Pourquoi le plomb a-t-il l’intervalle de masse atomique le plus large ?
L’IUPAC donne la masse atomique standard du plomb comme [206,14 ; 207,94] — un écart de près de deux unités de masse entières. À titre de comparaison, l’intervalle du carbone couvre 0,002 et celui de l’hydrogène 0,0003. Celui du plomb relève d’une tout autre catégorie.
La cause est que le plomb est un cimetière. Trois longues chaînes naturelles de désintégration radioactive aboutissent toutes au plomb, et chacune se termine sur un isotope différent :
- L’uranium 238 se désintègre par une longue série vers le plomb 206
- L’uranium 235 se désintègre vers le plomb 207
- Le thorium 232 se désintègre vers le plomb 208
Il existe en outre du plomb 204 primordial, qui n’est le produit d’aucune désintégration et présent depuis la formation de la Terre.
La composition isotopique d’un échantillon de plomb dépend donc entièrement de l’histoire géologique de sa provenance. Du plomb extrait d’un minerai riche en uranium est enrichi en plomb 206. Du plomb issu d’un gisement riche en thorium est enrichi en plomb 208. Une galène ordinaire provenant d’un gisement pauvre en uranium et en thorium se rapproche du mélange primordial.
La variation est assez large pour constituer un outil médico-légal. Les rapports isotopiques du plomb servent à tracer l’origine du plomb dans les objets archéologiques, rattachant canalisations et pigments romains à des mines précises. Ils servent en sciences de l’environnement à distinguer le plomb issu de l’essence de celui d’origine industrielle ou naturelle dans les sols et les carottes de glace. La technique fonctionne précisément parce que l’empreinte isotopique du plomb varie selon l’origine, ce qui n’est pas le cas de la plupart des éléments.
Cette même chimie a donné son âge à la Terre. En 1956, Clair Patterson mesura les rapports isotopiques du plomb dans la météorite de Canyon Diablo et obtint 4,55 milliards d’années — chiffre qui n’a guère bougé depuis. Ses travaux sur la contamination au plomb de son propre laboratoire le conduisirent ensuite à militer contre l’essence plombée, dont il devint un opposant central.
Pourquoi le plomb arrête-t-il les rayonnements ?
L’efficacité du plomb comme écran est souvent attribuée à sa masse volumique d’environ 11 340 kg/m³. La densité compte, mais ce n’est pas la raison principale, et il vaut la peine de le préciser.
Pour les rayons gamma et X, l’absorption dépend fortement du numéro atomique. L’effet photoélectrique — mécanisme dominant aux énergies de la radiologie diagnostique — varie à peu près comme Z à la puissance quatre ou cinq. Le Z de 82 du plomb est très élevé parmi les matériaux courants, usinables et abordables.
Comparez avec un métal de densité voisine : l’étain est plus léger et bien moins efficace, tandis que le tungstène, de Z égal à 74 et de densité bien supérieure, fait en réalité mieux au centimètre. On l’emploie quand l’épaisseur doit être minimisée, mais il est dur, coûteux et difficile à usiner. Le plomb est mou, bon marché, facile à couler et à mettre en feuille.
L’uranium appauvri, de Z égal à 92, fait mieux encore et sert dans certains conteneurs spécialisés.
Pour les neutrons, le plomb est un mauvais choix — les arrêter exige des noyaux légers comme l’hydrogène, d’où l’emploi d’eau et de polyéthylène. Le plomb blinde contre les photons, pas contre tout.
Comment lire la configuration électronique du plomb ?
L’état fondamental du plomb est [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p² : un cœur de xénon, des sous-couches 4f et 5d pleines, et quatre électrons externes en 6s et 6p. Électrons par couche : 2, 8, 18, 32, 18, 4.
Quatre électrons de valence placent le plomb dans le groupe 14 avec le carbone, le silicium, le germanium et l’étain. Son degré d’oxydation dominant est pourtant +2, et non +4 — l’inverse du carbone et du silicium, presque invariablement tétravalents.
C’est l’effet de paire inerte. Les deux électrons 6s sont retenus inhabituellement fort et tendent à ne pas participer à la liaison. La raison est relativiste : dans un atome lourd, les électrons s se déplacent assez vite pour que leurs orbitales se contractent et se stabilisent, et l’effet croît en descendant le groupe. Le plomb préfère donc n’utiliser que ses deux électrons 6p, ce qui donne Pb²⁺.
La tendance est visible le long du groupe 14. Carbone et silicium sont exclusivement +4. Le germanium est surtout +4. L’étain montre +2 et +4. Le plomb est surtout +2, et les composés de plomb(IV) comme le dioxyde de plomb sont de puissants oxydants, pressés de revenir en arrière.
C’est la même famille d’effets relativistes qui rend l’or jaune et le mercure liquide, apparaissant ici sous forme d’un déplacement du degré d’oxydation préféré.
Pourquoi les civilisations ont-elles continué d’employer le plomb ?
Le plomb compte parmi les premiers métaux travaillés, et ses propriétés expliquent sa persistance. Il fond à 327 °C, assez bas pour un simple feu. Il est assez mou pour se façonner à la main et se couper au couteau. Il résiste à la corrosion. Il est abondant et bon marché, souvent récupéré comme sous-produit de l’extraction de l’argent.
Rome l’employa pour ses canalisations — le mot plomberie vient de plumbum —, pour la vaisselle, et pour le sapa, un sirop de raisin bouilli dans des récipients de plomb qui prenait un goût sucré dû à l’acétate de plomb. Des auteurs romains, dont Vitruve, notèrent que les ouvriers du plomb étaient en mauvaise santé. Le matériau resta en usage, car rien d’autre ne combinait ces propriétés à ce prix.
Le schéma s’est répété au XXᵉ siècle. Le plomb tétraéthyle fut ajouté à l’essence dès les années 1920 pour supprimer le cliquetis, et la toxicité était connue dès le départ — des ouvriers des premières usines en moururent. Le plomb fut employé dans les peintures pour leur durabilité et leur opacité longtemps après que le risque pour les enfants eut été documenté.
Les deux ont fini par être interdits, et le résultat mesuré fut spectaculaire : la plombémie moyenne de la population générale a chuté nettement après le retrait de l’essence plombée. Le plomb subsiste dans les canalisations anciennes, dans les sols proches des routes anciennes et dans les peintures des logements anciens, ce qui rend le sujet toujours actuel.
Pourquoi la batterie au plomb existe-t-elle encore ?
La batterie au plomb fut inventée par Gaston Planté en 1859. Elle est lourde, emploie un métal toxique et un acide corrosif, et sa densité d’énergie est médiocre selon tout critère moderne. Elle reste pourtant la batterie la plus produite au monde en masse, et presque chaque véhicule en circulation en contient une.
Elle survit parce qu’elle fait une chose extrêmement bien. Démarrer un moteur exige plusieurs centaines d’ampères pendant quelques secondes — un courant instantané énorme depuis un boîtier compact. Le plomb-acide le délivre mieux que tout autre à coût égal, les électrodes de plomb ayant une résistance interne très faible.
Elle est aussi bon marché, tolérante à une large plage de températures, et sûre au sens précis où elle défaille sans prendre feu.
Sa propriété la plus remarquable est la recyclabilité. Les batteries au plomb sont recyclées à plus de 95 % dans la plupart des pays développés, ce qui en fait l’un des produits manufacturés les plus recyclés qui soient. L’économie le pousse : le plomb vaut d’être récupéré, les composants se séparent aisément, et une batterie est un objet standardisé que les filières savent traiter.
Le revers apparaît là où le recyclage est informel. La fonte artisanale de batteries usagées, courante dans certaines régions à faible revenu, disperse du plomb dans des zones habitées et cause un nombre important d’intoxications infantiles.