Le plomb : le métal, la chimie et la production

Le plomb, tout le monde en a eu entre les mains. Il est le principal composant des batteries de voitures (une vingtaine de kilogrammes environ, selon les modèles). 

Petits soldats de plomb. © Jcbutler - Domaine public 

Lead. © Dave Barthelmy  

Informations générales, propriétés atomiques et physiques du plomb

• Symbole Pb
• Numéro 82 
• Masse volumique 11.340 kg/m³
• Couleur blanc-gris 
• Masse atomique 207,2 u 
• Rayon atomique (calc) 180 (154) pm 
• Rayon de covalence 147 pm 
• Rayon de van der Waals 202 pm 
• Configuration électronique [Xe]4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p²
• État(s) d'oxydation 4, 2 
• Oxyde amphotère 
• Structure cristalline cubique face centrée 
• Le coefficient de dilatation 29,1.10^-6 entre 0 et 100 °C. 
• Température de fusion 600,61 K 
• Température de vaporisation 2.022 K 
• Énergie de fusion 4,799 kJ/mol 
• Énergie de vaporisation 177,7 kJ/mol 
• Volume molaire 18,26×10^-6 m³/mol 
• Pression de la vapeur 4,21×10^-6 Pa 
• Électronégativité (Pauling) 2,3
• Chaleur massique 129 J/(kg.K) 
• Conductivité électrique 4,81×106 S/m 
• Conductivité thermique 35,3 W/(m.K) 
• 1er potentiel d'ionisation 715,6 kJ/mol 
• 2^e potentiel d'ionisation 1.450,5 kJ/mol 
• Isotopes les plus stables 202Pb, 204Pb, 205Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb, 210Pb

Galena, forme minérale naturelle du plomb. © Domaine public 

Caractéristiques du plomb

Le plomb est très malléable et épouse la forme de son support, il en résulte une grande souplesse pour le mettre en œuvre. Le plomb est l'un des métaux qui résistent le mieux à la corrosion, en atmosphère urbaine, marine ou rurale. Il se recouvre rapidement d'un film protecteur continu et insoluble, formé de sulfure, sulfate, oxydes et carbonate de plomb, d'où une teinte gris bleu caractéristique.

Certains matériaux sont à éviter au contact direct : certains bois (teck, acajou, chêne) peuvent rejeter des acides faibles, dangereux pour le plomb. Il faut s'assurer de la compatibilité du produit avec ce dernier.  Le contact direct du plomb avec des métaux tels que l'acier ou l'aluminium, peut entraîner l'attaque, parfois même la disparition de ces derniers par réaction électrochimique.

En France, la norme NF P 34-216 (DTU 40.46) stipule que le plomb utilisé pour les travaux de couverture doit avoir une épaisseur minimale de 2,5 mm.

Environnement et extraction du plomb

À l'état naturel c'est un métal gris malléable qui se trouve dans tous les compartiments : hydrosphère, stratosphère, biosphère et atmosphère. On comprend pourquoi la présence de plomb dans notre environnement est un enjeu majeur. Il est présent sous plusieurs formes inorganiques : nitrates, carbonates, sulfates ou chlorures. Ces composés inorganiques amènent rarement à une toxicité aiguë. Le plomb est un produit naturel de la désintégration de l'uranium.

Dans les minerais, Pb est très souvent associé à Zn (70 % de la production minière) mais aussi à de nombreux autres éléments : Fe, Cu, Cd, Bi, Sb, Ge, As, Ag, Au, qui sont en grande partie (sauf Fe) récupérés lors des opérations métallurgiques.

Soixante-dix pour cent de la production mondiale d'argent provient de concentrés de plomb. En moyenne, dans le monde occidental, pour 1 t de plomb, la production minière donne également 2 t de zinc et 3 kg d'argent (SFC).

Structure du galena. © domaine public 

Le principal minerai est la galène (PbS) qui contient 86,6 % Pb en poids souvent associée à la blende et la pyrite. D'autres variétés : cérusite (PbCO₃) et l'anglésite (PbSO₄) et le recyclage.

Grâce à un outil industriel très flexible et une technologie de cassage unique, Recylex recycle 95 % d'une batterie usagée. Le groupe se positionne aujourd'hui comme un acteur incontournable du recyclage en Europe.

Cycle du recyclage du plomb. © Recylex 

Métallurgie du plomb

• Le minerai est concentré par gravimétrie et flottation. On obtient des concentrés de teneurs comprises entre 60 et 80 % de Pb, sous forme PbS.
• Le minerai est grillé pour oxyder le sulfure, on obtient de l'oxyde de plomb PbS + 3/2 O2 -------> PbO + SO₂ vers 1.000°C mais il ne faut pas atteindre 1.114°C, température de fusion de PbS qui ne pourra plus être grillé s'il est liquide. Lors du grillage il se forme une faible quantité de plomb fondu, qui reste dans le concentré :
  • PbS + 2 PbO ---> 3 Pb + SO₂
  • PbS + PbSO4 ---> 2 Pb + 2 SO₂
• Le soufre est éliminé sous forme SO₂, et transformé en acide sulfurique.
• Le minerai grillé est réduit par pyrométallurgie entre 500 et 1.000 °C.
  • PbO + CO ------> Pb + CO
  • CO2 + C <========> 2 CO
  • Le plomb d'œuvre obtenu titre 98,5 %.
• Le raffinage du plomb encore liquide se fait soit par pyrométallurgique (> 80 %), soit par électrométallurgique : on obtient le plomb doux, pur à 99,99 % coulé dans des lingotières en lingots de 45 kg appelés saumons.

Échantillon de cérusite (24mm), provenance Morvandelle-Argentolle, découverte Redsun-2002. © DR 

Production du plomb

• En 1996, en 10³ t de Pb contenu (données SFC) 
• Les plus grands gisements sont aux États-Unis, en Australie, en CEI et au Canada, et pour l'Europe : Suède et Pologne
• Monde : 2.850 
• Chine : 500 
• Australie : 482 
• États-Unis : 426 
• Canada : 257 
• Pérou : 248, gagne autant de devises par les sous-produits (Au, Ag, Cu, Cd, Bi, que par celles de Pb et Zn)  
• Union européenne : 187
• Situation française : plus d'exploitation, fermeture, en 1991, de la mine des Malines (30

Consommation mondiale : en 1996, en 10³ t. (SFC)

• Monde : 5.690 (5 millions de tonnes)
• Union européenne : 1.556
• France : 255

Répartition approximative de la consommation en France

• Accumulateurs : 67 % 
• Revêtements de câbles : 5 % 
• Oxydes et chimie : 11,5 % 
• Munitions : 4 % 
• Demi-produits : 9 %

Les alliages

Cérusite et Barytine © Géry Parent 

• Pour soudure « à l'étain » : (62 % Sn, 32 % Pb) PF : 183 °C
• Pour grilles de batteries : ajout de 2 % de Sb