Lead

铅（符号Pb，源自拉丁语plumbum）是一种化学元素，原子序数为82。它是一种重金属，密度高于大多数常见材料，质地柔软、具有延展性，且熔点相对较低。新切割或熔化的铅表面呈银白色并带有蓝色调，但暴露在空气中会迅速变暗，呈现灰色。铅是原子序数最高的稳定元素，其三种天然同位素是涉及较重元素的主要放射性衰变系列的最终产物。作为后过渡金属，铅的反应性相当低。其微弱的金属特性体现在两性行为上——铅及其氧化物既能与酸反应也能与碱反应——并且倾向于形成共价键。铅化合物通常呈现+2氧化态，而非碳族较轻元素常见的+4态，有机铅化合物除外。与碳族较轻成员类似，铅能自身成键，形成链状和多面体结构。由于铅易于从矿石中提取，近东地区的史前人类就已认识它。其主要矿石方铅矿常含银，对银的需求推动了古罗马时期铅的广泛开采和使用。罗马帝国衰落后，铅产量下降，直到工业革命才恢复。铅对印刷术至关重要，因为活字可以轻松用铅合金铸造。2022年全球年产量约1200万吨，其中约三分之二来自回收。铅的高密度、低熔点、延展性和抗氧化性使其用途广泛。这些特性，加上相对丰富和低成本，导致其在建筑、管道、电池、子弹、铅弹、砝码、焊料、锡镴、易熔合金、铅涂料、含铅汽油和辐射屏蔽中大量使用。铅是一种神经毒素，会在软组织和骨骼中积累。它损害神经系统，干扰生物酶，并可能导致从行为问题到脑损伤的神经系统疾病，同时影响心血管和肾脏系统。其毒性被古希腊和罗马作家记载，但直到19世纪末才在欧洲被广泛认识。物理性质 原子 一个铅原子有82个电子，排布为[Xe]4f¹⁴5d¹⁰6s²6p²。移除其两个6p电子（第一和第二电离能）所需的总能量与锡（碳族中正上方的元素）相似。这很不寻常，因为电离能通常随族向下而降低，外层电子离核更远且屏蔽更强。然而，铅的前四个电离能之和高于锡，与周期趋势相反。这种异常源于相对论效应，在重原子中变得显著。这些效应收缩了s和p轨道，使铅的6s电子结合能强于5s电子。这导致了惰性对效应，即6s电子不易成键，稳定了+2氧化态，并导致结晶铅中最近原子间距离异常长。较轻的碳族元素形成具有四面体配位、共价键合的金刚石立方结构的稳定或亚稳态同素异形体。在这些元素中，s和p轨道能级足够接近，可以混合成四个sp³杂化轨道。在铅中，惰性对效应使s和p轨道之间的分离如此之大，以至于杂化获得的能量无法弥补差距。铅不是形成金刚石立方结构，而是形成金属键，其中只有p电子离域并在Pb²⁺离子之间共享。因此，铅采用面心立方结构，类似于二价金属钙和锶。块体 纯铅具有明亮、闪亮的灰色外观，带有微弱的蓝色调。它在潮湿空气中失去光泽，形成暗淡的表面，颜色取决于条件。铅的特点是密度高、延展性好、可塑性强，以及由于钝化而具有耐腐蚀性。其密堆积面心立方结构和高原子质量使铅的密度为11.34 g/cm³，高于常见金属如铁（7.87 g/cm³）、铜（8.93 g/cm³）和锌（7.14 g/cm³）。这种高密度是短语“像铅气球一样沉下去”的起源。一些稀有金属密度更高：钨和金均为19.3 g/cm³，而锇（已知最致密的金属）为22.59 g/cm³，几乎是铅密度的两倍。铅很软，莫氏硬度为1.5，可用指甲划痕。它非常具有延展性，中等可塑性。其体积模量（抗压缩性度量）为45.8 GPa，而铝为75.2 GPa，铜为137.8 GPa，低碳钢为160–169 GPa。铅的抗拉强度很低，为12–17 MPa（约为铝的六分之一，铜的十分之一，低碳钢的十五分之一）。通过添加少量铜或锑进行合金化可提高其强度。铅在327.5 °C（621.5 °F）熔化，熔点相对大多数金属较低，在1749 °C（3180 °F）沸腾，是碳族元素中最低的。其在20 °C时的电阻率为192纳欧·米，几乎是良导体如铜（15.43 nΩ·m）、金（20.51 nΩ·m）和铝（24.15 nΩ·m）的十倍。铅在7.19 K以下成为超导体，这是I型超导体中最高的临界温度，也是元素超导体中第三高的。天然铅由四种稳定同位素组成。