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铅(lead)
简介 元素周期表第6周期ⅣA族元素，为重有色金属。元素符号Pb，原子序数82，相对原子质量207.2，面心立方晶体,常见化合价为+2、+4。金属铅在室温下的新断面呈银白色金属光泽。
铅是人类较早冶炼并使用的金属之一，埃及保存有公元前6000多年的金属铅。中国发现最早的是河南偃师二里头遗址出土的铅块，它存在于距今约3500至4000年。在商代和西周的墓葬中出土了铅制的爵、觚、尊、鼎和戈。但直到17～18世纪铅才开始较大规模生产，主要产铅国家有美国、前苏联、日本、德国、英国、中国等。
北美于1621年开始采炼铅矿。欧洲于17世纪开始有大规模生产铅的记载。1800年欧洲产铅约两万吨，其中一半产于英国。
性质铅原子的外电子层构型为[Xe]4f145d106s26p2，当形成化合物时可失去6p轨道的2个电子，也可同时失去6s轨道的2个电子，故有+2或+4两种价态，常温下以十2价为主。
铅有4个天然同位素，其质量数为204、206、207、208，半衰期最长的为22a，最短的只有28.8min。
铅在常温的干空气中不起化学变化，但在潮湿的和含有CO2的空气中其表面被PbO2覆盖薄膜，后慢慢反应生成暗灰色的3PbCO3•Pb(0H)2。铅在加热熔化时最初氧化为PbO2，继续升温分解为PbO，升温到603～723K时生成Pb304(即铅丹)。Pb203或Pb304在高温下易离解生成稳定的PbO。
铅在SO2中非常稳定，铅几乎不与纯的CO2作用，普通水对铅的腐蚀很轻微。铅易溶于硝酸、硼氟酸、硅氟酸和醋酸，常温下难溶于硫酸、盐酸、氢氟酸。铅。铅能溶于硝酸银溶液，其他的硝酸盐和氯化物会腐蚀铅。钾、钠、铁、氨的硫酸盐和钾的碳酸盐、氰化物溶液对铅不起作用。
铅广泛用于制造铅合金。铅合金大量用于制造蓄电池极板,铅管和铅板用作防腐材料。铅对X射线和γ射线有良好的吸收性,广泛用作X光机和原子能装置的防护材料。汽油内加入四乙基铅[Pb(CH)]可提高其辛烷值。用作颜料的铅化合物有铅白[2PbCOPb(OH)]、铅丹(PbO)铅黄(PbCrO)密陀僧(PbO)等。盐基性硫酸铅、磷酸铅和硬脂酸铅用作聚氯乙烯的稳定剂。
资源铅的矿物有原生硫化矿和次生氧化矿两种。硫化矿的主要矿物为方铅矿(PbS)，常和闪锌矿(ZnS)、辉银矿(AgS)、黄铁矿(FeS)等共生。氧化矿主要有白铅矿(PbCO)和硫酸铅矿(PbSO)。方铅矿是生产铅的主要矿物。
世界铅矿资源较丰富的国家有美国、加拿大、苏联、澳大利亚和墨西哥等。中国铅矿资源也较多，分布于湖南、广西、广东、江西、江苏、云南、青海、甘肃、陕西等省区，著名的矿山有水口山、凡口、桃林等。1979年世界(中国除外)矿山产铅量和铅储量见下表[世界矿山产铅量和铅储量(千吨)]。
性质和用途铅是最软的重金属，也是比重大的金属之一，展性良好，易与其他金属制成合金。
铅的主要物理性质
铅在空气中表面氧化，生成氧化铅膜。在潮湿并含有二氧化碳的空气中，则生成碱式碳酸铅。这些生成物都能阻止铅继续氧化。铅是两性金属,可形成铅酸盐铅能和HCl或HSO作用,形成几乎不溶的PbCl或PbSO,从而防止铅继续被腐蚀。
铅的晶体结构为立方晶格。铅的密度大、硬度小、熔点低、沸点高，对电和热的传导性能差，可吸收放射线，故用于制造放射性物质的容器和用作防护材料。铅的主要物理性质如表1。
化合物 铅及其化合物有毒。铅的化合物种类很多，具有工业价值的主要化合物有PbS、PbO、PbSO4、PbCl2。
用途 铅是制造蓄电池、电缆、子弹和弹药的原材料，也是汽油的添加剂。铅化合物用作颜料、玻璃、塑料和橡胶的原料。由于金属铅具有优良的耐酸、碱腐蚀性能，广泛用于制造化工和冶金设备。铅合金用作轴承、活字金和焊料等。此外，铅也开拓了一些新的用途。如用作沥青的稳定剂，以延长路面使用寿命；用于制造核电站屏蔽和核废料贮罐，电业部门调整负荷的大功率蓄电池组，及磁流体动力学装置等。
炼铅原料 铅的地壳丰度为13×10-4%，较铜、锌、锡小。自然界中最主要的铅矿是硫化矿，其次是氧化铅矿。硫化铅矿主要组成为原生的方铅矿(PbS)。但单一的硫化铅矿很少，常与闪锌矿伴生，合称铅锌矿。另外的伴生矿物常有辉银矿(Ag2S)、黄铁矿(FeS2)、黄铜矿(CuFeS2)、硫砷铁矿(FeAsS)、辉铋矿(Bi2S3)及铟、锗、镓、铊、碲等稀散元素的矿物。铅锌矿成分复杂，要预先经过选矿富集方宜进行冶炼。氧化铅矿主要由白铅矿(PbCO。)和铅钒(PbSO。)组成，属次生矿，多出现在硫化矿的上层，或与硫化矿共生。含铅废杂料也是生产铅的重要资源。
提取冶金 铅的提取冶金分火法炼铅和湿法炼铅两类方法，在工业生产中只用前者，后者仍处于试验研究阶段。传统的火法炼铅方法一般包括铅精矿烧结焙烧、铅熔炼、粗铅火法精炼或(铅电解精炼)三大环节。铅再生也属火法炼铅范畴。传统的铅熔炼方法以鼓风炉还原熔炼法炼铅的应用最为广泛。用这种方法生产的铅占总产铅量的85%。鼓风炉还原熔炼法炼铅是一种用焦炭作还原剂把铅的氧化物还原为粗铅的方法，此法须先经烧结焙烧把硫化铅精矿中的大部分PbS转变成PbO，并使烧结焙烧料烧结成块。铅熔炼产出的粗铅还含有很多杂质，需经火法精炼或电解精炼才能获得达到产品质量标准、满足用户要求的精铅，并回收粗铅中的有价金属。粗铅火法精炼在当今的铅精炼中占主导地位。
1、硫化铅精矿炼铅主要包括烧结焙烧、鼓风炉熔炼等过程，流程见图1。
图1
烧结焙烧使精矿中的PbS氧化为PbO，并烧结成块。烧结块含铅40～50%,含硫低于2%。一部分二氧化硫浓度高的焙烧烟气可用于生产硫酸。
还原熔炼将破碎成100毫米左右的烧结块配以10%左右的焦炭装入鼓风炉，从炉的下部鼓入空气或预热空气(250～450)或富氧空气，使焦炭燃烧，保持风口区的温度在1300左右，含有CO的高温烟气在炉内向上运动，在此过程中，使炉料中的氧化铅还原成铅，氧化铁等形成炉渣。液体铅和炉渣流入炉缸，进行分离。铅液在向下流动过程中捕集金、银、铜、铋等金属。所得含铅约98%的粗铅，送往精炼。炉渣含锌高时，经烟化炉处理回收锌、铅。
2、粗铅精炼分火法精炼和电解精炼。火法精炼的基建投资省，生产费用低，为世界许多炼铅厂采用；电解精炼除铋效果好，粗铅含铋高时，宜采用电解精炼。
火法精炼包括：①熔析精炼和加硫除铜。熔析是利用铜在铅中的溶解度随温度的降低而减小的特性，降温除去部分铜，加硫是使铜生成CuS进一步除去。经过这两段作业，铅中含铜可降至0.001～0.002%。②碱性精炼除砷、锡、锑。除铜后的铅液不断流经熔融的氢氧化钠和氯化钠，同时加入硝石(NaNO)作氧化剂，使砷、锡锑分别氧化生成砷酸钠(NaAsO)锡酸钠(NaSnO)和锑酸钠(NaSbO),溶于氢氧化钠和氯化钠的混合熔体中而与铅分离。③加锌除银。加锌于含银的铅液，生成浮于铅液表面的“银锌壳”(见派克斯法)。银锌壳一般比粗铅含银高20倍，是提取银的原料。铅液中残存的锌(0.6～0.7%),可用碱性精炼法或氯化精炼法除去。真空蒸馏除锌法也已被一些工厂采用。④加钙、镁除铋。在一定温度下铋与钙可生成BiCa和BiCa,铋与镁可生成Bi[hjm]g，此法可使铅中的铋降至0.01～0.02%。
火法精炼作业都可在铸铁制的精炼锅内进行。氧化法除锌也可使用反射炉。
电解精炼粗铅中的铜、锡等杂质,对电解有害,电解前先用火法初步精炼，以除去铜、锡。电解时阳极中须含有千分之几的锑，以便使阳极泥致密而不脱落，故在铸造阳极前须调整铅液中的含锑量。电解以火法初步精炼的粗铅为阳极,以电解精铅薄片为阴极,在硅氟酸铅和硅氟酸溶液中进行。电解液一般含Pb80～120克/升、HSiF80～100克/升。电解液温度30～45，电流密度160～250安/米，同极中心距75～110毫米,槽电压0.45～0.5伏，电流效率约92～98%,每吨阴极铅的电能消耗为120～160千瓦小时。
炼铅新工艺由于PbS熔点低而造成的焙烧脱硫困难,要求烧结机进料含硫保持在5～7%,为此需配入3.5～4倍于原料量的返粉,这就不仅降低了设备能力，同时也限制了烟气二氧化硫浓度的提高，为二氧化硫的回收带来困难，而且返粉的制备须经烧结块冷却、多段破碎、运输、配料等过程，从而加剧了铅尘和烟气对环境的污染。为此,60年代以来,许多国家先后研究了多种直接处理铅精矿产出粗铅的新方法,以取代传统的烧结机-鼓风炉流程。基夫塞特法(KIVCET)──氧气闪速熔炼、电炉贫化炉渣，正在建设生产厂。氧化顶吹旋转转炉(TBRC)炼铅方法，已为瑞典的炼铅厂所采用。氧气底吹炼铅法(QSL)正在进行工业试验，奥托昆普(Outokumpu)闪速熔炼炼铅法──氧气闪速熔炼、电炉插以还原喷枪贫化炉渣，已完成中间试验工厂。此外，用氯盐浸出铅精矿的湿法炼铅的研究也取得了一些进展。
再生铅蓄电池用铅量在铅的消费中占很大比例，因此废旧蓄电池是再生铅的主要原料。有的国家再生铅量占总产铅量的一半以上。
再生铅主要用火法生产。例如,处理废蓄电池时,通常配以8～15%的碎焦，5～10%的铁屑和适量的石灰、苏打等熔剂，在反射炉或其他炉中熔炼成粗铅。
铅毒 铅的蒸气和粉尘容易通过呼吸道和食道进入人体，铅和氧化铅溶于血液引起中毒，常有贫血、腹痛、痉挛、眼和肾受损害等症状。铅生产过程中应注意环境保护，加强烟气净化除尘，发现生产人员体内含铅量高时，应治疗排铅。
铅污染 在所有已知毒性物质中，书上记载最多的是铅。古书上就有记录认为用铅管输送饮用水有危险性。公众接触铅有许多途径。近年来公众主要关心石油产品中含铅问题。颜料含铅，特别是一些老牌号的颜料含铅较高，已经造成许多死亡事件，因此有的国家特别制定了环境标准规定颜料中铅的含量应控制在600PPM之内。
有的国家还没有制定出标准，但是市场出售高铅含量颜料时贴出标签警示用户。食品中也发现铅的残留，或是空气中的铅降下污染食物，或是罐头皮的铅污染罐头食品。铅的另外一个重要来源是铅管。几十年以前建筑住宅时用铅管或铅衬里管道，夏天的天然冰箱也用铅衬里，这些年已经禁用，改用塑料或其它材料。
一般饮用水中铅含量的安全界限是100微克/升，而最高可接受水平是50微克/升。后来又进一步规定自来水中可接受的铅最大浓度为50微克/升(0.05毫克/升)。此外，为了研究铅对人体健康的影响，科学家着手检测人体血样的铅浓度，作为是否铅中毒的先期指标。数据表明：如果饮用水接近50微克/升，那么该病人血样的铅浓度约在30微克/升以上。吃奶的婴儿要求应该更为严格，平均血铅浓度要不超过10--15微克/升。
水厂处理水过程中可能加入钙和重碳酸盐以保持水呈碱性，继而减少水对输水管道的腐蚀，这个过程会带来新的风险。但是腐蚀问题很复杂，不是如此这般所能解决的，应该总体净化，但又价格昂贵。
许多化学品在环境中滞留一段时间后可能降解为无害的最终化合物，但是铅无法再降解，一旦排入环境很长时间仍然保持其可用性。由于铅在环境中的长期持久性，又对许多生命组织有较强的潜在性毒性，所以铅一直被列为强污染物范围。
急性铅中毒目前研究的较为透彻，其症状为：胃疼，头痛，颤抖，神经性烦躁，在最严重的情况下，可能人事不醒，直至死亡。在很低的浓度下，铅的慢性长期健康效应表现为：影响脑子和神经系统。科学家发现：城市儿童血样即使铅的浓度保持可接受水平，仍然明显影响到儿童智力发育和表现行为异常。我们只有降低饮用水中铅水平才能保证人们对铅的摄取总量降低。无铅汽油的推广应用为降低环境中的铅污染立了大功，特别是降低了大气中的颗粒物中的铅。
铅与颗粒物一起被风从城市输送到郊区，从一个省输送到另一个省，甚至到国外，影响其它地区，成了世界公害。科学家在北美格陵兰地区的冰山上逐年积冰的地区打钻钻取冰柱，下层的年头久远，顶层的年头捱近，易不同层次测定冰的铅含量。结果表明：1750年以前铅含量仅为20微克/吨；1860年为50微克/吨；1950年上升为120微克/吨；1965年剧增到210微克/吨。近代工业的发展，全球范围的污染日趋严重。
展望 传统的火法炼铅法存在对环境污染严重、原料中的硫难以回收、能耗大和生产效率低等问题，自20世纪50年代以来世界一些国家竞相研究直接炼铅法，以取代传统的火法炼铅法。到90年代已进行工业生产或半工业试验的有基夫赛特炼铅法(KIVCET-CS)、氧气底吹炼铅法(QSL)、艾萨熔炼法炼铅(ISA)、闪速熔炼法炼铅等。这些直接炼铅法的共同特点是不要经过单独的烧结焙烧处理，基本实现自热熔炼，烟气便于制酸，对环境污染程度轻，从发展看，有可能取代传统的火法炼铅法。