鉛

鉛（Pb）是一種位于元素周期表第六周期IV主族的重金屬元素，其原子序數為82，原子量為207.21。作為碳族元素的一員，鉛與碳、硅、鍺和錫同屬一個家族。在物理特性上，鉛展現出較小的硬度、較大的密度以及較低的熔點。然而，它對電和熱的傳導性能并不理想。此外，高溫下鉛易于揮發，且液態流動性強。在常溫環境下，潮濕或含二氧化碳的空氣中會形成暗灰色覆蓋膜；當加熱時，鉛易被氧化，并且可溶于硝酸和醋酸溶液。值得注意的是，鉛作為一種有毒物質，對人體具有顯著毒性并可在體內累積。由于無法降解的特性，排放到環境中的鉛將長期保持其可用性，從而對多種生物組織構成潛在威脅，因此被認為是一種嚴重的污染物。

從歷史的角度來看，人類早期便開始使用鉛這種金屬。現代提煉鉛的過程通常涉及硫化礦或氧化礦的選擇與凈化，以去除雜質并獲得純金屬鉛。在當代工業中，純鉛主要用于生產各種合金材料，這些合金廣泛應用于電池制造、電纜護套、化工設備、電子工業、高溫焊料、軸承合金及模具合金等領域。

鉛是一種在地殼中相對稀缺的元素，其豐度僅為0.0010%，但它容易形成礦體并廣泛分布于地殼之中。作為親硫元素，鉛主要以原生方鉛礦和次生白鉛礦的形式存在，且較少形成硅酸鹽礦物。由于大多數鉛礦床屬于低溫熱液型礦床，它們常與閃鋅礦共生，形成鉛鋅混合礦床。

全球范圍內，鉛鋅礦資源分布廣泛，目前已在50多個國家發現此類礦床。根據美國地質調查局的數據，截至2015年底，全球已探明的鉛資源量超過20億噸。這些資源主要分布在大洋洲、亞洲、北美洲和南美洲，其中美國、澳大利亞、中國、加拿大、秘魯和墨西哥等國家擁有較大的儲量。

在全球范圍內，勘查和開采鉛鋅礦的主要類型包括噴氣沉積型、密西西比河谷型、砂頁巖型、黃鐵礦型、矽卡巖型以及熱液交代型脈型等。其中，前四種類型占據了世界總儲量的85%以上。特別是噴氣沉積型礦床，不僅儲量豐富，而且品位較高，因此受到各國的高度關注。

中國鉛資源廣泛分布于多個地區。青海錫鐵山、湖南臨湘桃林等地的大型高品位鉛鋅混合礦，屬前震旦紀變質巖礦床。云南、貴州等多地的中小型鉛鋅混合礦多為碳酸巖類中礦床。湖南水口山等地及云南個舊等地的鉛鋅混合礦品位較高，儲量規模不一，屬多金屬共生礦體。江西東北部硅酸巖中有大型扁豆狀鉛礦床，廣東凡口、甘肅廠壩等也是大型鉛礦資源，小秦嶺地區鉛礦床含金高且規模大，備受關注。

鉛是一種重金屬元素，其原子序數為82，電子層結構為6s26p2。該元素具有面心立方晶格結構，晶格常數為494.9皮米，鄰近Pb-Pb之間的距離為349皮米。外觀呈淡藍灰色，并在干燥環境下展現出金屬光澤。純鉛的莫氏硬度為1.5，是所有重金屬中最軟的一種，表面可輕易被指甲劃傷。當含有雜質時，其硬度會提升而韌性下降。盡管鉛的展性好，能夠制成薄片，但其機械強度和彈性較低，不適合拉制成絲。

在導電和導熱性能方面，鉛表現較差，且在高溫下易于揮發，其蒸氣有毒。液態鉛的密度隨溫度升高而降低，流動性良好并具有強滲透性，粘度也會隨溫度上升而減小。由于鉛的高原子序數和密度，它對射線的吸收和散射能力較強，因此在防護X射線和伽瑪射線方面非常有效。

鉛，作為一種典型的銀灰色重金屬，在自然環境中表現出獨特的化學性質。新切開的鉛表面最初呈現金屬光澤，但很快會因與空氣中的成分反應而形成一層氧化鉛和堿式碳酸鉛的覆蓋層，導致表面迅速變為暗灰色。這種覆蓋層雖然改變了鉛的外觀，但實際上為內層的金屬鉛提供了保護，阻止了進一步的氧化。

從化學活性的角度來看，鉛屬于中等活潑的金屬，并具有兩性元素的特征，能夠展現+2和+4的氧化數。其中，+2價的鉛化合物比+4價的更為穩定。特別是+4價的氧化態鉛，它是一種強氧化劑，傾向于獲得兩個電子以達到相對穩定的6s2構型。

在常溫下，鉛能與空氣中的氧反應，在其表面生成一層氧化膜，這一過程導致鉛失去原有的金屬光澤，并呈現出暗灰色。當溫度升高時，鉛與氧的反應速率顯著加快，直接形成氧化鉛。此外，鉛還能迅速與空氣中的氧、水和二氧化碳發生反應，形成一層致密的堿式碳酸鹽保護層[3PbCO?·Pb(OH)?]，這進一步增強了其對內層金屬的防護作用。

值得注意的是，盡管鉛在純水中不發生反應，但在有空氣存在的情況下，它卻能與水反應生成氫氧化鉛[Pb(OH)?]。特別是在與硬水接觸時，由于硬水中包含硫酸鹽、碳酸鹽和碳酸氫鹽等成分，這些物質會在鉛表面形成一層不溶性的鹽，從而阻止了鉛與水之間的進一步反應。

鉛的化學性質使其在多種環境條件下都能表現出一定的穩定性和防護能力，這對于其在工業和科研領域的應用具有重要意義。

鉛在硝酸溶液中易溶，生成可溶性的硝酸鉛。它也可以溶解在醋酸中，形成可溶性的醋酸鉛。鉛幾乎不與稀鹽酸和稀硫酸反應，因為其產物氯化鉛和硫酸鉛溶解度較小，覆蓋在鉛表面，阻止進一步的酸接觸。然而，鉛在沸鹽酸和發煙硫酸中會緩慢溶解。

在強堿溶液中，鉛緩慢溶解，生成亞鉛酸鹽，并放出氫氣。

室溫下，鉛與氟氣(F?)反應生成氟化鉛(PbF?)，加熱時能與氯氣(Cl?)反應生成氯化鉛(PbCl?)。

鉛具有四種穩定的同位素，包括2??Pb、2??Pb、2??Pb和2??Pb。由于這些同位素的質量較重且相對質量差異較小，它們在次生過程中不易受到溫度、壓力、pH值、氧化還原電位（Eh）及生物活動的影響而發生顯著變化。因此，鉛同位素組成可作為環境污染物質的來源指紋特征，常用于追蹤污染源。自20世紀60年代以來，Chow等人測定了北美汽油和煤的鉛同位素組成來示蹤鉛污染來源。從20世紀90年代開始，鉛同位素示蹤技術被廣泛應用于環境樣品分析中，以監測和研究鉛的來源變化，并評估大尺度范圍內鉛污染物的遷移路徑。

鉛的無機化合物主要包括氧化物、氫氧化物及其鹽類。其中，一氧化鉛（PbO），又名密陀僧，是一種有毒的中藥成分，存在紅色和黃色兩種變體。PbO具有兩性，可以與酸和堿反應，主要用于制造鉛蓄電池、鉛玻璃以及作為合成其他化合物的原料。

二氧化鉛（PbO?）呈棕黑色固體，在溫度達到300°C時分解為一氧化鉛和氧氣。該物質為兩性氧化物，能與氫氧化鈉或冷鹽酸反應生成鉛鹽。在工業應用中，二氧化鉛主要被用于制造鉛蓄電池。

四氧化三鉛（Pb?O?），俗稱鉛丹或紅丹，是一種鮮紅固體，屬于+2、+4價鉛的混合價氧化物。因其具備氧化性，Pb?O?廣泛應用于鉛玻璃和鋼材涂料領域。涂覆于鋼材表面后，有助于鋼鐵表面鈍化，從而增強防銹蝕效果。因此，它常被用于油漆船舶和橋梁鋼架，同時也廣泛用于陶瓷、火柴、油漆等輕工業中。

三氧化二鉛（Pb?O?）為橙色固體，可視為PbO和PbO?的復合氧化物。

氫氧化鉛（Pb(OH)?）是鉛（Ⅱ）鹽與強堿反應生成的白色沉淀物。當堿過量時，氫氧化鉛能夠溶解，表明其為兩性氫氧化物。氫氧化鉛既能溶于硝酸、醋酸，也能與堿發生反應。

鉛鹽通常難溶于水和稀酸，且其沉淀多具有特定的顏色。例如，PbCl?、PbSO?和PbCO?呈白色，PbI?為金黃色，PbCrO?為黃色，而PbS則為黑色。不同鉛鹽在特定溶劑中的溶解性各異：PbCl?可溶于熱水和濃鹽酸；PbSO?能溶于濃硫酸或飽和的醋酸銨溶液以及強堿中；PbI?則溶于沸水或KI溶液；PbS能溶于酸但不溶于堿。因其特征性的黑色及極低的溶解度，PbS被用于《中國藥典》中檢查藥物中的微量重金屬鉛。

有機化合物方面，由于鉛的金屬性強而共價性較低，C-Pb鍵較弱，因此含鉛有機化合物數量有限，且穩定性較差。這些有機鉛化合物的穩定性主要由分子中有機基團的性質和數量決定。

烷基鉛是一類含鉛有機化合物，其穩定性受分子結構影響顯著。

四甲基鉛和四乙基鉛屬于有機鉛化合物，分別具有特定的物理性質和溶解度特征。這些烷基鉛化合物在含鉛汽油中作為抗震劑被廣泛應用。乙酸鉛是一種有毒的白色結晶體，具有多種工業用途，包括制備鉛鹽、抗污涂料、水質防護劑等。硬脂酸鉛則是另一種有機鉛化合物，其具體性質和應用需進一步說明。

硬脂酸鉛，也稱十八酸鉛，為白色或微黃色粉末，具備毒性且可燃。該物質不溶于乙醇，但微溶于水，可溶于乙醚，遇強酸會分解產生硬脂酸及相應的鉛鹽。硬脂酸鉛在多個領域有重要應用，如作為聚氯乙烯（PVC）等塑料的半透明耐熱穩定劑，潤滑脂的增厚劑，油漆的平光劑及催干劑，以及聚氯乙烯-玻璃布層壓板的潤滑劑等。

關于鉛的生產，其方式可大致劃分為傳統法和直接煉鉛法兩大類。傳統法主要包括燒結和鼓風爐熔煉；而直接煉鉛法則省去了硫化鉛精礦燒結步驟，直接將生精礦投入爐中進行熔煉。直接煉鉛法進一步可分為熔池熔煉和閃速熔煉兩種類型。其中，熔池熔煉包括德國魯奇公司開發的QSL法、澳大利亞的氧氣頂吹浸沒熔煉法、瑞典波利頓公司的卡爾多法，以及中國在20世紀80年代開發的水口山法（又稱氧氣底吹熔煉法SKS）；閃速熔煉法則包括前蘇聯的基夫賽特法和中國自行研發的鉛富氧閃速熔煉法。

在冶金領域，直接煉鉛技術不斷革新以適應高效生產與環境保護的雙重需求。其中，基夫賽特法脫穎而出，成為行業內關注的焦點。該方法由前蘇聯有色金屬科學研究院研發，以其技術成熟度高、生產過程穩定及較低的投資成本而著稱，代表了當前直接煉鉛技術的先進水平。

基夫賽特法的核心在于其獨特的設備設計——基夫賽特爐。該爐集成了多項創新技術：帶有火焰噴嘴的反應塔確保物料充分反應；填充焦炭過濾層的熔池有效提升了金屬回收率；立式余熱鍋爐則實現了能量的高效回收利用；而鉛鋅氧化物的還原揮發電熱區則進一步優化了冶煉過程。這一系列設計不僅提高了生產效率，還顯著降低了能耗和污染物排放，體現了該工藝在環保與經濟性上的雙重優勢。

鉛

值得注意的是，盡管基夫賽特法在技術上取得了顯著進步，但在實際應用中仍面臨挑戰。例如，如何進一步提高二氧化硫的濃度以滿足制酸工藝的要求，以及減少殘硫和重金屬污染等問題仍需持續探索解決方案。此外，雖然該技術在一定程度上改善了工作環境，但仍需加強職業健康防護措施以保障操作人員的健康安全。

QSL法是由德國魯奇公司研發的直接煉鉛工藝，核心設備為QSL爐。該爐呈臥式長圓筒形，可轉動，并分為氧化區與還原區。QSL法的優勢在于設備簡化且能在同一設備內完成鉛的生產全過程；同時，對原料有較好的適應性，能夠處理電池糊、鉛銀渣等高含鉛量的二次物料。

卡爾多爐（Kaldo）法則是瑞典波利頓公司開發的一種鉛冶煉技術。該技術利用卡爾多頂吹回轉爐，在富鉛精礦熔煉過程中采用氧氣頂吹的方式。卡爾多爐設計為一臺傾斜的氧氣頂吹轉爐，其操作流程包括加料、氧化、還原及放渣/放鉛四個步驟，均在同一爐內周期性進行。整個作業過程分為氧化和還原兩個階段，其中氧化階段可實現自熱，而還原階段則需要額外添加重油以維持反應。然而，該方法存在一些不足之處：如周期性間斷操作導致作業復雜性增加；不利于二氧化硫的有效回收利用；此外，爐襯耐火材料的使用壽命較短，加之工藝本身能耗較高。

水口山（SKS）法則是另一種重要的煉鉛工藝。

水口山（SKS）法是北京有色冶金設計研究總院和水口山礦務局共同開發的技術，基于半工業性試驗和QSL法技術的吸收。該技術將氧化與還原過程分開，通過兩個設備進行，以實現更高效的鉛冶煉。其特點包括流程短、便于制酸及解決環境污染問題；冶煉設備的密封性減少了操作人員鉛中毒的風險；對原料的適應性較強。然而，該技術也存在一些不足，如制氧設備能力有限且不配套，噴槍壽命較短。

在化工和冶金領域，由于其高度化學穩定性，鉛常被用作防腐襯里和防護材料，以及作為電纜的保護包皮。此外，鉛也是多種合金的重要原料，包括印刷合金、軸承合金、焊料合金、低熔點合金和鉛銻合金等。隨著核工業的發展，鉛在X射線和原子能裝置中的應用日益廣泛，尤其是在防輻射方面的需求不斷增加。

鉛的主要用途是制作鉛酸蓄電池。自1859年法國物理學家普蘭特發明以來，鉛酸電池已有150多年的歷史。作為全球產量最大的電池產品，鉛酸電池憑借其成熟的技術、低廉的材料成本、優異的回收能力、可靠的充放電性能、易維護性和使用安全性，以及高單電池電壓等優勢，在市場競爭中占據顯著地位。目前，95%的電動自行車、三分之二的通信備用電源以及90%以上的汽車SLI應用均采用鉛酸電池作為動力來源或備用電源。因此，鉛酸電池在交通、通信、電力、軍事、航海、航空和航天等多個經濟領域發揮著至關重要的作用。