Диоксид свинца
Диоксид свинца
Образец диоксида свинца
Образец диоксида свинца
Имена
Название ИЮПАК
Оксид свинца(IV)
Другие имена
Оксид свинца
Платтнерит
Идентификаторы
  • 1309-60-0 проверятьИ
ChemSpider
  • 14109
  • 11421764
Информационная карта ECHA100.013.795
Номер ЕС
  • 215-174-5
CID PubChem
  • 14793
Номер RTECS
  • ОГО700000
УНИИ
  • 7JJD3ICL6A проверятьИ
Номер ООН1872
  • DTXSID5025497
Характеристики
PbO2​
Молярная масса239,1988 г/моль
Появлениетемно-коричневый, черный порошок
Плотность9,38 г/см 3
Температура плавления290 °C (554 °F; 563 K) разлагается
нерастворимый
Растворимостьрастворим в уксусной кислоте,
нерастворим в спирте
Показатель преломления ( nD )
2.3
Структура
шестиугольный
Опасности
Маркировка СГС :
GHS03: ОкислениеGHS07: Восклицательный знакGHS08: Опасность для здоровьяGHS09: Опасность для окружающей среды
Опасность
Х272 , Х302 , Х332 , Х360 , Х372 , Х373 , Х410
Р201 , Р202 , Р210 , Р220 , Р221 , Р260 , Р261 , Р264 , Р270 , Р271 , Р273 , Р280 , Р281 , Р301+Р312 , Р304+Р312 , Р304+Р340 , Р308+Р313 , Р312 , Р314 , Р330 , Р370+Р378 , Р391 , Р405 , Р501
NFPA 704 (огненный алмаз)
Четырехцветный бриллиант NFPA 704Health 4: Very short exposure could cause death or major residual injury. E.g. VX gasFlammability 0: Will not burn. E.g. waterInstability 3: Capable of detonation or explosive decomposition but requires a strong initiating source, must be heated under confinement before initiation, reacts explosively with water, or will detonate if severely shocked. E.g. hydrogen peroxideSpecial hazard OX: Oxidizer. E.g. potassium perchlorate
4
0
3
ОК
точка возгоранияНегорючий
Паспорт безопасности (SDS)Внешний ПБС
Родственные соединения
Другие катионы
Диоксид углерода
Диоксид кремния
Диоксид германия
Диоксид олова
Связанные оксиды свинца
Оксид свинца(II)
Оксид свинца(II,IV)
Родственные соединения
Оксид таллия(III) Оксид
висмута(III)
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа).
☒Н проверить  ( что такое   ?)проверятьИ☒Н
Химическое соединение

Оксид свинца(IV) , обычно известный как диоксид свинца , представляет собой неорганическое соединение с химической формулой PbO2 . Это оксид , в котором свинец находится в степени окисления +4. [1] Это темно-коричневое твердое вещество, нерастворимое в воде. [2] Он существует в двух кристаллических формах. Он имеет несколько важных применений в электрохимии , в частности в качестве положительной пластины свинцово-кислотных аккумуляторов .

Характеристики

Физический

Кристаллическая структура α- PbO 2
Кристаллическая структура β- PbO 2

Диоксид свинца имеет два основных полиморфа, альфа и бета, которые встречаются в природе как редкие минералы скрутинит и платтнерит , соответственно. В то время как бета-форма была идентифицирована в 1845 году, [3] α -PbO 2 был впервые идентифицирован в 1946 году и обнаружен как природный минерал в 1988 году. [4]

Альфа-форма имеет орторомбическую симметрию, пространственную группу Pbcn (№ 60), символ Пирсона oP 12, постоянные решетки a = 0,497 нм, b = 0,596 нм, c = 0,544 нм, Z = 4 (четыре формульные единицы на элементарную ячейку). [4] Атомы свинца имеют шесть координат.

Симметрия бета-формы тетрагональная , пространственная группа P4 2 /mnm (№ 136), символ Пирсона tP 6, константы решетки a = 0,491 нм, c = 0,3385 нм, Z = 2 [5] и связана со структурой рутила и может рассматриваться как содержащая колонки октаэдров, имеющих общие противоположные ребра и соединенных с другими цепями углами. Это контрастирует с альфа-формой, где октаэдры соединены соседними ребрами, образуя зигзагообразные цепи. [4]

Химический

Диоксид свинца разлагается при нагревании на воздухе следующим образом:

24 PbO 2 → 2 Pb 12 O 19 + 5 O 2
Pb 12 O 19 → Pb 12 O 17 + O 2
2 Pb 12 O 17 → 8 Pb 3 O 4 + O 2
2Pb3O4 → 6PbO + O2​​​

Стехиометрию конечного продукта можно контролировать, изменяя температуру – например, в приведенной выше реакции первая стадия происходит при 290 °C, вторая при 350 °C, третья при 375 °C и четвертая при 600 °C. Кроме того, Pb2O3 можно получить путем разложения PbO2 при 580–620 ° C под давлением кислорода 1400 атм (140 МПа). Поэтому термическое разложение диоксида свинца является распространенным способом получения различных оксидов свинца. [6]

Диоксид свинца — амфотерное соединение с преобладающими кислотными свойствами. Он растворяется в сильных основаниях , образуя гидроксиплюмбат - ион [Pb(OH) 6 ] 2− : [2]

PbO 2 + 2 NaOH + 2 H 2 O → Na 2 [Pb(OH) 6 ]

Он также реагирует с основными оксидами в расплаве, образуя ортоплюмбаты M 4 [PbO 4 ] .

Из-за нестабильности катиона Pb4 + диоксид свинца реагирует с горячими кислотами, переходя в более стабильное состояние Pb2 + и выделяя кислород: [6]

2PbO2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O + O2​​​​​
2 PbO 2 + 4 HNO 3 → 2 Pb(NO 3 ) 2 + 2 H 2 O + O 2
PbO2 + 4HCl → PbCl2 + 2H2O + Cl2​​

Однако эти реакции медленные.

Диоксид свинца хорошо известен как хороший окислитель , примеры реакций приведены ниже: [7]

2MnSO4 + 5PbO2 + 6HNO3 → 2HMnO4 + 2PbSO4 + 3Pb ( NO3 ) 2 + 2H2O​​​​​
2Cr ( OH ) 3 + 10KOH + 3PbO2 → 2K2CrO4 + 3K2PbO2 + 8H2O​​​​

Электрохимический

Хотя формула диоксида свинца номинально дана как PbO 2 , фактическое соотношение кислорода к свинцу варьируется от 1,90 до 1,98 в зависимости от метода приготовления. Дефицит кислорода (или избыток свинца) приводит к характерной металлической проводимости диоксида свинца с удельным сопротивлением всего 10 −4  Ом·см, что используется в различных электрохимических приложениях. Как и металлы, диоксид свинца имеет характерный электродный потенциал , и в электролитах он может быть поляризован как анодно, так и катодно . Электроды из диоксида свинца имеют двойное действие, то есть ионы свинца и кислорода принимают участие в электрохимических реакциях. [8]

Производство

Химические процессы

Диоксид свинца производится в промышленных масштабах несколькими способами, включая окисление свинцового сурика ( Pb 3 O 4 ) в щелочной суспензии в атмосфере хлора, [6] реакцию ацетата свинца (II) с «хлорной известью» ( гипохлоритом кальция ), [9] [10] Реакция Pb 3 O 4 с азотной кислотой также дает диоксид: [2] [11]

Pb3O4 + 4HNO3 → PbO2 + 2Pb ( NO3 ) 2 + 2H2O​​

PbO 2 реагирует с гидроксидом натрия с образованием иона гексагидроксоплюмбата(IV) [Pb(OH) 6 ] 2− , растворимого в воде.

Электролиз

Альтернативный метод синтеза — электрохимический : диоксид свинца образуется на чистом свинце в разбавленной серной кислоте при анодной поляризации при электродном потенциале около +1,5 В при комнатной температуре. Эта процедура используется для крупномасштабного промышленного производства анодов PbO 2 . Свинцовые и медные электроды погружают в серную кислоту, текущую со скоростью 5–10 л/мин. Электроосаждение проводят гальваностатически , прикладывая ток около 100 А/м 2 в течение примерно 30 минут.

Недостатком этого метода производства анодов из диоксида свинца является его мягкость, особенно по сравнению с твердым и хрупким PbO 2 , твердость которого по шкале Мооса составляет 5,5. [12] Это несоответствие механических свойств приводит к отслаиванию покрытия, которое является предпочтительным для массового производства PbO 2. Поэтому альтернативным методом является использование более твердых подложек, таких как титан , ниобий , тантал или графит , и осаждение на них PbO 2 из нитрата свинца (II) в статической или проточной азотной кислоте. Подложку обычно подвергают пескоструйной обработке перед осаждением для удаления поверхностного оксида и загрязнений, а также для увеличения шероховатости поверхности и адгезии покрытия. [13]

Приложения

Диоксид свинца используется в производстве спичек , пиротехники , красителей и отверждения сульфидных полимеров . Он также используется в строительстве высоковольтных молниеотводов . [6]

Диоксид свинца используется в качестве анодного материала в электрохимии. β- PbO2 более привлекателен для этой цели, чем α-форма, поскольку имеет относительно низкое удельное сопротивление , хорошую коррозионную стойкость даже в среде с низким pH и высокое перенапряжение для выделения кислорода в электролитах на основе серной и азотной кислоты. Диоксид свинца также может выдерживать выделение хлора в соляной кислоте . Аноды из диоксида свинца недороги и когда-то использовались вместо обычных платиновых и графитовых электродов для регенерации дихромата калия . Они также применялись в качестве кислородных анодов для гальванопокрытия меди и цинка в сульфатных ваннах. В органическом синтезе аноды из диоксида свинца применялись для получения глиоксиловой кислоты из щавелевой кислоты в электролите серной кислоты. [13]

Свинцово-кислотный аккумулятор

Наиболее важным применением диоксида свинца является его использование в качестве катода свинцово-кислотных аккумуляторов . Его полезность обусловлена ​​аномальной металлической проводимостью PbO 2 . Свинцово-кислотный аккумулятор хранит и высвобождает энергию, изменяя равновесие (соотношение) между металлическим свинцом, диоксидом свинца и солями свинца (II) в серной кислоте .

Pb + PbO 2 + 2 HSO−4+ 2 H + → 2 PbSO 4 + 2 H 2 O E ° = +2,05 В 

Безопасность

Соединения свинца являются ядами . Хронический контакт с кожей может потенциально вызвать отравление свинцом через всасывание или покраснение и раздражение в краткосрочной перспективе. [14]

PbO 2 не горюч, но усиливает воспламеняемость других веществ и интенсивность огня. В случае пожара выделяет раздражающие и токсичные пары. [15] [ нужен лучший источник ]

Диоксид свинца ядовит для водных организмов, но из-за своей нерастворимости он обычно оседает из воды. [16] [15]

Ссылки

  1. ^ Мик, Терри Л.; Гарнер, Лия Д. (2005-02-01). "Электроотрицательность и треугольник связи". Журнал химического образования . 82 (2): 325. Bibcode : 2005JChEd..82..325M. doi : 10.1021/ed082p325. ISSN  0021-9584.
  2. ^ abc Eagleson, Mary (1994). Краткая энциклопедия химии. Вальтер де Грюйтер. стр. 590. ISBN 978-3-11-011451-5.
  3. ^ Хайдингер, В. (1845). «Zweite Klasse: Geogenide. II. Ordnung. Барит VII. Блейбарит. Платтнерит.». Handbuch der Bestimmenden Mineralogie (PDF) (на немецком языке). Вена: Браумюллер и Зайдель. п. 500.
  4. ^ abc Таггард, Дж. Э. младший; и др. (1988). «Скрутиньит, природное месторождение α-PbO2 из Бингема, Нью-Мексико, США, и Мапими, Мексика» (PDF) . Канадский минералог . 26 :905.
  5. ^ Харада, Х.; Саса, Й.; Уда, М. (1981). "Кристаллические данные для β-PbO2" (PDF) . Журнал прикладной кристаллографии . 14 (2): 141. doi :10.1107/S0021889881008959.
  6. ^ abcd Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . стр. 386. ISBN 978-0-08-037941-8.
  7. ^ Кумар Де, Анил (2007). Учебник неорганической химии. New Age International. стр. 387. ISBN 978-81-224-1384-7.
  8. ^ Барак, М. (1980). Электрохимические источники тока: первичные и вторичные батареи. IET. стр. 184 и далее. ISBN 978-0-906048-26-9.
  9. ^ М. Баулдер (1963). "Оксид свинца (IV)". В G. Brauer (ред.). Справочник по препаративной неорганической химии, 2-е изд . Т. 1. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Academic Press. стр. 758.
  10. ^ Виберг, Нильс (2007). Lehrbuch der Anorganischen Chemie [ Учебник неорганической химии ] (на немецком языке). Берлин: де Грюйтер. п. 919. ИСБН 978-3-11-017770-1.
  11. ^ Сатклифф, Артур (1930). Практическая химия для продвинутых студентов (ред. 1949 г.). Лондон: Джон Мюррей.
  12. ^ «Платтнерит: информация и данные о минерале платтнерита» . www.mindat.org . Проверено 12 апреля 2018 г.
  13. ^ аб Франсуа Кардарелли (2008). Справочник материалов: краткий настольный справочник. Спрингер. п. 574. ИСБН 978-1-84628-668-1.
  14. ^ "ДИОКСИД СВИНЦА". hazard.com . Архивировано из оригинала 13 апреля 2021 г. . Получено 12 апреля 2018 г. .{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
  15. ^ ab PubChem. "Диоксид свинца". pubchem.ncbi.nlm.nih.gov . Получено 15.12.2022 .
  16. ^ "Идентификация продукта и компании" (PDF) . ltschem.com . Получено 29 февраля 2024 г. .
  • Национальный реестр загрязняющих веществ: Информационный бюллетень по свинцу и свинцовым соединениям
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Диоксид_свинца&oldid=1248021158"