Blei

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Dieser Artikel befasst sich mit dem Metall Blei. Weitere Bedeutungen siehe Blei (Begriffsklärung).
Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Blei, Pb, 82
Serie Metalle
Gruppe, Periode, Block 14, 6, p
Aussehen Bläulich weiß
CAS-Nummer 7439-92-1
Massenanteil an der Erdhülle 18 ppm[1]
Atomar [2]
Atommasse 207,2(1)[3] u
Atomradius (berechnet) 180 (154) pm
Kovalenter Radius 146 pm
Van-der-Waals-Radius 202 pm
Elektronenkonfiguration [Xe] 4f14 5d10 6s2 6p2
1. Ionisierungsenergie 715,6 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie 1450,5 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie 3081,5 kJ/mol
4. Ionisierungsenergie 4083 kJ/mol
Physikalisch [2]
Aggregatzustand fest
Kristallstruktur kubisch flächenzentriert
Dichte 11,342 g/cm3 (20 °C)[4]
Mohshärte 1,5
Magnetismus diamagnetisch (\chi_{m} = −1,6 · 10−5)[5]
Schmelzpunkt 600,61 K (327,43 °C)
Siedepunkt 2017 K[6] (1744 °C)
Molares Volumen 18,26 · 10−6 m3/mol
Verdampfungswärme 177 kJ/mol[6]
Schmelzwärme 4,85[7] kJ/mol
Schallgeschwindigkeit 1260 m/s bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität 131[8] J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit 4,76 · 106 A/(V · m)
Wärmeleitfähigkeit 35 W/(m · K)
Mechanisch [2]
Poissonzahl 0,44
Chemisch [2]
Oxidationszustände 2, 4
Oxide (Basizität) Pb3O4 (amphoter)
Normalpotential −0,1251 V (Pb2+ + 2 e → Pb)
Elektronegativität 2,33 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP
202Pb

{syn.}

52500 a α 2,598 198Hg
ε 0,050 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 %

Stabil
207Pb

22,1 %

Stabil
208Pb

52,4 %

Stabil
209Pb

{syn.}

3,253 h β 0,644 209Bi
210Pb

in Spuren

22,3 a α 3,792 206Hg
β 0,064 210Bi
211Pb

in Spuren

36,1 min β 1,367 211Bi
212Pb

in Spuren

10,64 h β 0,574 212Bi
213Pb

{syn.}

10,2 min β 2,070 213Bi
214Pb

in Spuren

26,8 min β 1,024 214Bi
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung aus EU-Verordnung (EG) 1272/2008 (CLP) [9]
07 – Achtung 08 – Gesundheitsgefährdend 09 – Umweltgefährlich

Gefahr

H- und P-Sätze H: 360D​‐​360F​‐​332​‐​302​‐​373​‐​410Vorlage:H-Sätze/Wartung/mehr als 5 Sätze
P: 201​‐​273​‐​308+313 [10]
EU-Gefahrstoffkennzeichnung [11][12]
Giftig Umweltgefährlich
Giftig Umwelt-
gefährlich
(T) (N)
R- und S-Sätze R: 61​‐​20/22​‐​33​‐​50/53​‐​62
S: 53​‐​45​‐​60​‐​61
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Blei ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Pb (lateinisch plumbum) und der Ordnungszahl 82. Es ist ein giftiges Schwermetall und steht in der 4. Hauptgruppe bzw. der 14. IUPAC-Gruppe (Kohlenstoffgruppe) und 6. Periode des Periodensystems. Blei ist leicht verformbar und hat einen vergleichsweise niedrigen Schmelzpunkt.

Die Isotope 206Pb, 207Pb und 208Pb sind die schwersten stabilen Atome, damit ist Blei das schwerste stabile Element des Periodensystems. Mit der magischen Protonenzahl 82 kann diese Stabilität erklärt werden. Bei 208Pb liegt ein so genannter doppelt magischer Kern vor. Bleiisotope treten als Endprodukte von dreien der vier natürlichen Zerfallsreihen der radioaktiven Elemente auf. Dadurch ist relativ viel Blei entstanden, weshalb es in der Erdkruste im Vergleich zu anderen schweren Elementen (Quecksilber, Gold u. a.) häufig vorkommt.

Geschichte

Römischer Wasserverteilertopf gefunden in Contiomagus
Bleibarren aus dem römischen Britannien

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 Assyrer mussten Blei (abāru) einführen. Unter Tiglat-pileser I. unter anderem als Tribut von Melidu belegt.[13] Die Römer verwendeten das Metall als Material für Gefäße, als Schleudergeschoss, für Plomben (daher der Name) und Wasserleitungen.

Schon der römische Autor Vitruv hielt die Verwendung von Blei für Trinkwasserrohre für gesundheitsschädlich, er empfahl, nach Möglichkeit Tonrohre zu verwenden;[14] trotzdem waren Trinkwasserrohre aus Blei bis in die 1970er Jahre gebräuchlich, was beispielsweise auch in dem englischen Wort plumber („Rohrverleger“) zum Ausdruck kommt. Aus heutiger Sicht besonders bedenklich war die Zugabe von Blei als Süßmittel zum Wein (sogenannter „Bleizucker“, siehe auch Blei(II)-acetat). In Westfalen gewannen die Römer bis zu ihrem Rückzug nach der Varusschlacht Blei. Die Zusammensetzung der Isotope zeigt, dass das Blei für die Herstellung römischer Bleisärge, die im Rheinland gefunden wurden, aus der nördlichen Eifel stammt. Da manche Bleierze einen wirtschaftlich nutzbaren Anteil von Silber enthalten, ist die Gewinnung von Blei und Silber schon seit der Antike oft miteinander verbunden. 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 Bleiglasfenstern, z. B. in Kirchen oder für das Eindecken von Bleidächern verwendet.

Besonders wichtig wurde Blei vor allem nach Erfindung der Feuerwaffen für das Militär als Material für Projektile 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.

Alchemistisches Symbol für Blei

Blei spielte auch in der Alchemie 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). Das alchemistische Symbol für Blei ist eine stilisierte Sichel (♄), da es bereits seit dem Altertum als Planetenmetall dem Gott und Planeten Saturn zugeordnet wurde.

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

Heutzutage liegt die Menge des gewonnenen Bleis bei den Nichteisenmetallen an vierter Stelle nach Aluminium, Kupfer und Zink. Es wird vor allem für Autobatterien (Bleiakkumulatoren) verwendet (60 % der Gesamtproduktion).

Vorkommen

Gediegenes Blei – Fundort: Langban, Schweden

Blei kommt in der Erdkruste mit einem Gehalt von etwa 0,0018 % vor[15] und tritt nur selten gediegen auf. Dennoch ist es von der International Mineralogical Association (IMA) als eigenständiges Mineral anerkannt, zählt zu den Element-Mineralen und in der Strunz'schen Mineralsystematik unter der System-Nr. 1.AA.05 bzw. in der veralteten 8. Auflage unter der System-Nr. I/A.05-20 zu finden.

Weltweit konnte es bisher (Stand: 2010) an rund 130 Fundorten nachgewiesen werden, so unter anderem in Argentinien, Äthiopien, Australien, Belgien, Brasilien, Volksrepublik China, Deutschland, Finnland, Frankreich, Georgien, Griechenland, Grönland, Italien, Kanada, Kasachstan, Kirgisistan, Mexiko, der Mongolei, Namibia, Norwegen, Österreich, Polen, Russland, Schweden, Slowenien, Tschechien, der Ukraine, den US-amerikanischen Jungferninseln, im Vereinigten Königreich und den Vereinigten Staaten von Amerika (USA).

Auch in Gesteinsproben des mittelatlantischen Rückens sowie außerhalb der Erde auf dem Mond, genauer im Mare Fecunditatis konnte Blei gefunden werden.[16]

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, auch Bleivitriol). Die beiden Bleiminerale mit der höchsten Bleikonzentration in der Verbindung (bis 92,8 %) sind Lithargit und Massicotit. Insgesamt sind bisher (Stand: 2010) mehr als 500 Bleiminerale bekannt.[17]

Die wirtschaftlich abbaubaren Vorräte werden weltweit auf 67 Millionen Tonnen geschätzt (Stand 2004).[18] Die größten Vorkommen findet man in der Volksrepublik 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 nördlichen Eifel (Rescheid / Gruben Wohlfahrt und Schwalenbach; Mechernich / Grube Günnersdorf und auch Tagebau /Virginia; Bleialf), im Schwarzwald, im Harz (Goslar/Rammelsberg), in Sachsen (Freiberg/Muldenhütten), an der unteren Lahn (Bad Ems, Holzappel), 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, die Bleihütte Binsfeldhammer in Stolberg (Rhld.) und Metaleurop in Nordenham bei Bremerhaven. Sämtliche anderen Hütten erzeugen so genanntes Sekundärblei, indem sie altes Blei (insbesondere aus gebrauchten Autobatterien) aufarbeiten.

Staaten mit der größten Förderung

Die Länder mit der größten Bleiförderung (2004)[19]
Rang Land Fördermengen
(in 1000 t)
Rang Land Fördermengen
(in 1000 t)
1 China VolksrepublikChina Volksrepublik China 950 11 SchwedenSchweden Schweden 33,9
2 AustralienAustralien Australien 642 12 KasachstanKasachstan Kasachstan 33
3 Vereinigte StaatenVereinigte Staaten Vereinigte Staaten 445 13 MarokkoMarokko Marokko 31,3
4 PeruPeru Peru 306,2 14 RusslandRussland Russland 24
5 MexikoMexiko Mexiko 118,5 15 IranIran Iran 22
6 KanadaKanada Kanada 76,7 16 Korea NordNordkorea Nordkorea 20
7 IrlandIrland Irland 65,9 17 BulgarienBulgarien Bulgarien 19
8 IndienIndien Indien 39,8 18 TurkeiTürkei Türkei 18,7
9 PolenPolen Polen 38 19 RumänienRumänien Rumänien 15
10 SudafrikaSüdafrika Südafrika 37,5 20 BrasilienBrasilien Brasilien 14,7
Wichtigste Bleiförderländer

Die weltweit bedeutendsten Förderländer für Bleierz im Jahre 2004 waren 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 zusammen etwa zwei Drittel betrug. 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

Bleiglanz aus Missouri

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 \cdot 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 \cdot mol}^{-1}
\mathrm{PbO\ +\ CO\ \longrightarrow\ Pb\ +\ CO_2}\ \ \Delta H_{\mathrm{r}}^0=-66\ \mathrm{kJ \cdot 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 [20]). 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 die 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

Bleiknollen, elektrolytisch raffiniert, 99,989 %

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

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

Blei ist ein unedles Metall mit einem Standardelektrodenpotential von etwa −0,13 V.[21] Es ist allerdings edler als viele andere Gebrauchsmetalle, wie Eisen, Zink oder Aluminium. Es ist ein diamagnetisches Schwermetall (Dichte 11,3 g/cm3), 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.[22] 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 liegt an der relativistisch bedingten Instabilität der Pb-Pb-Bindung und an der geringen Tendenz, vierwertig aufzutreten.

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,[12] 1746 °C[21], 1751 °C[23]). Blei leitet als typisches Metall sowohl Wärme als auch Strom, dies aber deutlich schlechter als andere Metalle (vgl. elektrische Leitfähigkeit Blei: 4,8 · 106 S/m[23], Silber: 62 · 106 S/m[23]). 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

An der Luft wird Blei durch Bildung einer Schicht aus Bleioxid passiviert und damit vor weiterer Oxidation geschützt. Frische Schnitte glänzen daher zunächst metallisch, laufen jedoch schnell unter Bildung einer matten Oberfläche an. In feinverteiltem Zustand ist Blei leichtentzündlich (pyrophores Blei).

Auch in diversen Säuren ist Blei durch Passivierung unlöslich. So ist Blei beständig gegen Schwefelsäure, Flusssäure und Salzsäure, da sich mit den Anionen der jeweiligen Säure unlösliche Bleisalze bilden. Deshalb besitzt Blei für spezielle Anwendungen eine gewisse Bedeutung im chemischen Apparatebau.

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

In Wasser, das keinen Sauerstoff enthält, ist metallisches Blei stabil. Bei Anwesenheit von Sauerstoff löst es sich jedoch langsam auf, so dass bleierne Trinkwasserleitungen eine Gesundheitsgefahr darstellen können. Wenn das Wasser dagegen viele Hydrogencarbonat- und Sulfationen enthält, was meist mit einer hohen Wasserhärte einhergeht, bildet sich nach einiger Zeit eine Schicht basischen Bleicarbonats und Bleisulfats. Diese schützt das Wasser vor dem Blei, jedoch geht selbst dann noch etwas Blei aus den Leitungen in das Wasser über.

Isotope

Natürlich vorkommendes Blei besteht zu etwa 52,4 % aus dem Isotop 208Pb, zu etwa 22,1 % aus 207Pb, zu etwa 24,1 % aus 206Pb und zu etwa 1,4 % 204Pb. Die drei erstgenannten Isotope sind stabil. Bei 204Pb handelt es sich um ein primordiales Radionuklid. Es zerfällt unter Aussendung von Alphastrahlung mit einer Halbwertszeit von 1,4 · 1017 Jahren (140 Billiarden Jahre) in 200Hg. 208Pb besitzt einen doppelt magischen Kern. Dies bedingt eine besondere Stabilität dieses Isotops: 208Pb ist das schwerste stabile Nuklid. (Das noch schwerere, lange für stabil gehaltene 209Bi ist nach neueren Messungen[24] instabil und zerfällt mit einer Halbwertszeit von (1,9 ± 0,2) · 1019 Jahren (19 Trillionen Jahre) unter Aussendung von Alphateilchen in 205Tl. Sein sehr langsamer Zerfall liegt begründet darin, dass es selbst einfach magisch und dem doppelt magischen 208Pb unmittelbar benachbart ist.)

Die stabilen Isotope des natürlich vorkommenden Bleis sind jeweils die Endprodukte der Uran- und Thorium-Zerfallsreihen: 206Pb ist das Endnuklid der beim 238U beginnenden Uran-Radium-Reihe, 207Pb ist das Ende der beim 235U beginnenden Uran-Actinium-Reihe und 208Pb das Ende der beim 244Pu bzw. 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 Millionen Jahre alten Proben tauglich ist. Außerdem führt der Effekt zu differenzierten Isotopensignaturen im Blei aus verschiedenen Lagerstätten, was zum Herkunftsnachweis herangezogen werden kann.

Weiterhin existieren noch 33 instabile Isotope und 13 instabile Isomere von 178Pb bis 215Pb,[25] die entweder künstlich hergestellt wurden oder in den Zerfallsreihen des Urans bzw. des Thoriums vorkommen, wie etwa 210Pb in der Uran-Radium-Reihe. Das langlebigste Isotop unter ihnen ist 205Pb mit einer Halbwertszeit von 153 Millionen Jahren.

Liste der Blei-Isotope

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 (Stand Mai 2008: ca. 2400 US-Dollar/Tonne[26]) sind seit Anfang des 21. Jahrhunderts wegen der starken Nachfrage in der Volksrepublik China gestiegen.

Bleiklötze zur Abschirmung einer radioaktiven Strahlenquelle im Labor

Strahlenschutz

Ausreichend dicke Blöcke oder Schichten aus Blei absorbieren Röntgen- und Gammastrahlung sehr wirksam. Blei ist billiger und leichter zu verarbeiten als noch dichtere Metalle. Deshalb wird es ganz allgemein im Strahlenschutz (z. B. Nuklearmedizin, Radiologie, Strahlentherapie) zur Abschirmung benutzt. Ein Beispiel ist die Bleischürze, welche Patienten bei Röntgenaufnahmen tragen. Bleiglas wird ebenfalls zum Strahlenschutz verwendet.

Metall

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 oder noch höheren Dichte beispielsweise sind entweder noch problematischer (Quecksilber, Uran) oder sehr selten und teuer (Wolfram, Gold, Platin).

Elektrotechnik

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 verdünnter Schwefelsäure (37 % 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 einer Akkuzelle von 2,06 Volt.

Maschinenbau

Da Blei eine hohe Dichte besitzt, wird es als Gewicht benutzt. Umgangssprachlich gibt es deshalb die Bezeichnung „bleischwer“ für sehr schwere Dinge. 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.

Apparatebau

Wegen seiner hohen Ordnungszahl eignet sich Blei zur Abschirmung gegen Gamma- und Röntgenstrahlung. Es wird deshalb z. B. für Streustrahlenraster eingesetzt. Es ist auch in den Bleischürzen enthalten, die bei Röntgenaufnahmen den untersuchenden Arzt schützen (wenn dieser sich nicht vor der Aufnahme in einen Nebenraum begibt) und auch dem Patienten angelegt werden, um nicht zu untersuchende Teile des Körpers abzuschirmen.

Einen besonderen Anwendungsfall stellt die Abschirmung von Gamma-Spektrometern für die Präzisionsdosimetrie dar. Hierfür wird Blei mit einer geringen Eigen-Radioaktivität benötigt. Der natürliche Gehalt an radioaktivem 210Pb wirkt sich störend aus. Er fällt umso niedriger aus, je länger der Verhüttungszeitpunkt zurückliegt, denn mit der Verhüttung werden die Mutter-Nuklide aus der Uran-Radium-Reihe (Begleiter im Erz) vom Blei abgetrennt. Das 210Pb zerfällt daher vom Zeitpunkt der Verhüttung an mit seiner Halbwertszeit von 22,3 Jahren, ohne dass neues nachgebildet wird. Deshalb sind historische Bleigegenstände wie etwa Trimmgewichte aus gesunkenen Schiffen oder historische Kanonenkugeln zur Gewinnung von strahlungsarmen Blei für die Herstellung solcher Abschirmungen begehrt. Auch gibt es noch andere Forschungseinrichtungen, die dieses alte Blei benötigen.[27]

Blei ist durch Passivierung chemisch sehr beständig und widersteht u. a. Schwefelsäure und Brom. Daher wird es als Korrosionsschutz im Apparate- und Behälterbau eingesetzt. Eine früher wichtige Anwendung war das Bleikammerverfahren zur Schwefelsäureherstellung, da damals Blei das einzige bekannte Metall war, das den Schwefelsäuredämpfen widerstand. Auch frühere Anlagen und Räume zur Herstellung von Nitroglyzerin wurden an Boden und Wand mit Blei ausgekleidet.[28] Blei wurde auch häufig zur Ummantelung von Kabeln zum Schutz vor Umwelteinflüssen benutzt, beispielsweise bei Telefonkabeln. Heute ist Blei dabei meist durch Kunststoffe, z. B. PVC, abgelöst worden, wird aber bis heute bei Kabeln in Raffinerien eingesetzt, da es auch gegen Kohlenwasserstoffe unempfindlich ist.

Bauwesen

Bleirohre der pneumatischen Traktur einer Orgel

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.

Blei zur Versiegelung einer Mauerfuge

Weitere Verwendung im Gebäudebau fand Blei zur Verbindung von Steinen durch eingegossene Metallklammern oder Metalldübel, etwa um Scharniere an einen steinernen Türstock zu befestigen oder ein Eisengeländer an einer Steintreppe. Diese Verbleiungstechnik ist in der Restaurierung noch weit verbreitet. So an der Turmspitze im Wiener Stephansdom oder die Brücke in Mostar. Auch für Fensterfassungen, z. B. an mittelalterlichen Kirchenfenstern, wurde oft Blei verwendet. Blei (Walzblei) findet auch Verwendung 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.

Militärtechnik

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 von einem Mantel (daher „Mantelgeschoss“) aus einer Kupferlegierung (Tombak) umschlossen. Vorteile sind vor allem eine höhere erreichbare Geschossgeschwindigkeit, bei der ein nicht ummanteltes Bleigeschoss aufgrund seiner Weichheit nicht mehr verwendet werden kann und die Verhinderung von Bleiablagerungen im Inneren des Laufes einer Feuerwaffe.

Karosseriereparatur

Vor dem Aufkommen moderner 2-Komponenten-Spachtelmasse wurden Blei oder Blei-Zinn-Legierungen aufgrund ihres geringen Schmelzpunktes zum ausfüllen von Schad- und Reparaturstellen an Fahrzeugkarosserien genutzt. Dazu wurde das Material mit Lötbrenner und Flussmittel auf die Schadstelle aufgelötet. Anschließend wurde die Stelle wie beim Spachteln verschliffen. Dies hat den Vorteil, dass das Blei im Gegensatz zu Spachtelmasse eine feste Bindung mit dem Blech eingeht und bei Temperaturschwankungen auch dessen Längenausdehnung mitmacht.
Da die entstehenden Dämpfe und Stäube giftig sind, wird dieses Verfahren heute außer bei der Restaurierung historischer Fahrzeuge kaum noch verwendet.

Brauchtum

Ein alter Orakel-Brauch, den bereits die Römer pflegten, ist das Bleigießen, bei dem flüssiges Blei (heutzutage auch Zinn) in kaltem Wasser zum Erstarren gebracht wird. Anhand der zufällig entstehenden Formen sollen Weissagungen über die Zukunft getroffen werden. Heute wird der Brauch noch gerne zu Neujahr geübt, um einen (nicht unbedingt ernst genommenen) Ausblick auf das kommende Jahr zu bekommen.

Tauchen

Beim Tauchen werden Bleigewichte zum Tarieren verwendet; der hohe Dichteüberschuss (gut 10 g/cm³) gegenüber Wasser liefert kompakt den Abtrieb, so dass ein Taucher auch in geringer Wassertiefe schweben kann. Für die Verwendung von Blei als Gewicht ist ferner der vergleichsweise niedrige Preis begünstigend: Ausgehend von den Weltmarktpreisen für Metalle vom Juli 2013 hat Blei ein hervorragendes Preis-Gewichts-Verhältnis.[29]

In Form von Platten an den Schuhsohlen eines Panzertauchanzugs, als abgerundete Blöcke aufgefädelt auf einem breiten Hüftgurt oder – modern – als Schrotkugeln in Netzen in den Taschen einer Tarierweste. Öffnen der Gurtschnalle oder der Taschen (unten) erlaubt es, den Ballast notfalls rasch abzuwerfen.

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.

Bleilettern

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 klassischen Buchdruck verwendet, spielt heute allerdings in der Massenproduktion von Druckgütern keine Rolle mehr, sondern allenfalls für bibliophile Editionen. Daneben wird Blei in Lagern als so genanntes 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 seit 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. Daher ist es günstig, das nach längerem Stehen erste aus Messingarmaturen kommende Wasser wegen etwas herausgelösten Bleis eher nicht zu trinken.[30]

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).

Bleiglas

Wegen der abschirmenden Wirkung des Bleis besteht der Konus von Kathodenstrahlröhren (d. h. der „hintere“ Teil der Röhre) für Fernseher, Computerbildschirme etc. aus Bleiglas. Das Blei absorbiert die in Kathodenstrahlröhren zwangsläufig entstehenden weichen Röntgenstrahlen. Für diesen Verwendungszweck ist Blei noch nicht sicher zu ersetzen, daher wird die RoHS-Richtlinie hier nicht angewendet. Glas mit sehr hohem Bleigehalt wird wegen dieser Abschirmwirkung auch in der Radiologie sowie im Strahlenschutz (zum Beispiel in Fensterscheiben) verwendet. Ferner wird Bleiglas wegen seines hohen Brechungsindexes für hochwertige Glaswaren als sogenanntes Bleikristall verwendet.

Toxizität

Hauptartikel: Bleivergiftung

Elementares Blei kann vor allem in Form von Staub über die Lunge aufgenommen werden. Dagegen wird Blei kaum über die Haut aufgenommen. Daher ist elementares Blei in kompakter Form für den Menschen nicht giftig. Metallisches Blei bildet an der Luft eine dichte, schwer wasserlösliche Schutzschicht aus Bleicarbonat. Toxisch sind gelöste 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 werden.

Seit 2006 werden einatembare Fraktionen von Blei und anorganische Bleiverbindungen außer Bleichromat von der Deutsche Forschungsgemeinschaft als krebserzeugend eingestuft:[31]

  • Bleiarsenat in der Kategorie 1 ("Epidemiologische Untersuchungen geben hinreichende Anhaltspunkte für einen Zusammenhang zwischen einer Exposition beim Menschen und dem Auftreten von Krebs"),
  • Blei und andere anorganischen Bleiverbindungen außer Bleichromat in der Kategorie 2 ("Stoffe, die als krebserzeugend für den Menschen anzusehen sind, weil durch hinreichende Ergebnisse aus Langzeit-Tierversuchen oder Hinweise aus Tierversuchen und epidemiologischen Untersuchungen davon auszugehen ist, dass sie einen Beitrag zum Krebsrisiko leisten").

Bleichromate stehen unter Verdacht, Krebs zu erzeugen (Kategorie 3B: "Aus In-vitro- oder aus Tierversuchen liegen Anhaltspunkte für eine krebserzeugende Wirkung vor, die jedoch zur Einordnung in eine andere Kategorie nicht ausreichen. Zur endgültigen Entscheidung sind weitere Untersuchungen erforderlich.").[31]

Blei reichert sich selbst bei Aufnahme kleinster Mengen, die über einen längeren Zeitraum stetig eingenommen werden, im Körper an, da es sich z. B. in Knochen eingelagert und nur sehr langsam wieder ausgeschieden wird. 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 Tod 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. Dadurch wird die Sauerstoff-Versorgung der Körperzellen gestört.

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.[32] 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.[33] Ein erheblicher Eintrag erfolgt auch durch Bleischrot-Munition.[34][35] Bei Altlasten, wie z. B. an ehemaligen Standorten von bleiproduzierenden Industriebetrieben oder in der Umgebung von alten bleiummantelten Kabeln, kann der Boden ebenfalls eine hohe Bleibelastung aufweisen. Eine besonders große Bleiverseuchung gibt es in dem Ort Santo Amaro da Purificação in Brasilien.

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.[36] In Deutschland beträgt der Grenzwert seit dem 1. Dezember 2013 0,01 mg/l (früher 0,025 mg/l); die Grundlage der Messung ist eine für die durchschnittliche wöchentliche Wasseraufnahme durch Verbraucher repräsentative Probe (siehe Trinkwasserverordnung).

Nahrung

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, das war charakteristisch für die Umgebung von Straßen mit viel Kfz-Verkehr, als Benzin noch verbleit wurde. Dieser Staub kann durch sorgfältiges Waschen entfernt werden. Wasserleitungen aus Bleirohren können das Trinkwasser belasten. Sie sind in Deutschland erst seit den 1970er Jahren nicht mehr verbaut worden. Besonders in Altbauten in einigen Regionen Nord- und Ostdeutschlands sind Bleirohre immer noch anzufinden. Bei über 5 % der Proben des Wassers aus diesen Gebäuden lagen die Bleiwerte des Leitungswassers laut Stiftung Warentest über dem aktuellen gesetzlichen Grenzwert.[37] Gleiches gilt für Österreich und betrifft Hauszuleitungen der Wasserversorgers und Leitungen im Haus, die Sache des Hauseigentümers sind. Aus bleihaltigem Essgeschirr kann Blei durch saure Lebensmittel (Obst, Wein, Gemüse) herausgelöst werden.

Wasserleitungsarmaturen (Absperrhähne, Formstücke, Eckventil, Mischer) sind meist aus Messing oder Rotguss. Messing wird für gute Zerspanbarkeit 3 % Blei zugesetzt, Rotguss enthält 4–7 %. Ob Blei- und andere Schwermetallionen (Cu, Zn, Ni) in relevantem Ausmaß ins Wasser übertreten, hängt von der Wasserqualität ab: Wasserhärte, pH-Wert, Sauerstoff, Salzgehalt. Mit 2013 wurde der Grenzwert Bleigehalt im Trinkwasser herabgesetzt auf 0,01 mg/L.[38][39] Grundsätzlich kann nach längerem Stehen des Wassers in der Leitung, etwa über Nacht, durch Laufenlassen der Wasserleitung von etwa einer Minute (Spülen) vor der Entnahme für Trinkwasserzwecke der Gehalt aller aus der Leitungswandung eingewanderten Ionen reduziert werden.

Analytik

Klassische qualitative Bestimmung von Blei

Nachweis durch Kristallisation

Bleiionen können in einer mikroskopischen Nachweisreaktion als Blei(II)-iodid dargestellt werden. 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 eines wasserlöslichen Iodids, z. B. Kaliumiodid, versetzt. Es entstehen nach kurzer Zeit mikroskopisch kleine, gelbe, hexagonale Blättchen des Blei(II)-iodids.

\mathrm{Pb^{2+}\ +\ 2\ I^-\ \longrightarrow\ PbI_2 \downarrow}

Qualitativer Nachweis im Trennungsgang

Da Blei nach Zugabe von HCl nicht quantitativ als PbCl2 ausfällt, kann es sowohl in der HCl-Gruppe als auch in der H2S-Gruppe nachgewiesen werden. Das PbCl2 kann sowohl durch Zugabe von KI gemäß obiger Reaktion als gelbes PbI2 gefällt werden, als auch mit K2Cr2O7 als gelbes Bleichromat, PbCrO4.

Nach Einleiten von H2S in die salzsaure Probe fällt zweiwertiges Blei in Form von schwarzem PbS aus. Dieses wird nach Digerieren mit (NH4)SX und Zugabe von 4 M HNO3 als PbI2 oder PbCrO4 nachgewiesen.[40]

Instrumentelle quantitative Analytik des Bleis

Für die Spurenanalytik von Blei und seinen Organoderivaten steht eine Reihe von Methoden zur Verfügung. Allerdings werden in der Literatur laufend neue bzw. verbesserte Verfahren vorgestellt, auch im Hinblick auf die oft erforderliche Vorkonzentrierung. Ein nicht zu unterschätzendes Problem besteht in der Probenaufarbeitung.

Atomabsorptionsspektrometrie (AAS)

Unter den verschiedenen Techniken der AAS liefert die Quarzrohr- und die Graphitrohrtechnik die besten Ergebnisse für die Spurenanalytik von Bleiverbindungen. Häufig wird Blei mit Hilfe von NaBH4 in das leicht flüchtige Bleihydrid, PbH2, überführt. Dieses wird in eine Quarzküvette geleitet und anschließend elektrisch auf über 900 °C erhitzt. Dabei wird die Probe atomisiert und es wird unter Verwendung einer Hohlkathodenlampe die Absorbanz bei 283,3 nm gemessen. Es wurde eine Nachweisgrenze von 4,5 ng/ml erzielt. Gerne wird in der AAS auch eine Luft-Acetylenfackel (F-AAS) oder mikrowelleninduziertes Plasma (MIP-AAS) zur Atomisierung eingesetzt.[41]

Atomemissionsspektrometrie (AES)

In der AES haben sich das mikrowelleninduzierte Plasma (MIP-AES) und das induktiv gekoppelte Argon-Plasma (ICP-AES) zur Atomisierung bewährt. Die Detektion findet bei den charakteristischen Wellenlängen 283,32 nm und 405,78 nm statt. Mit Hilfe der MIP-AES wurde für Trimethylblei, (CH3)3Pb+, eine Nachweisgrenze von 0,19 pg/g ermittelt.[42] Die ICP-AES ermöglicht eine Nachweisgrenze für Blei in Trinkwasser von 15,3 ng/ml.[43][44]

Massenspektrometrie (MS)

In der Natur treten für Blei insgesamt vier stabile Isotope mit unterschiedlicher Häufigkeit auf. Für die Massenspektrometrie wird häufig das Isotop 206Pb genutzt. Mit Hilfe der ICP-Quadrupol-MS konnte dieses Isotop im Urin mit einer Nachweisgrenze von 4,2 pg/g bestimmt werden.[45]

Photometrie

Die am weitesten verbreitete Methode zur photometrischen Erfassung von Blei ist die sog. Dithizon-Methode. Dithizon ist ein zweizähniger, aromatischer Ligand und bildet bei pH 9–11,5 mit Pb2+-Ionen einen roten Komplex dessen Absorbanz bei 520 nm (ε = 6,9·104 l/mol·cm) gemessen wird. Bismut und Thallium stören die Bestimmung und sollten vorher quantitativ gefällt oder extrahiert werden.[46][47][48]

Voltammetrie

Für die elektrochemische Bestimmung von Spuren von Blei eignet sich hervorragend die subtraktive anodische Stripping-Voltammetrie (SASV). Dabei geht der eigentlichen voltammetrischen Bestimmung eine reduktive Anreicherungsperiode auf einer rotierenden Ag-Disk-Elektrode voraus. Es folgt die eigentliche Bestimmung durch Messung des Oxidationsstroms beim Scannen eines Potentialfensters von −800 mV bis −300 mV. Anschließend wird die Messung ohne vorangehende Anreicherung wiederholt und die so erhaltene Kurve von der ersten Messung subtrahiert. Die Höhe des verbleibenden Oxidationspeaks bei −480 mV korreliert mit der Menge an vorhandenem Blei. Es wurde eine Nachweisgrenze von 50 pM Blei in Wasser ermittelt.[49][50]

Bleiverbindungen

Blei(II)-oxid
Mennige
Bleisulfat

Kategorie:Bleiverbindung

Bleiverbindungen kommen in den Oxidationsstufen +II und +IV vor. Aufgrund des relativistischen Effekts ist die Oxidationsstufe +II dabei – im Gegensatz zu den leichteren Homologen der Gruppe 14, wie Kohlenstoff und Silicium – stabiler als die Oxidationsstufe +IV. Blei(IV)-Verbindungen sind deshalb starke Oxidationsmittel. In intermetallischen Verbindungen des Bleis (Plumbide: MxPby), 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 „Bleiweiß“ (basisches Blei(II)-carbonat) als Weißpigment 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.

Schwefelverbindungen

Weitere 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. Mit Wasser zersetzt es sich zu Blei(IV)-oxid und Essigsäure. 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 wichtiger Initialsprengstoff.

Organische Bleiverbindungen

Organische Bleiverbindungen liegen fast immer in der Oxidationsstufe +4 vor. Deren bekannteste ist Tetraethylblei Pb(C2H5)4 (TEL), eine giftige Flüssigkeit, die als Antiklopfmittel Benzin zugesetzt wurde. Heute wird Tetraethylblei nur noch in Flugbenzin verwendet.

Literatur

  • Jander, Blasius: Einführung in das anorganisch-Chemische Praktikum. S.Hirzel, Leipzig 1995 (14. Aufl.), ISBN 3-7776-0672-3.
  • William H. Brock: Viewegs Geschichte der Chemie. Vieweg, Braunschweig 1997, ISBN 3-540-67033-5.
  • Stefan Meier: Blei in der Antike. Bergbau, Verhüttung, Fernhandel. Zürich 1995.
  • Raymund Gottschalk, Albrecht Baumann: Material provenance of late-Roman lead coffins in the Rheinland, Germany, in: European Journal of Mineralogy, Stuttgart 2001, 13, S. 197–200.
  • Heiko Steuer, Ulrich Zimmermann: Alter Bergbau in Deutschland. Archäologie in Deutschland. Sonderheft. Konrad Theiss, Stuttgart 1993, ISBN 3-8062-1066-7.

Weblinks

 Commons: Blei – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien
 Wiktionary: Blei – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
 Wikibooks: Praktikum Anorganische Chemie/ Blei – Lern- und Lehrmaterialien

Einzelnachweise

  1. Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
  2. Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Blei) entnommen.
  3. CIAAW, Standard Atomic Weights Revised 2013
  4. N. N. Greenwood und A. Earnshaw: Chemie der Elemente, 1. Auflage, VCH, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9, S. 482.
  5. David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. Auflage. (Internet Version: 2010), CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL, Properties of the Elements and Inorganic Compounds, S. 4-142 – 4-147. Die Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert.
  6. a b Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. In: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, S. 328–337, doi:10.1021/je1011086.
  7. C.A. Sutherland, E.F. Milner, R.C. Kerby, H. Teindl, A. Melin, H.M. Bolt: Lead in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2006 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, doi:10.1002/14356007.a15_193.pub2
  8. C.A. Sutherland, E.F. Milner, R.C. Kerby, H. Teindl, A. Melin, H.M. Bolt: Lead, in: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2006 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, doi:10.1002/14356007.a15_193.pub2.
  9. Eintrag aus der CLP-Verordnung zu CAS-Nr. 7439-92-1 in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA (JavaScript erforderlich).
  10. Eintrag zu CAS-Nr. 7439-92-1 in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 13. März 2011 (JavaScript erforderlich).
  11. Seit 1. Dezember 2012 ist für Stoffe ausschließlich die GHS-Gefahrstoffkennzeichnung zulässig. Bis zum 1. Juni 2015 dürfen noch die R-Sätze dieses Stoffes für die Einstufung von Zubereitungen herangezogen werden, anschließend ist die EU-Gefahrstoffkennzeichnung von rein historischem Interesse.
  12. a b Datenblatt Blei (PDF) bei Merck, abgerufen am 23. Februar 2010.
  13. Betina Faist: Der Fernhandel des assyrischen Reiches zwischen dem 14. und dem 11. Jahrhundert vor Christus, in: Alter Orient und Altes Testament, 265, Münster, Ugarit Verlag 2001, S. 45.
  14. Vitruvius: De architectura 8, 6, 1–3.
  15. Hans Breuer: Allgemeine und anorganische Chemie. dtv-Atlas Chemie. Bd. 1. dtv, München 2000 (9. Aufl.), ISBN 3-423-03217-0, S. 151.
  16. Mindat – Lead (englisch).
  17. Webmineral – Mineral Species sorted by the element Pb (Lead) (englisch).
  18. Fraunhofer-Institut: Trends der Angebots- und Nachfragesituation bei mineralischen Rohstoffen. (PDF, 350 S.; 2,1 MB).
  19. United States Geological Survey
  20. QSL bei berzelius.de (Im Web.Archive.org)
  21. a b Michael Binnewies: Allgemeine und anorganische Chemie. Spektrum, Heidelberg 2004. ISBN 3-8274-0208-5.
  22. Mineralien-Atlas: Blei; 27. September 2006.
  23. a b c Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der anorganischen Chemie, de Gruyter, 1995.
  24. P. de Marcillac, N. Coron, G. Dambier, J. Leblanc, J.-P. Moalic: Experimental detection of α-particles from the radioactive decay of natural bismuth, in: Nature, 2003, 422, S. 876–878; doi:10.1038/nature01541.
  25. G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot, A.H. Wapstra: The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties (PDF; 1,0 MB), in: Nuclear Physics Bd. A 729. Amsterdam 2003, S. 3–128.
  26. London Metal Exchange: Standard Lead.
  27. Spiegel Online: Neutrino-Jagd, Blei aus antikem Schiff schützt Hightech-Experiment Datum: 19. März 2010, abgerufen: 19. März 2010.
  28. F. Scheiding: Über die Schutzmaassregeln bei Herstellung des Nitroglycerins. In: Angewandte Chemie, 1890, 3, 20, S. 609–613; doi:10.1002/ange.18900032002.
  29. Datei:Metallpreise.png – Weltmarktpreise für Metall, Juni 2013 (Blei: sechste Beschriftung von unten).
  30. ORF.at: Zu viel Blei in Küchenarmaturen, vom 19. August 2011, abgerufen 28. April 2012.
  31. a b MAK- und BAT-Werte-Liste 2013, Mitteilung 49, Senatskommission zur Prüfung gesundheitsschädlicher Arbeitsstoffe, Wiley-VCH Verlag, ISBN 978-3-527-67513-5, 2. Juli 2013
  32. Scheffer, Schachtschabel: Lehrbuch der Bodenkunde, Kap. XXII 4 d, Enke Verlag, Stuttgart 1992 (13. Aufl.). ISBN 3-432-84772-6.
  33. Umweltdaten (S. 31). (PDF; 4,1 MB)
  34. Bleischrot und Umwelt, Nabu; Kreisverband Aachen
  35. Jagd mit Bleimunition, SWR
  36. Umweltdaten (S. 28 und 35). (PDF; 4,1 MB)
  37. Stiftung Warentest warnt vor Blei im Trinkwasser, 19. März 2010, abgerufen am 2. Januar 2013.
  38. messing-sanitaer.de: Rotguss kontra Messing, abgerufen am 3. Februar 2014
  39. Wasserspezi.de: Korrosion an metallischen Werkstoffen im Trinkwasser, abgerufen am 3. Februar 2014.
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