Lead

Blei (Symbol Pb, vom lateinischen plumbum) ist ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 82. Es ist ein Schwermetall, dichter als die meisten alltäglichen Materialien, und ist weich, verformbar und schmilzt bei einer relativ niedrigen Temperatur. Frisch geschnitten oder geschmolzen hat es ein glänzendes, silbriges Aussehen mit einem bläulichen Schimmer, läuft aber an der Luft schnell zu einer grauen Farbe an. Blei hat die höchste Ordnungszahl aller stabilen Elemente, und drei seiner natürlich vorkommenden Isotope sind die Endprodukte wichtiger radioaktiver Zerfallsreihen schwererer Elemente. Als Nachübergangsmetall ist Blei relativ reaktionsträge. Seine schwache metallische Natur zeigt sich in seinem amphoteren Verhalten – Blei und seine Oxide reagieren sowohl mit Säuren als auch mit Basen – und es neigt zur Bildung kovalenter Bindungen. Bleiverbindungen kommen meist in der Oxidationsstufe +2 vor, seltener in der Stufe +4, die bei leichteren Elementen der Kohlenstoffgruppe üblich ist, außer in Organobleiverbindungen. Wie diese leichteren Gruppenmitglieder kann Blei mit sich selbst Bindungen eingehen und Ketten sowie polyedrische Strukturen bilden. Da Blei leicht aus seinen Erzen gewonnen werden kann, war es bereits den prähistorischen Menschen im Nahen Osten bekannt. Sein Haupterz, Galenit, enthält oft Silber, und das Verlangen nach Silber trieb im antiken Rom den weit verbreiteten Abbau und die Nutzung von Blei voran. Nach dem Untergang Roms ging die Bleiproduktion zurück und erholte sich erst mit der Industriellen Revolution wieder. Blei war entscheidend für die Druckerpresse, da bewegliche Lettern leicht aus Bleilegierungen gegossen werden konnten. Im Jahr 2022 betrug die weltweite Jahresproduktion etwa zwölf Millionen Tonnen, wovon etwa zwei Drittel aus Recycling stammten. Die hohe Dichte, der niedrige Schmelzpunkt, die Verformbarkeit und die Oxidationsbeständigkeit machen Blei nützlich. Diese Eigenschaften, zusammen mit seiner relativen Häufigkeit und geringen Kosten, führten zu einer umfangreichen Verwendung im Bauwesen, in der Sanitärinstallation, in Batterien, Geschossen, Schrot, Gewichten, Loten, Zinnlegierungen, schmelzbaren Legierungen, Bleifarben, verbleitem Benzin und als Strahlenschutz. Blei ist ein Nervengift, das sich in Weichteilen und Knochen anreichert. Es schädigt das Nervensystem, beeinträchtigt biologische Enzyme und kann neurologische Störungen von Verhaltensproblemen bis hin zu Hirnschäden verursachen sowie das Herz-Kreislauf- und Nierensystem beeinträchtigen. Seine Toxizität wurde bereits von antiken griechischen und römischen Schriftstellern erwähnt, fand aber in Europa erst im späten 19. Jahrhundert breite Anerkennung. Physikalische Eigenschaften Atomar Ein Bleiatom hat 82 Elektronen, angeordnet als [Xe]4f¹⁴5d¹⁰6s²6p². Die kombinierte Energie, die benötigt wird, um seine beiden 6p-Elektronen zu entfernen (erste und zweite Ionisierungsenergie), ist ähnlich der von Zinn, dem Element direkt darüber in der Kohlenstoffgruppe. Dies ist ungewöhnlich, da Ionisierungsenergien innerhalb einer Gruppe im Allgemeinen abnehmen, wenn die äußeren Elektronen weiter vom Kern entfernt und stärker abgeschirmt sind. Die Summe der ersten vier Ionisierungsenergien von Blei ist jedoch höher als die von Zinn, entgegen den Periodizitätstrends. Diese Anomalie ist auf relativistische Effekte zurückzuführen, die bei schweren Atomen bedeutsam werden. Diese Effekte ziehen die s- und p-Orbitale zusammen, wodurch die 6s-Elektronen von Blei stärkere Bindungsenergien aufweisen als seine 5s-Elektronen. Dies führt zum Inert-Paar-Effekt, bei dem die 6s-Elektronen weniger wahrscheinlich Bindungen eingehen, die Oxidationsstufe +2 stabilisieren und ungewöhnlich große Abstände zwischen benachbarten Atomen in kristallinem Blei verursachen. Leichtere Elemente der Kohlenstoffgruppe bilden stabile oder metastabile Allotrope mit einer tetraedrisch koordinierten, kovalent gebundenen Diamantgitterstruktur. Bei diesen Elementen liegen die Energieniveaus der s- und p-Orbitale nahe genug beieinander, um sich zu vier hybriden sp³-Orbitalen zu mischen. Bei Blei vergrößert der Inert-Paar-Effekt den Abstand zwischen s- und p-Orbitalen so stark, dass die durch Hybridisierung gewonnene Energie die Lücke nicht überwinden kann. Anstelle einer Diamantgitteranordnung geht Blei metallische Bindungen ein, bei denen nur die p-Elektronen delokalisiert und zwischen Pb²⁺-Ionen geteilt werden. Infolgedessen nimmt Blei eine kubisch-flächenzentrierte Struktur an, ähnlich wie die zweiwertigen Metalle Calcium und Strontium. Massiv Reines Blei hat ein helles, glänzend graues Aussehen mit einem schwachen blauen Schimmer. Es läuft in feuchter Luft an und entwickelt eine matte Oberfläche, deren Farbe von den Bedingungen abhängt. Blei zeichnet sich durch hohe Dichte, Verformbarkeit, Duktilität und Korrosionsbeständigkeit aufgrund von Passivierung aus. Seine dicht gepackte kubisch-flächenzentrierte Struktur und die hohe Atommasse verleihen Blei eine Dichte von 11,34 g/cm³, höher als bei gebräuchlichen Metallen wie Eisen (7,87 g/cm³), Kupfer (8,93 g/cm³) und Zink (7,14 g/cm³). Diese hohe Dichte ist der Ursprung des Ausdrucks „wie eine bleierne Ente“. Einige seltenere Metalle sind dichter: Wolfram und Gold haben beide 19,3 g/cm³, während Osmium – das dichteste bekannte Metall – 22,59 g/cm³ hat, fast doppelt so dicht wie Blei. Blei ist weich, mit einer Mohshärte von 1,5, und kann mit einem Fingernagel geritzt werden. Es ist sehr verformbar und mäßig dehnbar. Sein Kompressionsmodul – ein Maß für den Widerstand gegen Kompression – beträgt 45,8 GPa, verglichen mit 75,2 GPa für Aluminium, 137,8 GPa für Kupfer und 160–169 GPa für Baustahl. Die Zugfestigkeit von Blei ist mit 12–17 MPa gering (etwa sechsmal niedriger als die von Aluminium, zehnmal niedriger als die von Kupfer und fünfzehnmal niedriger als die von Baustahl). Seine Festigkeit kann durch Legieren mit geringen Mengen Kupfer oder Antimon erhöht werden. Blei schmilzt bei 327,5 °C (621,5 °F), einem im Vergleich zu den meisten Metallen relativ niedrigen Schmelzpunkt, und siedet bei 1749 °C (3180 °F), dem niedrigsten Siedepunkt unter den Elementen der Kohlenstoffgruppe. Sein spezifischer elektrischer Widerstand bei 20 °C beträgt 192 Nanoohm-Meter, fast zehnmal höher als bei guten Leitern wie Kupfer (15,43 nΩ·m), Gold (20,51 nΩ·m) und Aluminium (24,15 nΩ·m). Blei wird unterhalb von 7,19 K supraleitend, der höchsten kritischen Temperatur unter den Typ-I-Supraleitern und der dritthöchsten unter den elementaren Supraleitern. Natürliches Blei besteht aus vier stabilen Isotopen.