82 铅蓄电池的元素

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2019/11/6
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本文作者：漂泊

铅是制造蓄电池、电缆和子弹的元素，也可以用于汽油的添加剂。由于铅及铅合金具有优良的耐酸、碱腐蚀性能，它也广泛用于制造化工和冶金设备。但是由于铅对人体的巨大危害性，铅污染造成的环境问题亟待解决。

铅的基本物理性质

分类	第ⅣA族▪金属
原子序号・原子量	82 (207.2)
电子配置	6s²6p²
密度	11.3437 g/cm³
熔点	327^oC
沸点	1750^oC
色・形状	蓝灰色金属
丰度	14 ppm（地壳）
发现者	古人
主要的同位素	²⁰⁴Pb,²⁰⁶Pb,²⁰⁷Pb,²⁰⁸Pb
用途例	铅蓄电池、电缆
前后的元素	铊-铅-铋

铅的发现

铅是人类较早提炼出来的金属之一，早在公元前三千年左右就被人类发现并应用。小亚细亚发现的小铅珠可以追溯到公元前7000-6500年，在埃及，早在前王朝时期（早于公元前3000年）就有用铅制作的小的人像。古埃及人还在化妆品中使用含铅矿物。在中国，在商代和西周的墓葬中出土了铅制的爵、觚、尊、鼎和戈，其中铅戈含铅达99.75%。铅在古罗马被用作水管材料以及防腐蚀器皿的制作。铅的抗腐蚀力很强，有一些古罗马人安装的铅管至今完好无损。醋酸铅由于有一定甜味被称为“铅糖”。直到17～18世纪铅才开始较大规模生产。直到19世纪人们才发现铅的危害并逐渐减少和限制了铅的使用。铅中毒通常是慢性的，症状是腹痛、肌肉痛、贫血及神经与大脑损伤。

铅是一种高密度、柔软的蓝灰色金属，自然界主要以方铅矿（PbS）及白铅矿（PbCO₃）的形式存在。铅矿中常杂有锌、银、铜等元素。铅的硬度小、熔点低、沸点高，对电和热的传导性能差，可吸收放射线，故常用于制造放射性物质的容器和用作防护材料。^[1-4]

单质铅

铅酸电池

铅酸电池是一种应用非常广泛的储能器件，由于其廉价、使用条件限制少等优点，铅酸电池至今仍占据着很大的市场份额。铅酸电池加工制作过程简单、成本低廉，而且型号多、易维护，同时浮充寿命长，使用安全，单电池电压高。在众多的二次电池中具有非常独特的优势。1859年，法国普兰特（Raymond Gaston Planté）报道了从浸在硫酸溶液中并充电的一对铅板在撤去充电电流并加上负载后可以得到有效的放电电流，这个体系的放电电流可以在诸多电极-电解液体系中都可以维持很长的时间，并且有很高的电压。根据这个原理，普兰特制造了最早的铅酸蓄电池。在那个时代，在电线所不能达到的地方，铅酸蓄电池发挥中重要的作用。铅酸电池是利用铅不同价态的固相反应实现充放电的，

总反应为Pb+PbO₂+2H₂SO₄==2PbSO₄+2H₂O

正极反应为：PbO₂+3H⁺+HSO₄^–==PbSO₄+2H₂O

负极反应为：Pb+ H⁺+HSO₄^–==PbSO₄+2H⁺

涂膏式极板以及合金板栅结构的发明解决了铅酸电池活性物质脱落以及体积变形等问题，大大延长了其使用寿命。由于铅较高的密度，导致其能量密度较低，搭载同样质量的电池的电动车，使用铅酸电池的车辆，将只能行驶较短的距离。为了提高铅酸电池的能量密度，铅碳电池应运而生，这种电池是在制造过程中将高比表面积的碳材料掺入负极，发挥高比表面积碳材料的高导电性和对铅基活性物质的分散性，提高铅活性物质的利用率，同时抑制硫酸铅结晶生长和失活。高比表面积的碳材料在高功率充放电和脉冲放电时可提供双电层电容，起到缓冲器的作用，因此可以减弱大电流对负极的损害。它还使铅负极内部具有多孔结构，有利于高功率充放电下电解液离子的快速迁移。通过改进之后的铅酸电池功率及寿命都大大提升。

铅酸电池由于使用了危害性较大的铅和浓硫酸，因此使用范围受限。此外受到铅酸电池的结构限制，尺寸难以缩小，这些都限制了铅酸电池的应用范围。^[5-6]

铅酸电池

汽油防爆剂与铅污染

汽油在发动机中不正常燃烧会引起爆震，爆震会导致发动机噪音、振动过大，发动机会过热而导致润滑不良，强烈的冲击也会加重零部件的负荷，甚至会导致严重的机械故障。为了减少爆震，必须添加防爆剂。四乙基铅（Pb(C₂H₅)₄）或四甲基铅（Pb(CH₃)₄）就是此前常用的汽油防爆剂。它们能提高汽油的辛烷值，减少爆震现象的产生。这些烷基铅化合物经燃烧后转化为PbO和PbO₂，继而转化为挥发性的PbCl₂、PbBr₂和PbClBr，最后随尾气排出，这导致了严重的铅污染。由于此前含铅汽油的大规模使用，因此铅污染的状况也非常严重。

大量的含铅浮尘伴随着汽车尾气进入大气，一部分以气溶胶的形式存在于大气之中，另一部分较大的颗粒则沉降在道路周边土壤的表面，成为土壤沉积物的一部分。降水也会将一部分大气中的含铅污染物带入土壤。尽管后来使用的无铅汽油使用无铅防爆剂，但这并不等于无铅汽油真的“无铅”——无铅汽油中铅含量为 90～1 640 g /L ,平均为 590 g /L ,含铅汽油铅含量平均为 58 610 g /L。因此，即使2000年起全国禁止使用含铅汽油，汽车尾气中的铅仍是道路铅污染的主要来源。^[7-8]

铅对人体的危害

铅与Hg, Cr, Cd, As一起被称为五毒元素，是重金属污染中的重要指标之一。它具有巨大的危害性，其对人体的伤害，主要体现在对于呼吸系统，泌尿系统，生殖系统与心血管系统的伤害上，而且铅含量过高还会影响内分泌系统与消化系统。血铅浓度过高会造成肾功能衰竭，不孕不育，高血压，智力下降等病症。此外，铅还会抑制细胞中构成红色素的铁，并因此减弱红细胞的输氧能力而造成贫血。根据对铅致癌性的动物实验和人群研究，美国环保局认为铅是“可能的人类致癌物”。

铅对儿童的影响尤为显著，它会损害中枢神经系统功能并影响其发育，并会导致智力低下，注意力不集中等症状，世界卫生组织基于一些研究认为，铅污染对儿童的威胁最为重大。由于铅不可降解，因此能在自然界中长期存在。由于生物富集效应，大气和土壤中的易铅被生物吸收、并通过食物链等途径最终富集到人体，对人们的健康构成了严重威胁。^[9-11]

铅中毒症状

铅的其他用途

铅也有一些其他的用途。如铅用作沥青的稳定剂，以延长路面使用寿命。由于铅可以吸收放射线，因此铅用于制造核电站屏蔽和核废料贮罐。此外，电缆的护套材料通常用的是含1%锑或砷的铅合金或含0.03%钙或蹄的铅合金。铅作电缆护套主要起防潮、防腐蚀以及屏蔽支撑作用。电缆行业用铅主要是电力电缆与通讯电缆，虽然国内电力通讯电缆的铅包皮大部分已被塑料等其它材料代替，但仍有少量的电缆使用铅护套。但该领域的铅耗量仍占其使用的很大一部分。

氧化铅除了用于铅酸蓄电池板栅的糊状混合物，也可以用于水泥、玻璃、陶瓷中，且可用于制备其它的铅化合物；红丹是重要的防锈涂料，用作底漆与内漆层，防止钢锈蚀；而工业上重要的白色防腐蚀颜料则是一元碳酸铅，二元亚磷酸铅、二元磷硅酸铅和一元硅酸铅。另外，硼酸铅盐还可以用于玻璃制造、防火涂料、漆催干剂。^[12-14]

参考文献

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