Қорғасын диоксиді: қасиеттері, қолданылуы және өндірілу әдістері
Lead dioxide
Қорғасын диоксиді (PbO2) – химиялық формуласы бар тұрақсыз қосылыс. Аккумуляторларда, электрохимияда маңызды қолданылады. Қасиеттері мен қолданысы туралы біліңіз!
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Қорғасын(IV) оксиді, көбінесе қорғасын диоксиді деп аталады, химиялық формуласы PbO2 болатын бейорганикалық қосылыс. Ол қорғасынның +4 тотығу күйінде болатын оксид. Бұл суда ерімейтін қара қоңыр түсті қатты зат. Ол екі кристалдық түрде кездеседі. Электрохимияда, әсіресе қорғасын қышқыл аккумуляторларының оң электроді ретінде, маңызды қолданысқа ие.
Lead(IV) oxide, commonly known as lead dioxide, is an inorganic compound with the chemical formula |PbO2. It is an oxide where lead is in an oxidation state of +4. It is a dark brown solid which is insoluble in water. It exists in two crystalline forms. It has several important applications in electrochemistry, in particular as the positive plate of lead acid batteries.
Электрохимиялық
Қорғасын диоксидінің формуласы PbO2 деп берілгенімен, дайындық әдісіне байланысты оттегі мен қорғасынның нақты арақатынасы 1,90 мен 1,98 аралығында өзгереді. Оттегінің жетіспеуі (немесе қорғасынның артық болуы) қорғасын диоксидінің ерекше металдық өткізгіштігіне себеп болады, оның кедергісі 10−4 Ω·см-ге дейін төмендеп, түрлі электрохимиялық қолдануларда қолданылады. Металдар сияқты, қорғасын диоксидінің де ерекше электродтық потенциалы бар, және электролиттерде ол анодтық және катодтық поляризацияға ұшырай алады. Қорғасын диоксиді электродтары екі қызмет атқарады, яғни қорғасын мен оттегі иондары электрохимиялық реакцияларға қатысады.
Although the formula of lead dioxide is nominally given as |PbO2, the actual oxygen to lead ratio varies between 1.90 and 1.98 depending on the preparation method. Deficiency of oxygen (or excess of lead) results in the characteristic metallic conductivity of lead dioxide, with a resistivity as low as 10−4 Ω·cm and which is exploited in various electrochemical applications. Like metals, lead dioxide has a characteristic electrode potential, and in electrolytes it can be polarized both anodically and cathodically. Lead dioxide electrodes have a dual action, that is both the lead and oxygen ions take part in the electrochemical reactions.
Электролиз
Альтернативті синтез әдісі электрохимиялық: таза қорғасыннан, сұйылтылған күкірт қышқылында, бөлме температурасында +1,5 В шамасындағы электрод потенциалымен анодтық поляризацияланған кезде қорғасын диоксиді пайда болады. Бұл процедура |PbO2 анодтарының ірі көлемді өнеркәсіптік өндірісі үшін қолданылады. Қорғасын және мыс электродтар 5–10 л/мин жылдамдықпен ағып жатқан күкірт қышқылына батырылады. Электродепозиция гальваностатикалық түрде, шамамен 100 А/м2 токпен 30 минут бойы жүргізіледі. Бұл әдіс қорғасын диоксид анодтарын өндіруде жұмсақтығымен кемшіліктері бар, әсіресе қатты және сынғыш |PbO2-мен салыстырғанда, оның Мохс қаттылығы 5,5-ке тең. Механикалық қасиеттердегі бұл айырмашылық жабынның қабығына алып келеді, бұл көп мөлшерде |PbO2 өндірісі үшін қажет. Сондықтан, басқа әдіс – титан, ниобий, тантал немесе графит сияқты қаттырақ субстраттарды пайдалану және оларға қорғасын(II) нитратынан |PbO2 жағу, азот қышқылының тұнқылы немесе ағынды жағдайында. Субстратты әдетте жағу алдында беткі тотығын және ластануды жою үшін, сондай-ақ беттік тегістігін және жабысуын арттыру үшін құммен кедіргілейді.
An alternative synthesis method is electrochemical: lead dioxide forms on pure lead, in dilute sulfuric acid, when polarized anodically at electrode potential about +1.5 V at room temperature. This procedure is used for large scale industrial production of |PbO2 anodes. Lead and copper electrodes are immersed in sulfuric acid flowing at a rate of 5–10 L/min. The electrodeposition is carried out galvanostatically, by applying a current of about 100 A/m2 for about 30 minutes. The drawback of this method for the production of lead dioxide anodes is its softness, especially compared to the hard and brittle |PbO2 which has a Mohs hardness of 5.5. This mismatch in mechanical properties results in peeling of the coating which is preferred for bulk |PbO2 production. Therefore, an alternative method is to use harder substrates, such as titanium, niobium, tantalum or graphite and deposit |PbO2 onto them from lead(II) nitrate in static or flowing nitric acid. The substrate is usually sand blasted before the deposition to remove surface oxide and contamination and to increase the surface roughness and adhesion of the coating.
Қолданбалар
Қорғасын диоксиді отты жағу, пиротехника, бояулар жасау және сульфидті полимерлерді бекіту өндірісінде қолданылады. Сонымен қатар, ол жоғары кернеулі шағынқырылғыштарды (наизағайдан қорғайтын құрылғыларды) құрастыруда пайдаланылады. Қорғасын диоксиді электрохимияда анод материалы ретінде қолданылады. β-PbO2 бұл мақсат үшін α нысанынан артық, себебі оның салыстырмалы түрде төмен кедергісі, тіпті төмен pH ортасында коррозияға қарсы жақсы төзімділігі және күкірт және азот қышқылы негізіндегі электролиттерде оттегінің пайда болуы үшін жоғары кернеуі бар. Қорғасын диоксиді тұз қышқылында хлордың пайда болуына да төтеп бере алады. Қорғасын диоксиді анодтары арзан, және бұрын калий дихроматын қалпына келтіру үшін платина және графит электродтарының орнына қолданылған. Олар сондай-ақ сульфат ванналарында мыс және мырышты электролық жалату үшін оттегі аноды ретінде де қолданылған. Органикалық синтезде қорғасын диоксиді анодтары күкірт қышқылы электролитінде оксалды қышқылдан глиоксил қышқылын алу үшін қолданылған. Қорғасын диоксиді – күшті тотықтырғыш, сондықтан терімен, көздермен немесе оның буларымен кез келген жанасу ауыр жарақаттарға, тіпті өлімге әкелуі мүмкін. PbO2 өртке оңай тұтана қоймаса да, ол басқа заттардың тұтанғыштығын және өрттің қарқындылығын арттырады. Өрт кезінде тітіркендіргіш және улы буларды бөліп шығарады. Қорғасын диоксиді және басқа қорғасын қосылыстары тиісінше тасталмаған жағдайда қоршаған ортаға қауіпті. Ол әсіресе су өмірі үшін зиянды.
Lead dioxide is used in the production of matches, pyrotechnics, dyes and the curing of sulfide polymers. It is also used in the construction of high voltage lightning arresters. Lead dioxide is used as an anode material in electrochemistry. β |PbO2 is more attractive for this purpose than the α form because it has relatively low resistivity, good corrosion resistance even in low pH medium, and a high overvoltage for the evolution of oxygen in sulfuric and nitric acid based electrolytes. Lead dioxide can also withstand chlorine evolution in hydrochloric acid. Lead dioxide anodes are inexpensive and were once used instead of conventional platinum and graphite electrodes for regenerating potassium dichromate. They were also applied as oxygen anodes for electroplating copper and zinc in sulfate baths. In organic synthesis, lead dioxide anodes were applied for the production of glyoxylic acid from oxalic acid in a sulfuric acid electrolyte. Lead dioxide is a strong oxidizer, so any contact of skin, eyes with either lead dioxide or its vapours may cause severe injury in the form of burns which can even lead to death. |PbO2 is not combustible, but it enhances flammability of other substances and the intensity of the fire. In case of a fire it gives off irritating and toxic fumes. Lead dioxide and other lead compound pose an environmental hazard when they are not disposed of properly. it is especially poisonous to aquatic life.