最終更新：2026年1月13日

鉛（Pb, Z = 82）：文明と毒性の重金属

天体物理学と地質年代学における鉛の役割

放射性崩壊連鎖の最終点

鉛は、宇宙論的および地質学的にユニークな役割を果たしています：それは、4つの主要な自然放射性崩壊連鎖のうち3つの安定した終点です。鉛の安定同位体は、ウランとトリウムの崩壊の最終生成物です：

\(^{238}\mathrm{U}\)（半減期4.47 Ga）→ \(^{206}\mathrm{Pb}\)（鉛-206）
\(^{235}\mathrm{U}\)（半減期0.70 Ga）→ \(^{207}\mathrm{Pb}\)（鉛-207）
\(^{232}\mathrm{Th}\)（半減期14.0 Ga）→ \(^{208}\mathrm{Pb}\)（鉛-208）

4番目の安定同位体である \(^{204}\mathrm{Pb}\) は放射性起源ではありません。「原始的」と呼ばれ、太陽系の形成以来存在しています。したがって、現在地球上に存在する鉛のほとんどは、数十億年にわたってより重い元素の放射性崩壊によって形成されました。

究極の地質時計

これらの崩壊により、ウラン/トリウム-鉛同位体システムは、最も強力で広く使用されている地質時計の一つとなっています。岩石や鉱物（例えばジルコン）中の \(^{206}\mathrm{Pb}/^{238}\mathrm{U}\)、\(^{207}\mathrm{Pb}/^{235}\mathrm{U}\)、および \(^{207}\mathrm{Pb}/^{206}\mathrm{Pb}\) の比率を測定することで、地質年代学者は、太陽系の形成（4.567 Ga）から数百万年前の最近の地質学的プロセスまで、様々な出来事を正確に年代測定することができます。この方法により、地球の年齢は約45.4億年と決定されました。

地殻の進化と古代の汚染の証人

鉛の同位体比は、地球化学的トレーサーとしても機能します。異なる地質学的貯留層（マントル、大陸地殻、鉱床）が異なる鉛同位体シグネチャを持っているため、マグマ、堆積物、さらには歴史的な大気汚染（1970年代の自動車排ガスの鉛同位体シグネチャはローマの鉱山のものとは異なります）の起源を追跡することができます。

宇宙的存在度と合成

鉛の宇宙的存在度は、水素の約1.0×10⁻¹¹倍です。鉛は主にAGB星におけるs過程（遅い中性子捕獲）によって合成され、超新星時のr過程も大きく寄与しています。鉛はs過程によって効率的に生成される最も重い安定元素であり、元素スペクトルにおいて存在度のピークとなっています。その二重魔法核（Z=82、完全な陽子殻）により、例外的な安定性を持っています。

鉛の利用の歴史

語源と象徴性

化学記号のPbは、ラテン語の"plumbum"に由来し、「配管工」や「配管」という言葉もこれに由来します。錬金術では、鉛は土星と関連付けられ、重さ、憂鬱、そして金に変えるべき原料（「大いなる業」の目的）を象徴していました。

古代とローマ帝国

鉛は、銅や金とともに、人類が最初に使用した金属の一つです。その抽出の容易さ（方鉛鉱（PbS）の単純な還元）と性質（展性、融点が低い、腐食に強い）から、ローマ人にとって選択肢の一つとなりました。彼らは以下の用途で大量に使用しました：

水道管（水道橋、パイプ）：「配管」という言葉はこれに直接由来します。
貯水槽と浴槽。
ワインと食品の保存：酸性のワインと反応して生成される鉛酢（「鉛糖」）は甘い味を与えましたが、極めて有毒でした。
化粧品（白鉛を基にした白色化粧品、炭酸鉛）。
はんだ（パイプや鉄製品の接合）。

一部の歴史家は、慢性的な鉛中毒（鉛中毒症）がローマのエリート層の衰退に寄与した可能性があり、生殖能力や知的能力に影響を与えたと主張しています。

中世から産業革命まで

鉛の使用は続きました：大聖堂の屋根やステンドグラス、活字、弾丸（銃弾、散弾）、塗料の顔料（白色の白鉛、黄色の鉛クロム）、おもりなどです。産業革命により、その生産と使用は大幅に増加し、特に鉛塗料と有鉛ガソリンの登場により20世紀にピークを迎えました。

鉱床と生産

鉛の主な鉱石は方鉛鉱（PbS）で、立方体の金属灰色の鉱物であり、しばしば閃亜鉛鉱（ZnS）や銀と共生しています。主な生産国は中国（世界生産の約半分）、オーストラリア、アメリカ合衆国、ペルー、メキシコです。年間の鉱業生産量は約450万トンです。現在、重要な部分（50％以上）がリサイクル、特にバッテリーから供給されています。

鉛の価格は適度で、通常、経済サイクルと自動車産業（バッテリー用）の需要に従います。

鉛の構造と基本的な性質

分類と原子構造

鉛（記号Pb、原子番号82）は、周期表の14族（炭素族）に位置する後遷移元素で、炭素、ケイ素、ゲルマニウム、スズとともに分類されます。このグループの中で最も重く、金属性の強い元素です。その原子は82個の陽子、通常125〜126個の中性子（同位体 \(^{207}\mathrm{Pb}\) と \(^{208}\mathrm{Pb}\) の場合）、および82個の電子を持ち、電子配置は[Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p²です。4個の価電子（6s² 6p²）を持っています。

物理的性質

鉛は青みがかった灰色の、密度が高く、柔らかく、展性に富み、融点の低い金属です。

高密度：20 °Cで11.34 g/cm³。
非常に柔らかい：爪で傷をつけることができます。モース硬度は1.5です。
展性と延性：良好で、薄板や線に加工できます。
低融点：327.5 °C（容易に溶かして鋳造できます）。
低伝導性：電気（銀の約1/10）や熱の伝導性が低いです。
放射線に対する不透過性：X線やガンマ線を優れて吸収するため、放射線防護に使用されます。

鉛は面心立方構造（FCC）で結晶化します。

変態点

鉛は327.46 °C（600.61 K）で溶け、1749 °C（2022 K）で沸騰します。固体状態での広い温度範囲と容易な鋳造性は、歴史的にその使用を容易にしました。

化学的反応性

鉛は、表面に酸化物、炭酸塩、または硫酸塩の保護層を形成するため、比較的反応性の低い金属です。大気中の腐食や多くの化学薬品（特に濃硫酸（バッテリーに使用））による攻撃に強いです。しかし、硝酸や酢酸には侵されます。

物理的特性のまとめ

密度：11.34 g/cm³。
融点：600.61 K（327.46 °C）。
沸点：2022 K（1749 °C）。
結晶構造：面心立方構造（FCC）。
電子配置：[Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p²。
主な酸化状態：+2と+4。

鉛の同位体表

鉛の同位体（基本的な物理的性質）
同位体/表記	陽子（Z）	中性子（N）	原子質量（u）	天然存在比	半減期/安定性	崩壊/備考
鉛-204 — \(^{204}\mathrm{Pb}\)	82	122	203.973044 u	≈ 1.4 %	安定	唯一の安定な非放射性同位体。「原始的」同位体で、地質年代学の計算の基準として使用されます。
鉛-206 — \(^{206}\mathrm{Pb}\)	82	124	205.974465 u	≈ 24.1 %	安定	\(^{238}\mathrm{U}\)の崩壊の安定した最終生成物。主要な放射性起源同位体。
鉛-207 — \(^{207}\mathrm{Pb}\)	82	125	206.975897 u	≈ 22.1 %	安定	\(^{235}\mathrm{U}\)の崩壊の安定した最終生成物。\(^{207}\mathrm{Pb}/^{206}\mathrm{Pb}\)年代測定に不可欠。
鉛-208 — \(^{208}\mathrm{Pb}\)	82	126	207.976652 u	≈ 52.4 %	安定	\(^{232}\mathrm{Th}\)の崩壊の安定した最終生成物。最も豊富で重い安定同位体（二重魔法核）。

鉛の電子配置と電子殻

注：
電子殻：電子が原子核の周りにどのように配置されているか。

鉛は82個の電子を6つの電子殻に分布させています。その電子配置[Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p²は、炭素やケイ素と同様に、6番目の殻に4個の価電子（s² p²）を持ちますが、相対論的効果により6s²対が非常に不活性（「不活性電子対効果」）になります。これは、K(2) L(8) M(18) N(32) O(18) P(4)または完全な形式で1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 5d¹⁰ 6s² 6p²とも書くことができます。

殻の詳細構造

K殻（n=1）：2個の電子（1s²）。
L殻（n=2）：8個の電子（2s² 2p⁶）。
M殻（n=3）：18個の電子（3s² 3p⁶ 3d¹⁰）。
N殻（n=4）：32個の電子（4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴）。
O殻（n=5）：18個の電子（5s² 5p⁶ 5d¹⁰）。
P殻（n=6）：4個の電子（6s² 6p²）。

価電子と酸化状態

鉛は4個の価電子（6s² 6p²）を持っています。しかし、不活性電子対効果により、酸化状態+2（6p²対のみが失われる）の方が酸化状態+4（6s²対も失われる必要がある）よりも安定で一般的です。

鉛(II)（Pb²⁺）：最も一般的な状態。鉛(II)化合物は一般的にイオン性で水に溶けやすく（例：硝酸鉛(II)、酢酸鉛(II)）、これがその毒性に寄与しています。これらはしばしば錯体を形成します。
鉛(IV)（Pb⁴⁺）：存在しますが、強力な酸化剤であり、安定性が低いです。共有結合性化合物（二酸化鉛（PbO₂、バッテリーに使用）やテトラエチル鉛（旧アンチノック剤））に見られます。
元素状態（Pb⁰）：金属そのもの。

この化学は、炭素の化学と対照的であり、炭素では+4状態が一般的です。これは、周期表のグループ内での性質の進化を示しています。

鉛の化学的反応性

空気と酸素との反応

新しく切断された鉛は金属光沢を持っていますが、空気中で急速に一酸化鉛（PbO）と塩基性炭酸鉛（2PbCO₃·Pb(OH)₂）の薄い灰色の層を形成し、さらに酸化されるのを防ぎます。空気中で加熱すると、まず黄色の一酸化鉛（PbO、リサージ）を形成し、さらに高温では赤色の四酸化三鉛（Pb₃O₄、ミニウム）を形成します。これは歴史的な顔料です。

水と酸との反応

純水と軟水：鉛は不溶性の保護層を形成するため、腐食に強いです。しかし、軟水、酸性水、または酸素が豊富な水は鉛をゆっくりと腐食させ、有毒なPb²⁺イオンを水中に放出する可能性があります。これが古い配管の問題です。
酸：
- 塩酸（HCl）：攻撃は不溶性の塩化鉛(II)（PbCl₂）の形成によって制限されます。
- 硫酸（H₂SO₄）：濃縮されたものは、不溶性の硫酸鉛(II)（PbSO₄）の保護層を形成し、鉛をバッテリー容器に適したものにします。
- 硝酸（HNO₃）：容易に溶解し、可溶性の硝酸鉛(II)（Pb(NO₃)₂）を形成します。
- 酢酸（酢）：特に酸素の存在下で攻撃し、可溶性の甘く有毒な酢酸鉛(II)（「鉛糖」）を形成します。