Blei spielt eine einzigartige kosmologische und geologische Rolle: Es ist der stabile Endpunkt von drei der vier Hauptreihen des natürlichen radioaktiven Zerfalls. Die stabilen Bleiisotope sind die Endprodukte des Zerfalls von Uran und Thorium:
Das vierte stabile Isotop, \(^{204}\mathrm{Pb}\), ist nicht radiogen; es wird als "primordial" bezeichnet und ist seit der Entstehung des Sonnensystems vorhanden. Fast alles Blei auf der Erde heute entstand durch radioaktiven Zerfall schwererer Elemente über Milliarden von Jahren.
Diese Zerfälle machen das Uran/Thorium-Blei-Isotopensystem zu einer der mächtigsten und am häufigsten verwendeten geologischen Uhren. Durch Messung der Verhältnisse \(^{206}\mathrm{Pb}/^{238}\mathrm{U}\), \(^{207}\mathrm{Pb}/^{235}\mathrm{U}\) und \(^{207}\mathrm{Pb}/^{206}\mathrm{Pb}\) in einem Gestein oder Mineral (wie Zirkon) können Geochronologen Ereignisse von der Entstehung des Sonnensystems (4,567 Ga) bis zu jüngeren geologischen Prozessen vor einigen Millionen Jahren genau datieren. Diese Methode bestimmte das Alter der Erde auf etwa 4,54 Milliarden Jahre.
Die Blei-Isotopenverhältnisse dienen auch als geochemischer Tracer. Da verschiedene geologische Reservoire (Mantel, kontinentale Kruste, Erzlagerstätten) unterschiedliche Blei-Isotopensignaturen aufweisen, kann die Herkunft von Magmen, Sedimenten oder sogar historischer atmosphärischer Verschmutzung (die Blei-Isotopensignaturen von Autoabgasen der 1970er Jahre unterscheiden sich von denen römischer Minen) nachverfolgt werden.
Die kosmische Häufigkeit von Blei beträgt etwa 1,0×10⁻¹¹ der von Wasserstoff. Es wird in Sternen hauptsächlich durch den s-Prozess (langsame Neutroneneinfang) in AGB-Sternen synthetisiert, mit einem signifikanten Beitrag des r-Prozesses während Supernovae. Es ist das schwerste stabile Element, das effizient durch den s-Prozess produziert wird, was es zu einem Häufigkeitsmaximum im Elementspektrum macht. Sein doppelt magischer Kern (Z=82, vollständige Protonenschale) verleiht ihm außergewöhnliche Stabilität.
Das chemische Symbol Pb stammt vom lateinischen "plumbum", das auch die Wörter "Klempner" und "Klempnerei" hervorgebracht hat. In der Alchemie war Blei mit dem Planeten Saturn assoziiert und symbolisierte Schwere, Melancholie und den Rohstoff zur Umwandlung in Gold (das Ziel des "Großen Werks").
Blei ist eines der ersten vom Menschen bearbeiteten Metalle, zusammen mit Kupfer und Gold. Seine einfache Gewinnung (einfache Reduktion des Galenit-Erzes, PbS) und seine Eigenschaften (formbar, schmelzbar, korrosionsbeständig) machten es zu einem bevorzugten Material der Römer. Sie nutzten es massiv für:
Einige Historiker vermuten, dass die chronische Bleivergiftung (Saturnismus) zum Niedergang der römischen Elite beigetragen haben könnte, indem sie die Fruchtbarkeit und die geistigen Fähigkeiten beeinträchtigte.
Die Nutzung von Blei setzte sich fort: Dächer und Buntglasfenster von Kathedralen, Drucklettern, Munition (Kugeln, Schrot), Farbpigmente (Bleiweiß für Weiß, Bleichromat für Gelb) und Gewichte. Die industrielle Revolution steigerte seine Produktion und Verwendung erheblich, insbesondere mit dem Aufkommen von Bleifarbe und verbleitem Benzin im 20. Jahrhundert.
Das Hauptbleierz ist Galenit (PbS), ein metallisch graues, kubisches Mineral, das oft mit Sphalerit (ZnS) und Silber assoziiert ist. Die Hauptproduzentenländer sind China (etwa die Hälfte der weltweiten Produktion), Australien, die USA, Peru und Mexiko. Die jährliche Bergbauproduktion beträgt etwa 4,5 Millionen Tonnen. Ein erheblicher Teil (über 50%) stammt heute aus dem Recycling, insbesondere von Batterien.
Der Bleipreis ist moderat und folgt in der Regel den Wirtschaftszyklen und der Nachfrage der Automobilindustrie (für Batterien).
Blei (Symbol Pb, Ordnungszahl 82) ist ein Post-Übergangsmetall, das in der Gruppe 14 (Kohlenstoffgruppe) des Periodensystems steht, zusammen mit Kohlenstoff, Silizium, Germanium und Zinn. Es ist das schwerste und metallischste Mitglied dieser Gruppe. Sein Atom hat 82 Protonen, in der Regel 125 bis 126 Neutronen (für die Isotope \(^{207}\mathrm{Pb}\) und \(^{208}\mathrm{Pb}\)) und 82 Elektronen mit der Elektronenkonfiguration [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p². Es hat vier Valenzelektronen (6s² 6p²).
Blei ist ein bläulich-graues, dichtes, weiches, formbares Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt.
Blei kristallisiert in einer kubisch-flächenzentrierten (kfz) Struktur.
Blei schmilzt bei 327,46 °C (600,61 K) und siedet bei 1749 °C (2022 K). Sein breiter Temperaturbereich im festen Zustand und seine einfache Formbarkeit haben seine historische Verwendung erleichtert.
Blei ist ein eher unreaktives Metall aufgrund der Bildung einer schützenden Oxid-, Carbonat- oder Sulfatschicht auf seiner Oberfläche. Es widersteht gut der atmosphärischen Korrosion und dem Angriff vieler chemischer Agenzien, insbesondere konzentrierter Schwefelsäure (verwendet in Batterien). Es wird jedoch von Salpeter- und Essigsäure angegriffen.
Dichte: 11,34 g/cm³.
Schmelzpunkt: 600,61 K (327,46 °C).
Siedepunkt: 2022 K (1749 °C).
Kristallstruktur: Kubisch-flächenzentriert (kfz).
Elektronenkonfiguration: [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p².
Hauptoxidationszustände: +2 und +4.
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit / Stabilität | Zerfall / Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Blei-204 — \(^{204}\mathrm{Pb}\) | 82 | 122 | 203,973044 u | ≈ 1,4 % | Stabil | Einziges stabiles, nicht radiogenes Isotop. "Primordiales" Isotop, wird als Referenz in geochronologischen Berechnungen verwendet. |
| Blei-206 — \(^{206}\mathrm{Pb}\) | 82 | 124 | 205,974465 u | ≈ 24,1 % | Stabil | Stabiles Endprodukt des Zerfalls von \(^{238}\mathrm{U}\). Wichtiges radiogenes Isotop. |
| Blei-207 — \(^{207}\mathrm{Pb}\) | 82 | 125 | 206,975897 u | ≈ 22,1 % | Stabil | Stabiles Endprodukt des Zerfalls von \(^{235}\mathrm{U}\). Entscheidend für die \(^{207}\mathrm{Pb}/^{206}\mathrm{Pb}\)-Datierung. |
| Blei-208 — \(^{208}\mathrm{Pb}\) | 82 | 126 | 207,976652 u | ≈ 52,4 % | Stabil | Stabiles Endprodukt des Zerfalls von \(^{232}\mathrm{Th}\). Häufigstes und schwerstes bekanntes stabiles Isotop (doppelt magischer Kern). |
Hinweis:
Elektronenschalen: Wie Elektronen um den Kern organisiert sind.
Blei hat 82 Elektronen, die auf sechs Elektronenschalen verteilt sind. Seine Elektronenkonfiguration [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p² weist vier Valenzelektronen in der 6. Schale (s² p²) auf, ähnlich wie Kohlenstoff oder Silizium, aber mit ausgeprägten relativistischen Effekten, die das 6s²-Paar sehr inert machen ("Inert-Paar-Effekt"). Dies kann auch geschrieben werden als: K(2) L(8) M(18) N(32) O(18) P(4), oder vollständig: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 5d¹⁰ 6s² 6p².
K-Schale (n=1): 2 Elektronen (1s²).
L-Schale (n=2): 8 Elektronen (2s² 2p⁶).
M-Schale (n=3): 18 Elektronen (3s² 3p⁶ 3d¹⁰).
N-Schale (n=4): 32 Elektronen (4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴).
O-Schale (n=5): 18 Elektronen (5s² 5p⁶ 5d¹⁰).
P-Schale (n=6): 4 Elektronen (6s² 6p²).
Blei hat 4 Valenzelektronen (6s² 6p²). Aufgrund des Inert-Paar-Effekts ist jedoch der Oxidationszustand +2 (bei dem nur das 6p²-Paar verloren geht) stabiler und häufiger als der Zustand +4 (der auch den Verlust des stabilisierten 6s²-Paares erfordern würde).
Diese Chemie steht im Kontrast zur Chemie des Kohlenstoffs, bei dem der +4-Zustand die Regel ist, und illustriert die Entwicklung der Eigenschaften innerhalb einer Gruppe des Periodensystems.
Frisch geschnittenes Blei hat einen metallischen Glanz, der an der Luft schnell durch die Bildung einer dünnen grauen Schicht aus Bleioxid (PbO) und basischem Bleicarbonat (2PbCO₃·Pb(OH)₂) matt wird, die es vor weiterer Oxidation schützt. Beim Erhitzen an der Luft bildet es zunächst Lithargit (PbO, gelb), dann bei höheren Temperaturen Mennige (Pb₃O₄, rot), ein historisches Pigment.
1859 von Gaston Planté erfunden, ist sie die erste wiederaufladbare Batterie. Ihr Erfolg beruht auf Zuverlässigkeit, niedrigen Kosten und hoher Kapazität zur Abgabe intensiver Ströme.
Prinzip:
Negative Elektrode: Schwammblei (Pb).
Positive Elektrode: Bleioxid (PbO₂).
Elektrolyt: Schwefelsäure (H₂SO₄) zu ~30%.
Entladereaktion: Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ → 2PbSO₄ + 2H₂O
Anwendungen sind allgegenwärtig: Fahrzeugstarter (SLI), Notstromversorgung (USV), Elektrofahrzeuge (Traktion), netzunabhängige Photovoltaiksysteme. Das Recycling dieser Batterien ist sehr effizient (>99% in Industrieländern).
Die hohe Dichte und Ordnungszahl von Blei machen es zu einem idealen Abschirmmaterial gegen ionisierende Strahlung. Es absorbiert Röntgen- und Gammastrahlen effektiv. Es wird in Form von:
Blei ist ein kumulatives Gift ohne bekannte biologische Funktion. Es stört viele enzymatische Prozesse, indem es andere essentielle Metallionen, insbesondere Calcium (Ca²⁺) und Zink (Zn²⁺), ersetzt. Seine Hauptziele sind:
Es gibt keine nachgewiesene Unbedenklichkeitsschwelle, besonders für Kinder. Die WHO betrachtet einen Bleispiegel im Blut (Bleiwert) von über 5 µg/dl bei Kindern als besorgniserregend. Gesundheitsbehörden empfehlen das "Vorsorgeprinzip": Exposition so weit wie möglich reduzieren.
In die Atmosphäre emittiertes Blei lagert sich auf Böden und in Gewässern ab. Es ist in den meisten Böden wenig mobil und reichert sich in den obersten Schichten an. In sauren Umgebungen kann es mobiler werden und das Grundwasser kontaminieren. Es zersetzt sich nicht; seine Persistenz ist jahrtausendelang.
Bekannte Fälle sind die Stadt Kabwe in Sambia (Verschmutzung durch die alte Bleimine), das Viertel West Dallas in den USA (ehemalige Hütte) und die weltweite Kontamination durch verbleites Benzin, dessen Ablagerungen in polaren Eisschichten und Seesedimenten weltweit messbar sind.
Es ist ein Modell der Kreislaufwirtschaft. Gebrauchte Batterien werden gesammelt, zerkleinert und die Bestandteile werden getrennt. Das Blei wird eingeschmolzen und raffiniert, um Sekundärblei von gleicher Qualität wie Primärblei herzustellen. Dieser Prozess verbraucht bis zu 80% weniger Energie als der Bergbau.
Angesichts der nachgewiesenen Toxizität wurden strenge internationale Vorschriften eingeführt:
Die Dekontamination ist komplex und kostspielig. Methoden umfassen die Ausgrabung und Deponierung kontaminierter Böden, Stabilisierung/Solidifizierung (Einschluss von Blei in einer Matrix) oder Phytoremediation (Verwendung von akkumulierenden Pflanzen, wie bestimmte Farne).
Blei veranschaulicht das Paradox eines nützlichen, aber gefährlichen Materials. Das Ziel ist:
Die Geschichte des Bleis ist eine eindringliche Warnung vor der Notwendigkeit, die langfristigen Auswirkungen von Technologien vor ihrer massenhaften Verbreitung zu bewerten.
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