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| 鉛 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 発音 | / ˈ l ɛ d / (導かれた) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 外観 | メタリックグレー | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 標準原子量 A r °(Pb) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 周期表における鉛 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 原子番号 ( Z ) | 82 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| グループ | グループ 14 (炭素グループ) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 期間 | 期間6 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ブロック | pブロック | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 電子配置 | [ゼ] 4f 14 5d 10 6s 2 6p 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 殻あたりの電子数 | 2、8、18、32、18、4 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 物理的特性 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| STPでの フェーズ | 固体 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 融点 | 600.61 K (327.46 °C、621.43 °F) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 沸点 | 2022 K (1749 °C、3180 °F) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 密度（20℃） | 11.348 g/cm3 [ 3] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 液体の場合（ mp） | 10.66グラム/ cm3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 融解熱 | 4.77kJ /モル | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 気化熱 | 179.5kJ/モル | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| モル熱容量 | 26.650 J/(モル·K) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
蒸気圧
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| 原子特性 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 酸化状態 | 共通: +2、+4 −4、[4] −2 、? −1、? 0、[5] +1 、? +3 ? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 電気陰性度 | ポーリングスケール: 2.33 (in +4)、1.87 (in +2) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| イオン化エネルギー |
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| 原子半径 | 経験的: 午後175時 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 共有結合半径 | 午後146±5時 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ファンデルワールス半径 | 午後202時 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| その他のプロパティ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 自然発生 | 原始的な | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 結晶構造 | 面心立方(fcc) ( cF4 ) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 格子定数 |  | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 熱膨張 | 28.73 × 10 −6 /K（20℃）[3] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 熱伝導率 | 35.3 W/(m⋅K) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 電気抵抗率 | 208 nΩ⋅m（20℃時） | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 磁気秩序 | 反磁性 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| モル磁化率 | −23.0 × 10 −6 cm 3 /モル（298 K）[6] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ヤング率 | 16GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| せん断弾性係数 | 5.6GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 体積弾性率 | 46GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 音速の 細い棒 | 1190 m/s ( 室温で) (焼鈍) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ポアソン比 | 0.44 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| モース硬度 | 1.5 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ブリネル硬度 | 38～50MPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| CAS番号 | 7439-92-1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 歴史 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 発見 | 中東(紀元前7000年) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| シンボル | 「Pb」：ラテン語のplumbumから | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 鉛の同位体 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
同位体存在比はサンプルによって大きく異なる[8] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
鉛（発音は「led」）は化学元素で、記号は Pb（ラテン語の plumbumに由来）、原子番号は82 です。鉛は一般的なほとんどの物質よりも密度が高い重金属です。鉛は柔らかく展性があり、融点も比較的低いです。切りたての鉛は、わずかに青みがかった光沢のある灰色です。空気に触れると鈍い灰色に変色します。鉛は安定元素の中で最も原子番号が高く、その同位体のうち 3 つは、より重い元素の主要な核崩壊連鎖の終点です。
鉛は比較的反応性の低い遷移後金属です。その弱い金属特性は両性の性質によって示されます。鉛および鉛酸化物は酸および塩基と反応し、共有結合を形成する傾向があります。鉛の化合物は、炭素族のより軽いメンバーで一般的な +4 酸化状態ではなく、通常 +2酸化状態で見つかります。例外は主に有機鉛化合物に限られます。グループのより軽いメンバーと同様に、鉛は自分自身と結合する傾向があり、鎖および多面体構造を形成できます。
鉛は鉱石から簡単に抽出できるため、近東の先史時代の人々はそれを知っていました。方鉛鉱は鉛の主な鉱石で、銀を含むことがよくあります。銀への関心は、古代ローマで鉛の広範な抽出と使用を開始するのに役立ちました。鉛の生産はローマ帝国の崩壊後に衰退し、産業革命まで同等のレベルには達しませんでした。鉛は印刷機の発達に重要な役割を果たしました。鉛合金から可動活字を比較的簡単に鋳造できたためです。 [9] 2014年、世界の鉛の年間生産量は約1000万トンで、その半分以上がリサイクルによるものでした。鉛は、高密度、低融点、延性、酸化に対する相対的な不活性さから有用です。これらの特性は、比較的豊富で低コストであることと相まって、建設、配管、電池、弾丸、散弾、重り、はんだ、ピューター、可溶合金、鉛塗料、有鉛ガソリン、放射線遮蔽に広く使用されています。
鉛は神経毒で、軟部組織や骨に蓄積します。鉛は神経系にダメージを与え、生体酵素の機能を妨げ、行動障害から脳損傷までさまざまな神経障害を引き起こし、また一般的な健康、心臓血管、腎臓系にも影響を及ぼします。鉛の毒性は、鉛中毒の症状のいくつかを記した古代ギリシャとローマの作家によって初めて記録されましたが、19世紀後半にヨーロッパで広く認識されるようになりました。
物理的特性
アトミック
鉛原子には 82 個の電子があり、[ Xe ]4f 14 5d 10 6s 2 6p 2の電子配置で配置されています。鉛の第一イオン化エネルギーと第二イオン化エネルギーの合計、つまり 2 つの 6p 電子を除去するために必要な総エネルギーは、炭素族で鉛の上位の元素であるスズのイオン化エネルギーに近いです。これは通常とは異なります。イオン化エネルギーは、元素の外側の電子が原子核からより遠くなり、より小さな軌道によってより遮蔽されるため、一般的に族が下がるにつれて低下します。
鉛の最初の4つのイオン化エネルギーの合計は、周期的な傾向から予測されるものとは逆に、スズのそれを超えています。[ 10 ] これは、相対論的効果によって説明されます。相対論的効果は重い原子で顕著になり、[11] s軌道とp軌道が収縮して、鉛の6s電子の結合エネルギーが5s電子よりも大きくなります。[12]その結果、いわゆる不活性電子対効果が発生します。鉛の6s電子は結合に参加しにくくなり、+2の酸化状態が安定し、結晶鉛の最も近い原子間の距離が異常に長くなります。[13]
鉛のより軽い炭素グループの同族体は、四面体配位で共有結合したダイヤモンド立方構造を持つ安定または準安定同素体を形成する。それらの外側のs軌道とp軌道のエネルギーレベルは、4つの混成sp 3軌道に混ざり合うのに十分近い。鉛では、不活性電子対効果によりs軌道とp軌道の間隔が広がり、混成後に余分な結合によって放出されるエネルギーではそのギャップを克服することができない。[14]鉛はダイヤモンド立方構造ではなく、p電子のみが非局在化され、Pb 2+イオン間で共有される金属結合を形成する。その結果、鉛は、同様の大きさの[16]二価金属であるカルシウムとストロンチウムのような面心立方構造[15]をとる。[17] [a] [b] [c]
バルク
純粋な鉛は、青みがかった明るい光沢のある灰色の外観をしています。[22]湿った空気に触れると変色し、鈍い外観になりますが、その色合いは周囲の状況によって異なります。鉛の特徴的な性質としては、高密度、可鍛性、延性、不動態化による高い耐腐食性などがあります。[23]
鉛は面心立方の最密構造と高い原子量により密度が11.34 g/cm 3となり、鉄（7.87 g/cm 3 ）、銅（8.93 g/cm 3）、亜鉛（7.14 g/cm 3）などの一般的な金属よりも密度が高くなっています。[25]この密度が、 「鉛の風船のように飛んでしまう」という慣用句の由来となっています。[26] [27] [d]より密度の高い希少金属もあります。タングステンと金はともに19.3 g/cm 3で、最も密度の高い金属として知られているオスミウムの密度は22.59 g/cm 3で、鉛のほぼ2倍です。[28]
鉛はモース硬度1.5の非常に柔らかい金属で、爪で傷をつけることができます。[29]鉛は非常に展性があり、ある程度延性があります。[30] [e]鉛の体積弾性係数（圧縮しやすさの尺度）は45.8 GPaです。比較すると、アルミニウムは75.2 GPa、銅は137.8 GPa、軟鋼は160～169 GPaです。[31]鉛の引張強度は12～17 MPaと低く（アルミニウムは6倍、銅は10倍、軟鋼は15倍）、少量の銅またはアンチモンを加えることで強化できます。 [ 32]
鉛の融点は327.5℃（621.5℉）[33]で、ほとんどの金属に比べて非常に低い。[24] [f]沸点は1749 ℃（3180℉）[33]で、炭素族元素の中で最も低い。20 ℃での鉛の電気抵抗率は192ナノオームメートルで、他の工業用金属（銅、銅、鉛、銅）よりもほぼ1桁高い。15.43 nΩ·m ; 金20.51 nΩ·m ;アルミニウムは24.15 nΩ·m）。[35]鉛は7.19 K以下の温度では 超伝導体である。[36]これはI型超伝導体の中で最も高い臨界温度であり、元素超伝導体の中では3番目に高い臨界温度である。[37]
同位体
天然鉛は質量数204、206、207、208の4つの安定同位体[38]と質量数209～214の6つの短寿命放射性同位体から構成されています。同位体の数が多いのは、鉛の原子番号が偶数であることと合致しています。[g]鉛には陽子の魔法数（82）があり、原子核殻モデルでは特に安定した原子核を正確に予測しています。[39]鉛208には126個の中性子があり、これも魔法数であり、これが鉛208が異常に安定している理由を説明できるかもしれません。[39]
鉛は原子番号が大きいため、天然同位体が安定していると見なされる最も重い元素であり、鉛208が最も重い安定した原子核です。（この地位は以前は原子番号83のビスマスにありました。しかし、2003年にその唯一の原始同位体であるビスマス209が非常にゆっくりと崩壊することが発見されました。）[h]鉛の4つの安定同位体は、理論的にはエネルギーを放出して水銀同位体にアルファ崩壊する可能性がありますが、これはいずれも観測されていません。予測される半減期は10 35～10 189年です[42] （現在の宇宙の年齢の 少なくとも10 25倍）。
安定同位体のうち3つは、4つの主要な崩壊系列のうち3つに存在します。鉛206、鉛207、鉛208は、それぞれウラン238、ウラン235、トリウム232の最終崩壊生成物です。 [43]これらの崩壊系列は、ウラン系列、アクチニウム系列、トリウム系列と呼ばれます。[44]天然の岩石サンプル中の同位体濃度は、これら3つの親ウラン同位体とトリウム同位体の存在に大きく依存します。たとえば、鉛208の相対存在比は、通常のサンプルでは52%、トリウム鉱石では90%の範囲です。[45]このため、鉛の標準原子量は小数点第1位までしか示されていません。[46]時間が経つにつれて、鉛206と鉛207の鉛204に対する比率は増加する。前者2つはより重い元素の放射性崩壊によって補完されるが、後者はそうではないためである。これにより鉛-鉛年代測定が可能になる。ウランが鉛に崩壊すると、それらの相対的な量が変化する。これがウラン-鉛年代測定の基礎となる。[47]鉛207は核磁気共鳴を示し、この特性は溶液および固体の状態での化合物の研究に使用されてきた。[48] [49]人体も研究対象となっている。[50]
自然界に存在する鉛のほぼすべてを構成する安定同位体とは別に、数種類の放射性同位体が微量に存在する。その1つが鉛210である。半減期はわずか22.2年であるが[38] 、鉛210はウラン238（地球上に数十億年存在）から始まる長い崩壊系列によって生成されるため、自然界に少量存在する。鉛211、-212、-214はそれぞれウラン235、トリウム232、ウラン238の崩壊系列に存在するため、これら3つの鉛同位体の痕跡が自然界に見られる。鉛209の微量は、天然ウラン235の娘核種の1つであるラジウム223の非常にまれなクラスター崩壊と、ウラン鉱石中の中性子捕獲によって痕跡量生成されるネプツニウム237の崩壊系列から生じる。鉛213はネプツニウム237の崩壊系列でも発生します。鉛210は鉛206との比率を測定することでサンプルの年代を特定するのに役立ちます（両方の同位体は単一の崩壊系列に存在します）。[51]
合計で43の鉛同位体が合成されており、質量数は178～220である。[38]鉛205は最も安定した放射性同位体であり、半減期は約1.70 × 107 年です。 [7] [i] 2番目に安定しているのは鉛202で、半減期は約52,500年で、天然の微量放射性同位元素のどれよりも長いです。 [38]
化学
湿った空気にさらされた鉛塊は、様々な組成の保護層を形成する。炭酸鉛(II)が一般的な成分である。[53] [54] [55]硫酸塩や塩化物も都市部や海域に存在する可能性がある。[56]この層により、鉛塊は空気中で化学的に不活性となる。[56]微粉末鉛は、多くの金属と同様に自然発火性であり、[57]青白い炎を出して燃える。[58]
フッ素は室温で鉛と反応してフッ化鉛(II)を形成する。塩素との反応も同様であるが、加熱が必要である。これは、結果として生じる塩化物層が元素の反応性を低下させるためである。[56]溶融鉛はカルコゲンと反応して鉛(II)カルコゲン化物を生成する。[59]
鉛金属は硫酸やリン酸には耐性があるが、塩酸や硝酸には耐性がない。結果は生成塩の不溶性とそれに続く不動態化に依存する。[60]酢酸などの有機酸は酸素の存在下で鉛を溶解する。[56]濃縮アルカリは鉛を溶解し、鉛鉱を形成する。[61]
無機化合物
鉛は、主に2つの酸化状態、+4と+2を示す。炭素族では4価の状態が一般的である。2価の状態は、炭素とケイ素ではまれ、ゲルマニウムでは少なく、スズでは重要（しかし一般的ではない）、鉛では2つの酸化状態の中では2価の方が重要である。[56]これは相対論的効果、具体的には不活性電子対効果に起因し、これは鉛と酸化物、ハロゲン化物、または窒化物アニオンの電気陰性度に大きな差がある場合に現れ、鉛にかなりの部分正電荷をもたらす。その結果、鉛の6s軌道は6p軌道の場合よりも強く収縮し、イオン性化合物ではむしろ不活性になる。不活性電子対効果は、鉛が同様の電気陰性度の元素と共有結合を形成する化合物、例えば有機鉛化合物中の炭素にはあまり当てはまらない。これらの化合物では、6s軌道と6p軌道は同様のサイズのままであり、sp 3混成は依然としてエネルギー的に有利である。鉛は炭素と同様に、このような化合物では主に四価である。[62]
鉛(II)の電気陰性度は1.87であるのに対し、鉛(IV)は2.33と比較的大きな差がある。この差は、炭素グループが下がるにつれて+4酸化状態の安定性が増加する傾向の逆転を示している。比較すると、スズは+2酸化状態で1.80、+4状態で1.96の値を持つ。[63]
鉛(II)
鉛(II)化合物は鉛の無機化学に特徴的な化合物である。フッ素や塩素のような強力な酸化剤でさえ鉛と反応してPbF 2とPbCl 2のみを生成する。[56]鉛(II)イオンは溶液中では通常無色であり、[64]部分的に加水分解されてPb(OH) + を形成し、最終的に[Pb 4 (OH) 4 ] 4+（ここでヒドロキシルイオンは架橋配位子として作用する）を形成するが、[65] [66]スズ(II)イオンのような還元剤ではない。水中のPb 2+イオンの存在を確認する技術は、一般に希塩酸を用いた塩化鉛(II)の沈殿に頼っている。塩化物塩は水にほとんど溶けないため、非常に希薄な溶液では硫化水素を溶液に吹き込むことによって硫化鉛(II)の沈殿が達成される。 [67]
一酸化鉛には、リサージα-PbO（赤）とマシコットβ-PbO（黄）の2つの多形があり、後者は約488℃以上でのみ安定します。リサージは鉛の最も一般的な無機化合物です。[68]鉛（II）水酸化物は存在しません。鉛（II）塩の溶液のpHを上げると、加水分解と凝縮が起こります。[69]鉛は一般的に重いカルコゲンと反応します。硫化鉛は半導体、光伝導体、および非常に感度の高い赤外線検出器です。他の2つのカルコゲン化物、セレン化鉛とテルル化鉛も同様に光伝導性です。これらは、グループの下に行くほど色が薄くなるという点で珍しいです。[70]
鉛の二ハロゲン化物は特性がよく分かっており、これにはジアスタチド[71]や PbFCl などの混合ハロゲン化物が含まれる。後者の相対的な不溶性は、フッ素の重量測定の有用な根拠となる。二フッ化物は、最初に発見された固体イオン伝導性化合物であった（1834 年、マイケル ファラデー）。[72]その他の二ハロゲン化物は、特に二ヨウ化物は紫外線または可視光にさらされると分解する。[73]シアン化物、シアン酸塩、チオシアン酸塩など、多くの鉛 (II)擬ハロゲン化物が知られている。[70] [74]鉛 (II) は、[PbCl 4 ] 2−、[PbCl 6 ] 4−、[Pb 2 Cl 9 ] n 5 n −鎖アニオンなど、多種多様なハロゲン配位錯体を形成する。[73]
硫酸鉛(II)は他の重二価カチオンの硫酸塩と同様に水に不溶性である。硝酸鉛(II)と酢酸鉛(II)は非常に溶解性が高く、この性質を利用して他の鉛化合物の合成に利用されている。[75]
鉛(IV)
無機鉛(IV)化合物はほとんど知られていない。これらは高酸化性溶液中でのみ形成され、通常標準条件下では存在しない。[76]酸化鉛(II)は、さらに酸化されると混合酸化物Pb 3 O 4を与える。これは、酸化鉛(II,IV)、または構造的には2PbO·PbO 2と記述され、最もよく知られている混合原子価鉛化合物である。二酸化鉛は強力な酸化剤であり、塩酸を塩素ガスに酸化することができる。[77]これは、生成されると予想されるPbCl 4が不安定で、自然にPbCl 2とCl 2に分解するためである。[78]一酸化鉛と同様に、二酸化鉛は鉛酸アニオンを形成することができる。二硫化鉛[79]と二セレン化鉛[80]は、高圧下でのみ安定する。黄色の結晶性粉末である四フッ化鉛は安定しているが、二フッ化鉛ほど安定ではない。四塩化鉛（黄色の油）は室温で分解し、四臭化鉛はさらに不安定であり、四ヨウ化鉛の存在は疑わしい。[81]
その他の酸化状態
いくつかの鉛化合物は、+4または+2以外の正式な酸化状態で存在します。鉛(III)は、より大きな有機鉛錯体で鉛(II)と鉛(IV)の中間体として得られることがありますが、鉛(III)イオンとそれを含むより大きな錯体はどちらもラジカルであるため、この酸化状態は安定ではありません。[83] [84] [85]同じことが、このようなラジカル種で見つかる鉛(I)にも当てはまります。[86]
多数の混合鉛(II,IV)酸化物が知られている。PbO 2 を空気中で加熱すると、293 °C でPb 12 O 19 、351 °C で Pb 12 O 17、374 °C で Pb 3 O 4、そして最終的に 605 °C で PbO となる。さらに別の三二酸化物Pb 2 O 3が高圧下で得られるほか、いくつかの非化学量論相も得られる。その多くは、一部の酸素原子が空孔に置き換わった欠陥のある蛍石構造を示す。PbO は、酸素原子が 1 層おきに存在しないこのような構造を持つと考えられる。[87]
負の酸化状態は、Ba 2 Pbなどの自由鉛アニオン（正式には鉛(−IV)）[88]または酸素に敏感なリング状または多面体クラスターイオン（例えば三方両錐Pb 5 2−イオン（2 つの鉛原子が鉛(−I) で 3 つの鉛原子が鉛(0)）[89]のいずれかとして、ジントル相として発生する可能性があります。このようなアニオンでは、各原子が多面体頂点にあり、sp 3混成軌道からエッジに沿った各共有結合に 2 つの電子を供給し、他の 2 つは外部孤立電子対です。[65]これらは、液体アンモニア中でナトリウムによる鉛の還元によって生成される場合があります。[90]
オルガノリード
炭素
水素
鉛
鉛は多重結合鎖を形成でき、これは炭素族のより軽い同族体と共有する特性である。鉛のその能力ははるかに低く、それは Pb–Pb結合エネルギーがC–C 結合の 3.5 倍以上低いためである。[59]鉛はそれ自身で最大 3 のオーダーの金属–金属結合を形成できる。[91]炭素と鉛は典型的な有機化合物に似ているが、一般的にはそれよりも安定性の低い有機鉛化合物を形成する[92]（Pb–C 結合がかなり弱いため）。[65]このため、鉛の有機金属化学はスズのそれよりはるかに範囲が狭い。[93]鉛は、無機鉛(II)反応物から始めても、主に有機鉛(IV)化合物を形成する。有機鉛(II)化合物はほとんど知られていない。最もよく特徴付けられている例外は、Pb[CH(SiMe 3 ) 2 ] 2とプランボセンである。[93]
最も単純な有機化合物であるメタンの鉛類似体はプルンバンである。プルンバンは金属鉛と原子状水素との反応で得られる。[94] 2つの単純な誘導体、テトラメチル鉛とテトラエチル鉛は、最もよく知られている有機鉛化合物である。これらの化合物は比較的安定している。テトラエチル鉛は加熱されるか[95]、日光や紫外線にさらされた場合にのみ分解し始める。 [96] [j]鉛は金属ナトリウムと容易に等モル合金を形成し、アルキルハロゲン化物と反応してテトラエチル鉛などの有機金属化合物を形成する。 [97]多くの有機鉛化合物の酸化特性は有用に利用されている。四酢酸鉛は有機合成における酸化のための重要な実験試薬である。[98]テトラエチル鉛はかつて自動車のガソリンに添加され、他のどの有機金属化合物よりも大量に生産され[93] 、現在でも小型航空機の燃料に広く使用されている。[99] 他の有機鉛化合物は化学的にそれほど安定していない。[92]多くの有機化合物では鉛類似体は存在しない。[94]
起源と発生
宇宙で
太陽系における鉛の粒子当たりの存在量は 0.121 ppb（10 億分の 1）である。[100] [k]この数値は白金の 2.5 倍、水銀の 8 倍、金の 17 倍である。[100]宇宙における鉛の量は、ほとんどの重い原子（すべて不安定）が徐々に鉛に崩壊するため、ゆっくりと増加している。 [101]太陽系が形成された 45 億年前以来、太陽系における鉛の存在量は約 0.75% 増加している。[103]太陽系の存在量の表は、鉛が比較的高い原子番号にもかかわらず、原子番号が 40 を超える他のほとんどの元素よりも多く存在していることを示している。[100]
原始鉛は鉛204、鉛206、鉛207、鉛208の同位体から構成され、主に恒星内で起こる中性子捕獲過程の繰り返しの結果として生成されました。捕獲の主な2つのモードはs過程とr過程です。[104]
s過程（sは「遅い」の意味）では、捕獲は数年または数十年の間隔を置いて行われ、安定性の低い原子核がベータ崩壊を起こすことができる。[105]安定したタリウム203原子核は中性子を捕獲してタリウム204になることができ、これがベータ崩壊を起こして安定した鉛204になる。さらに中性子を捕獲すると鉛205になり、その半減期は約1700万年である。さらに捕獲されると鉛206、鉛207、鉛208になる。さらに中性子を捕獲すると鉛208は鉛209になり、すぐにビスマス209に崩壊する。さらに中性子を捕獲するとビスマス209はビスマス210になり、これがベータ崩壊してポロニウム210になり、これがアルファ崩壊して鉛206になる。したがって、サイクルは鉛206、鉛207、鉛208、ビスマス209で終了します。[106]
r過程（rは「急速」の意）では、核が崩壊するよりも速く捕獲が起こる。[107]これは、超新星や2つの中性子星の合体など、中性子密度の高い環境で起こる。関与する中性子束は、毎秒1平方センチメートルあたり10 22 個の中性子のオーダーになる可能性がある。 [108] r過程はs過程ほど多くの鉛を生成しない。[109]中性子過剰核が126個の中性子に達すると停止する傾向がある。[110]この時点で、中性子は原子核内で完全な殻に配置され、エネルギー的に中性子をさらに収容することが難しくなる。[111]中性子束が弱まると、これらの核はオスミウム、イリジウム、白金の安定同位体にベータ崩壊する。[112]
地球上で
鉛はゴールドシュミット分類では親銅元素に分類されており、一般的に硫黄と結合して存在する。[113]鉛が天然の金属形態で存在することは稀である。 [114]多くの鉛鉱物は比較的軽く、地球の歴史を通じて、地殻に留まり、地球内部に深く沈んでいくことはなかった。このため、鉛は地殻中に14 ppmと比較的多く存在し、地殻内で36番目に豊富な元素である。 [115] [l]
鉛を多く含む鉱物は方鉛鉱（PbS）で、主に亜鉛鉱石と一緒に見つかる。[117]他の鉛鉱物のほとんどは、何らかの形で方鉛鉱と関連している。ブーランジェライト（Pb 5 Sb 4 S 11）は方鉛鉱由来の混合硫化物である。アングルサイト（PbSO 4）は方鉛鉱の酸化生成物である。白鉛鉱または白鉛鉱（PbCO 3）は方鉛鉱の分解生成物である。ヒ素、スズ、アンチモン、銀、金、銅、ビスマスは、鉛鉱物によく含まれる不純物である。[117]
世界の鉛資源は20億トンを超えています。重要な鉱床はオーストラリア、中国、アイルランド、メキシコ、ペルー、ポルトガル、ロシア、米国にあります。世界の埋蔵量（経済的に採掘可能な資源）は2016年に合計8800万トンで、そのうちオーストラリアが3500万トン、中国が1700万トン、ロシアが640万トンでした。[118]
鉛の典型的な背景濃度は、大気中では0.1μg/ m3、土壌中では100mg/kg、植物中では4mg/kg、淡水および海水中では5μg/Lを超えません。 [119]
語源
現代英語の「リード」はゲルマン語に由来する。中期英語の 「leed」と古期英語の 「lēad」（ 「e」の上の長音記号は、その文字の母音が長いことを示している）に由来する。[120]古期英語の単語は、仮説的に再構成されたゲルマン祖語の 「lauda -」 （「リード」）に由来する。 [121]言語学の理論によれば、この単語は複数のゲルマン言語に全く同じ意味を持つ派生語を生み出した。[121]
ゲルマン祖語の* lauda-の語源については意見が一致していない。ある仮説では、インド・ヨーロッパ祖語の * lAudh-（「鉛」、母音の大文字はマクロンと同じ）から派生したと示唆している。[122]別の仮説では、ケルト祖語の * ɸloud-io- （「鉛」）からの借用語であると示唆している。この単語はラテン語の plumbumと関連があり、この語がこの元素に化学記号 Pb を与えた。 * ɸloud-io-という単語は、ゲルマン祖語の* bliwa- （これも「鉛」を意味する）の語源であると考えられており、この語からドイツ語のBleiが派生した。[123]
この化学元素の名前は、同じ綴りの動詞とは関係がなく、その動詞はゲルマン祖語の* laidijan-（「導く」）に由来している。[124]
歴史
先史時代と初期の歴史
紀元前7000～6500年に遡る金属製の鉛ビーズが小アジアで発見されており、金属精錬の最初の例である可能性がある。 [ 126]当時、鉛は柔らかく見た目が鈍いため、ほとんど（あるいは全く）用途がなかった。[126]鉛生産が広まった主な理由は、鉛が方鉛鉱（一般的な鉛鉱物）を燃やして得られる銀と関連していたためである。[127]古代エジプト人は鉛鉱物を化粧品に初めて使用し、その用途は古代ギリシャ以降に広がった。[128]エジプト人は、漁網のおもり、釉薬、ガラス、エナメル、装飾品に鉛を使用していた。[127]肥沃な三日月地帯のさまざまな文明は、鉛を筆記具、硬貨、[129]および建築資材として使用した。[127]鉛は古代中国では興奮剤として、[127]通貨として、[130]避妊薬として、[131]箸として使われていました。[132]インダス文明とメソアメリカ人はお守りを作るために鉛を使いました。 [127]東アフリカと南アフリカ人は鉛を伸線に使用しました。[133]
古典時代
銀は装飾材料や交換手段として広く使用されていたため、紀元前3000年から小アジアで鉛鉱床が採掘されるようになり、後にエーゲ海とラウリオンでも鉛鉱床が開発されました。[134]これら3つの地域は、紀元前 1200年頃まで採掘された鉛の生産を総合的に支配していました。[135]紀元前2000年頃から、フェニキア人はイベリア半島の鉱床を採掘し、紀元前1600年までにキプロス、ギリシャ、サルデーニャで鉛鉱山が存在していました。[136]
ローマ帝国は、ヨーロッパと地中海全域での領土拡大と鉱山開発により、古典時代最大の鉛生産国となり、年間生産量は8万トンに達したと推定されている。先人たちと同様、ローマ人も鉛を主に銀精錬の副産物として入手していた。[125] [138]鉛採掘は中央ヨーロッパ、イギリス、バルカン半島、ギリシャ、アナトリア、ヒスパニアで行われ、ヒスパニアは世界の生産量の40%を占めていた。[125]
鉛板は文字の材料としてよく使われた。[139]古代ユダヤでは、死者の信仰に合わせて模様を変えられる平らな砂型に鋳造された鉛の棺が使われていた。[140]鉛は紀元前5世紀から投石器の弾丸の製造に使われていた。ローマ時代には鉛の投石器の弾丸が広く使われ、100～150メートルの距離で効果を発揮した。カルタゴ軍やローマ軍の傭兵として使われたバレアレス諸島の投石兵は、射撃距離と命中精度で有名だった。[141]
鉛はローマ帝国で水道管の製造に使用されていた。この金属のラテン語であるplumbumは英語の「 plumbing 」の語源である。鉛は加工しやすく、融点が低いため完全に防水性のある溶接継手を容易に製造でき、腐食に強いため[142]、医薬品、屋根材、通貨、戦争など他の用途にも広く使用された。[143] [144] [145]当時の著述家、例えば大カトー、コルメラ、大プリニウスは、ワインや食品に加える甘味料や保存料の調製に鉛（および鉛コーティング）容器を推奨した。鉛は「鉛の糖」（酢酸鉛（II） ）を形成するため心地よい味を与えるが、銅容器は緑青の形成により苦味を与えた。[146]
この金属は古代において最も多く使用された素材であり、（ローマの）鉛の時代を指すのが適切です。ローマ人にとって鉛は、私たちにとってのプラスチックと同じものでした。
ハインツ・エシュナウアーとマルクス・シュテップラー
「ワイン—醸造学的標本銀行」、1992年[147]
「ワイン—醸造学的標本銀行」、1992年[147]
ローマの著述家ウィトルウィウスは鉛の健康被害について報告しており[148] [149] 、現代の著述家は鉛中毒がローマ帝国の衰退に大きく影響したと示唆している。[150] [151] [n]他の研究者はそのような主張を批判し、例えば、すべての腹痛が鉛中毒によって引き起こされるわけではないことを指摘している。[153] [154]考古学的研究によると、ローマの鉛管は水道水の鉛濃度を上昇させたが、そのような影響は「本当に有害だった可能性は低い」。[155] [156]鉛中毒が実際に発生したとき、被害者は「サトゥルニネ」と呼ばれた。これは、神々の残忍な父であるサトゥルヌスにちなんで暗く冷笑的である。このことから、鉛はすべての金属の父であると考えられていた。 [157]鉛は容易に入手でき[158]安価であったため、ローマ社会での地位は低かった。[159]
スズとアンチモンの混同
青銅器時代以来、冶金学者や技術者は、銅と合金にして強靭で耐食性のある青銅を作るのに不可欠な貴重で希少な錫と、「安くて便利な」鉛の違いを理解していた。しかし、いくつかの言語での命名法は似ている。ローマ人は鉛をplumbum nigrum（「黒鉛」）、錫をplumbum candidum（「明るい鉛」）と呼んだ。鉛と錫の関連は他の言語でも見られる。チェコ語のolovoは「鉛」と翻訳されるが、ロシア語では同語源のолово（olovo）は「錫」を意味する。[160]混乱に拍車をかけるのは、鉛がアンチモンと密接な関係にあることである。どちらの元素も硫化物（方鉛鉱と輝安鉱）としてよく見られ、しばしば一緒に存在する。プリニウスは、加熱するとアンチモンではなく、輝安鉱から鉛が得られると誤って書いた。[161]トルコやインドなどの国では、もともとペルシャ語の名前であるsurmaは、硫化アンチモンまたは硫化鉛のいずれかを指すようになり、[162]ロシア語などの一部の言語ではアンチモン（сурьма）にその名前が付けられました。[163]
中世とルネサンス
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西ローマ帝国の崩壊後、西ヨーロッパでの鉛採掘は衰退し、アラビア半島のイベリア半島のみが大きな産出量を維持した。[165] [166]鉛の最大の生産は南アジアと東アジア、特に中国とインドで行われ、鉛採掘は急速に成長した。[166]
ヨーロッパでは、11世紀と12世紀に鉛の生産が増加し始め、屋根や配管に再び使用されました。13世紀からは、ステンドグラスの作成に鉛が使用されました。[167]ヨーロッパとアラビアの錬金術の伝統では、鉛（ヨーロッパの伝統では記号♄）[168]は不純な卑金属であり、その構成成分を分離、精製、バランスさせることで、純粋で腐敗しない金に変換できると考えられていました。[169]この時期に、鉛はワインの偽造にますます使用されるようになりました。そのようなワインの使用は、1498年の教皇勅書によってキリスト教の儀式での使用が禁止されましたが、18世紀後半まで摂取され続け、集団中毒を引き起こしました。[165] [170]鉛は印刷機の部品の重要な材料であり、印刷工は鉛の粉塵を吸い込むことがよくあり、鉛中毒を引き起こしました。[171]鉛は銃弾を作るための主材料にもなった。鉛は安価で、鉄の銃身にダメージを与えにくく、密度が高く（速度の維持に優れる）、融点が低いため薪で弾丸を作れるので製造が容易だった。[172]鉛はヴェネツィアのセルースという形で、西欧貴族の間では化粧に広く使われていた。白い顔は慎み深さの象徴とみなされていたからだ。[173] [174]この習慣は後に白いかつらやアイライナーにも広がり、18世紀後半のフランス革命でようやく廃れていった。18世紀に芸者の出現とともに日本でも同様の流行が現れ、20世紀まで続いた。女性の白い顔は「日本女性としての女性的な美徳を表すようになった」[175]。鉛は一般的に化粧に使われていた。[176]
ヨーロッパとアジア以外
新世界では、鉛の生産はヨーロッパ人入植者の到着後すぐに記録されました。最も古い記録は、設立から14年後の1621年にイギリスのバージニア植民地でさかのぼります。 [177]オーストラリアでは、大陸で入植者によって開かれた最初の鉱山は鉛鉱山で、1841年でした。[178]アフリカでは、ベヌエ盆地[179]とコンゴ盆地下流で鉛の採掘と製錬が知られており、鉛はヨーロッパ人との貿易に使用され、17世紀には通貨として使用され、アフリカの争奪戦よりかなり前でした。 [180]
産業革命
18世紀後半、イギリス、そして後にはヨーロッパ大陸とアメリカで産業革命が起こった。このとき初めて、鉛の生産量がローマを上回った。[181]イギリスは最大の生産国であったが、19世紀半ばまでに鉱山の枯渇とドイツ、スペイン、アメリカでの鉛採掘の発展により、その地位を失った。[182] 1900年までに、アメリカは世界の鉛生産量の最大手となり、カナダ、メキシコ、オーストラリアといった非ヨーロッパ諸国でもかなりの生産が開始され、ヨーロッパ以外の国々での生産がヨーロッパ内の生産を上回った。[183] 鉛の需要の大部分は配管や塗装によるもので、鉛入り塗料が日常的に使用されていた。[184]この頃、より多くの（労働者階級の）人々がこの金属にさらされ、鉛中毒の症例が増加した。これが鉛摂取の影響に関する研究につながった。鉛は固体金属よりも煙の状態の方が危険であることが証明された。鉛中毒と痛風は関連があり、イギリスの医師アルフレッド・ベアリング・ギャロッドは、痛風患者の3分の1が配管工と塗装工であったと指摘した。精神障害を含む鉛の慢性摂取の影響も19世紀に研究された。工場での鉛中毒を減らすことを目的とした最初の法律は、1870年代から1880年代にかけてイギリスで制定された。[184]
現代
鉛が人間に及ぼす脅威のさらなる証拠は、19世紀後半から20世紀初頭にかけて発見された。鉛中毒のメカニズムはよりよく理解され、鉛による失明が記録され、米国とヨーロッパでは鉛の使用が段階的に廃止された。英国は1878年に工場の検査を義務化し、1898年に初の工場医療検査官を任命した。その結果、1900年から1944年にかけて鉛中毒事件が25分の1に減少したと報告された。[185]ヨーロッパのほとんどの国では、不透明性と耐水性のために一般的に使用されていた鉛塗料を1930年までに禁止した。 [186 ]
鉛への最後の大規模な人体への曝露は、 1921年に米国で始まったノック防止剤としてガソリンに四エチル鉛を添加することであった。この添加は2000年までに米国と欧州連合で段階的に廃止された。 [184]
1970年代、米国と西ヨーロッパ諸国は鉛による大気汚染を減らすための法律を導入した。[188] [189]その影響は大きく、 1976年から1980年にかけて米国疾病予防管理センターが実施した調査では、人口の77.8%が血中鉛濃度が高かったのに対し、1991年から1994年にかけて同じ研究所が実施した調査では、そのような高濃度の鉛を持つ人の割合は2.2%にまで低下した。[190] 20世紀末までに鉛で作られた主な製品は鉛蓄電池であった。[191]
1960年から1990年にかけて、西側諸国の鉛生産量は約31%増加した。[192]世界の鉛生産量に占める東側諸国の割合は、1950年から1990年にかけて10%から30%に増加した。1970年代半ばから1980年代にかけてはソ連が世界最大の生産国となり、20世紀後半には中国が大規模な鉛生産を開始した。[193]欧州の共産主義諸国とは異なり、中国は20世紀半ばまでにはほとんど工業化されていなかったが、2004年にはオーストラリアを抜いて鉛の最大生産国となった。[194]欧州の工業化の時代と同様に、鉛は中国でも健康に悪影響を及ぼしている。[195]
生産
2014年現在、鉛の生産は鉛蓄電池での使用により世界中で増加している。[196]生産には、採掘された鉱石からの一次生産とスクラップからの二次生産の2つの主要なカテゴリがあります。2014年には、一次生産から458万トン、二次生産から564万トンが生産されました。その年の採掘された鉛精鉱の上位3位の生産国は、中国、オーストラリア、米国でした。 [118]精製鉛の上位3位の生産国は、中国、米国、インドでした。[197] 2010年の「社会における金属貯蔵量」レポートによると、世界全体で使用、備蓄、廃棄、または環境に散逸した鉛の総量は、1人あたり8kgです。その多くは、より先進的な国（1人あたり20〜150kg）であり、発展途上国（1人あたり1〜4kg）ではありません。[198]
一次鉛と二次鉛の生産プロセスは類似している。一次鉛生産工場の中には、スクラップ鉛で業務を補うところもあり、この傾向は今後さらに強まると思われる。適切な技術があれば、二次プロセスで得られた鉛は一次プロセスで得られた鉛と区別がつかない。建築業界から出るスクラップ鉛は通常かなりクリーンで、製錬の必要もなく再溶解されるが、精製が必要なこともある。そのため、二次鉛生産はエネルギー要件の点で一次生産よりも安価であり、多くの場合50％以上安価である。[199]
主要な
ほとんどの鉛鉱石には低濃度の鉛が含まれており（高濃度鉱石の典型的な含有量は3～8％）、抽出のためには濃縮する必要があります。[200]初期処理では、鉱石は通常、破砕、濃厚媒体分離、粉砕、浮選、乾燥を経ます。得られた濃縮物は、質量比で30～80％（通常は50～60％）の鉛を含有し、[200]その後、（不純な）鉛金属に変換されます。
これには主に2つの方法があります。焙煎とそれに続く高炉抽出を別々の容器で行う2段階プロセスと、濃縮物の抽出を1つの容器で行う直接プロセスです。後者が最も一般的な方法になりましたが、前者も依然として重要です。[201]
2段階のプロセス
まず、硫化物濃縮物を空気中で焙焼して硫化鉛を酸化させる。[202]
- 2 PbS(s) + 3 O 2 (g) → 2 PbO(s) + 2 SO 2 (g)↑
元の濃縮物は純粋な硫化鉛ではなかったため、焙焼により目的の鉛(II)酸化物だけでなく、鉛と鉱石に含まれる他の金属の酸化物、硫酸塩、ケイ酸塩の混合物も生成されます。[203]この不純な鉛酸化物はコークス燃焼高炉で（これも不純な）金属に還元されます。 [204]
- 2 PbO(s) + C(s) → 2 Pb(s) + CO 2 (g)↑
不純物は主にヒ素、アンチモン、ビスマス、亜鉛、銅、銀、金である。通常、これらは一連の乾式冶金工程で除去される。溶融物は反射炉で空気、蒸気、硫黄を用いて処理され、銀、金、ビスマス以外の不純物が酸化される。酸化された汚染物質は溶融物の上部に浮かび、すくい取られる。 [205] [206]金属銀と金は、亜鉛を鉛に加えるパークス法によって経済的に除去され回収される。鉛と混ざらない亜鉛は銀と金を溶解する。亜鉛溶液を鉛から分離し、銀と金を取り出すことができる。[206] [207]脱銀された鉛は、金属カルシウムと金属マグネシウムで処理するベッタートン・クロール法によってビスマスが除去される。[206]
高温冶金法の代わりに、ベッツ法を用いて精錬鉛を電解処理することで、非常に純粋な鉛を得ることができる。不純な鉛の陽極と純粋な鉛の陰極をフッ化ケイ酸鉛（PbSiF 6 ）の電解質に入れる。電位をかけると、陽極の不純な鉛は溶解して陰極に付着し、不純物の大部分は溶液中に残る。[206] [208]これはコストの高いプロセスであるため、主に不純物を多く含む地金の精錬に用いられる。[209]
直接プロセス
このプロセスでは、鉛の濃縮物から直接鉛の塊とスラグが得られます。硫化鉛の濃縮物は炉で溶融され、酸化されて一酸化鉛を形成します。炭素（コークスまたは石炭ガス[o] ）が融剤とともに溶融物に加えられます。これにより、一酸化鉛が一酸化鉛を多く含むスラグの中で金属鉛に還元されます。[201]
鉛を多く含む原料の場合、元の鉛の80%ほどが地金として得られ、残りの20%は一酸化鉛を多く含むスラグになります。低品位の原料の場合、鉛はすべて酸化されて高鉛スラグになります。[201]金属鉛は、高鉛（25～40%）スラグから、液中燃料燃焼または噴射、電気炉による還元、またはその両方の組み合わせによってさらに得られます。[201]
代替案
よりクリーンでエネルギー消費の少ない鉛抽出法の研究が続けられているが、大きな欠点は、廃棄物として失われる鉛が多すぎるか、代替法では得られる鉛金属に硫黄含有量が高くなることである。湿式冶金抽出法は、不純な鉛の陽極を電解液に浸し、純粋な鉛を陰極に堆積（電気巻き）させる技術であり、潜在性はあるが、電気が非常に安価な場合を除いて、現時点では経済的ではない。[210]
二次
製錬は一次生産に不可欠な部分であるが、二次生産では省略されることが多い。製錬は金属鉛が著しく酸化された場合にのみ行われる。[199]このプロセスは高炉や回転炉での一次生産と似ているが、本質的な違いは収量の変動が大きいことである。高炉は硬鉛（アンチモン10％）を生産するのに対し、反射炉と回転炉は半軟鉛（アンチモン3～4％）を生産する。[211]
ISASMELT法は、一次生産の延長として機能する可能性のある、より新しい製錬法である。使用済み鉛蓄電池（硫酸鉛と酸化鉛を含む）からの電池ペーストは、アルカリ処理によって硫酸塩が除去され、その後、酸素の存在下で石炭燃料の炉で処理され、不純な鉛が生成され、アンチモンが最も一般的な不純物である。 [ 212]二次鉛の精製は一次鉛の精製に似ているが、リサイクルされる材料とその潜在的な汚染によっては、いくつかの精製プロセスを省略することができる。[212]
リサイクルされる鉛の供給源のうち、鉛蓄電池が最も重要であり、鉛管、鉛板、ケーブル被覆も重要である。[199]
アプリケーション
一般に信じられていることとは反対に、木製鉛筆の芯は鉛で作られたことはありません。鉛筆が黒鉛で包まれた筆記具として始まったとき、使用された特定の種類の黒鉛は、鉛の模造品（文字通り）と名付けられました。 [214]
エレメンタルフォーム
鉛金属は、高密度、低融点、延性、相対的不活性など、いくつかの有用な機械的特性を持っています。多くの金属はこれらの側面のいくつかにおいて鉛よりも優れていますが、一般的には一般的ではなく、親鉱石から抽出するのがより困難です。鉛の毒性により、いくつかの用途では段階的に廃止されています。[215]
鉛は中世に発明されて以来、弾丸に使われてきた。鉛は安価で、融点が低いため、小火器の弾丸や散弾銃の弾丸を最小限の技術設備で鋳造できる。また、他の一般的な金属よりも密度が高いため、速度をよりよく維持できる。鉛は今でも弾丸の主材料であり、硬化剤として他の金属と合金化されている。[172]狩猟に使用される鉛弾が環境にダメージを与える可能性があるという懸念が高まっている。[p]現在、 米国、[217]カナダ、[218]ヨーロッパでは、水鳥の狩猟に使用される散弾銃の 弾丸は鉛フリーでなければならない。[219]
鉛の高密度と耐腐食性は、多くの関連用途で利用されてきた。鉛は帆船のキールのバラストとして使用されている。その密度により体積が小さくなり、水の抵抗を最小限に抑えることができるため、帆に対する風の傾斜効果を相殺することができる。[220]鉛は、ダイバーの浮力を打ち消すためにスキューバダイビングの ウェイトベルトに使用されている。 [221] 1993年、ピサの斜塔の土台は600トンの鉛で補強された。[222]鉛は耐腐食性があるため、水中ケーブルの保護シースとして使用されている。[223]
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鉛は建設業界で多くの用途がある。鉛板は屋根材、外装材、雨押さえ、樋や樋継ぎ目、屋根の欄干などの建築用金属として使われている。 [224] [225]鉛は今でも彫像や彫刻に使われており、[q]骨組みにも使われている。[227]過去には車の車輪のバランスを取るためによく使われていたが、環境上の理由からこの用途は段階的に廃止され、代わりに他の材料が使われるようになっている。[118]
鉛は、真鍮や青銅などの銅合金に添加され、切削性や潤滑性を向上させます。鉛は銅にほとんど溶けないため、粒界などの合金全体の欠陥に固体の小球を形成します。低濃度では、潤滑剤として作用するだけでなく、小球は合金の加工時に削りくずの形成を妨げ、切削性を向上させます。鉛の濃度が高い銅合金は、ベアリングに使用されます。鉛は潤滑を提供し、銅は荷重支持を提供します。[228]
鉛は密度が高く、原子番号が高く、成形しやすいため、音、振動、放射線を吸収するバリアとして使用されています。[229]鉛には固有の共振周波数がありません。[229]そのため、鉛板はサウンドスタジオの壁、床、天井の防音層として使用されています。[230] オルガンのパイプは、各パイプの音色を制御するためにさまざまな量のスズを混ぜた鉛合金で作られることがよくあります。[231] [232]鉛は、その密度と高い減衰係数のため、核科学やX線室で放射線からの遮蔽材として確立されています。 [ 233 ]溶融鉛は、鉛冷却高速炉の冷却材として使用されています。[234]
バッテリー
21世紀初頭の鉛の最大の用途は鉛蓄電池である。電池内の鉛は人間と直接接触しないため、毒性の懸念は少ない。[r]鉛電池の製造工場やリサイクル工場で働く人は、鉛の粉塵にさらされ、それを吸い込む可能性がある。[237]電池内で鉛、二酸化鉛、硫酸が反応することで、信頼性の高い電圧源が提供される。[s]鉛蓄電池を組み込んだ スーパーキャパシタは、オーストラリア、日本、米国で、周波数調整、太陽光の平滑化とシフト、風の平滑化などの用途で、キロワットおよびメガワット規模の用途に設置されている。[239]これらの電池は、リチウムイオン電池よりもエネルギー密度と充放電効率が低いが、大幅に安価である。[240]
ケーブルのコーティング
鉛は、高電圧電力ケーブルの絶縁体への水分の拡散を防ぐためのシェル材料として使用されていますが、鉛の廃止に伴い、この使用量は減少しています。[241]電子機器用のはんだへの鉛の使用も、環境に有害な廃棄物の量を減らすために、一部の国では段階的に廃止されています。[242]鉛は、博物館資料のオディテストで使用される3つの金属の1つであり、有機酸、アルデヒド、酸性ガスの検出に役立ちます。[243] [244]
化合物
鉛蓄電池は鉛金属の主な用途であるだけでなく、鉛化合物の主な消費源でもあります。これらのデバイスで使用されるエネルギー貯蔵/放出反応には、硫酸鉛と二酸化鉛が関与しています。
- Pb（s）+ PbO
2(秒) + 2時間
2それで
4(水溶液) → 2 PbSO
4(秒) + 2時間
2O（l）
鉛化合物の他の用途は非常に特殊で、色あせしやすい。鉛ベースの着色剤は、陶磁器の釉薬やガラスに使用され、特に赤や黄色の色合いに使用されている。[245]欧州や北米では鉛塗料は段階的に廃止されているが、中国、[246]インド、[247]インドネシアなどの発展途上国では依然として使用されている。[248]四酢酸鉛と二酸化鉛は、有機化学で酸化剤として使用されている。鉛は、電気コードのポリ塩化ビニルコーティングによく使用されている。 [249] [250]鉛は、より長く、より均一に燃えるように、ろうそくの芯の処理に使用できる。その毒性のため、欧州や北米のメーカーは、亜鉛などの代替品を使用している。[251] [252] 鉛ガラスは12～28％の酸化鉛で構成されており、光学特性を変えて電離放射線の透過を減らします。[253]この特性は、ブラウン管付きの古いテレビやコンピューターモニターで使用されていました。テルル化鉛やセレン化鉛などの鉛系半導体は、太陽電池や赤外線検出器に使用されています。[254]
生物学的影響
| 危険 | |
|---|---|
| GHSラベル: | |
 
| |
| 危険 | |
| H302、H332、H351、H360Df、H373、H410 | |
| P201、P261、P273、P304、P308、P312、P313、P340、P391 [255] | |
| NFPA 704 (ファイアダイヤモンド) | |
鉛には生物学的役割が確認されておらず、鉛への曝露の安全レベルも確認されていない。[256] 2009年のカナダとアメリカの研究では、リスクがほとんどないと考えられるレベルであっても、鉛は「有害な精神衛生上の結果」を引き起こす可能性があると結論付けられている。 [257]鉛の人体への蔓延量は成人平均120 mg [t]であるが、重金属の中では亜鉛（2500 mg）と鉄（4000 mg）に次ぐものである。[259]鉛塩は体内に非常に効率的に吸収される。[260]少量の鉛（1％）は骨に蓄積され、残りは曝露後数週間以内に尿や便として排泄される。子供によって排泄される鉛は約3分の1に過ぎない。継続的な曝露は鉛の生体内蓄積を引き起こす可能性がある。[261]
毒性
鉛は、吸入しても飲み込んでも非常に有毒な金属であり、人体のほぼすべての臓器や器官系に影響を及ぼします。[262] 空気中の鉛濃度が 100 mg/m 3を超えると、生命と健康に直ちに危険を及ぼします。[263]摂取された鉛のほとんどは血流に吸収されます。[264]鉛の毒性の主な原因は、酵素の正常な機能を阻害する傾向があることです。これは、多くの酵素に存在するスルフィドリル基に結合するか、[265]多くの酵素反応で補因子として働く他の金属を模倣して置換することによって行われます。 [266]鉛が相互作用する必須金属には、カルシウム、鉄、亜鉛などがあります。[267]カルシウムと鉄のレベルが高いと、鉛中毒からある程度保護される傾向があります。レベルが低いと、感受性が高まります。[260]
効果
鉛は脳や腎臓に深刻なダメージを与え、最終的には死に至る可能性があります。鉛はカルシウムに似ており、血液脳関門を通過することができます。鉛はニューロンのミエリン鞘を分解し、ニューロンの数を減らし、神経伝達経路を妨げ、ニューロンの成長を低下させます。[265]人体では、鉛はポルフォビリノーゲン合成酵素とフェロキラターゼを阻害し、ポルフォビリノーゲンの形成と、ヘム合成の最終段階であるプロトポルフィリンIXへの鉄の取り込みの両方を妨げます。これにより、ヘム合成が不十分になり、小球性貧血が発生します。[268]
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鉛中毒の症状には、腎症、疝痛のような腹痛、指、手首、足首の筋力低下などがあります。特に中高年の人では、わずかな血圧上昇が顕著に現れ、貧血を引き起こす可能性があります。[要出典]いくつかの研究（主に横断的研究）では、鉛への曝露の増加と心拍変動の減少との間に関連性が認められました。[269]妊婦の場合、鉛への高レベルの曝露は流産を引き起こす可能性があります。慢性的な高レベルの曝露は男性の生殖能力を低下させることが示されています。[270]
子どもの脳の発達において、鉛は大脳皮質のシナプス形成、神経化学物質の発達（神経伝達物質の発達を含む）、イオンチャネルの組織化を阻害する。[271]幼少期の鉛への曝露は、後年における睡眠障害や日中の過度の眠気のリスク増加と関連している。[272]血中濃度が高いと、女子の思春期遅延と関連している。[273] 20世紀におけるガソリン中の四エチル鉛の燃焼による空気中の鉛への曝露の増減は、犯罪レベルの歴史的な増減と関連している。
暴露源
鉛の採掘と精錬、電池の製造、廃棄、リサイクルは多くの国で一般的に行われているため、鉛への曝露は世界的な問題となっている。鉛は吸入、摂取、または皮膚からの吸収によって体内に入る。吸入された鉛のほぼすべてが体内に吸収される。摂取の場合、吸収率は20～70％で、子供は成人よりも高い割合で吸収される。[274]
中毒は、典型的には鉛に汚染された食物や水の摂取によって起こりますが、稀に汚染された土壌、ほこり、鉛塗料を誤って摂取した場合にも起こります。 [275]近くの工業用水の影響を受けると、海水製品に鉛が含まれることがあります。[276]果物や野菜は、それらが育った土壌に含まれる高濃度の鉛によって汚染される可能性があります。土壌は、パイプ内の鉛、鉛塗料、有鉛ガソリンからの残留排出物による粒子の蓄積によって汚染される可能性があります。[277]
水道管に鉛を使用することは、軟水や酸性水の地域では問題となる。[278]硬水はパイプの内面に不溶性の保護層を形成するが、軟水や酸性水は鉛パイプを溶解する。[279]運搬水中の溶解二酸化炭素は、可溶性の重炭酸鉛の形成につながる可能性があり、酸素を含んだ水も同様に鉛を水酸化鉛(II)として溶解する可能性がある。そのような水を長期間飲むと、溶解した鉛の毒性により健康上の問題を引き起こす可能性がある。水が硬ければ硬いほど、炭酸カルシウムと硫酸塩の含有量が多くなり、パイプの内側が炭酸鉛または硫酸鉛の保護層で覆われる量が増える。[280]
鉛を含んだ塗料の摂取は、子供にとって鉛への曝露の主な原因です。直接的な曝露源としては、古い塗装された窓枠を噛むことが挙げられます。さらに、表面の鉛塗料は劣化すると剥がれて粉塵になります。その後、粉塵は手から口への接触や汚染された食べ物や飲み物を通じて体内に入ります。特定の家庭薬を摂取すると、鉛またはその化合物に曝露する可能性があります。[281]
吸入は2番目に大きな曝露経路であり、喫煙者、特に鉛関連の職業に従事する労働者に影響を与えます。[264] タバコの煙には、他の有毒物質とともに、放射性鉛210が含まれています。[282]「EPAの規制努力の結果、2010年から2020年の間に[米国の]空気中の鉛のレベルは86％減少しました。」[283]米国の空気中の鉛濃度は、2014年に国家基準の0.15μg/ m3 [284]を下回りました。 [285]
有機鉛化合物を扱う作業者にとって、皮膚への曝露は重大なものとなる可能性がある。無機鉛の皮膚吸収率は低い。[286]
食品中の鉛
鉛は、鉛を多く含む土壌で栽培された食品、空気中の鉛が作物を汚染した食品、動物が食事で鉛を摂取した食品、または保存または調理された食品から食品に混入した食品に見られることがあります。[287]鉛塗料や鉛電池の摂取も家畜の鉛暴露経路であり、その後人間に影響を及ぼす可能性があります。[288]汚染された牛から生産された牛乳は、鉛濃度を低くするために希釈され、消費用に販売されることがあります。[289]
バングラデシュでは、ウコンをより黄色くするために鉛化合物が添加されている。 [290]これは1980年代に始まったと考えられており、2019年現在も続いている[アップデート]。[290]これは、同国における高鉛濃度の主な発生源の一つであると考えられている。[291]香港では、食品中の鉛の最大許容濃度は、固形物で6ppm、液体で1ppmである。[292]
鉛を含んだ粉塵は、汚染物質を排出する工場の近くで屋外に置かれた乾燥中のカカオ豆に付着する可能性がある。[293] 2022年12月、コンシューマー・レポートはダークチョコレート28銘柄を検査し、そのうち23銘柄に潜在的に有害なレベルの鉛、カドミウム、またはその両方が含まれていることを発見した。彼らはチョコレートメーカーに対し、特に胎児の発育に有害な可能性のある鉛の含有量を減らすよう求めている。[294]
2024年3月、米国食品医薬品局は、 500件の子供の鉛中毒の報告を受けて、鉛汚染を理由にシナモン6銘柄の自主回収を勧告した。[295 ] [296] FDAは、シナモンにクロム酸鉛が混入されていたと判断した。[297]
プラスチック製玩具に含まれる鉛
米国疾病予防管理センターによると、プラスチックへの鉛の使用は2024年時点で禁止されていない。鉛はプラスチックを柔らかくし、元の形に戻れるように柔軟性を高める。剥がした電線から出た着色プラスチック絶縁体を習慣的に噛むことで、46歳の男性の体内の鉛濃度が上昇したことが判明した。[298] プラスチック製のおもちゃには、熱から分子を安定させるために鉛が使用されている場合がある。プラスチックが太陽光、空気、洗剤にさらされると鉛の粉塵が形成され、鉛とプラスチックの化学結合が破壊される可能性がある。[299]
処理
鉛中毒の治療には通常、ジメルカプロールとスクシマーの投与が含まれる。[300]急性の場合、エデト酸二ナトリウムカルシウム、カルシウムキレート、エチレンジアミン四酢酸（EDTA ）二ナトリウム塩の使用が必要になる場合がある。これらはカルシウムよりも鉛との親和性が高く、その結果、交換によって鉛キレートが形成され、尿中に排泄され、無害なカルシウムが残る。[301]
環境への影響
鉛とその製品の採掘、生産、使用、廃棄は、地球の土壌と水に重大な汚染を引き起こしました。大気中への鉛の排出量は、産業革命の時代と20世紀後半の有鉛ガソリンの時代にピークを迎えました。[302]
鉛の放出は、自然発生源（すなわち、天然鉛の濃縮）、工業生産、焼却およびリサイクル、および以前に埋められた鉛の移動に由来する。[302] 特に、鉛が他の用途から段階的に廃止されるにつれて、南半球では、世界的な製造業で使用される安価な鉛を抽出するために設計された鉛リサイクル作業が、十分に文書化された曝露源となっている。[303]鉛の高濃度は、ポスト工業化地域および都市部の土壌および堆積物中に残留しており、石炭燃焼に起因するものを含む産業排出[304]は、特に発展途上国で世界の多くの地域で続いている。[305]
鉛は土壌、特に有機物含有量の多い土壌に蓄積し、数百年から数千年にわたって残留する。環境中の鉛は植物表面に含まれる他の金属と競合して光合成を阻害する可能性があり、高濃度になると植物の成長と生存に悪影響を及ぼす。土壌や植物の汚染により、鉛が食物連鎖を上って微生物や動物に影響を及ぼす可能性がある。動物では、鉛は多くの臓器に毒性を示し、摂取、吸入、または皮膚吸収後に神経系、腎臓、生殖系、造血系、心血管系に損傷を与える。[306]魚は水と堆積物の両方から鉛を摂取する。[307]食物連鎖における生体内蓄積は魚、鳥、海生哺乳類に危険をもたらす。[308]
人為的鉛には、散弾とシンカーからの鉛が含まれます。これらは鉛生産現場と並んで、鉛汚染の最も強力な発生源の一つです。[309]米国では2017年に散弾とシンカーへの鉛の使用が禁止されましたが、[310]この禁止は1か月間しか有効ではありませんでしたが、[311]欧州連合でも同様の禁止が検討されています。[312]
環境中の鉛を測定するための分析法には、分光光度法、蛍光X線法、原子分光法、電気化学的方法などがある。イオン選択性電極は、イオンフォアS、S'-メチレンビス（N、N-ジイソブチルジチオカルバメート）をベースに開発されている。[313]鉛中毒の重要なバイオマーカーアッセイは、血漿、血清、尿中のδ-アミノレブリン酸レベルである。 [314]
制限と是正
1980年代半ばまでに、産業界での鉛の使用は大幅に減少しました。[315]米国では、環境規制により、ガソリン、塗料、はんだ、水道システムなど、バッテリー以外の製品での鉛の使用が削減または廃止されました。石炭火力発電所には、鉛の排出を捕捉するための粒子状物質制御装置が設置されました。[304] 1992年、米国議会は環境保護庁に、国内の子供たちの血中鉛濃度を削減するよう要求しました。[316]鉛の使用は、欧州連合の2003年有害物質制限指令によってさらに削減されました。 [ 317]オランダでは、1993年に狩猟やスポーツ射撃での鉛弾の使用が全国的に禁止されてから鉛の沈着量が大幅に減少し、1990年の230トンから1995年には47.5トンに減少しました。[318] EUでは、2022年から一般航空用のAvgas 100LLへの鉛の使用が許可されています。[319]
米国では、金属鉛、無機鉛化合物、鉛石鹸を含む職場での鉛の許容暴露限度は、2012年に8時間労働で50μg/m 3 、血中鉛濃度限度は血液100gあたり5μgと設定された。 [320]石器、 [321] ビニール[322]（チューブや電気コードの絶縁体に使用されるものなど）、中国製の真鍮には、依然として有害な量の鉛が含まれている可能性がある。 [u]古い家には鉛塗料が残っている場合がある。[322]白色鉛塗料は工業国では販売が中止されているが、黄鉛クロム酸塩などの他の顔料の特殊な用途は残っており、[186]特に道路舗装のマーキング塗料で使用されている。[324] 古い塗料を研磨して剥がすと、吸入できる粉塵が発生する。[325] 小さな子供が住む住宅では、一部の当局によって鉛削減プログラムが義務付けられている。 [326]米国では、2023年以降、一般航空用のAvgas 100LLに鉛を使用することが一般的に許可されている。[327]
鉛廃棄物は、管轄区域や廃棄物の性質に応じて、家庭ごみとして（鉛削減活動を促進するため）扱われる場合もあれば、[328]特殊な処理や保管を必要とする潜在的に危険な廃棄物として扱われる場合もあります。[329]射撃場では鉛が環境に放出されており、鉛汚染に対抗するためにさまざまな鉛管理方法が開発されてきました。[330]酸性土壌では鉛の移動が促進される可能性があります。これに対処するには、土壌を石灰で処理して土壌を中和し、鉛の浸出を防ぐことが推奨されます。[331]
生物学的手段によって生物系から鉛を除去する方法についての研究が行われてきた。魚の骨は、汚染された土壌中の鉛を生物学的に修復する能力があるかどうか研究されている。 [332] [333]アスペルギルス・ベルシカラーという菌は、水域に放出される前に産業廃棄物から鉛イオンを吸収するのに効果的である。[334]硫酸塩還元細菌の デスルフォビブリオとデスルフォトマキュラムなど、いくつかの細菌が環境から鉛を除去する能力について研究されており、どちらも水溶液中で非常に効果的である。[335]キビ草のウロクロア・ラモサは、その茎と根の組織に鉛や亜鉛などの金属を大量に蓄積する能力があり、汚染された土壌の修復に重要な植物となっている。[336]
参照
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- ロバート A. キーホー – ガソリン添加剤としての四エチル鉛の使用を主張する第一人者。
注記
- ^ スズの四面体同素体はα-または灰色スズと呼ばれ、13.2 °C (55.8 °F) 以下でのみ安定します。この温度を超えると安定するスズはβ-または白色スズと呼ばれ、灰色スズの四面体を立方軸に沿って圧縮することで得られる歪んだ面心立方 (正方晶) 構造を持ちます。白色スズは実質的に灰色スズの正四面体構造と鉛の正面心立方構造の中間の構造を持ち、代表的なグループを下るほど金属性が増すという一般的な傾向と一致しています。[18]
- ^ 2013年に五角形対称の鉛の 準結晶薄膜同素体が報告された。この同素体は、二十面体銀-インジウム-イッテルビウム準結晶の表面に鉛原子を堆積させることで得られた。その導電性は記録されていない。[19] [20]
- ^ シリコンの格子定数付近の格子定数を持つダイヤモンド立方構造は、薄い鉛とスズの膜、および約5 x 10 −6 Torrの真空中で新鮮に固化した塊状の鉛とスズの両方に存在します。少なくとも3種類の酸化物のほぼ同一の構造に関する実験的証拠が提示されており、鉛とスズは結晶化の初期段階だけでなく、酸化の初期段階でもシリコンのように振舞うことが実証されています。[21]
- ^ イギリス英語: to go down like a lead ball .
- ^ 展性は圧縮下でどれだけ容易に変形するかを表し、延性は伸びる能力を意味します。
- ^ （濡れた）指を溶けた鉛に浸しても火傷の危険はない。[34]
- ^ 陽子または中性子の数が偶数の場合、奇数の同位体に比べて同位体の核安定性が一般的に高まります。原子番号が奇数の元素には安定同位体が2つ以上ありません。偶数元素には複数の安定同位体があり、スズ（元素番号50）はすべての元素の中で最も同位体の数が多く、10個あります。[38]詳細については、偶数と奇数の原子核を参照してください。
- ^ 実験で判明した半減期は1.9 × 1019年です。 [40]天然ビスマス1キログラムの放射能値は約0.003ベクレル（1秒あたりの崩壊数）です。比較すると、人体における自然放射線の放射能値は体重1キログラムあたり約65ベクレル（平均4500ベクレル）です。 [41]
- ^鉛205は 電子捕獲によってのみ崩壊します。つまり、利用可能な電子がなく、鉛が82個の電子をすべて除去して完全にイオン化されている場合、鉛は崩壊しません。完全にイオン化されたタリウム205は、鉛205が崩壊する同位体であり、不安定になり、鉛205の結合状態に崩壊する可能性があります。 [52]
- ^ テトラフェニル鉛はさらに熱的に安定しており、270℃で分解します。[93]
- ^情報源中の元素含有量は、粒子当たりの表記ではなく、シリコンに対する相対値で記載されている。シリコン10 6部あたりの全元素の合計は、2.6682 × 10である。10部、鉛は 3.258 部を占めます。
- ^ 元素の存在量は推定値であり、詳細は情報源によって異なる場合があります。[116]
- ^ 碑文にはこう書かれている。「ウェスパシアヌス帝が第9期執政官、ティトゥス帝が第7期執政官を務め、グナエウス・ユリウス・アグリコラが帝国総督（ブリテン島）であったときに作られた。」
- ^ ユリウス・カエサルが一人の子供しか生まなかったこと、また彼の後継者であるカエサル・アウグストゥスが不妊であったことは鉛中毒によるものだと考えられている。[152]
- ^ コークス化プロセスのガス状副産物。一酸化炭素、水素、メタンを含み、燃料として使用されます。
- ^ カリフォルニア州は2015年7月から狩猟用の鉛弾の使用を禁止し始めた。[216]
- ^ 例えば、「西ロンドンのスタジオで1世紀以上にわたり高品質の[鉛]ガーデンオーナメントを生産している」会社。[226]
- ^ このような電池を定期的に使用する場合の潜在的な傷害は鉛の毒性とは関係ありません。[236]
- ^ 鉛蓄電池の仕組みの詳細については[238]を参照。
- ^ 割合は国によって大きく異なります。[258]
- ^ 真鍮（銅と亜鉛）と鉛、鉄、錫、場合によってはアンチモンの合金。 [323]
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外部リンク
ウィキソースには、 1879 年のアメリカ百科事典の記事 Leadのテキストがあります。
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ウィキメディア・コモンズには、鉛に関連するメディアがあります。
- 重金属の毒性学：鉛の除去、米国臨床病理学会
- COVID-19の影響で2020年に世界の鉛生産量は5.2%減少する見込み（2010～2024年の世界の鉛生産量を示す数字）
