Лабораторный способ получения свинца

Применение и получение свинца

Свинец представляет собой металл, имеющий серебристо-белый цвет и синеватый отлив. В периодической системе химических элементов ему присвоен номер 82. Металл имеет достаточно широкую популярность. Не является дефицитом. Лёгок в добыче и обработке.

Таблица 1. Характеристика свинца

Характеристика	Значение
Свойства атома
Название, символ, номер	Свине́ц / Plumbum (Pb), 82
Атомная масса(молярная масса)	207,2(1)[1] а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Xe] 4f14 5d10 6s2 6p2
Радиус атома	175 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	147 пм
Радиус иона	(+4e) 84 (+2e) 120 пм
Электроотрицательность	2,33 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	Pb←Pb2+ −0,126 ВPb←Pb4+ 0,80 В
Степени окисления	4, 2, 0
Энергия ионизации(первый электрон)	715,2 (7,41) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	11,3415[2] г/см³
Температура плавления	600,61 K (327,46 °C, 621,43 °F)[3]
Температура кипения	2022 K (1749 °C, 3180 °F)[3]
Уд. теплота плавления	4,77 кДж/моль
Уд. теплота испарения	177,8 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	26,65[2] Дж/(K·моль)
Молярный объём	18,3 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	кубическая гранецентрированая
Параметры решётки	4,950 Å
Температура Дебая	88,00 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 35,3 Вт/(м·К)

По содержанию различных примесей различают следующие виды свинца:

1. С1 – первичный свинец, имеющий в своем составе количество примесей, равное 0,015%. Считается наиболее качественным продуктом, не поддающимся влиянию агрессивной среде и коррозии.
2. С2 – чем-то похож на предыдущий вид, однако имеет чуть большее процентное содержание примесей – 0,05%. Его стоимость отличается от стоимости С1 в меньшую сторону.
3. С3 – первичный свинец, имеющий в своем составе максимальное количество примесей, равное 0,1%. Именно данный вид свинца является основным сырьем для производства слитков и чушек.

Стоит отметить, что человечество знакомо со свинцом еще с древних времен. Свидетельством этого являются археологические находки, среди которых свинцовые бусы 6400 года до н.э., статуэтка стоящей барышни в длинной юбке, которая относится ко временам первой династии Египта и еще много других предметов. Статуэтка датируется 3100 – 2900 гг. до н.э. В настоящее время ее можно увидеть в экспозиции Британского музея. Таким образом, ученые пришли к выводу, что выплавка свинца была одним из первых освоенных металлургических процессов людьми. В те далекие времена пальма первенства по производству свинца принадлежала Древнему Риму, который в год выдавал порядка 80 тысяч тонн материала.

Самородный свинец в природе встретить достаточно сложно. Однако, количество пород, в составе которых был обнаружен свинец, представляет собой огромное множество, начиная от осадочных до ультраосновных интрузивных. В таких образованиях он, как правило, формирует интерметаллические соединения и сплавы с другими элементами. Свинец является неотъемлемым элементом в составе 80 разных минералов, основными среди которых выступают галенит, церуссит англезит, тиллит, бетехнинит, джемсонит ,буланжерит. Также его содержание в рудах урана и тория является постоянным.

Добыча свинца

Как уже было сказано, свинец достаточно распространенный элемент. Его месторождения встречаются на территории многих стран, среди которых: Россия, Австралия, Казахстан и многие другие.

Получение свинца осуществляется, главным образом, путем выплавки из полиметаллических руд: свинцово-цинковых, медно-свинцово-цинковых. Как правило, в их составе содержатся и другие составляющие, например, золото, серебро, висмут, мышьяк.

Производство свинца осуществляется по определенной схеме, которая состоит из добычи сырья, подготовки шихты, агломерирующего обжига, шахтной плавки, огневого рафинирования чернового материала.

С целью получения самоплавкого конечного продукта во время расчета шихты по возможности производят расчеты ее содержимого. Это позволяет избежать ввода флюсов во время плавки.

Из всех минералов в ходе получения металла преимущество имеют галенит – сульфид свинца, церуссит – карбоновая соль, англезит – сульфат. Максимальное содержание металла в руде составляет 8-9%. Данный показатель свидетельствует об экономически невыгодной добыче продукта. В связи с этим, руда перед извлечением из нее свинца, обогащается различными способами, после чего из нее получают свинец. Однако, гораздо рациональнее использовать более богатую руду для добычи свинца – сульфидную.

Порядка 40% металла получают в процессе переработки вторичного сырья. Стоит отметить, что свинец обладает очень высокой токсичностью, в связи с чем абсолютно каждое готовое изделие, содержание в своем составе свинец, подлежит специальной утилизации. В связи с этим, сегодня существуют технологии, позволяющие не утилизировать тяжелый металл, а переработать опасный продукт. Вторсырье, как правило, применяют для изготовления различных сплавов.

Получение свинца

В связи с тем, что руда, из которой добывается свинец, имеет достаточно сложную структуру, ее на протяжении длительного периода тщательно обрабатывают и лишь только потом отправляют на выплавку. Итак, весь процесс производства свинца из руды состоит из следующих этапов:

• измельчение руды;
• флотация руды. Стоит сказать, что она имеет различные варианты осуществления, зависимо от характера руды. Существует два основных флотационных методов: коллективный и прямой селективный. Последний метод используется в разы чаще. Он вязан с последовательным выделением свинцового, медного и цинкового концентратов посредством применения различных химических реагентов.

Среди главных промышленных методов получения свинца выделяют:

1. Пирометаллургический. В данном случае абсолютно все компоненты материала плавятся. Данный метод является наиболее распространенным в металлургии.
2. Гидрометаллургический. При использовании этого метода происходит разложения концентратов, для чего применяются растворители, после чего происходит восстановление свинца химическими способами.

Первый метод включает в себя различные виды плавки:

• восстановительная плавка, которая является универсальным способом, применяемым для руды, в которой содержится любое количество вещества и любые добавки;
• шахтная плавка, при которой плавление продукта происходит в восстановительной атмосфере;
• отражательная плавка. В настоящее время не используется;
• горновая плавка. Как и отражательная, не используется;
• осадительная плавка. Благодаря ее применению можно получить вещество из руды, миную предварительный обжиг;
• щелочная плавка. Используется для плавки свинцового концентрата, который нагревают до 850 0 С с щелочным натром. На выходе получается достаточно чистый металл и щелочной сплав.

Применение свинца

Сфера использования металла достаточно широка. Его соединения используются:

• для изготовления смесевых взрывчатых веществ (нитрат свинца);
• в качестве детонатора (азид свинца);
• для производства жидкости для флотации (перхлорат свинца);
• как катодный материал в химических источниках тока (фторид свинца самостоятельно или же наряду с фторидом висмута, меди, серебра);
• как катодный материал в литиевых аккумуляторных батареях (висмутат свинца, сульфид свинца);
• как термоэлектрический материал (теллурид свинца);
• со свинцовыми белилами изготавливается шпатлевка, цемент, а также свинцовокарбонатная бумага;
• в сельском хозяйстве для борьбы с насекомыми и другими различными вредителями(арсенат и арсенат свинца);
• в художественном искусстве. С помощью бората свинца, представляющего собой нерастворимый белый порошок, производят сушку картин и лаков;
• для покрытия стекла и фарфора;
• в производстве мазей, которые предназначены для обработки опухолей (хлорид свинца);
• в лакокрасочной промышленности в качестве пигмента при производстве красок (хромат свинца, дающий желтый цвет);
• при производстве спичек (нитрат свинца);
• а также в ядерных реактора, в качестве присадки для бензина;
• в качестве припоя, для фигурного литья подшипников;
• в медицине и в геологии.

Стоит отметить, что это далеко не полный перечень возможных применений свинца, его сплавов и соединений.

Источник

Получение свинца

Получение свинца в заводских условиях

Что такое получение свинца это процесс переработки свинец содержащих руд, в основном это галенит PbS. Получение происходит в несколько этапов: обогащение, агломерирующий обжиг и электролитическое рафинирование свинца.

В лабораторных условиях свинец получают восстановлением минералов металла углеродом, для этого производят обжиг материала до его оксида:

Применение

Свинец широко применяют в химической промышленности (краски, этилирование бензина, нерастворимая в кислотах аппаратура), металлургии (нерастворимые аноды), электротехнической промышленности (аккумуляторы, кабели) и других отраслях х озяйства. Мировое производство свинца составляет сейчас свыше 2 млн. т в год. В природе свинец находится в основном в полиме таллических сульфидных рудах; главным минералом свинца является галенит PbS. Обогащение позволяет получить из руды селективные свинцовые концентраты, где содержание свинца доходит до 80%. Эти концентраты перерабатываются исключительно пирометаллургическим путем, включающим агломерирующий обжиг и восстановительную плавку агломерата в шахтных печах на черновой свинец. Последний содержит обычно 95—98% Рb. Его подвергают ряду операций огневого рафинирования.

Получение свинца огневым рафинированием позволяет в большинстве случаев получить металл достаточно высокой чистоты. В том случае однако, когда в черновом свинце содержится много висмута, очистка его от этого металла огневыми способами сопряжена со значительными трудностями. Свинец, содержащий висмут даже в незначительных количествах, непригоден для производства аккумуляторов, производства красок и т. д.

Получение свинца электролитическим рафинированием

Электролитическое рафинирование обеспечивает наиболее полную очистку свинца от висмута и позволяет сконцентрировать последний в анодном шламе, из которого он может быть легко извлечен. Одновременно оно позволяет производить металл особой чистоты, который невозможно получить огневыми способами. Ввиду этого электролитическое рафинирование свинца имеет все большее распространение. Сейчас этим способом получают около 15% всего металла. Электролитическому рафинированию можно подвергнуть непосредственно черновой свинец. При этом, однако, получается большое количество анодного шлама, имеющего сложный состав, переработка которого для извлечения всех ценных компонентов чрезвычайно затруднена. Поэтому электролитическое рафинирование применяют в качестве заключительной стадии рафинирования, когда из свинца значительная часть примесей удалена.

Свинцовые соли наиболее распространенных кислот (сульфаты, хлориды и пр.) мало или практически нерастворимы в воде; свинец в таких растворах пассивируется. Поэтому главная проблема электролитического рафинирования свинца — выбор электролита.

В настоящее время применяется несколько видов электролитов для рафинирования свинца. Наиболее распространенным из них является кремнефтористый электролит, содержащий кремнефтористоводородную кислоту H ₂SiF₆ (80—150 г/л) и кремнефторид свинца PbSiF₆ (60—90 г/л Рb). Электролит такого состава получают действием плавиковой кислоты на чистый кварцевый песок с последующей частичной нейтрализацией получившейся кремнефтористоводородной кислоты окисью или карбонатом свинца.

Помимо кремнефтористого электролита, для электролитического рафинирования свинца применяют борнофтористый электролит, состоящий из борнофтористоводородной кислоты HBF₄ и борно фтористоводородного свинца Pb(BF₄)₂. Борнофтористый электро лит обладает рядом преимуществ перед кремнефтористым (меньше потери HF за счет улетучивания, меньше получается анодного шлама, лучше структура катодного осадка и т. д.), однако кремнефтористый электролит значительно дешевле, что и обусловливает его наиболее широкое применение.

Общим недостатком кремнефтористого и борнофтористого электролитов является их токсичность, причина которой заключается в выделении фтористого водорода HF из раствора. Кроме того, эти электролиты очень сильно корродируют аппаратуру.

Сульфаминовый электролит

В последние годы все большее применение получает сульфаминовый электролит. В его состав входят сульфаминовая кислота HSO₃NH₂ (45—50 г/л) и свинцовая соль этой кислоты Pb(SO₃NH₂) 2 (80—85 г/л Рb). Сульфаминовую кислоту получают либо растворением мочевины в олеумной серной кислоте

либо синтезом из аммиака и серного ангидрида

Для получения свинцовой соли сульфаминовой кислоты последнюю нейтрализуют глетом РbО.

Свинец может образовывать ионы различных валентностей, однако, в свинцовых кислых электролитах он целиком находится в виде катиона Рb 2+ . Главная реакция катодного процесса

характеризуется стандартным потенциалом φ° _{Рb / Рb} 2+ = —0,126 в.

Ток обмена при электроосаждении Рb 2+ достаточно велик, и электрохимическая поляризация мала; в то же время перенапряжение водорода на свинцовом катоде весьма велико. Все это дает возможность вести осаждение свинца без сколько-нибудь заметного совыделения водорода.

Аналогичная картина наблюдается и в части анодного процесса. Равновесный потенциал свинца настолько отрицательнее равновесного потенциала разряда молекул воды ( φ °_H2O/O2 = + 1, 23 в), что выделения кислорода на свинцовом аноде ожидать не приходится. Большая величина кислородного перенапряжения на свинце создает еще более благоприятные условия для высокого анодного выхода по току металла.

Поскольку перед поступлением на электролиз свинец подвергается рафинированию пирометаллургическими способами, в частности, окислению, то в анодах почти не содержится более электроотрицательных, чем свинец, металлов (Zn, Fe, Ni, Со и др.). Если они все же присутствуют, то при электролизе происходит их анодное растворение и накапливание в электролите. Более электроположительные металлы (Сu, Bi, Ag, Au и др.), а также кадмий в основном не растворяются и выпадают в шлам.

Попадание их в катодный металл возможно в основном лишь за счет механического увлечения в осадок мелких частиц шлама, плавающих в электролите. Наибольшую вероятность осаждения на катоде совместно со свинцом имеет олово, обладающее стандартным потенциалом, весьма близким к стандартному потенциалу свинца ( φ°_Sn/Sn 2+ =— 0,136 в). Воспрепятствовать этому можно лишь наиболее полной очисткой свинца в предыдущих операциях огневого рафинирования. В сульфаминовом электролите катодный свинец загрязняется наименьшим количеством примесей. Растворимость примесей висмута, олова, мышьяка и сурьмы в этом электролите минимальная; это дает возможность при применении сульфаминового электролита рафинировать наиболее загрязненные аноды.

Большую роль в процессе электролиза в кремнефтористом электролите играет структура анодного шлама. Обычно он получается в виде пористой губки, прочно удерживающейся на аноде и сохраняющей его первоначальную форму. Последующее растворение анодного свинца происходит под слоем этого шлама, причем вследствие плохой диффузии в порах шламовой губки наблюдается чрезмерное обогащение электролита свинцом и резкое уменьшение кислотности, что может привести к сильному гидролизу кремнефтористого свинца:

Образующиеся PbF₂ и SiO₂ выпадают в осадок, забивая поры, что повышает сопротивление шлама и ведет к возрастанию напряжения на ванне. При этом повышается удельный расход электроэнергии и появляется опасность растворения шлама. Обогащение электролита в порах шлама и частичная потеря его вследствие гидролиза заставляют, кроме того, производить периодическую добавку в раствор свежих порций H₂SiF₆ и PbSiF₆.

В некоторых случаях анодный шлам получается, напротив, весьма рыхлым и не удерживается на аноде. Это вызывает опасность загрязнения катодного осадка из-за образования в электролите тонкой шламовой взвеси, механически оседающей на катоде. Стабилизации шлама на аноде способствует содержание в анодном свинце сурьмы. Поэтому иногда в аноды добавляют 0,5—1,0% Sb. Некоторое количество ее при этом попадает в катодный металл. После электролиза для удаления сурьмы катодный свинец подвергают переплавке с продувкой воздухом. Наиболее однородный по структуре шлам получается при применении сульфаминового электролита.

Электролитическое рафинирование свинца производят в железобетонных ваннах, футерованных асфальтом или винипластом. Ванны имеют длину 2400—3700 мм, ширину 700—1800 мм, глубину 1000—1200 мм.

Аноды отливаются на карусельных разливочных машинах и имеют форму пластин с заплечиками. Их длина 700—900 мм, ши рина 600—700 мм и толщина 20—40 мм. Вес анодов колеблется в пределах 150—250 кг. Катодами служат листы из электролитного свинца толщиной порядка 1 мм. Их приготовляют отливкой расплавленного металла на наклонную чугунную плиту. Катодные листы подвешивают на медных штангах. Электроды в ванне размещают на расстоянии 40—50 мм друг от друга.

Свинцовому электролиту свойственно довольно интенсивное расслаивание. Для его предупреждения электролиз ведут при большой скорости циркуляции электролита (10—20 л /мин). Циркуляция осуществляется последовательно через несколько ванн, расположенных каскадом. При этом количество ванн в каскаде может достигать полутора десятков.

Катодный осадок при электролизе свинца подвержен интенсивному дендритообразованию, поэтому в электролит вводят поверхностно-активные вещества. Обычно добавляют желатину. Расход ее при рафинировании составляет 200—300 г/т свинца. Иногда применяют столярный клей (0,7—1,5 кг/т).

Как правило, электролиз ведут без специального подогрева электролита. За счет собственного тепловыделения температура его поддерживается в пределах 35—40° С. В зимнее время, однако, иногда приходится производить предварительный подогрев раствора в напорном баке с помощью глухого пара. При электролизе в кремне- и борнофтористом электролитах высокая температура раствора недопустима, так как кремне- и борнофтористоводородная кислоты разлагаются при нагревании с выделением фтористого водорода.

Плотность тока при рафинировании свинца относительно невелика— 100—250 а/м 2 . Повышение плотности тока ограничивается нарушениями анодного процесса, вызванными образованием шламовой корки. Чем чище аноды, тем более высокие плотности тока допустимы. Напряжение на ванне сильно колеблется в зависимости от структуры и толщины анодного шлама. При новых анодах оно составляет величину 0,3—0,35 в, по мере срабатывания анодов и наращивания шлама напряжение возрастает до 0,5—0,7 в. Выход по току колеблется в пределах 96—97%, удельный расход электроэнергии вследствие большого электрохимического эквивалента свинца небольшой — 110—200 квт • ч /т. Выход анодного скрапа довольно значительный — 20—40 %.

По мере накопления в электролите электроотрицательных примесей и обеднения его свободной кислотой, производят отбор электролита на регенерацию. Из отобранного электролита прежде всего с помощью серной кислоты осаждают свинец. При этом происходит регенерация кислоты, например, по реакции

Сульфат свинца направляют на пирометаллургический передел, а раствор после специальной очистки от электроотрицательных примесей (если они накопились в предельном количестве) вновь на электролиз. Убыль электролита частично компенсируется добавкой вод от промывки анодного шлама.

Статья на тему Получение свинца

Похожие страницы:

Понравилась статья поделись ей

Источник