Lead

Свинец (символ Pb, от лат. plumbum) — химический элемент с атомным номером 82. Это тяжёлый металл, плотнее большинства повседневных материалов, мягкий, ковкий и плавящийся при относительно низкой температуре. При свежем срезе или плавлении имеет блестящий серебристый вид с голубоватым оттенком, но быстро тускнеет до серого цвета на воздухе. Свинец имеет самый высокий атомный номер среди всех стабильных элементов, а три его природных изотопа являются конечными продуктами основных рядов радиоактивного распада, включающих более тяжёлые элементы. Как постпереходный металл, свинец довольно малореакционноспособен. Его слабая металлическая природа проявляется в амфотерном поведении — свинец и его оксиды реагируют как с кислотами, так и со щелочами, — и он склонен к образованию ковалентных связей. Соединения свинца чаще всего встречаются в степени окисления +2, а не +4, обычной для более лёгких элементов группы углерода, за исключением элементоорганических соединений свинца. Как и более лёгкие члены группы, свинец может связываться сам с собой, образуя цепи и полиэдрические структуры. Благодаря лёгкости извлечения из руд, свинец был известен доисторическим людям на Ближнем Востоке. Его главная руда, галенит, часто содержит серебро, и стремление к серебру привело к широкомасштабной добыче и использованию свинца в Древнем Риме. После падения Рима производство свинца сократилось и не восстановилось до Промышленной революции. Свинец сыграл решающую роль в развитии книгопечатания, поскольку литеры можно было легко отливать из свинцовых сплавов. В 2022 году мировое годовое производство составило около двенадцати миллионов тонн, примерно две трети из которых пришлось на вторичную переработку. Высокая плотность, низкая температура плавления, пластичность и устойчивость к окислению делают свинец полезным. Эти свойства, наряду с его относительной распространённостью и низкой стоимостью, привели к широкому использованию в строительстве, водопроводе, аккумуляторах, пулях, дроби, грузилах, припоях, оловянной посуде, легкоплавких сплавах, свинцовых красках, этилированном бензине и радиационной защите. Свинец является нейротоксином, накапливающимся в мягких тканях и костях. Он повреждает нервную систему, нарушает работу биологических ферментов и может вызывать неврологические расстройства, от поведенческих проблем до повреждения мозга, а также поражает сердечно-сосудистую и почечную системы. Его токсичность отмечали древнегреческие и римские авторы, но широкое признание в Европе она получила лишь в конце XIX века. Физические свойства Атомное строение Атом свинца имеет 82 электрона, расположенных как [Xe]4f¹⁴5d¹⁰6s²6p². Суммарная энергия, необходимая для удаления двух его 6p-электронов (первая и вторая энергии ионизации), аналогична энергии олова, элемента, расположенного непосредственно над ним в группе углерода. Это необычно, поскольку энергии ионизации обычно уменьшаются вниз по группе по мере удаления внешних электронов от ядра и их большего экранирования. Однако сумма первых четырёх энергий ионизации свинца выше, чем у олова, что противоречит периодическим закономерностям. Эта аномалия объясняется релятивистскими эффектами, которые становятся значительными у тяжёлых атомов. Эти эффекты сжимают s- и p-орбитали, придавая 6s-электронам свинца более высокие энергии связи, чем его 5s-электронам. Это приводит к эффекту инертной пары, при котором 6s-электроны менее склонны к связыванию, стабилизируя степень окисления +2 и вызывая необычно большие расстояния между ближайшими атомами в кристаллическом свинце. Более лёгкие элементы группы углерода образуют стабильные или метастабильные аллотропные модификации с тетраэдрической координацией и ковалентно связанной кубической структурой алмаза. В этих элементах энергетические уровни s- и p-орбиталей достаточно близки, чтобы смешиваться, образуя четыре гибридные sp³-орбитали. В свинце эффект инертной пары настолько увеличивает разделение между s- и p-орбиталями, что энергия, получаемая при гибридизации, не может преодолеть этот разрыв. Вместо кубической структуры алмаза свинец образует металлические связи, в которых только p-электроны делокализованы и распределены между ионами Pb²⁺. В результате свинец принимает гранецентрированную кубическую структуру, подобную двухвалентным металлам кальцию и стронцию. Массивный Чистый свинец имеет яркий блестящий серый вид с лёгким голубоватым оттенком. Он тускнеет во влажном воздухе, образуя матовую поверхность, цвет которой зависит от условий. Свинец характеризуется высокой плотностью, ковкостью, пластичностью и коррозионной стойкостью благодаря пассивации. Его плотноупакованная гранецентрированная кубическая структура и высокая атомная масса придают свинцу плотность 11,34 г/см³, что больше, чем у распространённых металлов, таких как железо (7,87 г/см³), медь (8,93 г/см³) и цинк (7,14 г/см³). Эта высокая плотность является источником фразы «to go over like a lead balloon». Некоторые более редкие металлы плотнее: вольфрам и золото имеют плотность 19,3 г/см³, а осмий — самый плотный из известных металлов — 22,59 г/см³, что почти вдвое превышает плотность свинца. Свинец мягок, имеет твёрдость по Моосу 1,5 и может быть поцарапан ногтем. Он очень ковок и умеренно пластичен. Его модуль объёмного сжатия — мера сопротивления сжатию — составляет 45,8 ГПа по сравнению с 75,2 ГПа для алюминия, 137,8 ГПа для меди и 160–169 ГПа для мягкой стали. Предел прочности свинца при растяжении низок, составляет 12–17 МПа (примерно в шесть раз ниже, чем у алюминия, в десять раз ниже, чем у меди, и в пятнадцать раз ниже, чем у мягкой стали). Его прочность можно повысить легированием небольшими количествами меди или сурьмы. Свинец плавится при 327,5 °C (621,5 °F), что является относительно низкой температурой плавления по сравнению с большинством металлов, и кипит при 1749 °C (3180 °F), что является самой низкой среди элементов группы углерода. Его удельное электрическое сопротивление при 20 °C составляет 192 нОм·м, что почти в десять раз выше, чем у хороших проводников, таких как медь (15,43 нОм·м), золото (20,51 нОм·м) и алюминий (24,15 нОм·м). Свинец становится сверхпроводником ниже 7,19 K, что является самой высокой критической температурой среди сверхпроводников I рода и третьей по величине среди элементарных сверхпроводников. Природный свинец состоит из четырёх стабильных изотопов.