История развития «Сатурна»: свинец в химической науке - Реферат


 

Металлургия одна из древнейших сфер человеческой деятельности. Секреты получения металла высокой чистоты пытались постичь на протяжении многих веков. Еще когда человек обрел власть над огнем, тогда и открылась тайна превращения руды в металл. На сегодняшний день технологии получения металлов продвинулись намного шагов вперед, основываются на научных достижениях в различных областях. Но знания о том, как и в каком веке начали добывать, плавить, обрабатывать и применять различные металлы могут помочь развить современные технологии получения металлов.

  • Дополнительная информация


В книге Венецкого С. «Наследники Гефеста»[3] рассказано о профессии металлург. О самых первых начинаниях в получении металлов, о мастерстве древних металлургов, об истории металлургических печей и конечно же о великих именах в металлургии.

Коллектив авторов книги о «Всеобщей истории химии»[4] более широко охватывают историю. Во второй главе подробно останавливаются на описании применения металлического свинца и переработке свинцовой руды в древнем мире.

В средние века достаточно быстрыми темпами развивается алхимия. Сиборг Г.Т. и Вэленс Э.Г. в своей книге «Элементы вселенной»[6] говорят о большой значимости алхимического периода, т.к. именно алхимики заложили основы экспериментальной деятельности. Хотя основной целью алхимии было получение «философского камня», с помощью которого стало бы возможно превращать обычные металлы в золото. В книгах К.Гофмана[7] и З.Шпаусуса[2] описывается мифический и символический смысл «философского камня».

С современным состоянием производства цветных металлов, в том числе свинца, нас знакомит Н.И.Уткин[11]. Проблемами получения свинца из минерального сырья и переработкой вторичного свинецсодержащего сырья занимались такие выдающие ученые, как М.П.Смирнов[15], Ю.К.Делимарский[17] и уральский ученый А.Н.Барабошкин[16].

Цветные металлы относятся к числу важнейших материалов, потребление которых прямо или косвенно связано с развитием различных отраслей промышленности страны. Основными сферами потребления свинца являются аккумуляторная и кабельная отрасли промышленности. В лаборатории электродных процессов Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН в настоящее время ведутся исследования в области создания электрохимической технологии переработки свинцового сырья в хлоридных расплавах.

Свинец с английского Lead, от французского Plomb, с немецкого Blei. Вплоть до XVII в. свинец нередко путали с оловом, поэтому на древнеславянских языках он именовался оловом. До сих пор это название сохранилось в современном чешском языке (Olovo). Древнегреческое название свинца, вероятно, связано с какой-либо местностью. Некоторые филологи сопоставляют греческое название с латинским Plumbum и утверждают, что последнее слово образовалось из mlumbum. Другие указывают, что оба эти названия произошли от санскритского bahu-mala (очень грязный); в XVII в. различали Plumbum album (белый свинец, т.е. олово) и Plumbum nigrum (черный свинец). В алхимической литературе свинец имел множество названий, часть которых принадлежала к тайным. Греческое название алхимики иногда переводили как plumbago – свинцовая руда. Немецкое Blei обычно производят не от лат. Plumbum, несмотря на явное созвучие, а от древнегерманского blio (bliw) и связанного с ним литовского bleivas (свет, ясный), но это мало достоверно. С названием Blei связано англ. Lead и датское Lood. Неясно происхождение русского слова свинец (литовск. scwinas). Вероятно, это название связано со словом вино, так как у древних римлян (и на Кавказе), вино хранили в свинцовых сосудах, придававших ему своеобразный вкус; этот вкус ценили столь высоко, что не обращали внимания на возможность отравления ядовитыми веществами[1].

Истоки химической науки берут свое начало с первых наблюдений человеком способности огня преобразовывать природные материалы. История познания человеком металла началась в период нового каменного века (неолита) в то время когда в процессе поиска подходящих пород камней человек наткнулся на самородки металла. В первую очередь, широко использовались металлы, которые в природе встречались в самородном виде, такие как, медь, золото, серебро, ртуть. Так в III в. до н.э. уже имелись медные рудники, в которые проводились плавки меди[1]. Начало применения меди относится к VII в. до н.э., в IV в. до н.э. начали использовать медные сплавы, так называемые бронзы. В следующем этапе развития человек научился добывать, плавить и обрабатывать железо. Применение металлического свинца относится к III-II в. до н.э. Это связано с тем, что свинец в природе в самородном виде не встречается, а находиться в основном в виде галенита (свинцовый блеск). Археологические находки показывают, что свинец использовали для изготовления монет и медальонов. Хорошо известен свинцовый водопровод Древнего Рима [11, C.227].

Свинец использовали в книгопечатании с первых его шагов для изготовления литер. Главными компонентами типографских сплавов были свинец, олово и сурьма. Но тогда они не составляли единого сплава. Немецкий первопечатник Иоганн Гуттенберг (1400-1468) литеры из олова отливал в свинцовые формы, так как считал удобным чеканить из мягкого свинца формы, которые выдерживали определенное количество заливок олова. В настоящее время оловянно-свинцовые типографские сплавы составляют так, чтобы они удовлетворяли современным требованиям.

Однако служение свинца человеческой культуре началось задолго до появления первых книг. Живопись появилась раньше письменности. На протяжении многих столетий художники использовали краски на свинцовой основе, и они до сих пор не вышли из употребления: желтая – свинцовый крон, красная – сурик и, конечно, свинцовые белила. Именно из-за свинцовых белил кажутся темными картины старых мастеров. Под действием микропримесей сероводорода в воздухе свинцовые белила превращаются в темный сернистый свинец PbS.
Нередко свинец использовали в виде сплавов с сурьмой. В частности, в Грузии хорошо известна сурьмяная бронза, датируемая I тыс. до н.э. Бронза содержала значительные количества сурьмы, а также добавки свинца и меди. Сплавы сурьмы со свинцом использовали для изготовления разнообразных изделий. Следует, однако, отметить, что в древности металлическая сурьма, не считалась индивидуальным металлом, ее принимали за свинец. Из соединений сурьмы в Междуречье, Индии, Средней Азии и других азиатских странах была известна сернистая сурьма (Sb2S3), или минерал «сурьмяный блеск». Из минерала делали тонкий блестящий черный порошок, применявшийся для косметических целей, особенно для гримировки глаз «глазная мазь». Еще в III тыс. до н.э. в азиатских странах существовало косметическое средство, называемое стем, местем или стимми (stimmi). Во II тыс. до н.э. появляется индийское слово сурьма, но все эти названия применялись, однако, главным образом для сернистого свинца (свинцового блеска). В Сирии и Палестине задолго до начала н.э. черный грим именовался не только стимми, но и каххаль или коголь, что во всех трех случаях означало любой тонкий сухой или растертый в виде мази порошок. Плиний (около начала н.э.) называл стимми и стиби – косметические и фармацевтические средства для гримирования и лечения глаз[2].

«Весьма вероятно, что идея плавить руду и ее осуществление явились только в одном каком-либо месте, – писал известный американский этнограф, археолог и историк XIX в. Генри Льюис Морган, – Возможность знать, какому племени и какой семье мы обязаны этим изобретением и вместе с тем цивилизацией, доставила бы нам особое удовлетворение»[3, С.11].

Историки, изучающие первобытное общество, практически единодушны в том, что решающую роль в зарождении металлургии сыграл костер. Разводя его, наши далекие предки, по всей вероятности, иногда должны были ограждать пламя от ветра и дождя камнями. Среди использовавшихся для этой цели камней могли оказаться и куски руды. Обычно даже самое сильное пламя костра не дает температур, нужных для восстановления металлов из руд, но, видимо, следует допустить, что однажды в большом и долго поддерживаемом костре возникли благоприятные условия, позволившие разорвать природные узы металла и кислорода, благодаря чему рудные камни превратились в тяжелые бугристые лепешки металла.

Исследователи древней металлургии иногда пробуют воссоздать те условия, в которых первобытный человек выплавлял металл из руды. Любопытный металлургический эксперимент провел в 1938 г. англичанин Г.Г.Коглен: при помощи обычного костра он попытался выплавить медь из малахита.

Для этого он приготовил «пирог», в котором слои малахита чередовались со слоями древесного угля, и затем поджег его. Как полагал ученый, в костре должна была развиться температура 700-800°С, достаточная для восстановления меди. Но медные карбонаты (из них состоит малахит) лишь превратились в оксид меди, а дальше дело не пошло и чистой меди не получилось. Проанализировав условия процесса, он пришел к выводу, что виновником неудачи был кислород воздуха, мешавший меди избавиться от своего кислорода.

Коглен решил повторить опыт. На этот раз он поместил слоеный «пирог» в горшок, закрыл его крышкой, засыпал сверху для верности углем и только после этого поджег. Теперь уже кислород не мог пробиться в зону реакции и карбонат, взаимодействуя с оксидом углерода, образовавшимся при горении угля, превращался в чистую медь.

Сходный эксперимент, но уже с железной рудой, был проведен в начале 60-х гг. ХХ в. советским археологом Б.А.Колчиным (1914-1984) и его сотрудниками. По известным науке образцам ученые соорудили небольшой сырорудный горн. Материалами для плавки служили богатая железом болотная руда и хороший уголь. Было обеспечено необходимое воздушное дутье, в ходе процесса постоянно замерялась температура на разных уровнях горна (разумеется, древние мастера «по техническим причинам» обходились без таких замеров). Несмотря на тщательное соблюдение предполагаемой технологии, получить добротную железную крицу так и не удалось. Продуктом эксперимента оказалось насквозь пронизанное шлаками пористое железо, которое ученые, как ни пытались, не смогли уплотнить.

И все же даже такой, казалось бы, не вполне удавшийся опыт принес пользу исторической науке: он лишний раз доказал, что получение железа в древности требовало от первобытного металлурга большого умения. Не случайно с давних пор во всех регионах мира мастера «огненной профессии» пользовались всеобщим почетом и уважением, были окружены ореолом славы и таинственности[3, С.14].


 

В 332 г. до н.э. Египет в числе других стран Древнего мира был покорен войсками Александра Македонского (356-323 гг. до н.э.) и в дельте Нила был заложен город Александрия. Город благодаря выгодному географическому положению быстро вырос и стал крупнейшим торговым и промышленно-ремесленным центром Древнего мира[4, С.23]. Птолемей Сотер, соратник Александра, ставший после смерти последнего (323 г. до н.э.) царём Египта, основал Александрийскую академию, которая вместе с созданным при ней крупнейшим хранилищем античных рукописей – Александрийской библиотекой (около 700 000 рукописей) – просуществовала около тысячи лет (до VII в. н.э.). С академией связаны имена таких выдающихся мыслителей античности, как Евклид, Архимед, Птолемей.

Именно в Александрийской академии произошло соединение теории (античной натурфилософии) и практических знаний о веществах, их свойствах и превращениях, из этого соединения и зародилась новая наука – khemeia.

Основными объектами изучения александрийской алхимии являлись металлы; именно в александрийской алхимии сформировалась традиционная металлопланетная символика алхимии, в которой каждому из семи известных тогда металлов сопоставлялась соответствующая планета и день недели. Впрочем, в европейской алхимической традиции ртуть зачастую металлом не считалась, поскольку в Библии она не упомянута.

Алхимические соотношения металлов и планет:

  1. Серебро – Луна
  2. Ртуть – Меркурий,
  3. Медь – Венера
  4. Золото – Солнце,
  5. Железо – Марс,
  6. Олово – Юпитер,
  7. Свинец – Сатурн.

К числу несомненных практических достижений греко-египетских алхимиков следует отнести открытие явления амальгамирования металлов. Александрийскими алхимиками был усовершенствован способ извлечения золота и серебра из руд, для чего широко применялась ртуть, получаемая из киновари или каломели. Амальгаму золота начали применять для позолоты.

Алхимиками был разработан способ очистки золота купелированием – нагреванием руды со свинцом и селитрой. Купелирование (фр. coupelle – чшечка) – отделение благородных металлов от свинца окислительным плавлением в пламени печи при ~ 1000оС. Под действием кислорода свинец и неблагородные металлы окисляются. Смесь оксидов, в которой преобладает свинцовый глет РbО, в жидком виде непрерывно стекает с поверхности расплава в приемный сосуд. На поду печи получают сплав золота и серебра Au-Ag, содержащий иногда платиновые металлы. Купелирование основано на том, что свинец и другие неблагородные металлы при высокой температуре легко окисляются кислородом воздуха.

Первым значительным представителем александрийской алхимии, имя которого дошло до наших дней, являлся Болос Демокритос из Менде, известный ещё как Псевдо-Демокрит (ок. 200 г. до н.э.). Написанная Болосом книга «Физика и мистика» состоит из четырёх частей, посвящённых золоту, серебру, драгоценным камням и пурпуру. У Болоса впервые сформулирована идея трансмутации металлов – превращения одного металла в другой, прежде всего неблагородных металлов (свинца или железа) в золото, ставшая основной задачей всего алхимического периода.

Ничего значительного в области выделения химических элементов не было сделано до периода, который называется Средними веками. В эти времена появились европейские алхимики. Они работали с помощью примитивного оборудования – реторт, ступок с пестиками, которые теперь для нас имеют лишь символическое значение[6, C.54].

Алхимики множество раз пытались выдать латунь или бронзу за золото. Еще Аристотель в IV в. до н.э. упоминал, что из меди при сплавлении ее с цинком или оловом образуются золотисто-желтоватые сплавы. Уже в древности было известно, что «не все то золото, что блестит»[7, C.19].

Наиболее важным творением алхимиков явились кислоты, которые много позднее стали основными продуктами промышленной химии. Один их эксперимент состоял в нагревании вещества, подобного сульфату железа, и выделении того, что они называли купоросом. Это вещество теперь известно как серная кислота. Алхимики умели также получать соляную и азотную кислоты и изготовляли другие химикалии: поташ и карбонат натрия, которые позднее оказались важными промышленными продуктами.

Несомненно, алхимики оказали большое влияние на развитие химии. Они сделали массу открытий и в течение XII – XIV столетий сумели обнаружить три важных химических элемента: мышьяк (As), сурьму (Sb) и висмут (Bi). Все они входят в одно и то же химическое «семейство» и расположены в нашей современной периодической таблице в одной вертикальной колонке.

Сходство между этими тремя элементами показывает, что грубые химические методы алхимиков, вероятно, сводились к одному определенному типу экспериментов, в которых химические свойства определенного типа играли важную роль.

Из тринадцати элементов, известных к середине XVII столетия, ни об одном из них мы не знаем, когда и кем он был открыт. То же самое можно сказать и о цинке, который был выделен в чистом виде в конце XVII в. или, возможно, несколько раньше.

Но к этому времени наука начала принимать вполне современную форму. Люди стали изучать природу, химию, элементы ради тех знаний, которые можно извлечь из их исследования. Новые открытия регистрировались и публиковались.

Первым элементом, который был открыт одним человеком и который действительно может рассматриваться как его детище, оказался фосфор, что означает «носитель света». Фосфор был открыт алхимиком и торговцем по имени Хенниг Бранд во время поисков им «философского камня», в Гамбурге (Германия) в 1669 г. Бранд получал фосфор из сухого остатка мочи, но держал процесс изготовления в секрете. Он открыл, что новое вещество обладает замечательным свойством: оно ярко сияет в темноте, после того как некоторое время выдерживается на свету. Бранд придумал массу забавных фокусов с фосфором и показывал их своим знакомым, неплохо зарабатывая на демонстрации этих опытов. Позднее было установлено, что фосфор является химическим элементом, и он получил свое название[6, С.55-58].

В целом рациональные течения в алхимии – ятрохимия и техническая химия – достигли довольно значительных экспериментальных успехов и заложили основы для научной химии, становление которой начинается в середине XVII в. Не следует, однако, считать, что появление научной химии автоматически означало конец «классической» алхимии. Алхимические традиции сохранялись в науке ещё долгое время, и многие выдающиеся естествоиспытатели продолжали считать трансмутацию металлов возможной.

Первой концептуальной схемой научной химии, которая возникла из критики Аристотельских взглядов, стало учение о составе веществ. Оно связано с именем Роберта Бойля, который вводит понятие элемента и состава вещества. В 1661 г. появляется книга «Химик-скептик», где он отказывается от античной традиции выделять в качестве элементов огонь, воду, землю, воздух или сухое, влажное, холодное, теплое и рассматривает химические элементы как простые вещества, на которые могут быть разложены смешанные сложные тела. Здесь рождается химия как опытная наука, изучающая состав и свойства вещества и представление, что элементов бесконечное множество.
В классический период наука утрачивает созерцательный характер. Научные теории начинают строиться на базе экспериментально-математического метода (основы которого были заложены Г.Галилеем). Утверждение ньютоно-механистической картины мира приводит к постепенному «вытеснению» Бога из научного объяснения природы. Теперь научные открытия находят практическое применение – разрабатываются новые технические устройства и технологии. Наука считает своей задачей называть, описывать, систематизировать и классифицировать.

По летописным источникам можно судить о том, что на Руси алхимии, как таковой не было. Свинец употреблялся нашими предками издавна. Но употребление это не было связано, ни с какой философской доктриной. Применяли свинец для покрытия крыш и выделывали из него печати и привешивали к грамотам[8, C.19].

Зависимость России XVII – XVIII вв. от импорта основных видов металлического сырья, необходимого для чеканки монет, изготовления оружия и многочисленных видов орудий труда, бытовых предметов повседневного спроса заставило русских царей искать его месторождения на своей территории и изучать возможность их обнаружения на сопредельных землях на Востоке страны на основе их присоединения и заселения. Это на долгие годы определило геополитическую стратегию развития Российского государства, её взаимоотношения с Китаем и Монголией. Показана первостепенная роль открытий и разработки месторождений свинца, серебра, золота и других полезных ископаемых. Важное значение металлургии и роль металлов в жизни людей доказывал М.В.Ломоносов (1711-1765). «Между художествами первое место, по моему мнению, – говорил он, – имеет металлургия, которая учит находит и очищать металлы и другие минералы»[9, С.9].

C начала основания русское государство, объединенное Москвой, стремилось иметь собственные источники металлов, прежде всего золота и серебра, а также драгоценных камней. Золото и серебро, необходимые для чеканки монет и приобретения многих товаров, не производившихся в России, были предметом импорта. Своих надежных источников этих металлов, а также свинца, меди и олова также не было.

В 1584 г. в Москве Иван IV для поисков руды, соли, угля и самоцветов в Сибири, присоединение которой он начал с 1581 г., создал государев Приказ каменных дел. В 1600 г. разработано и издано «Горное узаконение», призывавшее искать месторождения золотых, серебряных, свинцовых и иных руд. Одна за другой отправляются в Сибирь партии землепроходцев Максима Перфильева.

Открытие свинца, золота и серебра в Восточном Забайкалье сразу и надолго обратило пристальное внимание Петра I и его преемников на эту окраину России и способствовало ее быстрому освоению. На базе этого открытия были построены Нерчинские сереброплавильные заводы. Строительство Аргунского (Нерчинского) завода началась в 1689 г. после опытных плавок, которые показали, что в рудах присутствует свинец, серебро и олово. После этих успешных плавок Российское правительство форсирует проведение переговоров с Китаем. Уже в 1677 г. в Нерчинск прибывает посольство Николая Спафария. На р. Аргунь посылали рудознатных мастеров из Нерчинска, Енисейска и Москвы. Мастера рудознатные, плавильщики, серебряники, кузнецы были посланы из Енисейска в 1680 г. в Нерчинск. О том, какое значение придавалось Нерчинску в связи с открытием свинца и серебра, свидетельствует тот факт, что он вместе с нерчинскими острогами был выведен из Енисейского подчинения в самостоятельное воеводство. Царь направляет в Нерчинск одного из способнейших сынов боярских воеводу Федора Демьяновича Воейкова, который в первую очередь занимался земледельческой колонизацией Нерчинского края и укреплением обороны.


В октябре 1682 г. из Москвы воевода Воейков получил предписание строить Аргунский сереброплавильный завод и продолжить разведку. Хотя завод был построен позже, тем не менее, 1676 г. следует считать началом открытия приаргунских полиметаллических месторождений для русских. Для обеспечения прочных позиций в Забайкалье и Приамурье России был нужен договор с враждебной Цинской империей. Ф.А.Головин в августе 1689 г. подписал Нерчинский мирный договор. Но государственной границы как таковой, исключая р. Аргунь, установлено так и не было. В связи с возрастающей ролью сереброплавильных заводов в экономике России и развитием горно-заводского дела, созданием Нерчинского горного начальства (1721), впоследствии преобразованного в Нерчинский горный округ, открытием месторождений яшм (1717), аквамаринов (1723) усилилась необходимость в государственной границе.

Начиная с 1704 г. добыча полиметаллических руд в районе Нерчинского завода стала регулярной. В XVIII в. были открыты почти все полиметаллические месторождения Приаргунья и построены все сереброплавильные заводы, освободившие Россию от импорта свинца и серебра почти на полтора столетия. К концу XIX в. Россия вышла по объемам их добычи на второе место в мире. Значительный вклад в развитие горного производства внес Нерчинский горный округ, во многом определявший экономическую безопасность страны.

В настоящее время свинец высокой чистоты почти не применяется как самостоятельный металл, если не считать производства его оксида, а по большей части сплавляется с небольшими количествами одного или нескольких других металлов. Свинец находит широкое применение в самых различных областях техники. В наибольших количествах его используют в производстве аккумуляторов и антикоррозионных оболочек кабелей[11, C.227]. На изготовление аккумуляторов идет более 60% свинца, потребляемого во всем мире. Свинцовые (кислотные) аккумуляторы необходимы для запуска автомобильных, судовых и самолетных двигателей. В некоторых случаях аккумуляторы служат источником питания для двигателя, как, скажем, примерно в половине промышленных автопогрузчиков и в наземном вспомогательном оборудовании аэродромов. Батареи аккумуляторов используются также в качестве резервных источников питания для осветительных систем и систем связи. Огромные батареи применяются для выравнивания нагрузки в коммерческих электросетях, на метрополитене и даже на заводах. В аккумуляторах от 1/2 до 1/3 свинца содержится в форме оксида. Непрерывно расширяются масштабы применения аккумуляторов для стабилизации напряжения и в источниках бесперебойного питания в компьютерной технике, в том числе в локальных сетях и персональных компьютерах. В Великобритании много кровельного свинца по-прежнему потребляет строительная промышленность. В больницах и других медицинских учреждениях широко применяются свинцовые экраны для рентгеновского и гамма-излучения. Свинец используется также для защиты от ядерной радиации на стационарных установках, в том числе в атомной энергетике, из него изготавливаются контейнеры для транспортировки радиоактивных материалов. Свинец раньше широко применялся и в бензине (в виде тетраэтилсвинца), но его применение поэтапно отменяется.

Для того чтобы понять, почему от гамма-излучения защищаются именно свинцом, нам необходимо обратиться к сущности поглощения коротковолнового излучения. Гамма-лучи, сопровождающие радиоактивный распад, идут из ядра, энергия которого почти в миллион раз превышает ту, что «собрана» во внешней оболочке атома. Естественно, что гамма-лучи неизмеримо энергичнее лучей световых. Встречаясь с веществом, фотон или квант любого излучения теряет свою энергию, этим-то и выражается его поглощение. Но энергия лучей различна. Чем короче их волна, тем они энергичнее, или, как принято выражаться, жестче. Чем плотнее среда, через которую проходят лучи, тем сильнее она их задерживает. Ударяясь о поверхность металла, гамма-кванты выбивают из нее электроны, на что расходуют свою энергию. Чем больше атомный номер элемента, тем труднее выбить электрон с его внешней орбиты из-за большей силы притяжения ядром.

Свинец один из тяжелых элементов периодической системы Д.И.Менделеева, но в тоже время самый доступный, с отработанной веками технологией добычи, с разведанными рудами. Очень пластичный и удобный в обработке. Вот почему свинцовая защита от излучения – самая распространенная. Пятнадцати-двадцати сантиметрового слоя свинца достаточно, чтобы предохранить людей от действия излучения любого известного науке вида.

Рассмотрим ещё одну сторону служения свинца науке. Она тоже связана с радиоактивностью. В часах, которыми мы пользуемся, нет свинцовых деталей. Но в тех случаях, когда время измеряют не часами и минутами, а миллионами лет, без свинца не обойтись. Радиоактивные превращения урана и тория завершаются образованием стабильных изотопов элемента № 82. При этом, правда, получается разный свинец. Распад изотопов 235U и 238U приводит в конечном итоге к изотопам 207Pb и 206Pb. Наиболее распространенный изотоп тория 232Th заканчивает свои превращения изотопом 208Pb. Установив соотношение изотопов свинца в составе геологических пород, можно узнать, сколько времени существует тот или иной минерал. При наличии особо точных приборов (масс-спектрометров) возраст породы устанавливают по трем независимым определениям – по соотношениям 206Pb: 238U; 207Pb: 235U и 208Pb: 232Th.

В настоящее время отечественные потребители свинцовых сплавов вынуждены работать в условиях дефицита внутреннего рынка по свинцу и его сплавам. В России за последние годы выпускается около 40000-50000 т свинца и его сплавов в год, в то время как годовая потребность этих материалов на внутреннем рынке на порядок выше. В мире используется около 7 млн. т свинца. Основной сферой применения свинца является производство аккумуляторных батарей 75,1%. Остальную часть составляют: кабельная промышленность (8,8%), припои (5,5%), производство электродов (3,0%), радиационная защита (3,5%), химическая промышленность (2,4%), пигменты (1,2%), производство дроби (0,5%)[13].

Ведущими странами по потреблению свинца являются США, Китай, страны ЕС. С 1970 г. объем мирового потребления металла вырос в два раза, при этом существенно изменилась структура производства свинца: в 1970 г. из вторичного сырья получали 33% свинца, в последние годы – 62%. По прогнозам экспертов, дефицит свинца на мировом рынке сохранится. Предполагают, что потребление свинца в мире увеличится на 2,2% и достигнет 7,13 млн. т. Крупнейшим потребителем свинца останутся США. Спрос на него прогнозируется на уровне последних двух лет – 1,5 млн. т. В странах ЕС спрос на металл также не увеличится, сохранившись на уровне 2004 г. Заметно вырастет потребление свинца в КНР – на 8,5 %, до 1,15 млн. т[14].

Для производства свинца из вторичного сырья в промышленном масштабе используют различные способы плавки в печах следующего типа[11, C.230]. К основными видам плавки относят: плавку в шахтных печах, плавку в стационарных отражательных печах, плавку во вращающихся печах, плавку в печах Austmelt, плавку в электротермических печах.

На многих предприятиях последовательно используют два или даже три вида плавки, шлаки печей одного типа и некоторые свинецсодержащие отходы перерабатывают совместно в печах другого типа. Основным видом вторичного свинцового сырья являются свинцовые аккумуляторы[15, C.25].

Металлический свинец получают окислительным обжигом PbS с последующим восстановлением РbО до сырого Pb («веркблея») и рафинированием (очисткой) последнего. Окислительный обжиг концентрата ведется в агломерационных ленточных машинах непрерывного действия. При обжиге PbS преобладает реакция:

2PbS + ЗО2 = 2РbО + 2SO2[11, C.229].

Кроме того, получается и немного сульфата PbSO4, который переводят в силикат PbSiO3, для чего в шихту добавляют кварцевый песок. Одновременно окисляются и сульфиды других металлов (Cu, Zn, Fe), присутствующие как примеси. В результате обжига вместо порошкообразной смеси сульфидов получают агломерат – пористую спекшуюся сплошную массу, состоящую преимущественно из оксидов РbО, CuO, ZnO, Fe2O3. Куски агломерата смешивают с коксом и известняком и эту смесь загружают в ватержакетную печь, в которую снизу через трубы («фурмы») подают воздух под давлением. Кокс и оксид углерода (II) восстанавливают РbО до Pb уже при невысоких температурах (до 500°С). Восстановление оксида свинца (II) твердым углеродам связано с протеканием реакций:

PbO + C = Рb + CO; PbO + CO = Рb + CO2[16, C.98].

Cвинец содержит 92-98% Pb, остальное – примеси Cu, Ag (Au), Zn, Sn, As, Sb, Bi, Fe. Примеси Cu и Fe удаляют зейгерованием. Для удаления Sn, As, Sb через расплавленный металл продувают воздух. Выделение Ag (Au) производится добавкой Zn, который образует «цинковую пену», состоящую из соединений Zn с Ag (и Au), более легких, чем Рb, и плавящихся при 600-700°C. Избыток Zn удаляют из расплавленного Рb пропусканием воздуха, водяного пара или хлора. Для очистки от Bi к жидкому Рb добавляют Са или Mg, дающие трудноплавкие соединения Ca3Bi2 и Mg3Bi2. Рафинированный этими способами свинец содержит 99,8-99,9% Рb. Дальнейшая очистка производится электролизом, в результате чего достигается чистота не менее 99,99%[17].

Свинец один элементов открытый и известный с древних времен, но сохраняющий свою актуальность и по сей день. Свинец сыграл огромную роль в представлении алхимиков для получения «философского камня». Одной из главных задач, которых было приготовление двух таинственных веществ, с их помощью можно было бы достигнуть столь желанного облагораживания (усовершенствования) металлов. Наиболее важный из этих двух препаратов, который должен был обладать свойством превращать в золото неблагородные (несовершенные) металлы, как например свинец, ртуть и другие, носил название философского камня, великого эликсира или магистериума, а также именовался панацеей жизни и жизненным эликсиром.

В настоящее время значение свинца не менее важно для человечества, так по объему промышленного производства свинец занимает четвертое место в мире. Сплавы, полученные из свинца, играют важную роль в балансе производства цветных металлов, как в России, так и за рубежом.

  • Аспирант: Холкина А.С.
  • Руководитель: Бармин А.В.

Секреты получения металла высокой чистоты пытались постичь на протяжении многих веков. Еще когда человек обрел власть над огнем, тогда и открылась тайна превращения руды в металл. На сегодняшний день технологии получения металлов продвинулись намного шагов вперед, основываются на научных достижениях в различных областях. Но знания о том, как и в каком веке начали добывать, плавить, обрабатывать и применять различные металлы могут помочь развить современные технологии получения металлов.

  • история металлургии;
  • металлы;
  • свинец;
  • руда;
  • химия;
  • алхимия;
  • золото.
  1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Свинец
  2. Шпаусус З. Путешествие в мир химии. М: Государственное учебно-педагогическое изд-во Министерства просвещенияРСФСР, 1956. 456 с.
  3. Венецкий С. Наследники Гефеста. М: «Руда и металлы», 2001. 272 с.
  4. Возникновение и развитие химии с древнейших вемен до XVII века. Под ред. Соловьева Ю.И. М: Наука, 1983. 399 с.
  5. http://zorislib.narod.ru/misticalchemy.htm
  6. Сиборг Г.Т., Вэленс Э.Г. Элементы вселенной. - М: Государственное изд-во физико-математической литературы, 1962. 260 с.
  7. Гофман К. Можно ли сделать золото? Ленинград: «Химия», 1984. 232 с.
  8. Лебедев Ю.А. Второе дыхание марафонца. М: «Металлургия», 1984. 120 с.
  9. Алексеев В.В., Гаврилов Д.В. Металлургия Урала с древнейших времен до наших дней. М: Наука ,2008. 886 с.
  10. Свердловская область (Альбом). Екатеринбург: Сократ, 1999. 320 с.
  11. Уткин Н.И. Производство цветных металлов. М: Интермет Инжиниринг, 2000. 442 с.
  12. Вышегородский Д. Вторичный свинец //Уральский рынок металлов. 2005. № 3. С.51-54.
  13. Конеевский Р.А. Мониторинг рынка цветных металлов //Цветные металлы. 2007. № 2. С.4-6.
  14. World Directory: Primary and Secondary Lead Plants: ILZSC. 1995.
  15. Морачевский А.Г., Вайсгант З.И., Демидов А.И. Переработка вторичного свинцового сырья. СПб.: Химия,1993. 176 с.
  16. Морачевский А.Г. Физико-химия рециклинга свинца. СПб.: Изд-во Политехн.ун-та, 2009. 270 с.
  17. Делимарский Ю.К., Зарубицкий О.Г. Электролитическое рафинирование тяжелых металлов в ионных расплавах. М.: Металлургия, 1975. 248 с.

ПОДЕЛИСЬ ИНТЕРЕСНОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ

MetalSpace

Опубликовано MetalSpace

Адрес электронной почты: info@metalspace.ru
Предлагаем сотрудничество
  • Опубликуй свои произведения в электронной форме.
  • Размести научную статью или пресс-релизы на страницах нашего портала.

Оставь комментарий