Свинец
У этого металла, несмотря на все его достоинства, не самая хорошая репутация. Считают, что он даже помог развалить Римскую империю и погубил арктическую экспедицию сэра Джона Франклина. Маленькие круглые кусочки этого металла несут смертельную опасность людям и животным, а его соединения стали причиной экологической катастрофы в прошлом столетии. Однако он защищает нас от радиации, помог установить точный возраст Луны, и с его помощью рождается кварк-глюонная плазма на Большом адронном коллайдере. Попробуем разобраться и в плохих и в хороших сторонах этого непростого элемента с тяжёлой судьбой – свинца.
Застывшая свинцовая капля. Фото: /images-of-elements/Wikimedia Commons CC BY 3.0
Начнём с необычной области, где уж совсем не ожидаешь найти свинец, – бьюти-индустрия, притом не где-нибудь, а в Древнем Египте! Решив проблемы с построением пирамид и путеводителями по загробным мирам, египтяне озадачились вопросами снабжения своих правителей косметикой и парфюмерией. Приобщиться к вечности по советам верховных жрецов, было конечно важной задачей, но и выглядеть красиво на торжественных мероприятиях, видимо, хотелось ничуть не меньше, поэтому рынок древнеегипетского «мэйкапа» был весьма неплохо развит. Так, в качестве теней для глаз египтянки использовали чёрный сульфид свинца, а если требовалось сделать глаза на полтона светлее, то к сульфиду подмешивали белый карбонат свинца. И хотя в современной косметике солей свинца уже давно не встретишь, но вот количество жировой основы спустя несколько тысячелетий особо не поменялось – те же 7-10%, правда, вместо растительных масел древние египтяне использовали, по-видимому, гусиный жир. Соединения свинца жители долины Нила применяли не только для подводки глаз, но даже для окрашивания волос. Для этого они смешивали оксид свинца с гашёной известью и образовавшуюся пасту втирали в волосы. Ионы свинца взаимодействовали с серой, содержащейся в белке кератине, в результате чего образовывался уже знакомый нам сульфид свинца, придававший волосам чёрный цвет.
Стенная роспись из гробницы Менна, Луксор. Фото: kairoinfo4u/Flickr.com CC BY-NC-SA 2.0
Из Древнего Египта переместимся в более позднюю, но не менее великую цивилизацию – Древний Рим, который оставил после себя вечные дороги, акведуки и римское право. Вот на акведуках, а точнее на римской водопроводной системе и остановимся чуть подробнее. Кроме многокилометровых каменных каналов, по которым вода доставлялась в города, римляне активно использовали свинцовые трубы, хотя уже тогда некоторые жители скептически относились к качеству такой воды. Тем не менее, простота в изготовлении и прокладке свинцового водопровода брала своё, и километры свинцовых труб укладывались в римскую землю. Однако некачественная вода вряд ли стала причиной заката Империи, скорее это было связано с общим кризисом, когда доступных природных и других ресурсов оказалось уже недостаточно для растущих аппетитов государства. Урок, впрочем, актуальный и в наше время.
Фрагмент древнеримского свинцового водопровода. Фото: Dan Diffendale /Flickr.com CC BY-NC-SA 2.0
Золотой век свинца и его соединений наступил тогда, когда полезные свойства этого элемента были очевидны уже всем, а его вред и опасность для здоровья ещё не воспринимали всерьёз. Кстати, этот период отчётливо прослеживается по содержанию свинца в европейских торфяных болотах. В этот период великие художники создавали свои бессмертные полотна, используя свинцовые белила. Виноделы добавляли оксид свинца с целью улучшить вкус напитка, хотя и не без летальных исходов, к сожалению. А горгульи на крышах готических домов утрачивали своё водосливное предназначение, уступая его более функциональным свинцовым водосточным трубам. Такое несколько безрассудное отношение к свинцу сохранялось, пожалуй, вплоть до второй половины двадцатого века.
Горгулья на соборе Байё, Нормандия. Фото: John Sheldon/Flickr.com CC BY-NC-ND 2.0
В 1916 году американский изобретатель Томас Миджли занялся проблемами двигателей внутреннего сгорания. По сравнению с современными двигатели начала прошлого века имели очень скромные характеристики, однако и работать им приходилось на топливе, которое сильно отличалось от теперешнего бензина. Кроме того, автомобильные двигатели в то время развивались несколько быстрее, чем нефтеперерабатывающая промышленность успевала улучшать качество топлива, и поэтому бензину срочно потребовался «допинг». Вот тут Томас Миджли и предложил использовать соединение с названием тетраэтилсвинец для того, чтобы превратить «несъедобный» для мотора бензин в отличное высокооктановое топливо. Разработку быстро подхватили корпорации, после чего тетраэтилсвинец надолго поселился в бензобаках автомобилей. Пока автомобиль был редким и дорогим средством передвижения, проблема свинца в выхлопных газах особо никого не волновала, особенно по сравнению с такими бедами как мировые войны и экономические кризисы. Однако чем больше людей обзаводилось собственным автотранспортом, тем острее становился свинцовый вопрос. До поры до времени на эту проблему удавалось закрывать глаза, но с 70-х годов производители бензина постепенно начали отказываться от использования тетраэтилсвинца. В настоящее время в России, да и во всём мире для повышения октанового числа используется другая намного более безопасная добавка – метилтретбутиловый эфир. Тетраэтилсвинец остался лишь в авиационных бензинах для легкомоторных самолётов и вертолётов.
Чтобы не отпугивать покупателей информацией о наличие соединения свинца в топливе, производители придумали для бензина с добавлением тетраэтилсвинца название «этилированный бензин». Фото: Tim Anderson/Flickr.com CC BY-NC-SA 2.0
Но не только современная цивилизация способна «нахимичить» и загрязнить всё вокруг себя свинцом. Это делали и древние римляне своими свинцовыми водопроводами, и даже древние инки! В ледниках андских гор обнаружили частицы пыли с высоким содержанием серебра, меди и свинца. То, что инки плавили металлы уже за полторы тысячи лет до нашей эры, большим секретом для археологов не было. Удивителен скорее сам факт того, что уже древние цивилизации были способны ещё задолго до индустриальной эпохи оказывать такое масштабное воздействие на окружающую среду. Кстати, свинец вреден не только для человека – на почвах, загрязнённых свинцом, пшеница растёт медленнее и испытывает большие трудности с фотосинтезом. Из-за свинца в клетках листьев нарушается механизм образования хлоропластов, которые как раз и содержат зелёный пигмент хлорофилл, в результате растение теряет свою нормальную окраску.
Цивилизация древних инков достигла высокого уровня развития не только в металлургии, но и в других отраслях. На фото – руины инкских сельскохозяйственных террас в Морае. Фото: Shane Lin/Flickr.com CC BY-NC 2.0
Свинец считают повинным ещё в одном «преступлении» – гибели членов экспедиции сэра Джона Франклина, в 1845 году отправившихся на судах «Эребус» и «Террор» изучать морской путь через Канадский Арктический архипелаг. Судьба у экспедиции оказалась трагичной: оба судна пропали, а останки исследователей потом находили на разных островах полярного региона. Драматичности и без того печальной истории добавили обнаруженные на костях некоторых членов экипажа характерные отметины, давшие повод версиям о каннибализме среди голодных моряков. Согласно другой гипотезе члены команды отравились свинцом, источником которого была упаковка провизии и судовые опреснители воды, оборудованные свинцовыми трубами. В пользу этой версии говорит повышенное содержание свинца, обнаруженное в волосах судового врача, останки которого были найдены и впоследствии перезахоронены в Британии. Повторные исследования хотя и подтверждают, что свинца в организме доктора было больше, чем нужно, но всё же не настолько много, чтобы стать причиной летального исхода. Тем более совсем не обязательно, что свинец накопился в организме участников экспедиции именно во время того последнего плавания, а не до него. Всё-таки бурно развивающаяся промышленность того времени не очень трепетно относилась к вопросам экологии и здоровья населения. Кстати, останки судов после многолетних поисков всё-таки обнаружили, правда, уже в двадцать первом веке. Сначала в сентябре 2014 года нашли затонувший «Эребус», а спустя два года в 50 километрах от него на морском дне был обнаружен и «Террор».
Западное побережье Баффиновой Земли – крупнейшего острова Канадского Арктического архипелага. Фото: GRID Arendal/Flickr.com CC BY-NC-SA 2.0
Однако что-то мы чересчур увлеклись мрачными «свинцовыми» историями из прошлого и совсем ничего не сказали о том, где же сейчас можно найти свинец. Токсичная натура этого металла оставила ему не так уж и много места в современном мире. Свинец уже почти полностью вытеснили из производства красок, перед ним закрыты двери современных типографий, о бензине мы уже говорили, а делать сейчас водопровод из свинцовых труб не придёт в голову даже самому отчаянному проектировщику. И тем не менее у него остались некоторые сферы, где он обыгрывает множество других металлов. Например, у свинца высокая плотность, почти вдвое больше чем у железа, поэтому, когда от материала требуется только большая масса и маленький объём, свинец – лучший кандидат. Это может быть и небольшое свинцовое грузило для рыбалки, и многотонный маятник-демпфер, компенсирующий раскачку небоскрёбов.
Шарики свинцовой дроби в разрезанном ружейном патроне. Фото: X-Javier/Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0
Здесь можно вспомнить примечательную историю башни Джона Хэнкока – бостонского небоскрёба высотой 241 метр, построенного в 1968–1976 годах. Когда здание было уже возведено, то выяснилось, что от сильного ветра оно раскачивается намного больше, чем этого хотелось и строителям. Для борьбы с раскачкой снаружи здания были смонтированы дополнительные стальные фермы, а на 58-м этаже установили два свинцовых демпфера, каждый массой под 300 тонн. Свинец сыграл ещё одну роль в истории этого небоскрёба. Ещё когда башня Хэнкока не была полностью построена, в Бостоне случился сильный ураган, после которого с недостроенной башни начали сыпаться оконные стёкла. При весе каждой оконной панели за 200 килограммов, это стало представлять серьёзную проблему для города. Оказалось, что для закрепления стёкол в стальных рамах в качестве замазки использовали свинцовый сплав, который от нагрузок, вибраций и перепадов температуры трескался, а вслед за ним лопалось и стекло. Пока специалисты решали проблему, что делать с уже установленными десятью тысячами стёкол, недостроенный небоскрёб долгое время стоял с заколоченными фанерой окнами, за что получил прозвище «Фанерный дворец». Впрочем, проблему выпадающих стёкол решили, и башня Хэнкока успешно стоит по сей день.
Башня Джона Хэнкока в Бостоне. Фото: Elizabeth Thomsen/Flickr.com CC BY-NC-SA 2.0
Ещё одна область, где свинец до сих пор успешно сохраняет свои позиции, – это автомобильные аккумуляторы. Массовое наступление литий-ионных аккумуляторов всё равно не смогло вытеснить свинцово-кислотные батареи из автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Даже немалый вес свинцового аккумулятора с лихвой компенсируется его большой мощностью, отличной надёжностью и не в последнюю очередь низкой ценой. Так что пока автомобили на электротяге не одержали верх над их собратьями с классическими бензиновыми и дизельными моторами, свинец будет ездить с нами ещё долго. Кстати собрать настоящую гальваническую батарею вы можете у себя дома буквально из подручных предметов, вам даже не потребуется для этих целей вредный свинец. Чтобы запитать от самодельной батареи несколько светодиодов, вам понадобится медная проволока, оцинкованные гвозди и десяток спелых сочных лимонов. На таком же принципе работают миниатюрные диагностические устройства, использующие в качестве электролита кислую среду желудка.
Обычный свинцово-кислотный аккумулятор пока что никуда не делся из большинства легковых автомобилей. Фото: Rob Allen/Flickr.com CC BY-NC-SA 2.0
Теперь разберёмся с тем, как определить с помощью свинца точный возраст Луны. Сам по себе свинец – очень устойчивый элемент. Таким его делает определённое количество протонов и нейтронов в ядре, для свинца это так называемые «магические числа» 82 и 126. Не вдаваясь в нюансы ядерной физики, можно сказать, что если вы положите на воображаемую полку один миллион атомов свинца, то через миллион лет их там будет ровно такое же количество. А вот если вы попробуете повторить такой же фокус с ураном, то обнаружите, что спустя некоторое время часть атомов урана превратилась в свинец. Всё дело в том, что свинец – это стабильный элемент, ядра которого не распадаются случайным образом, а уран – элемент радиоактивный, и со временем его ядра превращаются в другие элементы, пока цепочка радиоактивных распадов не приведёт к свинцу. Зная, с какой скоростью уран превращается в свинец, и определив относительные количества урана и свинца, можно посчитать, сколько времени на это потребовалось. Определение возраста геологических объектов подобным образом называется уран-свинцовый метод датирования. Именно таким способом был определён возраст образцов лунного грунта, доставленных на Землю в ходе миссии Аполлон-14. Оказалось, что возраст Луны составляет 4.51 миллиардов лет, и наш единственный естественный спутник образовался примерно через 60 миллионов лет после возникновения Солнечной системы.
Благодаря кристаллам циркона и уран-свинцовому методу датирования мы знаем точный возраст нашей планеты и Луны. Фото: Martin Heigan/Flickr.com CC BY-NC-ND 2.0
Но даже такому стабильному во всех смыслах элементу не поздоровится, если он попадёт в одно место на границе Франции и Швейцарии. Там от него оторвут электроны, разгонят до околосветовых скоростей и столкнут с летящими на такой же скорости протонами, чтобы получить новые частицы и новые состояния вещества. Так в ЦЕРНе была получена кварк-глюонная плазма, а в 2012 году весь мир узнал об открытии бозона Хиггса на ставшем уже знаменитом Большом адроннном коллайдере. Хотя справедливости ради нужно сказать, что бозон Хиггса регистрировали не при столкновении ионов свинца, а при протон-протонных столкновениях. В любом случае это было, пожалуй, первое событие в физике элементарных частиц, которое приковало внимание всего мира и вышло на первые строчки новостных лент. Никогда до этого новости о бозонах не были столь популярны, так что стоит снять шляпу перед сотрудниками ЦЕРНа, которые смогли превратить фундаментальный физический эксперимент в увлекательный детектив!
Столкновения протонов с ядрами свинца исследуются на детекторе ALICE Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе. Фото: Rain Rabbit/Flickr.com CC BY-NC 2.0
Напоследок расскажем об одном красивом веществе, в котором можно найти свинец и, что главное, не бояться при этом за своё здоровье, – речь пойдёт о хрустале. Хрусталь получается, если при выплавке обычного стекла добавить к нему достаточное количество оксида свинца. Добавка свинца изменяет способность стекла преломлять и рассеивать свет, а также упрощает обработку стекла, поэтому изделия из хрусталя так красиво переливаются и блестят на солнце. Но если у вас дома есть посуда из настоящего хрусталя, то держите её подальше от микроволновки: попытка разогреть что-нибудь в красивой хрустальной вазочке станет для этой вазочки роковой. Кстати, не путайте хрусталь и горный хрусталь – это совсем разные материалы. Горный хрусталь с настоящим хрусталём роднит только название и красивый внешний вид, химически же это одна из разновидностей кварца или чистого диоксида кремния, без какого-либо намёка на свинец. Кроме эффектного внешнего вида у хрусталя или свинцового стекла есть ещё одно очень ценное и полезное свойство – защита от рентгеновских лучей. Например, на технику, которая участвовала при ликвидации последствий аварии на Чернобыльской атомной станции, для защиты водителей устанавливали специальные толстые свинцовые стёкла, а саму кабину обклеивали свинцовыми листами.
Не стоит путать горный хрусталь (на фото) и настоящий хрусталь – это разные материалы! Фото: Bergminer/Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0
Свинец, конечно, нельзя назвать безопасным элементом, всё-таки на протяжении истории человечества он убил и подпортил здоровье множеству людей. По большей части это было связано с недостатком знаний о его токсичных свойствах, хотя и безрассудного и даже преступного «авось» тоже было немало. С другой стороны, со свинцом вполне можно иметь дело, естественно, если соблюдать все меры предосторожности. А в научных экспериментах он и вовсе помогает совершать удивительные открытия!
