本文是《自然-化学》元素故事系列的第42篇文章:字里行间的铅
原文作者:SomobrataAcharya,印度科学培养协会
SomobrataAcharya探索了铅的历史、性质及应用。作为一种古老的金属,铅与现代科技依旧息息相关,但使用铅时也需要谨慎小心。
铅是人类最早了解的金属之一。第82号元素的历史最早可以追溯到公元前年的新石器时代的聚落加泰土丘(位于现今土耳其中部)。希伯来语的opheret和古希腊语的molybdos这两个词在旧约的英文翻译中就写成铅。
作为一种在整个古代世界都很常用的金属,人们认为铅也被用在古巴比伦的“空中花园”中作为覆盖物来保存水分。铅这种柔韧且易于延展的重金属储量丰富,易于使用;而且,它的性质还可以通过与其他金属(如铜或锑)形成合金来加以调整。这些性质使铅具有广泛的应用,比如用来制作遍及罗马帝国的水管。铅在工业革命中也发挥了关键作用。
铅的符号Pb来源于其拉丁文名称plumbum,实际上这个词一般指的是广泛意义上的软金属。事实上,在十六世纪以前,铅和锡都没有明确的区分,当时铅被称为黑铅(plumbumnigrum),而锡被称为白铅(plumbumcandidum)。这个拉丁词根在其他语言中至今依然存在,比如法语的“铅plomb”,英语的“水管工plumber”、“水管plumbing”——铅的高耐腐蚀性使它成为常用的管材。
纯铅是青白色的,并且具有明亮光泽。当没有已知的同素异形体干扰时,铅会结晶成面心立方结构的晶体。暴露在潮湿的空气中后,纯铅的光泽会很快因为表面形成的铅氧化物而消失。这层氧化物会保护内部的金属。自然界中的铅很少以单质形式存在,但常与其他金属一起形成矿石——地壳中最丰富的铅矿石是方铅矿(PbS)。自然形成的铅是铀和钍在经过氡-的放射衰变过程之后产生的。铅有四种稳定的同位素(铅-、铅-、铅-和铅-),其中前三种被用于推测岩石的年龄。铅化合物主要存在+2和+4两种氧化态,前者更常见。
早期从矿石中提取铅的方法(如图)需要在空气中焙烧矿石。这会将铅硫化物转化为铅氧化物和铅硫酸盐,之后再将这些产物与石灰石和焦炭一起熔炼以获得粗铅。今天,铅的年产量中大约有一半来自采矿业,其余则来自回收。
来源
MARYEVANSPICTURELIBRARY/ALAMY
铅化合物与现代技术中几个至关重要的发现有关。年,F.Braun在金属与方铅矿的点接触中发现了整流性质。年,J.C.Bose用方铅矿探测到了电磁波,这是无线电发展的一个关键事件。基于铅的硫族化合物(即硫化物、硒化合物和碲化合物)的红外探测器代表了红外技术的一大重要进步,这被用于夜视设备以及化学家们使用的光谱分析技术。
铅的硫族化合物还具有较低的直接带隙,并可通过改变晶粒的大小来调整带隙,从而能覆盖非常广的光谱范围。这种现象被称为量子限域效应。这也是很多设备的理论基础,如场效应晶体管、太阳能电池和光电探测器。
铅的广泛生产和消费一直持续到二十世纪,它被用于汽油、铅酸蓄电池、油漆、辐射屏蔽并在聚乙烯塑料工业中作为稳定剂。然而,无论是急性中*,还是更常见的长期接触,人类都很容易受到铅*性的影响。铅会在人体内累积,干扰各种生理过程,并导致具有多种症状的神经*性效果。早在古罗马时期,由于“铅糖”(醋酸铅)饮料和铅供水管道的使用,使得当时产生了多种与铅有关的疾病。但是这些早期警告直到二十世纪中叶才转变为实际行动。从那时起,许多国家都开始密切