеется полная взаиморастворимость. В твердом же состоянии при температуре 183,3°С свинец растворяет 19,5% Sn, а олово растворяет 2,6% Pb. Система Sn—Pb имеет эвтектику с содержанием 38,1% Pb и температурой плавления 183,3° С.
Свинец—мышьяк (рис. 92). Эти компоненты не образуют ни химических соединений, ни растворов в твердом состоянии. Имеется эвтектика с содержанием 3,0% As с температурой плавления 288° С. Примесь мышьяка в небольшом количестве делает свинец хрупким и твердым, а также способствует образованию шарообразных капель жидкого свинца при свободном их падении, что используется при производстве дроби.
Свинец—сурьма (рис. 93). Химических соединений со свинцом сурьма не образует; в жидком состоянии имеется полная взаиморастворимость. Система Sb—Pb имеет эвтектику с содержанием 13% Sb и температурой плавления 247°С. При 247°С свинец растворяет лишь 2,94 % Sb, а при 25°С — всего 0,24% Sb. Сурьма в твердом состоянии не растворяет свинец; примеси сурьмы увеличивают твердость свинца, делая его хрупким.
Свинец—висмут (рис. 94). Химических соединений со свинцом висмут не образует. При полной взаиморастворимости в жидком состоянии дает эвтектику с содержанием 56,5% Bi, имеющую температуру плавления 125° С и стойкие твердые растворы. При комнатной температуре металлы взаиморастворяются один в другом в пределах до 10%. Из всех примесей висмут меньше всех способствует увеличению твердости свинца. Разделение висмута и свинца — одна из труднейших задач металлургии свинца.
Свинец—медь (рис. 95). Диаграмма плавкости системы показывает, что растворимость меди в свинце при понижении температуры до 326° С (температуры плавления эвтектики) сильно понижается. Эвтектика содержит 0,06% Cu. При содержании в свинцово-медном сплаве до 17% Cu температура плавления его ниже 952° С, причем при охлаждении выкристаллизовывается, по данным А.Н. Вольского, не чистая медь, а твердый раствор свинца в меди переменного состава при содержании от 3 до 5% Pb.
Диграмма показывает также, что медь из свинца можно удалить ликвацией до содержания в обезмеженном свинце 0,06%) Cu и что присутствие даже небольшого количества меди в свинце резко повышает температуру его плавления.
Свинец—цинк (рис. 96). Цинк, как и медь, в жидком состоянии имеет ограниченную растворимость в свинце; растворы, содержащие от 2 до 99,5% Pb, распадаются на два слоя с первоначальной температурой застывания при 418° С; растворы, более богатые по свинцу, застывают при 318° С.
Свинец
Свинец — редкий минерал, самородный металл класса самородных элементов. Ковкий, сравнительно легкоплавкий металл серебристо-белого цвета с синеватым отливом. Известен с глубокой древности. Очень пластичный, мягкий (режется ножом, царапается ногтем). При ядерных реакциях образуются многочисленные радиоактивные изотопы свинца.
СТРУКТУРА
Свинец кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке (а = 4,9389Å), аллотропических модификаций не имеет. Атомный радиус 1,75Å, ионные радиусы: Рb 2+ 1,26Å, Рb 4+ 0,76Å. Двойниковые кристаллы по . Встречается в мелких округлых зёрнах, чешуйках, шариках, пластинках и нитевидных образованиях.
СВОЙСТВА
Свинец имеет довольно низкую теплопроводность, она составляет 35,1 Вт/(м•К), при температуре 0 °C. Металл мягкий, режется ножом, легко царапается ногтем. На поверхности он обычно покрыт более или менее толстой плёнкой оксидов, при разрезании открывается блестящая поверхность, которая на воздухе со временем тускнеет. Температура плавления — 600,61 K (327,46 °C), кипит при 2022 K (1749 °C). Относится к группе тяжёлых металлов; его плотность — 11,3415 г/см 3 (+20 °С). С повышением температуры плотность свинца падает. Предел прочности на растяжение — 12—13 МПа (МН/м 2 ). При температуре 7,26 К становится сверхпроводником.
ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА
Содержание в земной коре — 1,6•10 −3 % по массе. Самородный свинец встречается редко, круг пород, в которых он установлен, достаточно широк: от осадочных пород до ультраосновных интрузивных пород. В этих образованиях он часто образует интерметаллические соединения (например, звягинцевит (Pd,Pt)3(Pb,Sn) и др.) и сплавы с другими элементами (например, (Pb + Sn + Sb)). Он входит в состав 80 различных минералов. Важнейшие из них: галенит PbS, церуссит PbCO3, англезит PbSO4 (сульфат свинца); из более сложных — тиллит PbSnS2 и бетехтинит Pb2(Cu,Fe)21S15, а также сульфосоли свинца — джемсонит FePb4Sn6S14, буланжерит Pb5Sb4S11. Всегда содержится в рудах урана и тория, имея часто радиогенную природу.
Для получения свинца в основном используют руды, содержащие галенит. Сначала методом флотации получают концентрат, содержащий 40—70 процентов свинца. Затем возможно несколько способов переработки концентрата в веркблей (черновой свинец): прежде широко распространённый метод шахтной восстановительной плавки, разработанные в СССР метод кислородно-взвешенной циклонной электротермической плавки свинцово-цинковых продуктов (КИВЦЭТ-ЦС), метод плавки Ванюкова (плавка в жидкой ванне). Для плавки в шахтной (ватержакетной) печи предварительно производят агломерационный обжиг концентрата, а затем его загружают в шахтную печь, где происходит восстановление свинца из оксида.
Веркблей, содержащий более 90 процентов свинца, подвергается дальнейшему очищению. Сначала для удаления меди применяют зейгерование и последующую обработку серой. Затем щелочным рафинированием удаляют мышьяк и сурьму. Далее выделяют серебро и золото с помощью цинковой пены и отгоняют цинк. Обработкой кальцием и магнием удаляют висмут. В результате содержание примесей падает до менее чем 0,2 %[
ПРОИСХОЖДЕНИЕ
Образует вкрапленность в изверженных, главным образом кислых, горных породах, в м-ниях Fe и Мn ассоциирует с магнетитом и гаусманитом. Встречается в россыпях с самородными Au, Pt, Os, Ir.
В природных условиях часто образует крупные залежи свинцово-цинковых или полиметаллических руд стратиформного типа (Холоднинское, Забайкалье), а также скарнового (Дальнегорское (бывшее Тетюхинское), Приморье; Брокен-Хилл в Австралии) типа; галенит часто встречается и в месторождениях других металлов: колчеданно-полиметаллических (Южный и Средний Урал), медно-никелевых (Норильск), урановых (Казахстан), золоторудных и др. Сульфосоли обычно встречаются в низкотемпературных гидротермальных месторождениях с сурьмой, мышьяком, а также в золоторудных месторождениях (Дарасун, Забайкалье). Минералы свинца сульфидного типа имеют гидротермальный генезис, минералы окисного типа часты в корах выветривания (зонах окисления) свинцово-цинковых месторождений. В кларковых концентрациях свинец входит практически во все породы. Единственное место на земле, где в породах больше свинца по сравнению с ураном — Кохистанско-Ладакхская дуга на севере Пакистана.
ПРИМЕНЕНИЕ
Нитрат свинца применяется для производства мощных смесевых взрывчатых веществ. Азид свинца применяется как наиболее широко употребляемый детонатор (инициирующее взрывчатое вещество). Перхлорат свинца используется для приготовления тяжёлой жидкости (плотность 2,6 г/см³), используемой во флотационном обогащении руд, он иногда применяется в мощных смесевых взрывчатых веществах как окислитель. Фторид свинца самостоятельно, а также совместно с фторидом висмута, меди, серебра применяется в качестве катодного материала в химических источниках тока.
Висмутат свинца, сульфид свинца PbS, иодид свинца 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 (термо-э.д.с. 350 мкВ/К), самый широкоприменяемый материал в производстве термоэлектрогенераторов и термоэлектрических холодильников. Двуокись свинца PbO2 широко применяется не только в свинцовом аккумуляторе, но и также на её основе производятся многие резервные химические источники тока, например — свинцово-хлорный элемент, свинцово-плавиковый элемент и другие.
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 шпатлёвки, в технологии цемента и свинцовокарбонатной бумаги.
Арсенат и арсенит свинца 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 жёлтый краситель, является важным пигментом для приготовления красок, для окраски фарфора и тканей. В промышленности хромат применяют в основном в производстве жёлтых 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.
Поскольку свинец хорошо поглощает γ-излучение, он используется для радиационной защиты в рентгеновских установках и в ядерных реакторах. 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. Было время, когда на оболочки кабелей шла значительная часть производимого в мире свинца, благодаря хорошим влагозащитным свойствам таких изделий. Однако впоследствии свинец в существенной мере вытеснили из этой области алюминий и полимеры. Так, в странах Запада использование свинца на оболочки кабелей упало с 342 тысяч тонн в 1976 году до 51 тысяч тонн в 2002 году. 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; Тпл = 130 °C, Ткип = +80 °С/13 мм рт. ст.; плотность 1,650 г/см³; nD2v = 1,5198; не растворяется в воде, смешивается с органическими растворителями; высокотоксичен, легко проникает через кожу; ПДК = 0,005 мг/м³; ЛД50 = 12,7 мг/кг (крысы, перорально)) для повышения октанового числа.
Свинец сплав каких металлов
Свинец — очень пластичный металл и широко применяемый в промышленности как в чистом виде, так и в виде сплавов с другими компонентами. Он хорошо поддается обработке, обладает хорошими литейными свойствами, но низкая механическая прочность и относительно высокая ползучесть ограничивают его применение как конструкционного материала.
Высокая стойкость свинца против коррозии во многих минеральных кислотах обусловила его широкое применение в химической промышленности для облицовки химической аппаратуры, трубопроводов и емкостей, для горячего свинцевания вместо лужения.
Свинец стоек против коррозии потому, что на его поверхности образуется пленка гидроокиси при соприкосновении с воздухом и пленка сернокислого свинца при соприкосновении с серной кислотой.
Марки и химический состав выпускаемого свинца приведены в табл. 33.
Примеси очень сильно изменяют механические и физико-химические свойства свинца; некоторые присадки значительно улучшают механические свойства (прочность, твердость, сопротивление ползучести) при сохранении высокой стойкости против коррозии.
Мышьяк и висмут — вредные примеси: уже в небольших количествах они сильно уменьшают пластичность и увеличивают твердость свинца. Висмут снижает кислотоупорность свинца и делает его не пригодным для изготовления качественных свинцовых латуней и бронз. Мышьяк способствует увеличению поверхностного натяжения — это свойство используется для изготовления дроби из мышьяковистого свинца.
Медь и теллур повышают крипоустойчивость и кислотоупорность свинца. Ho медь — нежелательная примесь в свинце, используемом для производства белил и глета, так как уже при содержании сотых долей процента меди свинцовые белила получают голубоватый оттенок и глет становится не пригодным для изготовления хрусталя, потому что хрусталь получается с синеватым оттенком.
Сурьма повышает твердость свинца и его предел прочности, но уменьшает пластичность и электропроводность. Добавки сурьмы повышают кислотоупорность свинца в сернокислой среде.
Олово образует со свинцом легкоплавкую эвтектику (температура плавления 181°), повышает его твердость, предел прочности и сопротивление усталости.
Цинк увеличивает твердость свинца и сильно снижает коррозионную стойкость в кислотах. Серебро и никель повышают устойчивость свинца в серной кислоте.
Натрий, кальций и магний снижают химическую стойкость свинца, но резко повышают его твердость и сопротивление усталости. Кальций повышает температуру рекристаллизации и крипоустойчивость свинца.
Кадмий и теллур повышают твердость свинца.
Влияние различных добавок на твердость свинца характеризуется кривыми, приведенными на рис. 37.
Основные свинцовые сплавы — подшипниковые (баббиты), деформируемые (для кабельных оболочек), типографские сплавы и припои.
Баббиты делятся на свинцовые и оловянные. Свинцовые баббиты содержат, кроме основной составляющей — свинца, натрий, кальций и другие элементы.
Оловянные баббиты, кроме основных компонентов — свинца и олова, содержат медь, сурьму, кадмий, никель, теллур и др.
Свинцовые натрокальциевые баббиты обладают хорошими механическими антифрикционными свойствами, что позволяет применять их для заливки подшипников вместо дорогостоящих оловянных баббитов. Присадка теллура в свинцовые баббиты улучшает их свойства (повышает пластичность и температуру начала размягчения); присадка меди повышает их твердость и уменьшает ликвацию, к которой они склонны.
Деформируемые свинцовые сплавы имеют в своем составе в качестве добавок олово, медь, теллур и сурьму. Сурьма повышает твердость и прочность сплавов.
Типографские сплавы на свинцовой основе содержат сурьму, которая придает им твердость и уменьшает усадку при остывании; добавка слова улучшает литейные свойства этих сплавов, а присадка меди препятствует ликвации. Типографские сплавы обладают хорошими механическими и антикоррозионными свойствами, они жидкотекучи, имеют низкую температуру плавления и малую усадку.
Химический состав и механические свойства некоторых деформируемых и типографских свинцовых сплавов и баббитов приведены в табл. 34.
СВИНЦА СПЛАВЫ
Получают свинца сплавы сплавлением исходных металлов или их лигатур (при введении тугоплавких легирующих элементов), а также восстановлением расплава СаС1 2 лигатурой Pb-Na. Свинца сплавы изготовляют в виде чушек, пластин, прутков, трубок, проволоки и ленты. Большинство свинца сплавов хорошо обрабатывается давлением (прокаткой, ковкой, прессованием) и резанием. Подразделяются на обрабатываемые и не обрабатываемые давлением.
К обрабатываемым давлением относят низколегированные свинца сплавы, содержащие один из элементов-Sn (до 2%), Sb (до 0,5%), Cd (до 0,25%) или Си и Fe (до 0,06% каждого). Используют такие свинца сплавы для изготовления оболочек элект-рич., телефонных и др. кабелей; в последние годы их заменяют более дешевыми А1 и полиэтиленом.
Не обрабатываемые давлением свинца сплавы по назначению делят на антифрикционные (баббиты), типографские, припои и легкоплавкие.
Баббиты - свинца сплавы, легированные Sn, Sb, Cu, Ca, Na и др. элементами (от 15-17% и менее). По т-ре плавления (240-320 °С), твердости (НВ 22-32), коэф. трения со смазкой (а 0,004-0,007) они близки к оловянным баббитам (см. Олова сплавы), уступая им в ~1,5 раза по теплопроводности и в ~1,5-2 раза по сопротивлению износу. Структура баббитов содержит твердую (соед. SnSb, Cu 6 Sn 5 , Pb 3 Ca и др.) и мягкую (твердый р-р на основе Рb) составляющие. Первая обеспечивает низкий коэф. трения, вторая-хорошую прирабатываемость в местах трения. Такие свинца сплавы-антифрикционные материалы, применяются в машиностроении в узлах трения малой и средней погруженности, на городском и железнодорожном транспорте, заменяя дорогие и дефицитные оловянные баббиты.
Типографские свинца сплавы, известные более 500.дет, содержат до 20-23% Sb, 5-7% Sn, 1-4,5 As и 1% Си. Отличаются высокой жидкотекучестью и малой усадкой при кристаллизации, твердостью (НВ 17-28), постоянным составом после многократной переплавки; устойчивы против коррозии в контакте с красками и смывающими р-рами. Применяют их для отливки шрифтов ручного и машинного набора, пробельного материала, линеек и стереотипов.
Припои на основе свинца сплавов содержат Sn, Cd, Bi, Ag, In и Р (от 1,3-1,7 до 49-51%), имеют низкие т-ры плавления (от 90-142 °С с Sn, Cd, Bi и до 220-310 °С с Sn, Ag, In и P). Применяют при низкотемпературной пайке Fe, сталей, Ni, Си и ее сплавов. Места спайки с Си и сплавами Cu-Zn имеют низкую коррозионную стойкость во влажной атмосфере и при наличии конденсата используются только с лакокрасочными защитными покрытиями; места спайки с припоями, содержащими In и Р, в защите от коррозии не нуждаются. Отдельные припои, содержащие Ag, Sn, Cu и N i, применяют для пайки изделий криогенной техники.
Недостатки многих свинца сплавов-наличие в составе дорогих и дефицитных элементов (As, Sb, Sn и др.) и токсичность паров.
Лит.: Туркин В.Д., Румянцев М. В., Структура и свойства цветных металлов, М., 1947; Шпагин А. И., Антифрикционные сплавы, М., 1956; Мальцев М. В., Металлография промышленных цветных металлов и сплавов, 2 изд., М., 1970; Справочник по пайке, 2 изд., М., 1984. A.M. Захаров.
СВИНЕЦ (Plumbum) Pb, хим. элемент IV гр. периодич. системы, ат. н. 82, ат. м. 207,2. Природный свинец состоит из пяти стабильных изотопов: 202 Рb (следы), 204 Рb (1,5%), 206 Рb (23,6%), 207 Рb (22,6%) и 208 Рb (52,3%). Последние три изотопа-конечные продукты радиоактивного распада соотв. U, Ас и Th. В природе образуются и радиоактивные изотопы: 209 Рb, 210 Рb, 211 Рb, 212 Рb, 214 Рb. Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов прир. смеси ок. 0,2·10 -28 м 2 ; хороший поглотитель рентгеновского и g -из-лучения. Конфигурация внеш. электронной оболочки атома 6s 2 6p 2 ; степени окисления +2 (наиб. характерна) и +4; энергии ионизации Рb 0 : Рb + : Рb 2+ равны соотв. 7,41678 и 15,0320 эВ; работа выхода электрона 4,05 эВ; электроот рицательность по Полингу 1,55; атомный радиус 0,175 нм, ионные радиусы (нм, в скобках даны координац. числа) Рb 4+ 0,079 (4), 0,092 (6), Рb 2+ 0,112 (4), 0,133(6).
Содержание свинца в земной коре 1,6-10 3 % по массе, в водах Мирового океана 0,03 мкг/л (41,1 млн. т), в речных водах 0,2-8,7 мкг/л. Известно ок. 80 минералов, содержащих свинец, главнейший из них-галенит, или свинцовый блеск, PbS. Небольшое пром. значение имеют англезит PbSO 4 и церус-сит РbСО 3 . В рудах свинцу сопутствуют Сu, Zn; Cd, благородные металлы, Bi, Те и др. ценные элементы. Прир. фон в атмосфере 2·10 -9 -5·10 -4 мкг/м 3 . В теле взрослого человека содержится 7-15 мг свинца.
Свойства. Свинец-металл синевато-серого цвета, кристаллизуется в гранецентрир. кубич. решетке типа Сu, а — = 0,49389 нм, z = 4, пространств. группа Fm3m. Свинец-один из легкоплавких металлов, тяжелый цветной металл; т. пл. 327,50 °С, т. кип. 1751 °С; плотн., г/см 3 : 11,3415 (20 °С), 10,686 (327,6 °С), 10,536 (450 °С), 10,302 (650 °С), 10,078 (850 °С); 4,81 кДж/моль, 64,80 ДжДмоль · К); давление пара, Па: 4,3·10 -7 (600 К), 9,6·10 -5 (700 К), 5,4·10 -2 (800 К). 1,2·10 -1 (900 К), 59,5 (1200 К), 8,2·10 2 (1500 К), 12,8·10 3 (1800 К). Свинец-плохой проводник тепла и электричества; теплопроводность 33,5 Вт/(м·К) (менее 10% от теплопроводности Ag); температурный коэф. линейного расширения свинца (чистотой 99,997%) в интервале т-р 0-320 °С описывается ур-нием: a = 28,15·10 -6 t + 23,6·10 -9 t 2 °C -1 ; при 20°С r 20,648 мкОм·см (менее 10% от r Ag), при 300 °С и 460 °С соотв. 47,938 и 104,878 мкОм·см. При -258,7°С r свинца падает до 13,11·10 -3 мкОм·см; при 7,2 К он переходит в сверхпроводящее состояние. Свинец диамагнитен, магн. восприимчивость —0,12·10 -6 . В жидком состоянии свинец жидкотекуч, h в интервале т-р 330-800 °С изменяется в пределах 3,2-1,2 мПа·с; g в интервале 330-1000 °С находится в пределах (4,44-4,01)·10 -3 Н/м.
С винец мягок, пластичен, легко прокатывается в тончайшие листы. Твердость по Бринеллю 25-40 МПа; s раст 12-13 МПа, s сж ок. 50 МПа; относит. удлинение при разрыве 50-70%. Значительно повышают твердость и прочность свинца Na, Ca и Mg, но уменьшают его хим. стойкость. Медь увеличивает антикоррозионную стойкость свинца (к действию H 2 SO 4 ). С добавкой Sb возрастает твердость, а также кислотоупорность свинца по отношению к H 2 SO 4 . Понижают кислотоупорность свинца Bi и Zn, a Cd, Те и Sn повышают твердость и сопротивление усталости свинца. В свинце практически не раств. N 2 , CO, CO 2 , O 2 , SO 2 , H 2 .
В хим. отношении свинец довольно инертен. Стандартный электродный потенциал свинца —0,1265 В для Рb 0 /Рb 2+ . В сухом воздухе не окисляется, во влажном-тускнеет, покрываясь пленкой оксидов, переходящей в присут. СО 2 в основной карбонат 2РbСО 3 ·Рb(ОН) 2 . С кислородом свинец образует ряд оксидов: Рb 2 О, РbО (глет), РbО 2 , Рb 3 О 4 (сурик) и Рb 2 О 3 (см. Свинца оксиды). При комнатной т-ре свинец не реагирует с разб. серной и соляной к-тами, т. к. образующиеся на его пов-сти труднорастворимые пленки PbSO 4 и РbС1 2 препятствуют дальнейшему растворению металла. Конц. H 2 SO 4 (>80%) и НС1 при нагр. взаимод. со свинцом с образованием р-римых соед. Pb(HSO 4 ) 2 и Н 4 [РbСl 6 ]. Свинец устойчив по отношению к фтористоводородной к-те, водным р-рам NH 3 и щелочей и к мн. орг. к-там. Лучшие р-рители свинца-разб. HNO 3 и СН 3 СООН. При этом образуются свинца нитрат Pb(NO 3 ) 2 и свинца ацетат Рb(СН 3 СОО) 2 . Свинец заметно раств. также в лимонной, муравьиной и винной к-тах.
Соли Pb(IV) м. б. получены электролизом подкисленных H 2 SO 4 р-ров солей Pb(II); важнейшие из них-свинца сульфат Pb(SO 4 ) 2 и ацетат Рb(ОСОСН 3 ) 4 . Соли свинца легко гидро-лизуются. Рb -энергичный окислитель, поэтому, напр., не существуют РbI 4 и РbВr 4 . При разряде свинцового аккумулятора Рb 4 + также служит окислителем:
Рb + РbO 2 + 2H 2 SO 4 : 2PbSO 4 + 2Н 2 О
При взаимод. оксидов Pb(IV) и Pb(II) с расплавами щелочей образуются соли-соотв. плюмбаты(IV) и плюмбиты(II), напр. Na 2 PbO 3 , Na 2 PbO 2 . Свинец медленно раств. в конц. р-рах щелочей с выделением Н 2 и образованием М 4 [Рb(ОН) 6 ].
При нагревании свинец реагирует с галогенами, образуя свинца галогениды. С азотистоводородной к-той свинец дает свинца азид Pb(N 3 ) 2 , с серой при нагр.- сульфид PbS (см. Свинца халь-когениды). Гидриды для свинца не характерны. В нек-рых р-циях обнаруживают тетрагидрид РbН 4 -бесцв. газ, легко разлагающийся на Рb и Н 2 ; образуется при действии разб. соляной к-ты на Mg 2 Pb. См. также Свинца титанат, Сви-нецорганические соединения.
Получение. Осн. источник получения свинца-сульфидные полиметаллич. руды. Селективной флотацией из руд, содержащих 1-5% Рb, получают свинцовые и др. концентраты. Свинцовый концентрат обычно содержит 40-75% Рb, 5-10% Zn, до 5% Сu, а также благородные металлы и Bi. Ок. 90% свинца получают по технологии, включающей стадии: агломерирующий обжиг сульфидных концентратов, шахтная восстановит. плавка агломерата и рафинирование чернового свинца. Разрабатывают автогенные процессы плавки, позволяющие использовать тепло сгорания сульфидов.
Агломерирующий обжиг при традиц. произ-ве свинца проводят на прямолинейных машинах с дутьем воздуха либо путем просасывания его. При этом PbS окисляется преим. в жидком состоянии: 2PbS + 3О 2 : 2РbО + 2SO 2 . В шихту добавляют флюсы (SiO 2 , CaCO 3 , Fe 2 O 3 ), к-рые, реагируя между собой и с РbО, образуют жидкую фазу, цементирующую шихту. В готовом агломерате свинец в осн. концентрируется в свинцовосиликатном стекле, занимающем до 60% объема агломерата. Оксиды Zn, Fe, Si, Ca кристаллизуются в форме сложных соед., образуя жаропрочный каркас. Эффективная (рабочая) площадь агломерац. машин 6-95 м 2 .
В готовом агломерате содержится 35-45% Рb и 1,2-3% S, часть к-рой находится в виде сульфатов. Производительность агломерац. машин по агломерату зависит от содержания S в шихте и колеблется от 10 (бедные концентраты) до 20 т/(м 2 · сут) (богатые концентраты); по выжигаемой S она находится в пределах 0,7-1,3 т/(м 2 · сут). Часть газов, содержащих 4-6% SO 2 , используют для произ-ва H 2 SO 4 . Степень утилизации S составляет 40-50%.
Полученный агломерат направляют на восстановит. плавку в шахтных печах. Печь для выплавки свинца представляет собой шахту прямоугольного сечения, образуемую водо-охлаждаемыми коробками (кессонами). Воздух (или воздушно-кислородная смесь) подается в печь через спец. сопла (фурмы), расположенные по всему периметру печи в ниж. ряду кессонов. В шихту плавки входят в осн. агломерат и кокс, иногда загружают кусковое оборотное и вторичное сырье. Уд. проплав агломерата 50-80 т/(м 2 · сут). Прямое извлечение свинца в черновой металл 90-94%.
Цель плавки-максимально извлечь свинец в черновой металл, a Zn и пустую породу вывести в шлак. Осн. р-ция шахтной плавки свинцового агломерата: РbО расплав + СО : Рb + + СО 2 . В качестве восстановителя в шихту вводят кокс. Часть свинца восстанавливается им непосредственно. Для восстановления свинца требуется слабовосстановит. атмосфера (давление О 2
Осн. шлакообразующие компоненты шлаков (80-85% от массы шлака) - FeO, SiO 2 , CaO и ZnO-направляются на дальнейшую переработку для извлечения Zn. В шлак переходит до 2-4% Рb и ~20% Си, содержание в нем этих металлов соотв. 0,5-3,5 и 0,2-1,5%. Образующаяся при шахтной плавке (и агломерации) пыль служит исходным сырьем для извлечения редких и рассеянных элементов.
В основе автогенных процессов выплавки свинца лежит экзотермич. р-ция PbS + О 2 : Рb + SO 2 , состоящая из двух стадий:
2PbS + 3O 2 : 2PbO + 2SO 2 PbS + 2РbО : 3Рb + SO 2
Преимущества автогенных способов перед традиц. технологией: исключается агломерац. обжиг, устраняется необходимость разбавления концентрата флюсами, что снижает выход шлака, используется тепло от горения сульфидов и исключается (частично) расход кокса, повышается извлечение SO 2 с газами, что упрощает их использование и повышает безопасность на заводе. В пром-сти применяют два автогенных процесса: КИВЦЭТ-ЦС, разработанный в СССР и осуществленный на Усть-Каменогорском заводе и в Италии на заводе Порто-Весме, и американский процесс QSL.
Технология плавки по методу КИВЦЭТ-ЦС: тонкоизмельченную, хорошо высушенную шихту, содержащую концентрат, оборотную пыль и кокс, с помощью горелки инжектируют техническим О 2 в плавильную камеру печи, где происходит окисление сульфидов металлов, получение свинца и формирование шлака. Газы (содержат 20-40% SO 2 ) после очистки от пыли, возвращаемой в шихту плавки, поступают на произ-во H 2 SO 4 . Черновой свинец и шлак через разделит. перегородку протекают в электротермич. печь-отстойник, откуда их выпускают через летки. Кокс подают в шихту для восстановления избыточного оксида свинца в плавильной зоне.
Процесс QSL проводят в агрегате типа конвертера. Печь разделена перегородкой на зоны. В плавильной зоне происходит загрузка гранулир. концентрата, плавка и окисление расплава техническим О 2 . Шлак поступает во вторую зону, где с помощью фурм он продувается пылеугольной смесью для восстановления свинца. Во всех способах плавки осн. кол-во Zn (~80%) переходит в шлак. Для извлечения Zn, а также оставшегося свинца и нек-рых редких и рассеянных элементов шлак перерабатывают способом фьюмингования или вальцевания.
Черновой свинец, полученный тем или иным способом, содержит 93-98% Рb. Примеси в черновом свинце: Сu (1-5%), Sb, As, Sn (0,5-3%), Аl (1-5 кг/т), Аu (1-30%), Bi (0,05-0,4%). Очистку чернового свинца производят пирометаллургически или (иногда) электролитически.
Пирометаллургич. методом из чернового свинца последовательно удаляют: 1) медь-двумя операциями: ликвацией и с помощью элементарной S, образующей сульфид Cu 2 S. Предварит. (грубую) очистку от Си до содержания 0,5-0,7.% проводят в отражательных либо электротермических печах с глубокой свинцовой ванной, имеющей перепад т-ры по высоте. Медь взаимод. на пов-сти с сульфидным свинцовым концентратом с образованием Cu-Pb штейна. Штейн направляют в медное произ-во либо на самостоят. гидроме-таллургич. переработку.
2) Теллур-действием металлич. Na в присут. NaOH. Натрий селективно взаимод. с Те, образуя Na 2 Te, всплывающий на пов-сть ванны и растворяющийся в NaOH. Плав идет на переработку для извлечения Те.
3) Олово, мышьяк и сурьму-окислением их либо О 2 воздуха в отражат. печах при 700-800 °С, либо NaNO 3 в присут. NaOH при 420 °C. Щелочные плавы направляют на гидрометаллургич. переработку для регенерации из них NaOH и извлечения Sb и Sn; As выводят в виде Ca 3 (AsO 4 ) 2 , к-рый направляют на захоронение.
4) Серебро и золото-с помощью Zn, избирательно реагирующего с растворенными в свинце благородными металлами; образуются AuZn 3 , AgZn 3 , всплывающие на пов-сть ванны. Образовавшиеся съемы удаляют с пов-сти для послед. переработки их на сплав Ag-Au. На этой стадии свинец загрязняется Zn (0,5-0,8%).
5) Цинк-окислением воздухом либо NaNO 3 в щелочном расплаве, хлорированием, а также отгонкой в вакууме.
7) Примеси Са, Mg, Sb и Zn удаляют окислением NaNO 3 в присут. NaOH либо хлорированием.
Применение. До 45% свинца от общего потребления идет на произ-во электродов аккумуляторов; до 20%-на изготовление проводов и кабелей и покрытий к ним; 5-20% свинца-на произ-во тетраэтилсвинца. Свинец используют для изготовления футеровки, труб и аппаратуры в хим. пром-сти. Применяют свинца сплавы с Sn, Са, содержащие Sb, Cu, As, Cd. В стр-ве свинец используют в качестве изоляции, уплотнителя швов, стыков, в т.ч. при создании сейсмостойких фундаментов. В военной технике свинец применяют для изготовления шрапнели и сердечников пуль. Экраны из свинца служат для защиты от радиоактивного и рентгеновского излучений.
По объему произ-ва и потребления свинец занимает четвертое место среди цветных металлов после А1, Си и Zn. Произ-во свинца в капиталистич. и развивающихся странах ок. 4,0 млн. т/год (1983). Осн. производители и потребители: США, ФРГ, Великобритания, Япония, Канада и Австралия.
С винец был известен за 6-7 тыс. лет до н.э. народам Месопотамии, Египта и др. стран древнего мира.
С винец-яд, вызывает профессиональные отравления. ПДК в воздухе рабочей зоны 0,01 мг/м 3 , атм. воздухе 0,003 мг/м 3 , воде 0,03 мг/л, почве 20,0 мг/кг. Осн. источники загрязнения свинцом окружающей среды: металлургич. предприятия (ежегодный выброс не менее 89 тыс.т), выхлопные газы двигателей внутр. сгорания (до 260 тыс. т/год), сточные воды пром. предприятий (выброс в Мировой океан 430-650 тыс. т/год) и др.
Лит.: Гудима Н.В., Шейн Я. П., Краткий справочник по металлургии цветных металлов, М., 1975; Смирнов М. П., Рафинирование свинца и переработка полупродуктов, М., 1977; Рабинович В. А., Хавин З.Я., Краткий химический справочник, Л., 1977; Зайцев В. Я., Маргулис Е. В., Металлургия свинца и цинка, М., 1985; Козин Л.Ф., Морачевский А. Г., Физико-химия и металлургия высокочистого свинца, М., 1991. М.П. Смирнов.
Читайте также: