납이란?- 화합물, 제조 공정 및 용도

납이란?

납은 주기율표의 14족 금속에 속하는 화학 원소로 기호는 Pb이고 원자 번호는 82입니다. 현재는 축전지와 오염 관리를 위한 녹 방지 화합물(납 테트라에틸)을 만드는 데 사용됩니다.

밀도는 11.34g/cm3이며 입방체로 밀집된 결정 구조에서 발견됩니다. 납의 낮은 융점은 4개의 원자가 전자 중 어느 것도 금속 결합에 관여하지 않는다는 것을 나타냅니다. 납은 일반적으로 +4가 아닌 +2 산화수가 있습니다.

선사시대부터 납은 (금속의 경우) 비교적 추출하기 쉽기 때문에 활용되어 왔습니다. 로마 제국에서는 납이 널리 사용되었으며 접시, 배관, 동전 및 동상에 사용되었습니다. 사람들은 19세기 말에 치명적인 것으로 밝혀질 때까지 수천 년 동안 그것을 사용했습니다.

납은 분말 형태를 제외하고 전이 후 금속으로 분류됩니다. 다른 많은 금속만큼 반응성이 없습니다. 그것은 부서지기 쉬운 금속 품질을 가지며 종종 다른 요소와 공유 연결을 형성합니다. 고리, 사슬 및 다면체는 요소가 자체적으로 부착될 때 쉽게 형성됩니다. 납은 대부분의 금속과 달리 부드럽고 둔하며 전기를 잘 전도하지 않습니다.

 

 

납의 역사

이집트인들은 아마도 납을 처음으로 추출하여 미니어처 조각품을 만드는 데 사용했을 것입니다. 납 화합물은 이집트 도자기 유약에서도 발견되었습니다. 기원전 2000년까지 중국에서는 납이 동전을 만드는 데 사용되었습니다.

납의 내식성 특성은 처음에 그리스인에 의해 인식되어 선체의 보호 덮개로 사용했습니다. 납 화합물이 여전히 사용되는 현재 응용 프로그램입니다. 그 결과 로마인들은 광범위한 수계를 위해 막대한 양의 납을 채굴하기 시작했습니다.

로마의 납 생산량은 서기 1세기까지 연간 약 80,000톤에 달하는 것으로 추정되었습니다. 배스에는 납 시트가 늘어서 있고, 납 파이프는 납 금속 시트를 봉에 감싸고 가장자리를 용접하여 만들었습니다. 20세기까지 사용된 납 배관은 부식을 방지하고 광범위한 납 중독을 일으켰습니다.

내화성 때문에 납은 중세 유럽의 여러 지역에서 지붕 재료로 활용되었습니다. 웨스트민스터 사원(Westminster Abbey)과 런던 세인트 폴 대성당(St. Paul's Cathedral)의 납 지붕은 수백 년 전으로 거슬러 올라갑니다. 백랍(주석-납 합금)은 나중에 머그, 접시 및 식기를 제조하는 데 사용되었습니다.

납의 고밀도는 무기의 출현에 따라 총알 또는 납탄에 적합한 재료로 발견되었습니다. 17세기 중반에 용융된 납 방울을 물에 떨어뜨려 구형을 형성함으로써 납 샷이 처음 만들어졌습니다.

 

납 광석

황화납 광물(PbS)인 방연광은 가장 중요한 광석 광물입니다. 86%의 납을 함유할 가능성이 있습니다. 그것의 입방체의 완전히 쪼개질 수 있는 덩어리와 금속성의 납회색 입방체 결정(등각계)은 독특하고 특징적입니다. 비중은 7.4-7.6이고 경도는 2.5입니다.

방연광은 열수 용액으로 인해 백운석 석회암, 변성대 및 화산암에서 거대하고 불규칙한 덩어리를 형성하는 일반적인 광물입니다. 은이 풍부한 경우가 많으며 은광석으로 이용될 수 있습니다.

 

납 화합물

1. 산화납
약한 질산 용액에 Pb3O4를 용해하면 Pb(II) 산화물 또는 PbO2가 생성됩니다. 300 °C 이상의 온도에서는 PbO로 분해되어 강력한 산화제가 됩니다. PbO는 litharge와 massicot의 두 가지 종류의 금속 산화물입니다. 반사로에서 용융된 Pb는 600°C의 공기 중에서 산화되어 litharge 형태를 생성합니다. 납을 공기 중에서 가열하여 매시콧을 만듭니다.
PbO는 산과 반응하여 Pb(II) 염을 생성하는 염기성 금속입니다. 그것은 네 개의 산소 원자가 정사각형 피라미드의 밑면을 형성하고 꼭지점에 Pb 금속이 있는 독특한 층 구조를 특징으로 합니다.

2. 납 할로겐화물
노란색 고체 PbF4는 Pb의 유일한 안정한 사할로겐화물입니다. 가열하면 PbF2와 F2로 분해됩니다. 불소 또는 HF를 사용하여 납 화합물과 반응시켜 만들 수 있습니다. PbI4는 다른 사할로겐화물이 덜 안정적이기 때문에 발생하지 않습니다.
납 이할로겐화물은 결정질 고체로 냉수에는 거의 용해되지 않지만 뜨거운 물에는 훨씬 더 많이 용해됩니다. 감광성 요소 PbCl2 및 PbBr2는 전자기 스펙트럼 복사를 증착합니다.

3. 탄산납
자연에서 탄산납(II)은 화학 공식이 PbCO3인 세루사이트로 발견됩니다. NaHCO3는 저온에서 Pb(NO3)2 용액에서 이를 침전시킵니다. white-Pb라는 이름으로 흰색 안료로 사용되었습니다. 그러나 TiO2의 무독성 특성으로 인해 빠르게 대체되고 있습니다.

4. 납 아세테이트
Pb(CH3COO)2 또는 납 아세테이트는 단맛이 나는 백색 결정성 화합물입니다. 납, 아세트산, 과산화수소를 함께 끓여서 만든다. 그것은 의학에서 눈을 청소하는 데 사용됩니다. 또한 다양한 납 화합물 및 매염제를 만들기 위해 염색 공정에 사용됩니다.

 

납 제조 공정

납의 1차 제조에는 세 단계가 필요했습니다.

1. 광석 농도
납과 아연의 광석(일반적으로 sphalerite, ZnS)은 결합된 것으로 자주 발견되며 은, 구리 및 금을 포함할 수 있습니다. 광석은 먼저 점토 및 기타 규산염('맥석')에서 분리되어야 하며, 그 다음에는 납 및 아연 광석이 분리되어야 합니다.

사용된 방법은 납광석 농도를 점진적으로 높이는 일련의 단계를 포함하는 거품 부유선광입니다. 맥석(일반적으로 3-8% 납)을 함유한 광석은 미세한 모래와 같은 0.25mm의 입자 크기로 물로 처리됩니다. 그런 다음 물 및 거품제(세제)와 결합하고 공기로 격렬하게 교반하여 상단에 거품 거품이 있는 미세한 현탁액을 생성합니다.

일련의 탱크가 프로세스를 수행하는 데 사용됩니다. 납과 아연 광물은 맥석보다 쉽게 ​​젖지 않기 때문에 표면으로 운반되는 기포에 부착됩니다. 암석 입자가 가라앉으면서 납과 아연 광석을 걷어냅니다.

그런 다음 아연 광석은 납 광석에서 분리됩니다. 아연 광석은 가라앉고 납 광석은 물에 용해되는 억제제라는 화학물질(예: 황산아연)을 적용한 후 걷어냅니다. 황산구리(II)와 같은 시약을 추가한 후 아연 광석이 떠서 탈지될 수 있습니다. 부유선광 탱크의 납 광석 농축물은 이제 약 50%의 납과 약 0.1%의 은을 포함하는데, 이는 약간 유용한 비율입니다.

2. 제련
에너지 사용과 배출량이 낮은 단일 단계 기술도 활용되지만 제련은 일반적으로 2단계입니다. 석회석과 결합한 후 여과되고 농축된 광석은 공기 또는 산소가 풍부한 공기 중에서 움직이는 벨트에서 구워집니다. 황화물은 대부분 산화납(II)으로 변환됩니다. 이산화황 가스를 정제하여 황산 제조에 사용할 수 있습니다.

2PbS(s) + 3O2(g) = 2PbO(s) +2SO(s) + 2SO2(g)

소결은 산화납(II)을 가열하여 덩어리를 형성하는 과정입니다. 덩어리(소결체)는 철 고로와 유사하지만 더 작은 고로에서 처리하기에 적합한 크기로 파쇄 및 분류됩니다.

등급 소결의 각 덩어리는 약 7%의 코크스와 석회석과 혼합됩니다. 코크스는 두 가지 목적으로 첨가됩니다. 환원제와 철이 만들어지는 방식과 유사하게 용광로로 밀어넣은 공기와 반응할 때 열원입니다.

석회석은 불순물을 포함하는 슬래그 플럭스의 재료를 제공합니다. 납(II) 산화물은 혼합물이 고로 상부로 전달될 때 용융 납으로 전환됩니다. 환원제는 코크스에서 생성되는 탄소와 일산화탄소입니다. 용융 납은 용광로 바닥에서 두드려서 4톤 잉곳으로 주조하거나 '홀딩 케틀'에 넣어 정제 과정에서 금속 용융 상태를 유지합니다.

PbO(s) + C(s) = Pb(l) + CO(g)
Pb(s) + CO(g) = Pb(l) + CO2(g)

 

3. 정제
금괴는 녹는 지점까지만 가열됩니다. 구리 황화물과 고체 구리는 표면으로 올라와 걷어냅니다. 비소는 납을 공기로 분사하고 비소 산화물을 포함한 슬래그를 제거함으로써 제거됩니다. Parkes 절차는 표면에서 은을 제거하는 데 사용됩니다.

은이 풍부한 아연 껍질이 형성되고 약 2%의 아연이 납에 첨가된 후 제거됩니다. 740K(융점은 693K)에서 더 많은 아연이 추가되고 수조는 융점 바로 위까지 냉각됩니다. 고체 은/아연 크러스트는 냉각 중에 분리되어 표면으로 올라오며 지속적으로 제거됩니다.

863K에서 납을 '아연 제거 주전자'로 옮기면 아연이 제거됩니다. 탈은 납에는 아연이 약 0.6%, 은이 0.0004% 함유되어 있습니다. 아연이 기화되면 860K에서 진공 증류를 사용하여 아연을 탈지합니다.

마지막으로 수산화나트륨을 760K의 용융 납에 혼합하면 안티몬과 아연의 모든 잔류물이 제거됩니다(융점은 600K). 아연산 나트륨과 안티몬산염은 긁힌 용융 납 표면에 피부를 형성합니다. 정제된 납의 순도는 99.99%입니다.

 

납의 속성

▷ 납(Pb)은 부드러운 질감의 가단성이 높은 백색 광택 금속입니다.
▷ 부식에 강할 뿐만 아니라 금속은 우수한 전기 전도체입니다.
▷ 공기 중에서 태우면 분말 금속이 청백색 불꽃을 생성합니다.
▷ 불화납은 주변 온도에서 불소가 산소와 결합할 때 형성됩니다.
▷ 납의 녹는점은 327°C로 상당히 낮습니다.

 

납의 용도

▷ 납의 가장 일반적인 용도는 배터리와 납축전지에 있으며, 두 전극에 모두 납이 존재합니다. 양극 또는 음극은 리드 그리드로 형성되고 음극 또는 양극은 황산을 전해질로 하는 산화물 PbO2로 만들어집니다.
▷ 납 샷은 안티몬과 비소 합금 납으로 제조됩니다.
▷ 테트라에틸 납 Pb(C2H5)4의 형태로 납은 가솔린의 노크 방지제로 사용됩니다. 이 애플리케이션은 현재 전 세계 소비량의 겨우 1%를 차지합니다. 불과 수십 년 전만 해도 선두 시장에서 차지하는 비중이 20%에 달했습니다.
▷ 납판과 Terne 판(Pb-15 ~ 20% Sn 합금으로 덮인 강판)은 건설 분야의 지붕 재료로 사용됩니다.
▷ 납 시트(Cu-합금 Pb)는 "납 챔버"로 알려진 황산 생산 공정과 같은 화학 산업에서 내산성 라이닝으로도 사용됩니다.
▷ 또한 굴절률이 높은 부싯돌 유리로 만든 크리스탈 유리 및 무채색 렌즈에서 발견됩니다.
▷ 일부 군대 시설은 납을 함유하고 있으며 이는 방음 및 방사선 보호에도 사용됩니다.

 

납의 장점

▷ 납은 독성 때문에 덜 구매되며 이것은 자연스럽게 비용 절감으로 이어집니다.
▷ 납은 낮은 온도에서 녹기 때문에 작업하기 쉬워 납땜에 이상적입니다.

납의 단점

▷ 납은 매우 위험하기 때문에 납을 사용하면 지구 생태계와 더 중요하게는 물 공급을 오염시킬 수 있습니다. 특히 식수를 오염시키고 질병을 유발할 수 있어 인간의 건강과 생태계 파괴에 대한 위험도가 높습니다.