Степень окисления, как определить, правила определения степени окисления

Степень окисления, как определить, правила определения степени окисления Кислород

Валентные возможности атома азота

Запишем электронно-графическую формулу внешнего энергетического уровня атома азота:

Как видно из иллюстрации выше, атом азота в своем обычном состоянии имеет 3 неспаренных электрона, в связи с чем логично предположить о его способности проявлять валентность, равную III. Действительно, валентность, равная трём, наблюдается в молекулах аммиака (NH3), азотистой кислоты (HNO2), треххлористого азота (NCl3) и т.д.

Выше было сказано, что валентность атома химического элемента зависит не только от количества неспаренных электронов, но также и от наличия неподеленных электронных пар. Связано это с тем, что ковалентная химическая связь может образоваться не только, когда два атома предоставляют друг другу по одному электрону, но  также и тогда, когда один атом, имеющий неподеленную пару электронов — донор( 1.3.2. Электроотрицательность. Степень окисления и валентность химических элементов.1.3.2. Электроотрицательность. Степень окисления и валентность химических элементов.Степень окисления, как определить, правила определения степени окисления

Несмотря на то что одна из ковалентных связей образуется по донорно-акцепторному механизму, все связи N-H в катионе аммония абсолютно идентичны и ничем друг от друга не отличаются.

Валентность, равную V, атом азота проявлять не способен. Связано это с тем, что для атома азота невозможен переход в возбужденное состояние, при котором происходит распаривание двух электронов с переходом одного из них на свободную орбиталь, наиболее близкую по уровню энергии.

Атом азота не имеет d-подуровня, а переход на 3s-орбиталь энергетически настолько затратен, что затраты энергии не покрываются образованием новых связей. Многие  могут задаться вопросом, а какая же тогда валентность у азота, например, в молекулах азотной кислоты HNO3 или оксида азота N2O5? Как ни странно, валентность там тоже IV, что видно из нижеследующих структурных формул:

Пунктирной линией на иллюстрации изображена так называемая делокализованнаяπ-связь. По этой причине концевые связи NO можно назвать «полуторными». Аналогичные полуторные связи имеются также в молекуле озона O3, бензола C6H6 и т.д.

em>Резюмируя информацию по валентным возможностям атома азота:

1) Для азота возможны валентности I, II, III и IV

2) Валентности V у азота не бывает!

3) В молекулах азотной кислоты и оксида азота N2O5 азот имеет валентность IV, а степень окисления 5 (!).

4) В соединениях, в которых атом азота четырехвалентен, одна из ковалентных связей образована по донорно-акцепторному механизму (соли аммония NH4 , азотная кислота и д.р).

Изотопы

Основная статья: Изотопы свинца

Весь свинец в основном является смесью изотопов 204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb. Эти изотопы не радиоактивны, то есть стабильны. Свинец — последний элемент в периодической таблице, у которого существуют стабильные изотопы, элементы после свинца стабильных изотопов не имеют (хотя висмут-209 на практике можно считать стабильным, т.к. его период полураспада примерно в миллиард раз больше возраста Вселенной).

Изотопы 206Pb, 207Pb, 208Pb являются радиогенными и образуются в результате радиоактивного распада соответственно 238U, 235U и 232Th. Изотоп 20882Pb126 является одним из пяти существующих в природе дважды магических ядер. Схемы радиоактивного распада имеют вид:

238U → 206Pb 84He;
235U → 207Pb 74He;
232Th → 208Pb 64He.

Уравнения распада имеют вид соответственно:

206Pb =238 U (eλ8t − 1 ),
207Pb =235 U (eλ5t − 1 ),
208Pb =232 Th(eλ2t − 1 ),

где 238U, 235U, 232Th — современные концентрации изотопов;  λ8 = 1,55125 ⋅ 10−10 год−1,  λ5 = 9,8485 ⋅ 10−10  год−1,  λ2 = 4,9475 ⋅ 10−11 год−1 — постоянные распада атомов соответственно урана 238U, урана 235U и тория 232Th.

Кроме этих изотопов, известны и нестабильные изотопы 194Pb — 203Pb, 205Pb, 209Pb — 214Pb. Из них наиболее долгоживущие — 202Pb и 205Pb (с периодами полураспада 52,5 тысяч и 15,3 млн лет).

Короткоживущие изотопы свинца 210Pb (радий D), 211Pb (актиний B), 212Pb (торий B) и 214Pb (радий B) имеют периоды полураспада соответственно 22,2 года, 36,1 мин, 10,64 ч и 26,8 мин (в скобках приведены редко используемые исторические названия этих изотопов); эти четыре радиоактивных изотопа входят в состав радиоактивных рядов урана и тория и, следовательно, также встречаются в природе, хотя и в крайне малых количествах.

Количество ядер изотопа 204Pb (нерадиогенного и нерадиоактивного) является стабильным, в минералах свинца концентрация 204Pb во многом зависит от концентрации радиогенных изотопов, образованных как в процессе распада радиоактивных ядер, так и в процессах вторичного преобразования свинецсодержащих минералов.

Поскольку число радиогенных ядер, образовавшихся в результате радиоактивного распада, зависит от времени, то и абсолютные, и относительные концентрации зависят от времени образования минерала. Этим свойством пользуются при определении возраста горных пород и минералов.

Исторические сведения

Свинец используется многие тысячелетия, поскольку он широко распространён, легко добывается и обрабатывается. Он очень ковкий и легко плавится. Выплавка свинца была первым из известных человеку металлургических процессов. Бусины из свинца, датируемые 6400 г. до н. э., были найдены в культуре Чатал-Хююк.

Самым древним предметом, сделанным из свинца, часто считается статуэтка стоящей женщины в длинной юбке времён первой династии Египта, датируемая 3100—2900 гг. до н. э., хранящаяся в Британском музее (инвентарный номер EA 32138). Она была найдена в храме Осириса в Абидосе и привезена из Египта в 1899 году.

Самым крупным производителем свинца доиндустриальной эпохи был Древний Рим, с годовым производством 80 000 тонн. Добыча римлянами свинца происходила в Центральной Европе, римской Британии, на Балканах, в Греции, Малой Азии и Испании.

После падения Римской империи в V в. н. э. использование свинца в Европе упало и оставалось на низком уровне около 600 лет. Затем свинец начали добывать в восточной Германии. Свинцовый сахар ещё с римских времён добавляли в вино для улучшения его вкусовых качеств, это стало широко распространено и продолжалось даже после запрета папской буллой в 1498 году.

Такое использование свинца в средние века приводило к эпидемиям свинцовой колики. В Древней Руси свинец использовали для покрытия крыш церквей, а также широко применяли в качестве материала навесных печатей к грамотам Позднее, в 1633 году, в Кремле был сооружён водопровод со свинцовыми трубами, вода по которому шла из Водовзводной башни, он просуществовал до 1737 года.

В алхимии свинец ассоциировался с планетой Сатурн и обозначался её символом ♄. В древности олово, свинец и сурьму часто не отличали друг от друга, считая их разными видами одного и того же металла, хотя ещё Плиний Старший различал олово и свинец, называя олово «plumbum album», а свинец — «plumbum nigrum».

Индустриальная революция привела к новому росту потребности в свинце. К началу 1840-х гг. годовое производство очищенного свинца впервые превысило 100 000 тонн и выросло до более чем 250 000 тонн в течение следующих 20 лет.

До последних десятилетий XIX века добыча свинца в основном проводилась тремя странами: Британией, Германией и Испанией. К началу XX века добыча свинца в Европе стала меньше, чем в остальном мире, благодаря увеличившейся добыче в США, Канаде, Мексике и Австралии.

Какая степень окисления у свинца?

Свинец проявляет отрицательную степень окисления (-2) в соединениях с s-элементами I и II групп, которые носят названия плюмбиды: Mg_2Hb.
Степень окисления ( 4) наиболее характерна для свинца. Она проявляется в оксиде, галогенидах, сульфиде и нитриде: PbO_2.
Степень окисления ( 4) наиболее характерна для свинца. Она проявляется в оксиде, галогенидах, сульфиде и нитриде: PbO_2
, PbCl_4, PbF_4, PbF_4, PbBr_4, PbS_2, PbS_2, Pb_3N_4.
Известно, что свинец также проявляет в соединениях степень окисления ( 2): PbO.
Известно, что свинец также проявляет в соединениях степень окисления ( 2): PbO
, Pb(OH)_2, PbS, PbS, PbCl_2 и т.д.
Свинец также существует в виде простого вещества степень окисления, в котором равна нулю (ответ на вопрос «какая степень окисления у свинца»).
В данной реакции происходит изменение степеней окисления у элементов свинец и кислород, причем первый из них окисляется, а второй – восстанавливается. Схемы электронного баланса имеют следующий вид:

    [Pb^{ 4}  2e rightarrow Pb^{ 2};]

    [O^{-2} -2e rightarrow O^{0}.]

 
Данная реакция относится к окислительно-восстановительным, т.е. к реакциям в результате которых изменяется степень окисления одного или нескольких элементов, входящих в состав реагирующих веществ. Отдача атомом электронов, сопровождающаяся повышением его степени окисления, называется окислением, присоединение атомом электронов, приводящее к понижению его степени окисления, называется восстановлением.
Вещество, в состав которого входит окисляющийся элемент, называется восстановителем; вещество, содержащее восстанавливающийся элемент, называется окислителем.

Нахождение в природе

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. 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.

В таблице приведены некоторые параметры распространённости свинца в природных условиях по А. П. Виноградову:

Обобщённые концентрации элементов в минералах приведены в таблице, в скобках — количества минералов, по которым рассчитаны средние содержания компонентов.

МинералСвинец (общ)УранТорий
00Настуран04,750 (308)58,87 (242)2,264 (108)
00Монацит00,6134 (143)0,2619 (160)6,567 (150)
000Ортит00,0907 (90)0,1154 (88)6,197 (88)
000Циркон00,0293 (203)0,1012 (290)0,1471 (194)
Сфен (Титанит)00,0158 (12)0,0511 (14)0,0295 (21)

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, йодид 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.

Диоксид 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.

Сульфат свинца PbSO4, нерастворимый в воде белый порошок, применяют как пигмент в аккумуляторах, литографии, в технологии набивных тканей.

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

Тетраэтилсвинец (C2H5)4Pb до недавнего времени применялся к качестве присадки к бензину для повышения октанового числа.

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.

Свинец издавна применялся для изготовления пуль (а до изобретения огнестрельного оружия — других метательных снарядов, — например, для пращи) благодаря своей высокой плотности и, как следствие, большому импульсу и пробивной способности снаряда.

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.

Таблица степеней окисления химических элементов (1 часть):

Атомный номерХимический элементСимволСтепень окисления
1ВодородH 1, 0, -1
2ГелийHe0
3ЛитийLi 1
4БериллийBe0, 1, 2
5БорB-1, 0, 1, 2, 3
6УглеродC-4 , -3 , -2 , -1 , 0 , 1, 2, 3, 4
7АзотN-3 , -2, -1, 0, 1, 2,  3 , 4,  5
8КислородO-2, -1, -0,5, 0, 1, 2
9ФторF-1, 0
10НеонNe0
11НатрийNa-1, 0, 1
12МагнийMg0, 2
13АлюминийAl0, 1, 2, 3
14КремнийSi-4 , -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4
15ФосфорP-3 , -2, -1, 0, 1, 2, 3 , 4, 5
16СераS-2 , -1, 0 , 1 , 2 , 3, 4 , 5, 6
17ХлорCl-1 , 0, 1 , 2, 3 , 4, 5 , 6, 7
18АргонAr0
19КалийK0, 1
20КальцийCa0, 2
21СкандийSc0, 1, 2, 3
22ТитанTi-2, -1, 0, 1, 2, 3, 4
23ВанадийV-3, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5
24ХромCr-4, -2, -1, 0, 1, 2 , 3 , 4, 5, 6
25МарганецMn-3, -2, -1, 0, 1, 2 , 3, 4 , 5, 6, 7
26ЖелезоFe-4, -2, -1, 0, 1, 2 , 3 , 4, 5, 6 , 7
27КобальтCo-3, -1, 0, 1, 2 , 3 , 4, 5
28НикельNi-2, -1, 0, 1, 2 , 3, 4
29МедьCu-2, 0, 1, 2 , 3, 4
30ЦинкZn-2, 0, 1, 2
31ГаллийGa-5, -4, -3, -2, -1, 1, 2, 3
32ГерманийGe-4 -3, -2, -1, 0, 1, 2 , 3, 4
33МышьякAs-3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5
34СеленSe-2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6
35БромBr-1, 0, 1, 3, 4, 5, 7

Таблица степеней окисления химических элементов (2 часть):

36КриптонKr0, 1, 2
37РубидийRb-1, 0, 1
38СтронцийSr0, 1, 2
39ИттрийY0, 1, 2, 3
40ЦирконийZr-2, 0, 1, 2, 3, 4
41НиобийNb-3, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5
42МолибденMo-4, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6
43ТехнецийTc-3, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
44РутенийRu-4, -2, 0, 1,  2,  3,  4, 5, 6, 7, 8
45РодийRh-3, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6
46ПалладийPd0, 1, 2, 3, 4, 5, 6
47СереброAg-2, -1,  1, 2, 3
48КадмийCd-2, 1, 2
49ИндийIn-5, -2, -1, 1, 2, 3
50ОловоSn-4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4
51СурьмаSb-3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5
52ТеллурTe2, -1, 1, 2, 3, 4, 5, 6
53ЙодI-1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
54КсенонXe0, 1, 2, 4, 6, 8
55ЦезийCs-1, 1
56БарийBa 1, 2
57ЛантанLa0, 1, 2, 3
58ЦерийCe 1, 2, 3, 4
59ПразеодимPr0, 1, 2, 3, 4, 5
60НеодимNd0, 2, 3, 4
61ПрометийPm 2, 3
62СамарийSm0, 2, 3
63ЕвропийEu 1, 2, 3
64ГадолинийGd0, 1, 2, 3
65ТербийTb0, 1, 2, 3, 4
66ДиспрозийDy0, 1, 2, 3, 4
67ГольмийHo0, 1, 2, 3
68ЭрбийEr0, 1, 2, 3
69ТулийTm 2, 3
70ИттербийYb 1, 2, 3

Таблица степеней окисления химических элементов (3 часть):

71ЛютецийLu0, 1, 2, 3
72ГафнийHf-2, 0, 1, 2, 3, 4
73ТанталTa-3, -1, 1, 2, 3, 4, 5
74ВольфрамW-4, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6
75РенийRe-3, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
76ОсмийOs-4, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
77ИридийIr-3, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
78ПлатинаPt-3, -2, -1, 0, 1,  2, 3,  4, 5, 6
79ЗолотоAu-3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 5
80РтутьHg-2, 1, 2
81ТаллийTl-5, -2, -1, 1, 2, 3
82СвинецPb-4, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4-4, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4
83ВисмутBi-3, -2, -1, 1, 2, 3, 4, 5
84ПолонийPo-2, 2, 4, 5, 6
85АстатAt-1, 1, 3, 5, 7
86РадонRn0, 2, 6, 8
87ФранцийFr0, 1
88РадийRa 2
89АктинийAc 3
90ТорийTh 1, 2, 3, 4
91ПротактинийPa 2, 3, 4, 5
92УранU 1, 2, 3, 4, 5, 6
93НептунийNp 2, 3, 4, 5, 6, 7
94ПлутонийPu 2, 3, 4, 5, 6, 7
95АмерицийAm 2, 3, 4, 5, 6, 7
96КюрийCm 3, 4, 5, 6
97БерклийBk 2, 3, 4, 5
98КалифорнийCf 2, 3, 4, 5
99ЭйнштейнийEs 2, 3, 4
100ФермийFm 2, 3
101МенделевийMd 2, 3
102НобелийNo 2, 3
103ЛоуренсийLr 3
104Резерфордий (Курчатовий)Rf 2, 3, 4 – предположительно
105Дубний (Нильсборий)Db 3, 4, 5 – предположительно
106СиборгийSg0, 3, 4, 5, 6 – предположительно
107БорийBh 3, 4, 5, 7 – предположительно
108ХассийHs 2, 3, 4, 6, 8 – предположительно
109МейтнерийMt 1, 3, 4, 6, 8, 9 – предположительно
110ДармштадтийDs0, 2, 4, 6, 8 – предположительно

Коэффициент востребованности 2 897

Таблица степени окисления химических элементов

Максимальную положительную и минимальную отрицательную степень окисления можно определить с помощью Периодической таблицы Д.И. Менделеева. Они равны номеру группы, в которой расположен элемент, и разнице между значением «высшей» степени окисления и числом 8, соответственно.

Если рассматривать химические соединения более конкретно, то в веществах с неполярными связями степень окисления элементов равна нулю (N2, H2, Cl2).

Степень окисления металлов в элементарном состоянии равна нулю, так как распределение электронной плотности в них равномерно.

В простых ионных соединениях степень окисления входящих в них элементов равна электрическому заряду, поскольку при образовании этих соединений происходит практически полный переход электронов от одного атома к другому: Na 1I-1, Mg 2Cl-12, Al 3F-13, Zr 4Br-14.

При определении степени окисления элементов в соединениях с полярными ковалентными связями сравнивают значениях их электроотрицательностей. Поскольку при образовании химической связи электроны смещаются к атомам более электроотрицательных элементов, то последние имеют в соединениях отрицательную степень окисления.

Существуют элементы, для которых характерно только одно значение степени окисления (фтор, металлы IA и IIA групп и т.д.). Фтор, характеризующийся наибольшим значением электроотрицательности, в соединениях всегда имеет постоянную отрицательную степень окисления (-1).

Щелочные и щелочноземельные элементы, для которых свойственно относительно невысокое значение электроотрицательности, всегда имеют положительную степень окисления, равную соответственно ( 1) и ( 2).

Однако, имеются и такие химические элементы, для которых характерны несколько значений степени окисления (сера – (-2), 0, ( 2), ( 4), ( 6) и др.).

Для того, чтобы легче было запомнить сколько и какие степени окисления характерны для конкретного химического элемента используют таблицы степеней окисления химических элементов, которые выглядят следующим образом:

Порядковый номер

Русское / англ. название

Химический символ

Степень окисления

1

Водород / Hydrogen

H

( 1), (-1)

2

Гелий / Helium

He

0

3

Литий / Lithium

Li

( 1)

4

Бериллий / Beryllium

Be

( 2)

5

Бор / Boron

B

(-1), 0, ( 1), ( 2), ( 3)

6

Углерод / Carbon

C

(-4), (-3), (-2), (-1), 0, ( 2), ( 4)

7

Азот / Nitrogen

N

(-3), (-2), (-1), 0, ( 1), ( 2), ( 3), ( 4), ( 5)

8

Кислород / Oxygen

O

(-2), (-1), 0, ( 1), ( 2)

9

Фтор / Fluorine

F

(-1)

10

Неон / Neon

Ne

0

11

Натрий / Sodium

Na

( 1)

12

Магний / Magnesium

Mg

( 2)

13

Алюминий / Aluminum

Al

( 3)

14

Кремний / Silicon

Si

(-4), 0, ( 2), ( 4)

15

Фосфор / Phosphorus

P

(-3), 0, ( 3), ( 5)

16

Сера / Sulfur

S

(-2), 0, ( 4), ( 6)

17

Хлор / Chlorine

Cl

(-1), 0, ( 1), ( 3), ( 5), ( 7), редко ( 2) и ( 4)

18

Аргон / Argon

Ar

0

19

Калий / Potassium

K

( 1)

20

Кальций / Calcium

Ca

( 2)

21

Скандий / Scandium

Sc

( 3)

22

Титан / Titanium

Ti

( 2), ( 3), ( 4)

23

Ванадий / Vanadium

V

( 2), ( 3), ( 4), ( 5)

24

Хром / Chromium

Cr

( 2), ( 3), ( 6)

25

Марганец / Manganese

Mn

( 2), ( 3), ( 4), ( 6), ( 7)

26

Железо / Iron

Fe

( 2), ( 3), редко ( 4) и ( 6)

27

Кобальт / Cobalt

Co

( 2), ( 3), редко ( 4)

28

Никель / Nickel

Ni

( 2), редко ( 1), ( 3) и ( 4)

29

Медь / Copper

Cu

1, 2, редко ( 3)

30

Цинк / Zinc

Zn

( 2)

31

Галлий / Gallium

Ga

( 3), редко ( 2)

32

Германий / Germanium

Ge

(-4), ( 2), ( 4)

33

Мышьяк / Arsenic

As

(-3), ( 3), ( 5), редко ( 2)

34

Селен / Selenium

Se

(-2), ( 4), ( 6), редко ( 2)

35

Бром / Bromine

Br

(-1), ( 1), ( 5), редко ( 3), ( 4)

36

Криптон / Krypton

Kr

0

37

Рубидий / Rubidium

Rb

( 1)

38

Стронций / Strontium

Sr

( 2)

39

Иттрий / Yttrium

Y

( 3)

40

Цирконий / Zirconium

Zr

( 4), редко ( 2) и ( 3)

41

Ниобий / Niobium

Nb

( 3), ( 5), редко ( 2) и ( 4)

42

Молибден / Molybdenum

Mo

( 3), ( 6), редко ( 2), ( 3) и ( 5)

43

Технеций / Technetium

Tc

( 6)

44

Рутений / Ruthenium

Ru

( 3), ( 4), ( 8), редко ( 2), ( 6) и ( 7)

45

Родий / Rhodium

Rh

( 4), редко ( 2), ( 3) и ( 6)

46

Палладий / Palladium

Pd

( 2), ( 4), редко ( 6)

47

Серебро / Silver

Ag

( 1), редко ( 2) и ( 3)

48

Кадмий / Cadmium

Cd

( 2), редко ( 1)

49

Индий / Indium

In

( 3), редко ( 1) и ( 2)

50

Олово / Tin

Sn

( 2), ( 4)

51

Сурьма / Antimony

Sb

(-3), ( 3), ( 5), редко ( 4)

52

Теллур / Tellurium

Te

(-2), ( 4), ( 6), редко ( 2)

53

Иод / Iodine

I

(-1), ( 1), ( 5), ( 7), редко ( 3), ( 4)

54

Ксенон / Xenon

Xe

0

55

Цезий / Cesium

Cs

( 1)

56

Барий / Barium

BA

( 2)

57

Лантан / Lanthanum

La

( 3)

58

Церий / Cerium

Ce

( 3), ( 4)

59

Празеодим / Praseodymium

Pr

( 3)

60

Неодим / Neodymium

Nd

( 3), ( 4)

61

Прометий / Promethium

Pm

( 3)

62

Самарий / Samarium

Sm

( 3), редко ( 2)

63

Европий / Europium

Eu

( 3), редко ( 2)

64

Гадолиний / Gadolinium

Gd

( 3)

65

Тербий / Terbium

Tb

( 3), ( 4)

66

Диспрозий / Dysprosium

Dy

( 3)

67

Гольмий / Holmium

Ho

( 3)

68

Эрбий / Erbium

Er

( 3)

69

Тулий / Thulium

Tm

( 3), редко ( 2)

70

Иттербий / Ytterbium

Ib

( 3), редко ( 2)

71

Лютеций / Lutetium

Lu

( 3)

72

Гафний / Hafnium

Hf

( 4)

73

Тантал / Tantalum

Ta

( 5), редко ( 3), ( 4)

74

Вольфрам / Tungsten

W

( 6), редко ( 2), ( 3), ( 4) и ( 5)

75

Рений / Rhenium

Re

( 2), ( 4), ( 6), ( 7), редко (-1), ( 1), ( 3), ( 5)

76

Осмий / Osmium

Os

( 3), ( 4), ( 6), ( 8), редко ( 2)

77

Иридий / Iridium

Ir

( 3), ( 4), ( 6), редко ( 1) и ( 2)

78

Платина / Platinum

Pt

( 2), ( 4), ( 6), редко ( 1) и ( 3)

79

Золото / Gold

Au

( 1), ( 3), редко ( 2)

80

Ртуть / Mercury

Hg

( 1), ( 2)

81

Талий / Thallium

Tl

( 1), ( 3), редко ( 2)

82

Свинец / Lead

Pb

( 2), ( 4)

83

Висмут / Bismuth

Bi

( 3), редко ( 3), ( 2), ( 4) и ( 5)

84

Полоний / Polonium

Po

( 2), ( 4), редко (-2) и ( 6)

85

Астат / Astatine

At

86

Радон / Radon

Ra

0

87

Франций / Francium

Fr

88

Радий / Radium

Ra

( 2)

89

Актиний / Actinium

Ac

( 3)

90

Торий / Thorium

Th

( 4)

91

Проактиний / Protactinium

Pa

( 5)

92

Уран / Uranium

U

( 3), ( 4), ( 6), редко ( 2) и ( 5)

Химические свойства элементов: свинец

Ключевые слова: свинец, свинец в природе, ,получение свинца, применение свинца, токсичность свинца и его соединений, физические и химические свойства свинца, соединения свинца: гидриды свинца, азиды свинца,оксиды свинца, гидроксиды свинца.

 свинец Благодаря доступности сернистых руд, легкости получения, свинец был знаком человеку издревле. Некоторые историки, датируют предметы культа и быта изготовленные из свинца 7 тысячелетием до н.э. Упоминание о свинце встречается у Плиния, который называл его plum­bum nigrum.   Вплоть до XVII в. его порой не отличали от олова, известного в средние века под названием    plumbum album.  Атомная масса свинца  207,2 Природный свинец представляет собой смесь четырех стабильных изотопов 204РЬ, 206РЬ, 207РЬ и 208РЬ, из которых три последних являются конечными продуктами радиоактивных превращений 238U, 235U и 232Th. По этой причине относительная распространенность изотопов в различных объектах исследования не является постоянной величиной. Пользуясь основным законом радиоактивного распада и определяя содержание урана или тория, а также изотопные отношения 206 РЬ: 238 U, 207Pb:235U, 208Pb: 232Th или 207РЪ: 206РЬ, рассчитывают абсолютный геологический возраст радиоактивных минералов в интервале от 1 млн. до 6 млрд, лет .

СВИНЕЦ В ПРИРОДЕ     

Земная кора содержит 1,6 ∙10-3 масс%. Рb. Космическая распространенность этого элемента, согласно данным различных авторов, варьирует от 0,47 до 2,9 атомов на 106 атомов кремния. Для Солнечной системы соответствующая величина составляет 1,3 атома на 106 атомов кремния .В высокой концентрации свинец содержится во многих минералах и рудах, в микро- и ультрамикроколичествах — практически во всех объектах окружающего мира.Содержание свинца в атмосфере зависит от места и времени отбора проб, а также от условий погоды. В среднем, в воздухе промышленных городов содержится 2,5—4,5 мкг Рb/м3, в воздухе сел — 0,5 мкг/м3 . Содержание свинца в   дождевой  воде — (6— 29)∙10-7 масс%, вода речная и родниковая   — 2∙ 10-8 — 9∙10-6 масс%, морская  вода — 1,3∙10-7 масс %.Общее содержание свинца  (в т): в атмосфере — 1,8 ∙104, в почвах — 4,8 ∙109, в осадочных отложениях — 48 ∙1012, в водах океанов — 2,7 ∙107, в водах рек и озер — 6,1∙ 104, в подпочвенных водах — 8,2 ∙ 104, в организмах воды и суши: живущих — 8,4 ∙104, отмерших — 4,6 ∙106.Свинец является составной частью более 200 минералов, но только три из них (галенит, англезит и церуссит) находятся в природе в виде промышленных залежей свинцовых руд. Самым важным является галенит PbS (86,6% Pb). Под действием веществ, растворенных в природных водах, и при выветривании он переходит в англезит PbSО4 (68,3% Pb), который в результате двойного обмена с карбонатами кальция и магния образует церуссит РЬСОз (77,5% РЬ). Второстепенное значение имеют плюмбоярозит PbFe6 (SО4)4 (ОН) х 2 (18,3% РЬ), крокоит РЬСгО4 (64,1% РЬ), пироморфит РЬ5 (РО4) зС1 (76,4% РЬ), миметезит Pb5 (AsО4)3Cl(69,6% Pb), ванадинит Pb5 (VО4)3С1(73,1% РЬ) и вульфенит РЬМоО4 (56,4% РЬ). Свинцу в его минералах сопутствуют Ag, As, Bi, Cd, Cu, Fe, In, Sb, Se, Sn, Те, Tl, V и Zn . Многие из этих элементов в том или ином количестве следуют за свинцом на всех стадиях технологического про­цесса его получения, а висмут даже концентрируется.

ПОЛУЧЕНИЕ СВИНЦА

По объему промышленного производства свинец занимает четвертое место в группе цветных металлов, уступая только алюминию, меди и цинку. Для получения свинца наибольшее практическое значение имеют полиметаллические сульфидные и смешанные руды, так как чисто свинцовые руды встречаются редко. В результате флотации сульфидных руд получают концентраты, содержащие согласно химическому анализу 40—60% РЬ, 3—14% Zn, 4—15% Fe, 3—6% SiО2, 0,3-2,0% CaO, 0,2—15% А12О3 и 15—24% S. Как правило, переработку концентратов начинают со спекающего обжига (агломерации) с целью перевода сульфидов в легковосстанавливаемые оксиды. Очистка свинца  производится главным образом пирометаллургическим способом, который сводится к последовательному  удалению Си, Те, сумм Sn, As и Sb, Au и Ag, а затем Zn, Bi, Са и Mg. В результате пирометаллургического рафинирования, помимо свинца, получаются ценные побочные продукты: золото-серебряный сплав, элементные  висмут и теллур, штейн или черновая медь, антимонат натрия и арсенат кальция. Высокая эффективность очистки свинца достигается также методом зонной плавки .

ПРИМЕНЕНИЕ СВИНЦА

 Высокая плотность, мягкость, легкая обрабатываемость, сравнительно малая проводимость, коррозионная устойчивость и способность реагировать с органическими веществами придают свинцу особую практическую ценность. Он применяется в целях радиационной защиты, в качестве конструкционного материала в химической промышленности, для изготовления защитных покрытий электрических кабелей и электродов аккумуляторов. Большие количества свинца идут на изготовление разнообразных сплавов: с висмутом (теплоноситель в ядерной технологии), с оловом и небольшими добавками золота и меди (припои для изготовления печатных плат), с сурьмой, оловом и другими металлами (припои и сплавы типографского и антифрикционного назначения). Самым крупнотоннажным продуктом является тетраэтилсвинец и его гомологи, применяемые в качестве антидетонатора . Многие свинецсодержащие органические соединения являются продуктами «малой» химии, но имеют большое практическое значение. К их числу относятся стеарат и фталат свинца (термо- и светостабилизаторы пластмасс ), основной фумарат свинца (термостабилизатор для электрических изоляторов и вулканизирующий агент для хлорсульфополиэтилена ), диамилдитиокарбамат свинца (многофункциональная добавка к смазочным маслам ), этилендиаминтетраацетат свинца (рентгеноконтрастный препарат), тетраацетат свинца (окислитель в органической химии). Из числа практически важных неорганических соединений является  оксид свинца (идущий на производство стекол с высоким показателем преломления, эмалей, аккумуляторных батарей и высокотемпературных смазок ); хлорид свинца (изготовление источников тока); основной карбонат, сульфат и хромат свинца, сурик (компоненты красок ); титанат-цирконат свинца (производство пьезоэлектрической керамики).

ТОКСИЧНОСТЬ СВИНЦА И ЕГО СОЕДИНЕНИЙ

Источники поступления свинца в различные сферы обитания человека и животных подразделяются на природные (извержения вулканов, пожары, разложение умерших организмов, морская и ветровая пыль) и антропогенные (деятельность свинецпроизводящих и перерабатывающих предприятий, сжигание ископаемого топлива и отходов его переработки).По масштабам выброса в атмосферу свинец занимает первое место среди микроэлементов, причем главным источником загрязнений является сжигание этилированного бензина в двигателях внутреннего сгорания. Значительная часть свинца, содержащегося в каменном угле, при сжигании вместе с дымовыми газами поступает в атмосферу. Большой  вклад в загрязнение атмосферы свинцом вносят производства металлов, цемента и т.д. Атмосфера загрязняется не только стабильными, но и радиоактивными изотопами свинца 214Рb, 212Рb . Их источником являются радиоактивные инертные газы, из которых наиболее долгоживущий — радон достигает даже стратосферы. Образующийся свинец частично возвращается на землю с атмосферными осадками и аэрозолями, загрязняя поверхность почвы и водоемы . В водоемы некоторое количество свинца поступает из почвы, но решающий вклад и в эту сферу вносит деятельность человека, особенно в виде промышленных сточных вод и выхлопных газов автотранспорта. Из овощей и других продуктов питания, из воздуха и воды свинец поступает в организм человека. Исходя из содержания свинца в воздухе крупных промышленных городов 4,5 мкг/м3 через дыхательную систему человека поглощается около 91 мкг Pb/сут, причем около 35% от вдыхаемого количества поступает через трахеобронхиальную систему в кровь . Общее потребление свинца человеком со всеми продуктами питания и с водой может достигать  0,910 мг. Содержание свинца в организме у современного городского человека в 500 раз больше, чем у первобытного. Таким образом, антропогенные загрязнения окружающей среды в конечном счете возвращаются в организмы людей, животных и растений. Свинец является ядом,  он и его соединения опасны не только болезнетворным действием, но также кумулятивностью терапевтического эффекта, высоким коэффициентом накопления в организме, малой скоростью и неполнотой выделения с продуктами жизнедеятельности. Степень токсичности зависит от концентрации, физико-химического состояния и природы соединений свинца. Особенно опасен свинец в состоянии молекулярно-ионной дисперсности; он проникает из легких в кровеносную систему и оттуда транспортируется по всему организму . Хотя качественно свинец и его неорганические соединения действуют сходно, токсичность растет с ростом их растворимости в биологических жидкостях организма. Ионы свинца, связываясь с электронодонорными атомами серы сульфгидрильных групп, отравляют ферменты. Именно поэтому свинец подавляет многие ферментативные процессы в организме. При свинцовой интоксикации наступают серьезные изменения в нервной системе, нарушаются терморегуляция, кровообращение и трофические процессы, изменяются иммунобиологические свойства организма и его генетический аппарат. Аналогичные, но более остро выраженные эффекты наблюдаются даже при непродолжительном воздействии органических соединений, особенно тетраэтил- и тетраметил свинца, растворимых в липоидах и потому способных проникать в организм не только через легкие, но и через кожу. В начальной фазе отравления наблюдается нарушение условно-рефлекторной деятельности, а затем наступают расстройства симпатической и парасимпатической нервной системы с возможным появлением бессонницы, галлюцинаций и судорог.

ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СВИНЦА

Свинец является блестящим металлом серо-голубого цвета, который сохраняется в сухом воздухе, но быстро тускнеет в присутствии влаги. Физические, физико-механические и химические свойства свинца зависят от природы и количества содержащихся в нем примесей. Натрий, кальций и магний повышают твердость и прочность свинца, но снижают его химическую устойчивость. Висмут и цинк ухудшают коррозионные свойства металла, причем примесь 0,1% Bi делает свинец совершенно непригодным для применения в химической и других отраслях промышленности . Примеси меди и сурьмы повышают коррозионную устойчивость свинца в растворах серной кислоты, предел ползучести и твердость. Кадмий, олово и теллур увеличивают и твердость, и сопротивление усталости свинца . Примеси кислорода уменьшают вибропрочность свинцовых оболочек электрических кабелей . Оксид свинца даже в небольших количествах сильно влияет на физические и механические свойства металла . В свою очередь, примеси свинца и его соединений влияют на многие свойства различных материалов. Они ухудшают механические свойства жаропрочных сплавов , неблагоприятно влияют на структуру чугуна  и снижают его прочность на изгиб , вызывают красноломкость меди и латуни  и обусловливают нежелательное повышение прочности электролитической меди. В то же время дозированные добавки свинца улучшают обрабатываемость стали без снижения ее механической прочности , а присутствие в сырьевой смеси оксида свинца позволяет снизить на 10—15% влажность сырьевого шлама, уменьшить расход топлива на обжиг клинкера, повысить гадратационную активность цемента .

Свинец растворяется в ртути, образуя довольно концентрированные амальгамы, сохраняемые под слоем слегка подкисленной воды . В амальгамах, как и в парах, свинец находится в атомарном состоянии. В 1 л воды при отсутствии воздуха растворяется 311 мкг свинца , но механизм процесса растворения неизвестен.

Со многими химическими элементами (As, Au, Ва, Са, Cd, Си, Mg, Ni, Sb, Se, Sn и т.д.) Pb дает сплавы; некоторые из них образуют эвтектические смеси и твердые растворы (Sb, Sn), другие (Mg, Se, Те) — интерметаллические соединения.

С углеродом, кремнием, фосфором, мышьяком, бором, молекулярными водородом и азотом свинец не реагирует. Однако известно , что порошкообразный металл выше 400° С взаимодействует с азотом с выделением тепла, а с атомарным водородом образует незначительные количества гидрида.

СОЕДИНЕНИЯ СВИНЦА

Металлический свинец при действии кислорода воздуха на холоду покрывается оксидной пленкой, а тонко измельченный металл может возгораться . Расплавленный свинец окисляется на воздухе до РЬО, который при 430° С переходит в РЬ3О4, а последний выше 550°С разлагается на РЬО и О2.

Сухой фтор на холоду не действует на свинец. С повышением температуры взаимодействие возможно, но выше 100°С пленка фторида сильно тормозит реакцию. Хлорид свинца также обладает защитными свойствами, благодаря чему по стойкости к хлору до 300° С свинец превосходит алюминий, медь, чугун и сталь. К действию брома свинец настолько устойчив, что может служить для изготовления испарителей и защиты резервуаров. С твердым  иодом свинец не реагирует, но с парами и растворами этого галогена образует иодид .

В присутствии кислорода вода действует на свинец, причем скорость коррозии металла при подкислении возрастает. Небольшие концентрации СО2, напротив, задерживают разрушение металла из-за образования поверхностной пленки РЬСО3. В присутствии растворимых карбонатов, сульфатов, а при повышенной температуре и силикатов образуются соответствующие труднорастворимые соли свинца, препятствующие коррозии труб из этого металла. Однако при больших концентрациях СО2 возможно образование растворимого бикарбоната, и в таком случае пользование свинцовыми трубами для водопроводов чревато опасностью отравления .В присутствии кислорода свинец довольно хорошо растворяется в уксусной и других органических кислотах, с которыми он образует комплексные соединения . Комплексообразование является причиной растворимости свинца в серной кислоте с концентрацией >80% . В разбавленной кислоте металл достаточно устойчив, так как покрывается пленкой труднорастворимого PbSО4. Это позволяет использовать свинец в аккумуляторах и в производстве серной кислоты камерным способом, однако полученная таким путем кислота содержит примеси свинца. Свинец  устойчив к действию плавиковой кислоты и мало растворим в соляной, поскольку соответствующие галогениды трудно растворимы в указанных средах. Благодаря растворимости плюмбитов и амфотерности свинец довольно легко растворяется в нагретых щелочах, если их концентрация выше 10— 15% .

Гидриды свинца. Имеются данные о существовании неустойчивого РЬН2, образующегося в процессе электролиза щелочных или слабо кислых растворов со свинцовым катодом. Более известный плюмбан РbН4 в незначительных количествах образуется при растворении свинцово-магниевого сплава в разбавленные кислотах, а с лучшими выходами — при электролизе разбавленной H24 со свинцовыми электродами.

Азиды свинец образует в состоянии окисления 2 и 4 . Известный детонатор Pb(N3)2 получается в виде достаточно мелких кристаллов при интенсивном перемешивании смеси растворов Pb(NО3)2 и NaN3 . Азид свинца Pb(N3)4 образуется при взаимодействии водного раствора HN3 с РЬ3О4 , но его раствор красного цвета быстро обесцвечивается по мере образования Pb(N3)2.

Оксиды свинца. Известны РbО, РbО2, а также Рb2О3 и Рb3О4, в которых представлены обе степени окисления свинца. Оксид Рb2О3 рассматривают как производное метасвинцовой кислоты Н2РbО3, свинцовый сурик Рb3О4 — ортосвинцовой кислоты Н4РbО4. В настоящее время известно две модификаций РbО: α-РbО красного цвета (глёт) и β-РbО желтого (массикот). Глёт, устойчивый при низких температурах, подобно SnO, имеет слоистую структуру, в которой каждый атом Рb связан с одной стороны с четырьмя атомами О с одинаковыми расстояниями Рb-О (0,230 нм). β-РbО имеет сходную структуру, но межатомные расстояния Рb-О попарно различны и составляют соответственно 0,221 и 0,249 нм . Именно благодаря этому структурному сходству желтая модификация, устойчивая на воздухе выше 488° С, стабилизируется небольшими примесями и в их присутствии может существовать при обычной температуре. Выше 488° С глёт переходит в массикот. РbО обычно получают окислением расплавленного свинца кислородом воздуха или же термическим разложением высших оксидов.

Для специальных целей, например, для аналитических стандартов, химического анализа , необходим оксид особой чистоты. Препарат такой квалификации готовят в химической лаборатории с использованием полиэтиленовых сосудов, осаждая гидроксид свинца из раствора ацетата действием водного аммиака. Интересно отметить, что примеси 10-3% Si, Ge, Р, As, Sb, Se, Те, Mo и W препятствуют превращению первичного продукта β-РbО в α-РbО. Поэтому проведение данной  реакций в стеклянных сосудах недопустимо. Реагируя с кислотами, РbО дает соответствующие соли, а действие концентрированных растворов щелочей. приводит к гидроксоплюмбитам, например Na [Pb (ОН) 3] и Na2 [Pb (ОН) 4].

РbО2, используется как аналитический реактив и как форма количественного определения свинца с гравиметрическим , вольтамперометрическим  или фотометрическим  окончанием. Диоксид свинца независимо от кристаллической структуры модификации имеет черно-коричневый цвет. Получают РbО2 окислением солей свинца элементными галогенами, гипохлоритом и другими окислителями, а также анодным окислением суспензии РbО в растворе NaCl. Диоксид высокой чистоты готовят гидролизом тетраацетата свинца . Диоксид свинца нерастворим в холодной и горячей воде, но реагирует с концентрированными  кислотами НС1 и Н24 с выделением соответственно С12 и О2 и образованием солей свинца. Разбавленные растворы щелочей на РbО2 не действуют, но при сплавлении с твердыми щелочами образуются гексагидроксоплюмбаты, например К2[Рb(ОН)6], с оксидами — плюмбаты, например Са2 РbО4.

Гидроксосоединения свинца. Гидроксид Pb (OH)2 выпадает в виде белого аморфного осадка при действии водного аммиака или стехиометрического количества щелочей на растворы солей свинца. В отличие от аналогичных соединений других p-элементов IV группы, у Рb(ОН)2 преобладают основные свойства. Гидроксид свинца легко дегидратируется, причем выше 100° С образуется красная, при более низкой температуре — желтая модификация РbО.

Оцените статью
Кислород
Добавить комментарий