Применение элемента в нанотехнологиях. Углеродные нанотрубки,

оптические чипы. Использование золота в так называемых нанотехнологиях основано на том, что в ряде ситуаций именно высокодисперсные частички золота (наночастицы) могут проникать в геометрически узкие каналы (например, в углеродных нанотрубках), улучшая при этом те или иные физические, химические или тепловые свойства.

Высокая отражающая способность золотых частиц различных (нано) размеров и в разных спектральных диапазонах может привести к созданию оптических чипов нового поколения, для которых не нужен будет электрический ток.

Золото является классическим наноматериалом по многим причинам. Оно химически инертно в объёмном состоянии, и потому в прошлом многие считали его довольно скучным с точки зрения химии элементом, но иное дело – наночастицы золота.

Одним из основных преимуществ золота для множества практических применений является то, что оно не окисляется. Кроме того, оно мягкое и ковкое, обладает хорошей электропроводностью и нетоксично. Каждый месяц выходят научные журналы, содержащие статьи, посвящённые использованию золота, основанному на одном или нескольких из этих применений: контакты стока и истока в экспериментальных наноэлектронных устройствах, например, часто делают из золота (или золота и титана). Первое наблюдение молекулярного отклика в мономолекулярном транзисторе наблюдали, нанося золотые нанонити, поверх которых наносили молекулы. Но золото не перестаёт нас удивлять. Джун Лу с коллегами обнаружили, что получить «сварочный шов» между двумя нанонитями золота можно, просто приведя их в соприкосновение. А World Gold Council фокусирует внимание на двух областях применения: окружающая среда и здоровье. К первому применению относятся очистка воды, топливные элементы, солнечные батареи и улучшенные катализаторы (что приведёт к увеличению эффективности многих промышленных процессов). В медицине огромное количество исследователей изучают возможность использования наночастиц золота для лечения раковых заболеваний.

1.8.4. Свинец

Историческая справка. Свинец – это элемент основной подгруппы четвёртой группы, шестой период Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 82. Он обозначается символом Pb (Plumbum).

Происхождение слова «свинец» неясно. На большинстве славянских языков (болгарский, сербско-хорватский, чешский, польский) свинец называется оловом. Слово с таким же значением, но похожее в произноше-

33

нии «свинцово», встречается на языках прибалтийской группы: švinas (литовский), svins (латышский), а в восточнославянско-украинском (свинцовом) и белорусском (svian).

Латинскому сливу (также неизвестного происхождения) было дано английское слово сантехник-водопроводчик (когда трубы были забиты мягким свинцом), а название венецианской тюрьмы со свинцовой крышей – Пьомба, из которой, по некоторым данным, Казанове удалось сбежать. Изделия из этого металла (монеты, медальоны) использовались в Древнем Египте, в водопроводных трубах – в Древнем Риме. Указание свинца как определённого металла содержится в Ветхом Завете. Литейная выплавка была первым из известных случаев металлургических процессов. До 1990 года использовалось большое количество свинца (наряду с сурьмой и оловом) для нанесения типографских шрифтов, а также тетраэтилсвинца – для увеличения октанового числа моторного топлива.

Свинец вместе с золотом, серебром, медью, оловом, железом и ртутью входит в семь металлов, известных с древних времён. Эти металлы сравнивались с известными тогда планетами (свинец сопоставляли с Сатурном). Считается, что впервые люди плавили свинец из руд 8 тысяч лет назад. Раскопки в древнем Египте обнаружили изделия из серебра и свинца в могилах до династического периода. В то же время подобные находки сделаны в Месопотамии. Совместные выводы из серебра и свинцовой продукции не удивляют. Даже в доисторические времена внимание людей привлекали красивые тяжёлые кристаллы свинцового блеска. Депозиты этого минерала были обнаружены в горах Армении, в центральных районах Малой Азии. В минеральной галените часто содержится приемлемое серебро. Если вы положите куски этого минерала в огонь, сера будет гореть, а расплавленный свинец будет течь (уголь предотвращает окисление свинца). Уже много тысячелетий до новой эры в Месопотамии, Египте, из него отливали статуи.

Физико-химические свойства. Свинец имеет довольно низкую теплопроводность, она составляет 35,1 Вт/(м·К) при температуре 0 °C. Металл мягкий, легко режется ножом. На поверхности он обычно покрыт более или менее толстой плёнкой оксидов, при разрезании открывается блестящая поверхность, которая на воздухе со временем тускнеет.

Плотность – 11,3415 г/см³ (при 20 °C) [1].

Температура плавления – 327,4 °C (621,32 °F; 600,55 K). Температура кипения – 1740 °C (3164 °F; 2013,15 K).

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p2,

в соответствии с чем он имеет степени окисления +2 и +4. Свинец не очень активен химически. На металлическом разрезе свинца виден метал-

34

лический блеск, постепенно исчезающий из-за образования тонкой плён-

ки PbO.

С кислородом образует ряд соединений Pb2О, PbO, Pb2О3, Pb3О4, PbO2. Без кислорода вода при комнатной температуре не реагирует со свинцом, но при большой температуре при взаимодействии свинца и горячего водяного пара получаются оксиды свинца и водород.

Оксидам PbO и PbO2 соответствуют амфотерные гидрооксиды

Pb(ОН)2 и Pb(ОН)4.

При реакции Mg2Pb и разбавленной HCl получается небольшое количество PbH4. PbH4 – газообразное вещество без запаха, которое очень легко разлагается на свинец и водород. При большой температуре галогены образовывают со свинцом соединения вида PbX2 (X – соответствующий галоген). Все эти соединения мало растворяются в воде. Могут быть получены галогениды типа PbX4. Свинец с азотом прямо не реагирует. Азид свинца Pb(N3)2 получают косвенным путём: взаимодействием растворов солей Pb(II) и соли NaN3. Сульфиды свинца можно получить при нагревании серы со свинцом, образуется сульфид PbS. Сульфид получают также пропусканием сероводорода в растворы солей Pb(II).

В ряду напряжений свинец стоит левее водорода, но свинец не вытесняет водород из разбавленных HCl и H2SO4, из-за перенапряжения Н2 на Pb, а также на поверхности металла образуются плёнки труднорастворимых хлорида PbCl2 и сульфата PbSO4, защищающие металл от дальнейшего действия кислот. Концентрированные кислоты типа H2SO4 и HCl при нагревании действуют на Pb и образуют с ним растворимые комплексные соединения состава Pb(HSO4)2 и Н2[PbCl4]. Азотная, а также некоторые органических кислоты (например, лимонная) растворяют свинец с получением солей Pb(II). По растворимости в воде соли свинца делятся на нерастворимые (например, сульфат, карбонат, хромат, фосфат, молибдат и сульфид), малорастворимые (хлорид и фторид) и растворимые (к примеру, ацетат, нитрат и хлорат свинца). Соли Pb(IV) могут быть получены электролизом сильно подкислённых серной кислотой растворов солей Pb(II). Соли Pb(IV) присоединяют отрицательные ионы с образованием комплексных анионов, например, плюмбатов (PbO3)2− и (PbO4)4−, хлороплюмбатов [PbCl6]2−, гидроксоплюмбатов [Pb(ОН)6]2− и других. Концентрированные растворы едких щелочей при нагревании реагируют со свинцом с выделением водорода и гидроксоплюмбитов типа [Pb(ОН)4 X2].

Применение. В национальной экономике.

Нитрат свинца используется для производства мощных смешанных взрывчатых веществ.

35

Азид свинца используется в качестве наиболее широко используемого детонатора (инициирующего взрывчатого вещества).

Перхлорат свинца используется для получения тяжёлой жидкости (плотность 2,6 г/см3), используемой при флотационном обогащении руд, иногда она используется в мощных смешанных взрывчатых веществах в качестве окислителя. Фторид свинца независимо, а также вместе с фторидом висмутом, медью, серебром используется в качестве катодного материала в химических источниках тока.

Висмутат свинца, сульфид свинца PbS, йодид свинца используются в качестве катодного материала в литиевых перезаряжаемых батареях.

Хлорид свинца PbCl2 используется в качестве катодного материала в резервных источниках тока.

Ведущий теллурид PbTe широко используется в качестве термоэлектрического материала (термоэдс с 350 мкВ/К), наиболее широко используемого материала при производстве термоэлектрических генераторов и термоэлектрических охладителей.

Диоксид свинца PbO2 широко используется не только в свинцовом аккумуляторе, но и на его основе создаются многие резервные химические источники тока, например свинцово-хлорная ячейка, свинцовофтористый элемент и т.д.

Белый свинец, базовый Pb(OH)2. Карбонат PbCO3, плотный белый порошок, получают из свинца на воздухе под воздействием углекислого газа и уксусной кислоты. Использование белого свинца в качестве окрашивающего пигмента в настоящее время не так распространено, как прежде, из-за их разложения под действием сероводорода H2S. Белый белок также используется для производства шпатлёвки, в технологии цемента и свинцово-карбонатной бумаги.

Арсенат и свинцовый арсенит используются в технологии инсектицидов для уничтожения насекомых – вредителей сельского хозяйства (цыганская моль и хлопковый долгоносик).

Порошок бората Pb(BO2)2 H2O, нерастворимый белый порошок, используемый для сушки картин и лаков, а вместе с другими металлами – в качестве покрытий из стекла и фарфора.

Хлорид свинца PbCl2 – белый кристаллический порошок, растворимый в горячей воде, растворах других хлоридов и особенно хлориде аммония NH4Cl. Он используется для приготовления мазей при лечении опухолей.

Хром свинца PbCrO4 известен как хром-жёлтый краситель, является важным пигментом для приготовления красок, для окрашивания фарфора и тканей. В промышленности хромат используется главным образом в производстве жёлтых пигментов.

36