Blei

Isotop	NH	t_1/2	ZM	ZE M eV	ZP
²⁰²Pb	{syn.}	52500a	α ε	2,598 0,050	¹⁹⁸Hg ²⁰²Tl
²⁰³Pb	{syn.}	51,873 h	ε	0,975	²⁰³Tl
²⁰⁴Pb	1,4 %	>1,4 • 10¹⁷ a	α	2,186	²⁰⁰Hg
²⁰⁵Pb	{syn.}	1,53 • 10⁷ a	ε	0,051	²⁰⁵Tl
²⁰⁶Pb	24,1 %	Pb ist stabil mit 124 Neutronen
²⁰⁷Pb	22,1 %	Pb ist stabil mit 125 Neutronen
²⁰⁸Pb	52,4 %	Pb ist stabil mit 126 Neutronen
²⁰⁹Pb	{syn.}	3,253 h	β-	0,644	²⁰⁹Bi
²¹⁰Pb	{syn.}	22,3 a	α β-	3,792 0,064	²⁰⁶Hg ²⁰⁹Bi

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt,
gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Blei (Pb, lat. plumbum) ist ein chemisches Element mit dem Symbol Pb und der Ordnungszahl 82. Es zählt zu den Schwermetallen. Das Metall steht in der 4. Hauptgruppe (Kohlenstoffgruppe) und 6. Periode des Periodensystems der Elemente.

Blei ist auf Grund seiner leichten Verformbarkeit und seines niedrigen Schmelzpunktes eines der am längsten verwendeten Metalle überhaupt. Es ist, wie viele Schwermetalle, giftig.

Die Bleiisotope ²⁰⁶Pb, ²⁰⁷Pb und ²⁰⁸Pb sind die schwersten stabilen Atomkerne. Der Grund für diese Stabilität ist die magische Protonenzahl 82. Bleiisotope treten als Endprodukte der natürlichen Zerfallsreihen der radioaktiven Elemente auf. Obwohl es sich beim Blei um ein schweres Element handelt, ist dadurch relativ viel Blei entstanden und es kommt in der Erdkruste vergleichsweise häufig vor.

Geschichte

In der frühen Bronzezeit wurde Blei neben Antimon und Arsen verwendet, um Bronzen zu erzeugen, bis sich Zinn weitgehend durchsetzte. Bereits die Babylonier kannten Vasen aus Blei, die Römer verwendeten das Metall als Material für Gefäße, als Schleudergeschoss, für Plomben (Name) und Wasserleitungen. Aus heutiger Sicht besonders bedenklich war die Zugabe von Blei als Süßmittel zum Wein (sogenannter „Bleizucker“, siehe auch Bleiacetat). Die hohe Nachfrage nach Blei und vor allem Zinn wird sogar als ein Grund für die römische Besetzung Britanniens angeführt – in der südwestlichen Region Cornwall befanden sich damals bedeutende Erzvorkommen. Auch in Westfalen gewannen die Römer bis zu ihrem Rückzug nach der Varusschlacht Blei. Die römische Bleiverarbeitung hat zu einer bis heute nachweisbaren Umweltverschmutzung geführt: Eiskerne aus Grönland zeigen zwischen dem 5. Jahrhundert v. Chr. und dem 3. Jahrhundert n. Chr. einen messbaren Anstieg des Bleigehalts in der Atmosphäre. Auch später hatte Blei eine wichtige Bedeutung. Es wurde beispielsweise zum Einfassen von Fenstern, z. B. in Kirchen verwendet.

Besonders wichtig wurde Blei v. a. nach Erfindung der Feuerwaffen für das Militär als Material für Kugeln von Handfeuerwaffen. Da die Soldaten ihre Geschosse selbst herstellten, war es nicht unüblich, dass sie alles Blei stahlen, das sie finden konnten, um Geschosse daraus zu machen.

Blei spielte auch in der Alchimie eine wichtige Rolle. Auf Grund seiner Ähnlichkeit zu Gold (ähnlich weich und schwer) galt Blei als guter Ausgangsstoff für die Goldsynthese (Synthese als Farbumwandlung von grau nach gelb).

Mit Beginn der industriellen Revolution wurde Blei dann in großen Mengen für die chemische Industrie, z. B. für die Schwefelsäureproduktion im Bleikammerverfahren, benötigt. Es war damals das wichtigste Nichteisenmetall.

Heutzutage liegt Blei bei den Nichteisenmetallen in der Gewinnung mengenmäßig an vierter Stelle nach Aluminium, Kupfer und Zink. Es wird vor allem für Autobatterien (Bleiakkumulatoren) verwendet (60 % der Gesamtproduktion).

Vorkommen

Blei kommt in der Erdkruste mit einem Gehalt von etwa 0,0018 %^[2] vor. Es zählt zu den Element-Mineralen (siehe auch Systematik der Minerale), tritt gediegen aber nur sehr selten auf. In Bleierzen ist es zumeist als Galenit (Bleisulfid PbS, Bleiglanz) zugegen. Dieses Mineral ist auch die bedeutendste kommerzielle Quelle für die Gewinnung neuen Bleis. Weitere Bleimineralien sind Cerussit (Blei(II)-carbonat, PbCO₃, auch Weißbleierz), Krokoit (Blei(II)-chromat, PbCrO₄, auch Rotbleierz) und Anglesit (Blei(II)-sulfat, PbSO₄). Natürlich vorkommende Bleiverbindungen sind stets zweiwertig.

Die wirtschaftlich abbaubaren Vorräte werden weltweit auf 67 Millionen Tonnen geschätzt (Stand 2005). Die größten Vorkommen findet man in China, den USA, Australien, Russland und Kanada. In Europa sind Schweden und Polen die Länder mit den größten Vorkommen.

Auch in Deutschland wurde in der Jülicher Börde, im Harz (Goslar/Rammelsberg), in Sachsen (Freiberg) sowie in Westfalen (Ramsbeck/Sauerland) in der Vergangenheit Bleierz abgebaut, verhüttet und veredelt.

Die bedeutendste Quelle für Blei ist heute das Recycling alter Bleiprodukte.

Daher bestehen in Deutschland nur noch zwei Primärhütten, die Blei aus Erz herstellen, in Stolberg und Nordenham. Sämtliche anderen Hütten erzeugen sogenanntes Sekundärblei, indem sie alte Bleiprodukte, beispielsweise alte Autobatterien, wieder einschmelzen.

Die größten Fördernationen

Siehe auch: Liste der größten Bleiproduzenten

Die größten Fördernationen (2003)^[3]
Rang	Land	Fördermengen (in Tsd. t)	Rang	Land	Fördermengen (in Tsd. t)
1	Australien	677	11	Schweden	50,3
2	China	670	12	Marokko	50
3	USA	448,7	13	Kasachstan	38,2
4	Peru	308,9	14	Indien	34
5	Mexiko	144,3	15	Bulgarien	31,3
6	Kanada	77,1	16	Nordkorea	30
7	Polen	77	17	Griechenland	28,3
8	Russische Föd.	63	18	Iran	28
9	Südafrika	53	19	Rumänien	14,1
10	Irland	50,3	20	Namibia	13,4

Die weltweit bedeutendsten Fördernationen für Bleierz im Jahre 2004 sind die Volksrepublik China (950.000 Tonnen), Australien (642.000 Tonnen) und die USA (445.000 Tonnen), deren Anteil an den weltweit abgebauten 3,1 Millionen Tonnen etwa zwei Drittel beträgt. In Europa sind Irland, Schweden und Polen als die größten Bleiproduzenten zu nennen.

Die wichtigsten Produzenten von raffiniertem Blei (Hüttenweichblei mit 99,9 % Reinheit) sind die Volksrepublik China (1,8 Millionen Tonnen), die USA (1,2 Millionen Tonnen) und Deutschland (403.000 Tonnen), deren Anteil zusammen rund die Hälfte der weltweit erzeugten 6,7 Millionen Tonnen beträgt. Weitere bedeutende Produzenten von raffiniertem Blei in Europa sind Großbritannien, Italien, Frankreich und Spanien.

Gewinnung und Darstellung

Das mit Abstand bedeutendste Bleimineral ist das Galenit. Dieses tritt häufig vergesellschaftet mit den Sulfiden anderer Metalle (Kupfer, Bismut, Zink, Arsen, Antimon u. a.) auf, die naturgemäß als Verunreinigung des Rohbleis bis zu einem Anteil von 5 % enthalten sind.

Das durch Zerkleinerung, Klassierung und Flotation auf bis zu 60 % Mineralgehalt aufbereitete Erz wird in drei verschiedenen industriellen Prozessen in metallisches Blei überführt. Dabei treten die Verfahren der Röstreduktion und der Röstreaktion zunehmend in den Hintergrund und werden durch Direktschmelzverfahren ersetzt, die sich einerseits wirtschaftlicher gestalten lassen und die andererseits umweltverträglicher sind.

Röstreduktionsarbeit

Dieses Verfahren verläuft in zwei Stufen, dem Rösten und der Reduktion. Beim Rösten wird das fein zerkleinerte Bleisulfid auf einen Wanderrost gelegt und 1000 °C heiße Luft hindurchgedrückt. Dabei reagiert es mit dem Sauerstoff der Luft in einer exothermen Reaktion zu Blei(II)-oxid (PbO) und Schwefeldioxid. Dieses wird über die Röstgase ausgetrieben und kann für die Schwefelsäureproduktion verwendet werden. Das Bleioxid ist unter diesen Bedingungen flüssig und fließt nach unten. Dort kann es gesintert werden.

\mathrm {2\ PbS\ +\ 3\ O_{2}\ \longrightarrow \ 2\ PbO\ +\ 2\ SO_{2}} \ \ \Delta H_{\mathrm {r} }^{0}=-836\ \mathrm {kJ\ mol} ^{-1}

(Röstarbeit)

Anschließend erfolgt die Reduktion des Bleioxids mit Hilfe von Koks zu metallischem Blei. Dies geschieht in einem Schachtofen, ähnlich dem beim Hochofenprozess verwendeten. Dabei werden schlackebildende Zuschlagsstoffe wie Kalk beigefügt.

\mathrm {PbO\ +\ C\ \longrightarrow \ Pb\ +\ CO} \ \ \Delta H_{\mathrm {r} }^{0}=+107\ \mathrm {kJ\ mol} ^{-1}

\mathrm {PbO\ +\ CO\ \longrightarrow \ Pb\ +\ CO_{2}} \ \ \Delta H_{\mathrm {r} }^{0}=-66\ \mathrm {kJ\ mol} ^{-1}

(Reduktionsarbeit)

Röstreaktionsarbeit

Dieses Verfahren kommt vor allem bei hochgradig mit PbS angereicherten Bleierzen zum Einsatz und ermöglicht die Bleierzeugung in einem Schritt. Dabei wird das sulfidische Erz nur unvollständig geröstet. Anschließend wird das Bleisulfid/Bleioxid-Gemisch weiter unter Luftabschluss erhitzt. Dabei setzt das Bleioxid sich mit dem verbliebenen PbS ohne Zugabe eines weiteren Reduktionsmittels zu Blei und Schwefeldioxid um:

\mathrm {2\ PbS\ +\ 3\ O_{2}\ \longrightarrow \ 2\ PbO\ +\ 2\ SO_{2}}

(Röstarbeit),

\mathrm {PbS\ +\ 2\ PbO\ \longrightarrow \ 3\ Pb\ +\ SO_{2}}

(Reaktionsarbeit).

Direktschmelzverfahren

Moderne Herstellungsverfahren für Blei basieren auf Direktschmelzverfahren, die auf Umweltverträglichkeit und Wirtschaftlichkeit hin optimiert wurden (z. B. das QSL-Verfahren^[4]). Vorteilhaft ist die kontinuierliche Prozessführung mit Beschränkung auf einen Reaktionsraum, der als einziger Emittent für Schadstoffe auftritt – im Vergleich dazu weisen die klassischen Produktionsverfahren das Sintern als zusätzlichen emittierenden Schritt auf. Das Rösten und die Reduktion finden parallel in einem Reaktor statt. Das Bleisulfid wird ähnlich wie beim Röstreaktionsverfahren nicht vollständig geröstet. Ein Teil des Bleis entsteht somit durch Reaktion des Bleisulfids mit Bleioxid. Da der Reaktor leicht geneigt ist, fließen Blei und bleioxidhaltige Schlacke ab. Diese passiert die Reduktionszone, in welche Kohlenstaub eingeblasen und das Bleioxid so zu Blei reduziert wird. Beim Rösten wird statt Luft reiner Sauerstoff verwendet. Dadurch verringert sich das Volumen an Abgasen erheblich, die andererseits eine im Vergleich zu konventionellen Verfahren höhere Konzentration an Schwefeldioxid aufweisen. Deren Verwendung für die Schwefelsäureherstellung gestaltet sich somit einfacher und wirtschaftlicher.

Raffination

Das entstehende Werkblei enthält 2–5 % Verunreinigungen, darunter Kupfer, Silber, Gold, Zinn, Antimon, Arsen, Bismut in wechselnden Anteilen. Das Aufreinigen und Vermarkten einiger dieser Beiprodukte, insbesondere des bis zu 1 % im Werkblei enthaltenen Silbers, trägt wesentlich zur Wirtschaftlichkeit der Bleigewinnung bei.

Die pyrometallische Raffination des Bleis ist ein mehrstufiger Prozess. Durch Schmelzen in Gegenwart von Natriumnitrat/Natriumcarbonat bzw. von Luft werden Antimon, Zinn und Arsen oxidiert und können als Bleiantimonate, -stannate und -arsenate von der Oberfläche der Metallschmelze abgezogen werden (Antimonabstrich). Kupfer (wie auch eventuell enthaltenes Zink, Nickel und Kobalt) werden durch Seigern des Werkbleis aus dem Rohmetall entfernt. Dabei sinkt auch der Schwefelgehalt beträchtlich. Silber wird nach dem Parkes-Verfahren ggf. durch die Zugabe von Zink und das Ausseigern der sich bildenden Zn-Ag-Mischkristalle aus dem Blei abgeschieden („Parkesierung“), während die Bedeutung des älteren Pattinson-Verfahrens stark zurückgegangen ist (siehe auch Herstellung von Silber, „Blicksilber“). Bismut kann nach dem Kroll-Betterton-Verfahren durch Legieren mit Calcium und Magnesium als Bismutschaum von der Oberfläche der Bleischmelze abgezogen werden.

Eine weitere Reinigung kann durch elektrolytische Raffination erfolgen, jedoch ist dieses Verfahren bedingt durch den hohen Energiebedarf kostenintensiver. Blei ist zwar ein unedles Element, welches in der elektrochemischen Spannungsreihe ein negativeres Standardpotential als Wasserstoff aufweist, jedoch hat letzterer an Bleielektroden eine hohe Überspannung, so dass eine elektrolytische Abscheidung metallischen Bleis aus wässrigen Lösungen möglich wird.

Raffiniertes Blei kommt als Weichblei bzw. genormtes Hüttenblei mit 99,9 bis 99,97 %iger Reinheit (z. B. Eschweiler Raffiné) oder als Feinblei mit 99,985 bis 99,99 % Blei (DIN 1719, veraltet) in den Handel. Entsprechend dem Verwendungszweck sind auch Bezeichnungen wie Kabelblei für die Legierung mit ca. 0,04 % Kupfer verbreitet. Aktuelle Normen wie DIN EN 12659 kennen diese noch gebräuchlichen Bezeichnungen nicht mehr.

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Datei:Cubic-face-centered.png

Kubisch-flächenzentriertes Gitter des Bleis (a=494 pm).

Blei ist ein diamagnetisches Schwermetall (Dichte 11,3 g/cm^{3), das kubisch-flächenzentriert kristallisiert und damit eine kubisch dichteste Kugelpackung aufweist. Darauf gründet die ausgeprägte Duktilität des Metalls und die geringe Mohs-Härte von 1,5; natürlich vorkommendes Blei ist auf Grund von Verunreinigungen härter und weist eine Mohs-Härte von 2–2,5 auf^[5]. Es lässt sich daher leicht zu Blechen walzen oder zu Drähten formen, die jedoch wegen ihrer geringen Härte nur wenig beständig sind. Eine diamantartige Modifikation, wie sie von den leichteren Homologen der Gruppe 14 bekannt ist, tritt beim Blei nicht auf. Das ist auf eine relativistisch bedingte Instabilität der Pb-Pb-Bindung und die geringe Tendenz, vierwertig aufzutreten, zurückzuführen.}

Blei ist von bläulich-weißer Farbe. Es hinterlässt auf Papier einen grauen Strich. Aus diesem Grund wurde früher mit Blei geschrieben. Bei der Entwicklung des Bleistiftes kam es deshalb zu einem Missverständnis, da man das dafür benutzte Graphit für ein Bleierz hielt. Der Schmelzpunkt des Bleis liegt bei 327 °C, sein Siedepunkt bei 1740–1751 °C (Werte in Fachliteratur unterschiedlich: 1740 °C^[6], 1746 °C^[7], 1751 °C^[8]). Blei leitet als typisches Metall sowohl Wärme als auch Strom, dies aber deutlich schlechter als andere Metalle (vgl. elektrische Leitfähigkeit Blei: 4,8 · 10^{6 S/m^[8], Silber: 62 · 10⁶ S/m^[8]). Unterhalb von 7,196 K zeigt Blei keinen elektrischen Widerstand, es wird zum Supraleiter vom Typ I. Die Schallgeschwindigkeit in Blei liegt bei etwa 1200 m/s, in der Literatur streuen die Werte etwas, wahrscheinlich bedingt durch unterschiedliche Reinheit oder Bearbeitung.}

Chemische Eigenschaften

Blei ist ein unedles Metall mit einem Standardelektrodenpotential von etwa −0,13 V^[7]. Es ist allerdings edler als viele andere Gebrauchsmetalle, wie Eisen, Zink oder Aluminium. An der Luft wird Blei durch Bildung einer Schicht aus Bleioxid passiviert und damit vor weiterer Oxidation geschützt. Frische Schnitte glänzen zunächst metallisch, laufen jedoch schnell unter Bildung jener matten Oxidschicht an. In feinverteiltem Zustand ist Blei leichtentzündlich (pyrophores Blei).

Blei ist in Wasser, das keinen Sauerstoff enthält, stabil. Bei Anwesenheit von Sauerstoff löst es sich jedoch langsam auf, so dass bleierne Trinkwasserleitungen eine Gesundheitsgefahr darstellen können. Ist das Wasser dagegen sehr hart, d. h. enthält es sehr viel Calciumhydrogencarbonat und Calciumsulfat, bildet sich nach einiger Zeit eine dichte Schicht aus basischem Bleicarbonat und Bleisulfat. Diese Salze sind in Wasser nahezu unlöslich und verhindern so einen weiteren Angriff.

Blei ist durch Passivierung unlöslich in vielen Säuren. So ist Blei beständig gegen Schwefelsäure, Flusssäure und Salzsäure, da sich dichte Schichten der jeweiligen unlöslichen Bleisalze bilden. Deshalb besitzt Blei für spezielle Anwendungen eine gewisse Bedeutung im chemischen Apparatebau.

Löslich ist Blei dagegen in Salpetersäure (Pb(NO₃)₂ ist wasserlöslich), heißer, konzentrierter Schwefelsäure (Bildung des löslichen Pb(HSO₄)₂-Komplexes), Essigsäure (nur bei Luftzutritt) und heißen Laugen.

Isotope

Natürliches vorkommendes Blei besteht zu 52,4 % aus dem Isotop ²⁰⁸Pb, zu 22,1 % aus ²⁰⁷Pb, zu 24,1 % aus ²⁰⁶Pb und zu 1,4 % ²⁰⁴Pb. Von diesen vier Isotopen ist lediglich ²⁰⁴Pb radioaktiv und zerfällt unter Aussendung von Alphastrahlung mit einer Halbwertszeit von 1,4 · 10¹⁷ Jahren in ²⁰⁰Hg. ²⁰⁸Pb besitzt einen doppelt magischen Kern, der eine besondere Stabilität dieses Isotops bedingt: ²⁰⁸Pb ist das schwerste stabile Isotop eines Elementes. Das lange Zeit für das Isotop mit dem schwersten stabilen Kern gehaltene ²⁰⁹Bi ist nach neueren Messungen^[9] instabil und zerfällt mit einer Halbwertszeit von (1,9 +/- 0,2) · 10¹⁹ Jahren (etwa 19 Trillionen Jahre) unter Aussendung von Alphateilchen in ²⁰⁵Tl. Der sehr langsame Zerfall des ²⁰⁹Bi liegt begründet in der unmittelbaren Nähe zum doppelt magischen ²⁰⁸Pb im Isotopenschema.

Die Isotope des natürlich vorkommenden Bleis sind zu je die Endprodukte der Uran- und Thorium-Zerfallsreihen: ²⁰⁶Pb ist das Endisotop der beim ²³⁸U beginnenden Uran-Radium-Reihe, ²⁰⁷Pb ist das Ende der beim ²³⁵U beginnenden Uran-Actinium-Reihe und ²⁰⁸Pb schließlich ist das Endisotop der beim ²³²Th beginnenden Thorium-Reihe. Durch diese Zerfallsreihen kommt es zu dem Effekt, dass das Verhältnis der Bleiisotope in einer Probe bei Ausschluss eines stofflichen Austausches mit der Umwelt zeitlich nicht konstant ist. Dies kann zur Altersbestimmung durch die Uran-Blei- bzw. Thorium-Blei-Methode genutzt werden, die auf Grund der langen Halbwertszeiten der Uran- und Thoriumisotope im Gegensatz zur Radiokarbonmethode gerade zur Datierung von Zeiträumen, die über mehrere Millionen Jahre zurückliegen, tauglich ist.

Weiterhin existieren noch 28 instabile Isotope, die entweder künstlich hergestellt wurden oder in den Zerfallsreihen des Urans bzw. des Thoriums vorkommen, wie etwa das ²¹⁰Pb in der Uran-Radium-Reihe. Das langlebigste Isotop unter ihnen ist das ²⁰⁵Pb mit einer Halbwertszeit von 1,4 · 10⁷ Jahren.

Verwendung

Die größten Bleiverbraucher sind die USA, Japan, Deutschland und die Volksrepublik China. Der Verbrauch ist stark von der Konjunktur in der Automobilindustrie abhängig, in der etwa 60 % des Weltbedarfs an Blei verwendet werden. Weitere 20 % werden in der chemischen Industrie verarbeitet. Die Weltmarktpreise für Blei sind seit Anfang des 21. Jahrhunderts wegen der starken Nachfrage in der Volksrepublik China gestiegen.

Metall

Datei:Bleigelakku.jpg

Bleiakku

Blei wird vorwiegend als Metall oder Legierung verwendet. Im Gegensatz zu früheren Zeiten, als Blei eines der wichtigsten und meistverwendeten Metalle war, versucht man heute, Blei durch andere, ungiftige Elemente oder Legierungen zu ersetzen. Wegen seiner wichtigen Eigenschaften, vor allem seiner Korrosionsbeständigkeit und hohen Dichte sowie seiner einfachen Herstellung und Verarbeitung, hat es aber immer noch eine große Bedeutung in der Industrie. Elemente mit einer ähnlichen Dichte beispielsweise sind entweder noch problematischer (Quecksilber, Uran) oder sehr selten und teuer (Gold, Platin).

Das meiste Blei wird heutzutage als chemischer Energiespeicher in Bleiakkumulatoren (z. B. Autobatterien) verwendet. Eine Autobatterie besteht aus einer Blei-, und einer Blei(IV)-oxid-Elektrode, sowie Schwefelsäure als Elektrolyt. Aus den bei der elektrochemischen Reaktion entstehenden Pb²⁺-Ionen bildet sich in der Schwefelsäure unlösliches Blei(II)-sulfat. Wiederaufladen ist durch Rückreaktion von Blei(II)-sulfat zu Blei und Blei(IV)-oxid möglich. Ein Vorteil des Bleiakkumulators ist die hohe Nennspannung von 2,06 Volt.

Da Blei eine hohe Dichte besitzt, wird es als Gewicht benutzt. Bleigewichte wurden unter anderem als Ausgleichsgewichte zum Auswuchten von Autorädern benutzt. Dies ist aber seit dem 1. Juli 2003 bei PKW Neuwagen und seit dem 1. Juli 2005 bei allen PKW (bis 3,5 t) verboten, die Bleigewichte sind durch Zink- oder Kupfergewichte ersetzt worden. Weitere Anwendungen unter Ausnutzung der hohen Dichte sind: Bleiketten zur Straffung von Gardinen und Tauchgewichte, um beim Tauchen den Auftrieb von Taucher und Ausrüstung auszugleichen. Außerdem wird Blei als Schwingungsdämpfer in vibrationsempfindlichen (Auto-)Teilen, zur Stabilisierung von Schiffen und für Sonderanwendungen des Schallschutzes verwendet.

Wegen seiner Abschirmwirkung gegen hochenergetische Strahlung, z. B. Röntgenstrahlung und Elementarteilchen, wird es zum Schutz vor Röntgenstrahlung in Röntgengeräten, aber auch in Kathodenstrahlröhren (Computerbildschirme, Fernsehgeräte etc.), sowie für schärfere Röntgenbilder als Streustrahlenraster eingesetzt. Außerdem ist es in den Bleischürzen enthalten. Diese schützen einerseits den untersuchenden Radiologen vor einer Strahlenexposition und dienen andererseits als Gonadenschutz des Patienten. Einen besonderen Anwendungsfall in diesem Zusammenhang stellt die Abschirmung von Gamma-Spektrometern dar. Hier ist der Gehalt an ²¹⁰Pb störend. Er fällt umso niedriger aus, je länger der Verhüttungszeitpunkt zurückliegt, denn mit der Verhüttung wird das Mutter-Nuklid ²³⁸U (Begleiter im Erz) vom Metall abgetrennt. Das ²¹⁰Pb klingt damit ab dem Zeitpunkt der Verhüttung ab, ohne dass neues nachgebildet wird. Damit sind metallurgische Hinterlassenschaften des Imperium Romanum (z. B. Trimmgewichte aus versunkenen Schiffen) zur Herstellung solcher Geräte begehrt.

Da Blei durch Passivierung chemisch sehr beständig ist und u. a. Schwefelsäure und Brom widersteht, wird es als Korrosionsschutz im Apparate- und Behälterbau eingesetzt. Eine früher wichtige Anwendung war so das Bleikammerverfahren zur Schwefelsäureherstellung, da damals Blei das einzige bekannte Metall war, das den Schwefelsäuredämpfen widerstand. Blei wurde auch häufig zur Ummantelung von Kabeln zum Schutz vor Umwelteinflüssen benutzt. Heute ist Blei dabei meist durch Kunststoffe, z. B. PVC, abgelöst worden. Bis heute wird Blei zur Ummantelung von Kabeln in Raffinerien eingesetzt, da Blei gegen Kohlenwasserstoffe inert ist.

Da Blei leicht zu bearbeiten und zu gießen ist, wurde Blei in der Vergangenheit häufig für metallische Gegenstände verwendet. Zu den wichtigsten Bleiprodukten zählten u. a. Rohre. Aufgrund der Toxizität der aus dem Blei evtl. entstehenden chemischen Verbindungen (Bleivergiftung) kommen Bleirohre aber seit den 1970er Jahren nicht mehr zum Einsatz. Trotz einer gebildeten Karbonatschicht in den Rohren löst sich das Blei weiterhin im Trinkwasser. Erfahrungsgemäß wird bereits nach wenigen Metern der Grenzwert der geltenden Trinkwasserverordnung nicht mehr eingehalten. Auch für Fensterfassungen, z. B. an mittelalterlichen Kirchenfenstern, wurde oft Blei verwendet. Weitere Verwendung im Gebäudebau fand Blei zur Verbindung von Steinen durch eingegossene Metallklammern oder Metalldübel und als Dachdeckung (z. B. die Hauptkuppeln der Hagia Sophia) oder für Dachabschlüsse (z. B. bei den berühmten „Bleikammern“, dem ehemaligen Gefängnis von Venedig, Kölner Dom) und zur Einfassung von Dachöffnungen.

Ein wichtiger Abnehmer für Bleimetall war und ist das Militär. Blei dient als Grundstoff für Geschosse, sowohl für Schleudern als auch für Feuerwaffen. In sogenannten Kartätschen wurde gehacktes Blei verschossen. Der Grund für die Verwendung von Blei waren und sind einerseits die hohe Dichte und damit hohe Durchschlagskraft und andererseits die leichte Herstellung durch Gießen. Heutzutage wird das Blei meist in einen Mantel (daher „Mantelgeschoss“) aus einer Kupferlegierung eingebracht. Vorteile sind vor allem eine höhere Geschwindigkeit, da bei höheren Geschwindigkeiten im Lauf das Bleigeschoss nicht mehr in Rotation versetzt werden kann (geringe Härte).

Ein Brauchtum zu Silvester ist das Bleigießen, bei dem flüssiges Blei (heutzutage auch Zinn) in kaltem Wasser zum Erstarren gebracht wird. Anhand der zufällig entstehenden Formen wird über die Zukunft orakelt.

Legierungsbestandteil

Blei wird auch in einigen wichtigen Legierungen eingesetzt. Durch das Zulegieren weiterer Metalle ändern sich je nach Metall die Härte, der Schmelzpunkt oder die Korrosionsbeständigkeit des Materials. Die wichtigste Bleilegierung ist das Hartblei, eine Blei-Antimon-Legierung, die erheblich härter und damit mechanisch belastbarer als reines Blei ist. Spuren einiger anderer Elemente (Kupfer, Arsen, Zinn) sind meist in Hartblei enthalten und beeinflussen ebenfalls maßgeblich die Härte und Festigkeit. Verwendung findet Hartblei beispielsweise im Apparatebau, bei dem es neben der chemischen Beständigkeit auch auf Stabilität ankommt.

Eine weitere Bleilegierung ist das Letternmetall, eine Bleilegierung mit 60–90 % Blei, die als weitere Bestandteile Antimon und Zinn enthält. Es wird für Lettern im Buchdruck verwendet. Daneben wird Blei in Lagern als sog. Lagermetall verwendet.

Blei spielt eine Rolle als Legierungsbestandteil in Weichlot, das unter anderem in der Elektrotechnik Verwendung findet. In Weichloten ist Zinn neben Blei der wichtigste Bestandteil. Die Verwendung von Blei in Loten betrug 1998 weltweit etwa 20.000 Tonnen. Die EG-Richtlinie 2002/95/EG RoHS verbannt Blei ab Juli 2006 weitgehend aus der Löttechnik.

Blei ist ein häufiger Nebenbestandteil in Messing. Dort hilft ein Bleianteil (bis 3 %), die Zerspanbarkeit zu verbessern. Auch in anderen Legierungen, wie z. B. Rotguss, kann Blei als Nebenbestandteil enthalten sein.

Bleifrei

Bleihaltige Produkte und Anwendungen werden entweder vollständig ersetzt (wie Tetraethylblei im Benzin) oder der Bleigehalt durch Grenzwerte auf einen der technischen Verunreinigung entsprechenden Wert beschränkt (z. B. Zinn und Lot). Diese Produkte werden gern „bleifrei“ genannt. Grenzwerte gibt es u. a. in der Gesetzgebung um die so genannte RoHS (Richtlinie 2002/95/EG), die 1000 ppm (0,1 %) vorsieht. Strenger ist der Grenzwert für Verpackungen mit 100 ppm (Richtlinie 94/62/EG).

Der politische Wille zum Ersetzen des Bleis gilt auch dort, wo die Verwendung aufgrund der Eigenschaften technisch oder wirtschaftlich interessant wäre, die Gesundheitsgefahr gering und ein Recycling mit sinnvollem Aufwand möglich wäre (z. B. Blei als Dacheindeckung).

Toxizität

siehe auch Hauptartikel: Bleivergiftung

Elementares Blei ist in kompakter Form für den Menschen nicht giftig. Metallisches Blei bildet an der Luft eine dichte, schwer wasserlösliche Schutzschicht aus Bleicarbonat. Bei metallischem Blei kann deshalb auf die Gefahrstoffkennzeichnung verzichtet werden. Toxisch sind gelöstes Blei und Bleiverbindungen, sowie Bleistäube, die durch Verschlucken oder Einatmen in den Körper gelangen können. Besonders toxisch sind Organobleiverbindungen, z. B. Tetraethylblei, die stark lipophil sind und rasch über die Haut aufgenommen wird. Genauere Details zur Giftwirkung von Bleiionen und zur Behandlung findet man unter Bleivergiftung.

Bei einmaliger Aufnahme von metallischem Blei oder schwer löslichen Bleisalzen ist nur bei hoher Dosierung eine Giftwirkung zu bemerken. Jedoch reichern sich selbst kleinste Mengen, über einen längeren Zeitraum stetig eingenommen, im Körper an, da sie z. B. in die Knochen eingelagert und nur sehr langsam wieder ausgeschieden werden. Blei kann so eine chronische Vergiftung hervorrufen, die sich unter anderem in Kopfschmerzen, Müdigkeit, Abmagerung und Defekten der Blutbildung, des Nervensystems und der Muskulatur zeigt. Bleivergiftungen sind besonders für Kinder und Schwangere gefährlich. Es kann auch Fruchtschäden und Zeugungsunfähigkeit bewirken. Im Extremfall kann die Bleivergiftung zum Tode führen. Die Giftigkeit von Blei beruht unter anderem auf einer Störung der Hämoglobinsynthese. Es hemmt mehrere Enzyme und behindert dadurch den Einbau des Eisens in das Hämoglobinmolekül.

Bleibelastung der Umwelt

Luft

Die Bleibelastung der Luft wird hauptsächlich durch bleihaltige Stäube verursacht. Hauptquellen für Bleistäube sind die bleierzeugende Industrie, das Verbrennen von Kohle und vor allem der Autoverkehr. Auch beim Reinigen und Entfernen alter Mennige-Anstriche durch Sandstrahlen entsteht Bleistaub. Die bei der Bleiraffination und bei der Verbrennung von Kohle entstehenden Bleioxidstäube konnten durch geeignete Filter verringert werden. Eine weitere Quelle, die mengenmäßig aber kaum ins Gewicht fällt, ist die Verbrennung von Hausmüll in Müllverbrennungsanlagen.

Die größte Quelle für Bleistäube in der Luft war bis vor einigen Jahren die Verbrennung bleihaltiger Kraftstoffe in Automotoren. Bei der Verbrennung in Motoren entstand aus dem zugesetzten Bleitetraethyl Blei und Blei(II)-oxid neben geringeren Mengen an Blei(II)-chlorid und Blei(II)-bromid, die durch Reaktion mit dem Benzin zugesetzten halogenierten Kohlenwasserstoffen entstanden. Vor allem wegen des Verbotes bleihaltiger Kraftstoffe ist die Luftbelastung durch Blei in den letzten Jahren deutlich zurückgegangen. Am höchsten ist die Bleibelastung durch Bleistäube gegenwärtig für Arbeiter in bleiproduzierenden und -verarbeitenden Betrieben.

Boden

Auch Böden können mit Blei belastet sein. Der mittlere Bleigehalt der kontinentalen Erdkruste liegt bei 15 mg/kg. Böden enthalten von Natur aus zwischen 2 und 60 mg/kg Blei, wenn sie aus bleierzhaltigen Gesteinen entstanden, kann der Gehalt deutlich höher sein ^[10]. Der Großteil der Bleibelastung von Böden ist anthropogen, die Quellen dafür sind vielfältig. Der Großteil des Eintrags erfolgt über Bleistäube aus der Luft, welche mit dem Regen oder durch trockene Deposition in die Böden gelangen. Für Deutschland und das Jahr 2000 wurde der atmosphärische Eintrag in Böden auf 571 t Blei/Jahr geschätzt. Eine weitere Quelle ist belasteter Dünger, sowohl Mineraldünger (136 t Pb/a), insbesondere Ammonsalpeter, als auch Wirtschaftsdünger (182 t Pb/a). Klärschlämme (90 t Pb/a) und Kompost (77 t Pb/a) tragen ebenfalls zur Bleibelastung der Böden bei. ^[11] Altlasten wie z. B. ehemalige Standorte von bleiproduzierenden Industriebetrieben können ebenfalls eine hohe Bleibelastung des Bodens aufweisen.

Wasser

Die Bleibelastung von Flüssen und Seen resultiert hauptsächlich durch Ausschwemmen von Blei aus belasteten Böden. Auch das Lösen geringer Mengen an Blei durch den Regen aus Bleiwerkstoffen, beispielsweise Dachplatten aus Blei, trägt zur Bleibelastung der Gewässer bei. Die direkte Verschmutzung von Gewässern durch die Bleiindustrie und den Bleibergbau spielt (zumindest in Deutschland) auf Grund des Baus von Kläranlagen fast keine Rolle mehr. Der Jahreseintrag von Blei in Gewässer ist in Deutschland von ca. 900 t im Jahr 1985 auf ungefähr 300 t im Jahr 2000 zurückgegangen ^[12].

Nahrung und Trinkwasser

Durch die Bleibelastung von Luft, Boden und Wasser gelangt das Metall über Pilze, Pflanzen und Tiere in die Nahrungskette des Menschen. Besonders hohe Bleibelastungen können in verschiedenen Pilzen enthalten sein. Auf den Blättern von Pflanzen lagert sich Blei als Staub ab. Dieser Staub kann durch sorgfältiges Waschen entfernt werden. Wasserleitungen aus Bleirohren können das Trinkwasser belasten, sie sind heute nur noch in wenigen Gebäuden vorhanden. Aus bleihaltigem Essgeschirr kann Blei durch saure Lebensmittel (Obst, Wein) herausgelöst werden.

Nachweis

Qualitativ

Eine Möglichkeit, eine mikroskopische Nachweisreaktion für Bleiionen durchzuführen, ist der Nachweis als Blei(II)-iodid. Dabei wird die Probe in verdünnter Salzsäure gelöst und vorsichtig bis zur Kristallisation eingedampft. Der Rückstand wird mit einem Tropfen Wasser aufgenommen und anschließend mit einem Kristall Kaliumiodid versetzt. Es entstehen nach kurzer Zeit gelbe, hexagonale Blättchen des Blei(II)-iodids, die zwischen gekreuzten Polarisatoren intensive Interferenzfarben zeigen. Nach einiger Zeit kommt es zur Wiederauflösung der anfänglich gelben Kristalle, und es entsteht das farblose Kaliumtetraiodoplumbat(II).

\mathrm {Pb^{2+}\ +\ 2\ I^{-}\ \longrightarrow \ PbI_{2}\downarrow }

\mathrm {PbI_{2}\ +\ 2I^{-}\ \longrightarrow \ [PbI_{4}]^{2-}}

Bleikationen in Lösung kann man alternativ durch Fällung als schwarzes Bleisulfid (PbS) nachweisen:

\mathrm {Pb^{2+}\ +\ S^{2-}\ \longrightarrow \ PbS\downarrow }

Der Nachweis wird jedoch durch andere Schwermetall-Kationen gestört.

Mit saurer, orangefarbener Dichromatlösung fällt gelbes Blei(II)-chromat (PbCrO₄) aus.

Blei färbt die Flamme fahlblau.

Quantitativ

Mögliche quantitative Bestimmungsmöglichkeiten sind gravimetrische Fällungen von Bleiionen als Blei(II)-sulfat oder Blei(II)-chromat:

\mathrm {Pb^{2+}\ +\ SO_{4}^{2-}\ \longrightarrow \ PbSO_{4}\downarrow }

\mathrm {Pb^{2+}\ +\ CrO_{4}^{2-}\ \longrightarrow \ PbCrO_{4}\downarrow }

Auch die komplexometrische Titration mit EDTA gegen Erio T als Indikator ist möglich.

In der modernen Analytik, v. a. bei der Messung von Umweltproben (z. B. Flusswasser, Blut ...), spielen diese Verfahren wegen geringer Empfindlichkeit und Genauigkeit keine Rolle mehr. Die moderne Analytische Chemie setzt dazu die verschiedenen Methoden der Atomspektroskopie ein.

Bleiverbindungen

Bleiverbindungen kommen in den Oxidationsstufen +II und +IV vor. Aufgrund relativistischer Effekte ist die Oxidationsstufe +II dabei – im Gegensatz zu den leichteren Homologen der Gruppe 14, wie Kohlenstoff und Silizium – stabiler als die Oxidationsstufe +IV. Blei(IV)-Verbindungen sind deshalb starke Oxidationsmittel. In intermetallischen Verbindungen des Bleis (Plumbide: M_xPb_y), vor allem mit Alkali- und Erdalkalimetallen, nimmt es auch negative Oxidationsstufen bis -IV an. Viele Bleiverbindungen sind Salze, es gibt aber auch organische Bleiverbindungen, die kovalent aufgebaut sind. Ebenso wie bei Bleimetall wird heutzutage versucht, Bleiverbindungen durch andere, ungiftige Verbindungen zu substituieren. So wurde Blei(II)-sulfat als Farbpigment durch Titandioxid ersetzt.

Oxide

Blei(II)-oxid PbO tritt in zwei Modifikationen, als rote Bleiglätte und als gelbes Massicolit, auf. Beide Modifikationen wurden früher als Pigmente verwendet. Es dient als Ausgangsstoff für andere Bleiverbindungen.

Blei(II,IV)-oxid Pb₃O₄, auch Mennige genannt, ist ein leuchtend rotes Pulver, das früher verbreitet als Pigment und Rostschutzfarbe verwendet wurde. Es ist in Deutschland, seit 2005 auch in der Schweiz als Rostschutz verboten. Pb₃O₄ wird in der Glasherstellung für die Bereitung von Bleikristall verwendet.

Blei(IV)-oxid PbO₂ ist ein schwarz-braunes Pulver, das als Elektrodenmaterial in Bleiakkumulatoren und als Oxidationsmittel in der chemischen Industrie (z. B. Farbstoffherstellung) verwendet wird.

Datei:Mennige.JPG

Mennige

Schwefelverbindungen

Blei(II)-sulfid PbS ist als Bleiglanz das wichtigste Bleimineral. Es dient v. a. zur Herstellung metallischen Bleis.

Blei(II)-sulfat PbSO₄ kommt als Anglesit ebenfalls in der Natur vor und wird als Weißpigment verwendet.

Weitere wichtige Bleisalze

Blei(II)-acetat Pb(CH₃COO)₂ · 3H₂O, auch Bleizucker genannt, war früher ein Zuckerersatzstoff z. B. für das Süßen von Wein. Aufgrund der Giftigkeit von Bleizucker starben früher Menschen an solcherart vergiftetem Wein.

Blei(IV)-acetat (Pb(CH₃COO)₄) bildet farblose, an feuchter Luft nach Essig riechende Kristallnadeln. Es dient in der Organischen Chemie als starkes Oxidationsmittel.

Bleiweiß, basisches Bleicarbonat 2 PbCO₃ · Pb(OH)₂, war früher ein beliebtes Weißpigment; es ist heute meist durch Titanoxid abgelöst.

Blei(II)-nitrat Pb(NO₃)₂ ist ein giftiges, weißes Pulver, das für Sprengstoffe und zur Herstellung von Streichhölzern verwendet wurde.

Blei(II)-chlorid PbCl₂ dient als Ausgangsstoff zur Herstellung von Bleichromat.

Blei(II)-chromat PbCrO₄ ist ein orange-gelbes Pulver, welches früher als Pigment diente und heute wegen seiner Giftigkeit nicht mehr eingesetzt wird.

Bleiazid Pb(N₃)₂ ist ein wichtigster Initialsprengstoff.

Organische Bleiverbindungen

Tetraethylblei Pb(C₂H₅)₄ (TEL) ist eine giftige Flüssigkeit, die als Antiklopfmittel Benzin zugesetzt wurde. Heute wird Tetraethylblei nur noch in Flugbenzin verwendet.

Literatur

Hans Breuer: dtv-Atlas Chemie, Band 1, dtv-Verlag ,9. Auflage 2000 ISBN 3-423-03217-0
Hollemann-Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, Verlag de Gruyter, Berlin, 101. Auflage (1995) ISBN 3-11-012641-9
Jander, Blasius: Einführung in das anorganisch-Chemische Praktikum, S.Hirzel Verlag, Leipzig, 14. Auflage (1995) ISBN 3-7776-0672-3
William H. Brock: Viewegs Geschichte der Chemie, Vieweg Verlag ISBN 3-540-67033-5

Einzelquellen

↑ Werner Schatt (Hrsg.): Einführung in die Werkstoffwissenschaft. 7. Auflage. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1991, ISBN 3-342-00521-1 S. 438
↑ dtv-Atlas zur Chemie Bd. 1, S. 151
↑ Handelsblatt - Die Welt in Zahlen (2005)
↑ http://www.stolberg-abc.de/htdocs/qfr.htm
↑ http://www.mineralienatlas.de/lexikon/index.php/Blei, 27.9.06
↑ http://chemdat.merck.de/documents/sds/emd/deu/de/1073/107362.pdf
↑ ^a ^b M.Binnewies: Allgemeine und anorganische Chemie Spektrum Verlag, 2004
↑ ^a ^b ^c Hollemann, Wiberg:Lehrbuch der anorganischen Chemie de Gruyter, 1995
↑ P. de Marcillac, N. Coron, G. Dambier, J. Leblanc, J.-P. Moalic: Experimental detection of α-particles from the radioactive decay of natural bismuth. Nature 422, S. 876–878 (2003). Ungültig: DOI=DOI:10.1038/nature01541
↑ Scheffer/Schachtschabel, Lehrbuch der Bodenkunde, 1992, Enke Verlag, 13. Aufl., Kap. XXII 4 d
↑ http://www.umweltdaten.de/publikationen/fpdf-l/2936.pdf (S. 31)
↑ http://www.umweltdaten.de/publikationen/fpdf-l/2936.pdf (S. 28 und 35)

Weblinks

Commons: Blei – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Blei – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

[1] Werner Schatt (Hrsg.): Einführung in die Werkstoffwissenschaft. 7. Auflage. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1991, ISBN 3-342-00521-1 S. 438

[2] tv-Atlas zur Chemie Bd. 1, S. 151

[3] Handelsblatt - Die Welt in Zahlen (2005)

[4] ttp://www.stolberg-abc.de/htdocs/qfr.htm

[5] ttp://www.mineralienatlas.de/lexikon/index.php/Blei, 27.9.06

[6] ttp://chemdat.merck.de/documents/sds/emd/deu/de/1073/107362.pdf

[Binnewies-7] M.Binnewies: Allgemeine und anorganische Chemie Spektrum Verlag, 2004

[HoWi-8] Hollemann, Wiberg:Lehrbuch der anorganischen Chemie de Gruyter, 1995

[9] P. de Marcillac, N. Coron, G. Dambier, J. Leblanc, J.-P. Moalic: Experimental detection of α-particles from the radioactive decay of natural bismuth. Nature 422, S. 876–878 (2003). Ungültig: DOI=DOI:10.1038/nature01541

[Scheffer-10] Scheffer/Schachtschabel, Lehrbuch der Bodenkunde, 1992, Enke Verlag, 13. Aufl., Kap. XXII 4 d

[11] ttp://www.umweltdaten.de/publikationen/fpdf-l/2936.pdf (S. 31)

[12] ttp://www.umweltdaten.de/publikationen/fpdf-l/2936.pdf (S. 28 und 35)

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