Ponurak (ołów) - część 1
Ponury pierwiastek trafił do wielu popularnych powiedzeń. Po całym dniu masz nogi jak z ołowiu, a gdy jeszcze nad głową wiszą ołowiane chmury, to wszystko wydaje się ciężkie jak z ołowiu. Jakby tego było mało, ołowiem można się pobrudzić, ponieważ łatwo się ściera. Warto jednak lepiej poznać metal, który odegrał znaczącą rolę w rozwoju cywilizacji, a i dzisiaj jest nie do zastąpienia w wielu dziedzinach.
Prehistoria…
Osiem, a może i nawet dziesięć tysięcy lat temu w palenisku znalazły się kawałki pewnego minerału. Gdy ogień wygasł, w popiele zabłysły krople skrzepniętego metalu. Ciężki i srebrzysty, cieszył oczy, a ponieważ był miękki, łatwo dał się kształtować. Jednak wkrótce pokrył się ciemnoszarym nalotem i już nie był tak atrakcyjny, jak zaraz po wytopie. Takie były początki znajomości człowieka z ołowiem.
Powtórz eksperyment sprzed tysięcy lat i sam wytop ołów. Jako ruda posłuży ci tlenek ołowiu(II) PbO (glejta). Nie używaj tylko minii Pb3O4 ani dwutlenku PbO2, ponieważ w ich przypadku reakcja może przebiegać zbyt gwałtownie. Tlenek zmieszaj z utartym na pył węglem drzewnym, wsyp do probówki i rozpocznij ogrzewanie.
Pamiętaj o środkach ostrożności: nie kieruj wylotu probówki w swoją stronę ani w stronę innych osób i poruszaj naczyniem lub palnikiem w celu równomiernego ogrzewania zawartości. Najlepiej przeprowadź wytop na dworze lub pod działającym wyciągiem. Oczy osłoń okularami (jeszcze lepiej całą twarz przyłbicą), a na ręce włóż rękawice ochronne. Używasz otwartego ognia, zatem z pobliżu nie mogą znajdować się łatwopalne przedmioty i substancje, pod ręką musisz mieć również środki gaśnicze, np. stary koc.
Gdy mieszanina w probówce się rozżarzy, ogrzewaj naczynie jeszcze przez jakąś minutę, a następnie wylej zawartość na płytkę ceramiczną lub głęboki spodek z wodą (ustaw go w większym naczyniu na wypadek pęknięcia). Poczekaj, aż całość ostygnie i wydobądź zakrzepły metal (1). Obejrzyj próbkę i spróbuj ją wygiąć. Po pewnym czasie powierzchnia ołowiu pokryje się ciemnym nalotem.
…historia…
Miękki ołów nie nadawał się na narzędzia, a i jako ozdoba nie wzbudził zainteresowania. Od początku używano go do wyrobu pocisków (oczywiście nie do broni palnej, ale proc), obciążników, a także przedmiotów, których nie trzeba było ogrzewać (misy, figurki, rury (2)). Ponieważ łatwo się ścierał, z ołowiu wytwarzano pałeczki do pisania (stąd obecne ołówki, w których już od wieków stosuje się grafit). Związków ołowiu jako pierwsi użyli Egipcjanie. Tamtejsze elegantki i eleganci upiększali się czarnym siarczkiem ołowiu i bielą ołowianą (mieszanina węglanu i wodorotlenku). Tych samych pigmentów używano jako farby, a inne związki stosowano do wytwarzania glazury na ceramice.
Przełomem w historii ołowiu było odkrycie, że jego najczęściej spotykany minerał - galena PbS - zawiera domieszkę srebra w ilości dochodzącej nawet do 1%. Gdy nauczono się rozdzielać te dwa metale, ołów stał się łatwo dostępny i tani, co najlepiej wykorzystali Rzymianie. Dzięki ołowianym rurom starożytny Rzym miał bieżącą wodę, centralne ogrzewanie, spłukiwane toalety i kanalizację na prawie dwa tysiące lat przed upowszechnieniem się tych luksusów w nowożytnej Europie! I właśnie z powodu ołowianych rur do rzymskich akweduktów imperium miało upaść.
Woda sprowadzana z apenińskich źródeł była nasycona powietrzem - tlen i dwutlenek węgla reagowały z ołowiem, tworząc rozpuszczalne związki. Powszechne użycie ołowianych naczyń do przechowywania wina, octu i żywności również wywoływało chroniczne zatrucie tym metalem. Czy ołów był powodem zagłady Rzymu? Problem jest bardziej złożony, a zatrucie ołowiem to tylko jeden z czynników. Cywilizacja rzymska przetrwała ponad tysiąc lat i kiedyś jej możliwości wreszcie się wyczerpały (oby nasza cywilizacja techniczna dożyła takiego wieku). Poziom produkcji ołowiu z czasów rzymskich osiągnięto dopiero w XIX stuleciu.
Czasy nowożytne zapisały w historii ołowiu dwie, jakże znaczące, karty. Pierwszą z nich było wynalezienie druku (w Europie, bo Chińczycy znali go już od dawna). Truizmem jest opisywanie znaczenia tego wynalazku, należy tylko wspomnieć, że czcionki wykonywano z ołowiu, a później z jego stopów (3). Innym wynalazkiem był proch, a jego konsekwencją kule ołowiane - łatwe do produkcji nawet w warunkach polowych, tanie i zabójczo skuteczne.
Wiek XIX i XX to kolejne zastosowania ołowiu, które w znaczący sposób ukształtowały nasz świat. Wynalezienie akumulatora ołowiowego było milowym krokiem w rozwoju motoryzacji (4). Dodatki przeciwstukowe do benzyn, podnoszące jej liczbę oktanową, pozwoliły stworzyć nowoczesne paliwa. Ołowiane osłony kabli umożliwiły rozwój telekomunikacji, a stopy lutownicze - elektroniki. Rury kanalizacyjne z ołowiu zapewniły higieniczne warunki życia, co poprawiło stan zdrowia ludzi. Z kolei osłony reaktorów, pojemniki do przechowywania substancji radioaktywnych, fartuchy i ekrany do prześwietleń rentgenowskich sprawiły, że minione stulecie nazwano wiekiem atomu.
…i współczesność
Choć wielkie dni ołowiu przeszły już do historii, ciężki metal nadal jest nie do zastąpienia w kilku dziedzinach. Nie wytwarza się już oczywiście kosmetyków ze związków ołowiu oraz starannie unika jego kontaktu z wodą pitną i produktami żywnościowymi. Również rury kanalizacyjne są obecnie produkowane z tworzyw sztucznych, zwykle polichlorku winylu PVC. Bieli ołowianej jako pigmentu nie stosuje się już w naszych domach, ale czerwona minia nadal jest bezkonkurencyjna jako podkład antykorozyjny do malowania stali. Czteroetylek ołowiu w paliwach został zastąpiony przez substancje niezawierające trującego metalu (katalizatory spalin ulegają zniszczeniu w kontakcie ze związkami ołowiu). Coraz rzadziej stosuje się również ołowiane obciążniki do wyważania kół samochodowych (zastępowane są przez ciężarki ze stali i stopów cynku). Również sprzęt elektroniczny jest budowany z użyciem lutów bezołowiowych, co jednak wiąże się z pogorszeniem jakości połączeń w porównaniu z tradycyjnymi stopami lutowniczymi.
Akumulatory ołowiowe to obecnie najważniejsze zastosowanie tego metalu. Mimo istnienia na rynku wielu innych typów ogniw, są one niezastąpione w roli urządzeń do rozruchu silników spalinowych i jako element awaryjnego zasilania. Możliwość czerpania prądu o dużym natężeniu, wysoka wydajność energetyczna (sięgająca 75% - tyle energii zużytej do naładowania można odzyskać podczas pracy), prosta konstrukcja i niskie koszty produkcji powodują, że konkurencja wciąż pozostaje w tyle.
Ołów nadal ma się dobrze w roli obciążników (wysoka gęstość zapewnia dużą masę przy zachowaniu małych gabarytów) oraz pocisków (5). Pigmenty i związki ołowiu stosowane są do produkcji niektórych tworzyw sztucznych, farb, lakierów, kitów i uszczelnień. Ołów jako dodatek stopowy ma właściwość zmniejszania tarcia, co wykorzystuje się w stopach łożyskowych. Odporność na korozję powoduje, że ołów wciąż jest używany jako osłona podmorskich kabli energetycznych i telekomunikacyjnych. Szkło ołowiowe (kryształowe) to materiał o wysokim współczynniku załamania światła. Produkuje się z niego nie tylko wyroby dekoracyjne, ale stosuje również okna dla przemysłu jądrowego, który zresztą nie mógłby istnieć bez ołowianych ekranów i osłon (6).
Mimo zdecydowanie złej prasy, ze względu na swoje szkodliwe oddziaływanie na nasze zdrowie i środowisko, ołowiu nie wyeliminujemy całkowicie. Na jego korzyść przemawia nieubłagana ekonomia: ołów to metal tani, łatwo dostępny, o sprawdzonej w ciągu wieków technologii produkcji i właściwościach cennych w niektórych dziedzinach. Z ołowiem musimy nauczyć się żyć tak, aby uniknąć zagrożeń z jego strony i wykorzystać pozytywne cechy szarego metalu.
Warto jeszcze wspomnieć, że w roku 2021 wytopiono 4,5 mln ton ołowiu z rud (przodują Chiny z ponad 45% udziałem), a prawie dwa razy tyle pochodziło z recyklingu.
Ołowiowe BHP
Pomny przykrych doświadczeń Rzymian, zachowaj środki ostrożności, eksperymentując z ołowiem i jego związkami. W żadnym wypadku nie pij i nie jedz podczas pracy laboratoryjnej, na ręce załóż ochronne rękawice i unikaj styczności odczynników z produktami żywnościowymi. To zresztą podstawy BHP w laboratorium, stosowane również podczas pracy z innymi pierwiastkami. Na ołów i jego związki zwróć jednak szczególną uwagę.
W grupie ze srebrem
Od starożytności ołów związany jest ze srebrem, co znajduje potwierdzenie również w praktyce analitycznej. W ciągu wieków chemicy opracowali systematyczny tok postępowania, pozwalający bez ryzyka popełnienia błędów wykrywać poszczególne kationy i aniony obecne w badanych próbkach. Ołów (w postaci kationów Pb2+) wraz ze srebrem znajduje się w I grupie analitycznej, co oznacza, że jest wykrywany na początku badań. Odczynnikiem grupowym, czyli takim, który reaguje ze wszystkimi kationami grupy, jest w tym przypadku kwas solny. Pozwala on wytrącić słabo rozpuszczalne chlorki, w przypadku ołowiu jest to PbCl2. Jednak w przeciwieństwie do praktycznie nierozpuszczalnego w wodzie AgCl, chlorek ołowiu(II) dość dobrze rozpuszcza się w wodzie gorącej, a i w zimnej jego osad otrzymasz tylko w przypadku niezbyt rozcieńczonych roztworów. Własność ta umożliwia oddzielenie związków od siebie i wykonanie prób charakterystycznych.
Przygotuj roztwór zawierający kationy srebra (azotan(V) AgNO3) oraz ołowiu(II) (azotan(V) Pb(NO3)2 lub octan (CH3COO)2Pb). Do sporządzenia roztworu koniecznie użyj wody destylowanej (dostępna np. na stacji benzynowej), w zwykłej kranówce od razu zauważysz zmętnienie. Następnie dodaj niewielką porcję kwasu solnego o stężeniu wynoszącym około 10%, obfity biały osad potwierdzi obecność kationów I grupy.
Odsącz osad, przemyj go porcją wody, przenieś do probówki, dolej nieco czystej wody i ogrzej naczynie do wrzenia. Pozwól osadowi opaść na dno, a ciecz zlej do innej probówki. Pozostały osad wkrótce ściemnieje, co - jak zapewne już wiesz - oznacza, że był to chlorek srebra. Do cieczy zlanej znad osadu dodaj roztwór siarczanu(VI) sodu lub chromianu(VI) potasu. Otrzymasz osad: biały PbSO4 lub żółty PbCrO4 (7). Srebro w tych warunkach reaguje inaczej: siarczan jest dość dobrze rozpuszczalny, natomiast osad chromianu ma barwę brunatną. Jeszcze raz przypominam ci o BHP pracy z ołowiem, a za miesiąc kolejne doświadczenia.
Krzysztof Orliński
