Timbal

Atom timbal memiliki 82 elektron, dengan konfigurasi [Xe]4f¹⁴5d¹⁰6s²6p². Jumlah energi ionisasi pertama dan kedua timbal (energi untuk mengeluarkan dua elektron terluarnya) mirip dengan timah (Sn), tetangga atas timbal dalam golongan IVA. Hal ini tidak wajar karena energi ionisasi suatu unsur biasanya lebih rendah daripada tetangga atasnya di golongan yang sama, karena elektron terluarnya lebih jauh dari inti atom dan dipisahkan oleh lebih banyak orbital tingkat rendah. Ketidakwajaran ini disebabkan oleh fenomena yang disebut kontraksi lantanida, yaitu berkurangnya jari-jari atom dari lantanum (nomor atom 57) ke lutesium (71), dan relatif kecilnya jari-jari atom unsur-unsur berikutnya. Ini adalah akibat dari kurang efektifnya elektron-elektron 4f dalam melindungi elektron luar dari tarikan inti atom. Bahkan jika energi ionisasi pertama sampai keempat dijumlahkan, total energi ionisasi timbal melebihi timah,^[8] kebalikan dari pola yang umum untuk tetangga atas-bawah di tabel periodik. Di antara penyebab anomali ini adalah efek-efek kimia kuantum relativistik. Salah satunya adalah efek pasangan lengai, yang menyebabkan kedua elektron 6s timbal cenderung tidak terlibat dalam ikatan, sehingga jarak antara atom-atom pada kristal timbal menjadi sangat jauh.^[9]

Unsur-unsur di atas timbal pada golongan IVA (karbon, silikon, germanium, dan timah) memiliki alotrop dengan struktur kubik seperti intan, yaitu dengan ikatan kovalen bersusunan tetrahedral. Pada unsur-unsur tersebut, tingkat energi orbital s dan p terluar sangat mirip sehingga dapat melakukan hibridisasi orbital menjadi orbital sp³. Namun, hal serupa tidak terjadi pada timbal, karena efek pasangan lengai meningkatkan jarak energi orbital s dan p sehingga tidak dapat ditutupi oleh energi yang dibebaskan melalui ikatan yang melibatkan orbital sp³.^[10] Karena itu, timbal tidak memiliki struktur kristal kubik seperti intan, tetapi terikat melalui ikatan logam yang melibatkan ion-ion Pb²⁺ yang dikelilingi "lautan elektron" yang berasal dari orbital 6p. Timbal mengkristal dengan struktur kubik pusat muka (kpm, atau face-centred cubic, fcc)^[11] seperti halnya logam golongan IIA kalsium dan stronsium.^[12]

Timbal murni memiliki warna perak terang dengan sedikit kebiru-biruan.^[13] Zat ini memudar saat terkena udara lembap dan warnanya pun akan berubah tergantung kondisi. Ciri utama timbal di antaranya adalah massa jenis tinggi, lunak, dan mudah ditempa, serta tahan korosi karena adanya gejala pasivasi.^[14]

Massa jenis timbal yang tinggi (11,34 g/cm³) disebabkan oleh susunan atomnya yang berupa kubik pusat muka dengan kepadatan tinggi dan berat atom tinggi. Massa jenis ini lebih berat dari banyak logam lainnya, seperti besi (7,87 g/cm³), tembaga (8,93 g/cm³) dan seng (7,14 g/cm³).^[15] Ada beberapa logam yang lebih berat daripada timbal, tetapi lebih langka, yaitu tungsten dan emas (keduanya 19,3 g/cm³) dan osmium (22,59 g/cm³ dan logam terberat yang diketahui saat ini).^[16]

Timbal memiliki sifat lunak (hanya 1,5 skala Mohs) dan dapat digores dengan kuku.^[17] Logam ini cukup mudah ditempa (malleable) dan ditarik (ductile).^[18] Timbal memiliki modulus curah (bilangan yang menunjukkan tekanan yang dibutuhkan untuk mengurangi volume) sebesar 45,8 GPa. Sebagai perbandingan, logam aluminium memiliki modulus curah 75,2 GPa, tembaga 137,8 GPa, dan baja karbon sedang 160–169 GPa.^[19] Selain itu, timbal memiliki kekuatan tarik yang relatif rendah, yaitu 12–17 MPa (hanya sekitar 1/6 dari kekuatan tarik aluminium, 1/10 dari tembaga, dan 1/15 dari baja karbon sedang). Namun, timbal dapat diperkuat jika dipadukan dengan sedikit tembaga atau antimon.^[20]

Timbal memiliki titik leleh 327,5 °C,^[21] sangat rendah dibandingkan dengan kebanyakan logam.^[22][b] Titik didihnya adalah 1749 °C, terendah di golongan IVA.^[21] Timbal memiliki resistansi jenis (ρ) 192 nanoohm-meter pada suhu 20 °C, hampir 10 kali lebih besar dibanding logam-logam yang banyak digunakan industri, seperti tembaga (15,43 nΩ·m), emas (20,51 nΩ·m); dan aluminium (24,15 nΩ·m).^[24] Angka-angka ini menunjukkan bahwa timbal adalah penghantar arus listrik yang lebih buruk dibandingkan logam-logam tersebut. Timbal menjadi superkonduktor pada suhu di bawah 7,19 K,^[25] ini adalah suhu kritis superkonduktor tertinggi dari seluruh superkonduktor tipe I, dan tertinggi ketiga dari seluruh superkonduktor yang berupa unsur.^[26]

Di alam, timbal memiliki 4 isotop stabil (dengan nomor massa 205, 206, 207, dan 208) dan 5 radioisotop renik yang cepat meluruh dan kelimpahannya sangat rendah. Banyaknya jumlah isotop ini adalah hal yang umum untuk unsur dengan nomor atom yang genap.^[c] Timbal memiliki 82 proton, yang merupakan salah satu "bilangan ajaib" dalam fisika inti; sesuai dengan model kulit nuklir, hal ini berarti timbal memiliki inti atom yang sangat stabil.^[28] Isotop timbal-208 bahkan memiliki 126 neutron (126 juga termasuk bilangan ajaib); alhasil isotop 208 ini (82 proton + 126 neutron) adalah isotop yang luar biasa stabil.^[28]

Timbal adalah unsur dengan nomor atom terbesar yang diketahui memiliki isotop stabil, dan isotop timbal-208 adalah isotop terberat yang diketahui stabil.^[29] Di atas kertas, keempat isotop stabil timbal dapat mengalami peluruhan alfa dengan melepaskan energi menjadi isotop-isotop raksa (nomor atom 80), tetapi peluruhan seperti itu belum pernah ditemukan. Justru keempat isotop ini sangat stabil dan waktu paruhnya diprediksi di antara 10³⁵–10¹⁸⁹ tahun, jauh lebih panjang dibandingkan dengan umur alam semesta saat ini.^[30]

Sebagian dari isotop stabil timbal, yaitu timbal-206, timbal-207 dan timbal-208 adalah produk akhir dari tiga deret radioaktif yang umum ditemui di alam. Ketiga deret ini berturut-turut adalah rantai yang berawal dari uranium-238 ("deret uranium"), dari uranium-235 ("deret aktinium"), dan dari torium-232 ("deret torium"). Ketiga deret ini merupakan tiga dari empat deret radioaktif utama yang ditemukan di alam.^[31][32] Distribusi isotop timbal di alam memiliki variasi yang tinggi tergantung keberadaan tiga isotop induk tersebut (uranium maupun torium). Misalnya, timbal yang diperoleh dari bijih torium dapat memiliki kelimpahan timbal-208 sebesar 90%, tetapi pada sampel biasa hanya memiliki kelimpahan 52%.^[33] Seiring perjalanan waktu, perbandingan timbal-206 dan timbal-207 terhadap timbal-204 akan meningkat karena timbal-206 dan timbal-207 akan bertambah diakibatkan peluruhan unsur lain, sedangkan timbal-204 bukanlah produk akhir peluruhan. Fenomena ini dimanfaatkan sebagai basis metode penanggalan yang disebut penanggalan timbal–timbal untuk memperkirakan umur batuan. Selain itu, karena uranium meluruh menjadi timbal, perubahan konsentrasi uranium dan timbal dimanfaatkan sebagai basis metode lain yang disebut metode penanggalan uranium–timbal.^[34] Isotop timbal-207 mengalami fenomena resonansi magnet inti (RMI, atau NMR, nuclear magnetic resonance), sehingga senyawa-senyawanya dapat diteliti melalui RMI baik dalam larutan, padatan, maupun dalam tubuh manusia.^[35][36][37]

Hampir seluruh timbal yang terdapat di alam terdiri dari isotop-isotop stabil yang disebut di atas. Selain itu, terdapat juga beberapa isotop radioaktif yang jumlahnya renik atau sangat kecil dan berumur sangat pendek. Salah satunya adalah timbal-210 yang waktu paruhnya hanya 22,3 tahun^[27] tetapi masih ditemukan di alam karena terus terbentuk sebagai produk perantara dalam deret peluruhan uranium-238. Isotop timbal-211, timbal-212, dan timbal-214 berturut-turut adalah produk perantara deret peluruhan uranium-235, deret torium, dan deret uranium-238, sehingga juga ditemukan di alam dengan jumlah renik. Timbal-209 juga terbentuk pada peluruhan radium-223. Radium-223 adalah isotop langka yang terbentuk sebagai produk sementara deret radioaktif uranium-235 dan deret neptunium-237, sehingga isotop timbal-209 dapat ditemukan dalam jumlah kecil pada bijih uranium. Timbal-210 dapat digunakan untuk memperkirakan umur sampel dengan menghitung nisbahnya terhadap timbal-206, karena keduanya terlibat dalam deret uranium-238.^[38]

Secara keseluruhan, terdapat 43 isotop timbal yang dapat disintesis, dengan nomor massa antara 178–220.^[27] Di antara isotop-isotop sintetis ini, timbal-205 adalah isotop yang paling stabil, dengan waktu paruh 1,5×10⁷ tahun.^[d] Isotop sintetis terstabil berikutnya adalah timbal-202, dengan waktu paruh 53.000 tahun, lebih tinggi dibanding isotop-isotop renik timbal yang alami.^[27]

Saat bersentuhan dengan udara lembap, padatan timbal bereaksi membentuk lapisan tipis di permukaan yang melindungi timbal tersebut dari korosi; fenomena ini disebut pasivasi.^[40] Lapisan yang terbentuk terdiri dari berbagai senyawa yang berbeda-beda tergantung keadaan. Timbal(II) karbonat adalah senyawa yang paling umum;^[41] selain itu timbal(II) sulfat maupun timbal(II) klorida dapat terbentuk dalam kondisi perkotaan atau di laut. Namun, dalam bentuk bubuk yang sangat halus, timbal dapat terbakar spontan di udara menghasilkan api berwarna putih kebiruan.^[42][43]

Timbal bereaksi dengan fluorin pada suhu ruangan membentuk timbal(II) fluorida. Reaksi serupa dengan klorin hanya terjadi pada suhu tinggi, karena reaksi ini menghasilkan lapisan timbal(II) klorida yang mengurangi reaktivitas.^[40] Timbal juga bereaksi dengan unsur golongan VIA, misalnya dengan oksigen membentuk timbal(II) oksida.^[44]

Logam timbal tidak bereaksi dengan asam sulfat dan asam fosfat, tetapi bereaksi dengan asam klorida dan asam nitrat; hasilnya tergantung apakah garam-garam yang dihasilkan dapat larut atau dapat membentuk lapisan pasivasi.^[45] Timbal larut dalam asam organik seperti asam asetat jika ada oksigen.^[40] Timbal juga bereaksi dengan basa pekat membentuk senyawa plumbit (PbO2−2).^[46]

Dalam senyawa, timbal memiliki dua bilangan oksidasi utama, +2 (sebagai timbal(II)) dan +4 (timbal(IV)). Bilangan oksidasi +4 sangat umum pada unsur golongan IVA. Kelaziman bilangan oksidasi +2 berbeda-beda untuk unsur-unsur golongan IVA: sangat langka pada karbon dan silikon, kadang terjadi pada germanium, dan lazim (tetapi bukan yang paling lazim) pada timah. Namun, pada timbal, bilangan oksidasi +2 lebih sering terjadi dibandingkan +4.^[40] Perbedaan ini diakibatkan efek-efek kimia kuantum relativistik, terutama efek pasangan lengai yang terjadi ketika ada perbedaan elektronegativitas yang besar antara timbal dan anion yang diikatnya (seperti oksida, halida atau nitrida), menyebabkan adanya muatan positif besar pada ion timbal. Hal ini lalu menyebabkan kontraksi pada orbital 6s timbal (lebih kuat dibandingkan kontraksi pada orbital 6p-nya), sehingga elektron-elektron 6s menjadi lebih lengai dan tidak mudah terionisasi. Namun,efek pasangan lengai ini kurang efektif pada senyawa yang melibatkan timbal dalam ikatan kovalen, misalnya pada senyawa organotimbal (senyawa dengan ikatan kovalen antara timbal dan karbon). Pada senyawa-senyawa ini, orbital 6s dan 6p berukuran sama dan cenderung berhibridisasi menjadi orbital sp³. Karena itu, timbal (seperti halnya karbon) umumnya memiliki bilangan oksidasi +4 pada senyawa organotimbal.^[47]

Elektronegativitas timbal(II) adalah 1,87 dan berselisih relatif jauh dengan elektronegativitas timbal(IV) yaitu 2,33. Selisih besar ini merupakan anomali dibanding unsur golongan IVA yang berada di atasnya. Sebagai contoh, timah(II) memiliki elektronegativitas 1,80 dan timah(IV) hanya terpaut sedikit di 1,96.^[48]

Terbentuknya senyawa-senyawa timbal(II) atau Pb²⁺ merupakan ciri khas timbal dalam reaksi anorganik. Bahkan pengoksidasi kuat seperti fluorin dan klorin hanya bisa mengoksidasi timbal menjadi timbal(II), membentuk senyawa PbF₂ and PbCl₂.^[40] Ion timbal(II) atau Pb²⁺ biasanya tidak berwarna dalam larutan,^[49] dan terhidrolisis sebagian untuk menghasilkan Pb(OH)⁺ dan kemudian [Pb₄(OH)₄]⁴⁺ (ion hidroksida berfungsi sebagai jembatan ligan),^[50][51] tetapi ion-ion ini tidak bersifat pereduksi seperti halnya ion timah(II). Analisis kualitatif untuk mendeteksi ion Pb²⁺ biasanya dilakukan dengan larutan asam klorida encer yang akan menghasilkan endapan timbal(II) klorida (PbCl₂). Namun, analisis ini tidak dapat mendeteksi ion Pb²⁺ yang sangat encer, karena PbCl₂ tidak mengendap jika konsentrasinya sangat kecil. Untuk mendeteksi larutan Pb²⁺ sangat encer, ditiupkan gas hidrogen sulfida, yang menghasilkan endapan timbal(II) sulfida (PbS).^[52]

Senyawa PbO atau timbal(II) oksida terdapat dalam dua bentuk kristal (polimorf), yang pertama disebut litharge (α-PbO, berwarna merah) dan yang kedua disebut massicot (β-PbO, berwarna kuning). Litharge adalah senyawa anorganik timbal yang paling banyak digunakan, sedangkan massicot hanya stabil pada suhu di atas 488 °C.^[53] Tidak ada senyawa timbal(II) hidroksida, jika larutan garam timbal(II) direaksikan dengan basa, maka Pb²⁺ akan terhidrolisis.^[54] Selain oksigen, timbal dapat bersenyawa dengan unsur golongan VIA (kalkogen) lainnya, membentuk keluarga senyawa timbal kalkogenida. Timbal sulfida bersifat semikonduktor, fotokonduktor, dan merupakan detektor radiasi inframerah yang sangat sensitif. Senyawa timbal kalkogenida lainnya, yaitu timbal selenida (PbSe) dan timbal telurida (PbTe), juga bersifat fotokonduktor. Salah satu keunikan senyawa-senyawa ini adalah warnanya semakin terang dari atas ke bawah tabel periodik.^[55]

Dengan unsur halogen, timbal(II) membentuk keluarga senyawa timbal(II) halida atau timbal dihalida, contohnya timbal(II) astatida (PbAt₂)^[56] dan halida campuran seperti PbFCl. Senyawa-senyawa halida campuran memiliki kelarutan yang relatif rendah sehingga dapat dimanfaatkan untuk analisis gravimetri terhadap fluorin. Timbal(II) fluorida, PbF₂ ditemukan pada 1834 oleh Michael Faraday dan merupakan padatan pertama yang ditemukan bersifat konduktor ion.^[57] Dihalida-dihalida lainnya mudah terurai jika terkena sinar tampak atau ultraviolet, terutama timbal(II) iodida, PbI₂.^[58] Senyawa timbal(II) pseudohalida juga telah ditemukan, seperti timbal(II) sianida (Pb(CN)₂), sianat (Pb(OCN)₂), dan tiosianat (Pb(SCN)₂). Timbal(II) dan halogen juga membentuk banyak senyawa kompleks, seperti [PbCl₄]²⁻, [PbCl₆]⁴⁻, dan keluarga anion [Pb₂Cl₉]_n⁵ⁿ⁻.^[58]

Selain itu, terdapat juga timbal(II) sulfat yang tidak larut dalam air, seperti banyak garam sulfat dengan kation logam berat berbilangan oksidasi +2 lainnya. Senyawa timbal(II) nitrat dan timbal(II) asetat larut dengan baik dalam air, sehingga sering dipakai untuk sintesis senyawa-senyawa timbal lainnya.^[59]

Hanya sedikit senyawa anorganik yang mengandung timbal(IV). Senyawa-senyawa ini biasanya hanya terbentuk dalam larutan oksidator kuat dan tidak terbentuk dalam kondisi standar.^[60] Contohnya adalah Pb₃O₄, yang memiliki campuran timbal(II) dan timbal(IV) dengan struktur 2PbO·PbO₂, dan merupakan contoh utama senyawa timbal dengan bilangan oksidasi campuran. Senyawa timbal(IV) lainnya adalah timbal(IV) oksida (PbO₂), yang merupakan zat oksidator yang kuat dan dapat mengoksidasi asam klorida menjadi gas klorin.^[61] Ini disebabkan senyawa PbCl₄ tidak stabil dan terurai secara spontan menjadi PbCl₂ and Cl₂.^[62] Timbal(IV) oksida juga dapat membentuk berbagai bentuk anion plumbat(IV). Terdapat juga timbal(IV) fluorida (PbF₄), yang berwujud serbuk kristal kuning dan bersifat stabil tetapi tidak sestabil timbal(II) fluorida. Senyawa halida lainnya adalah timbal(IV) klorida (PbCl₄) yang berwujud minyak kuning yang terurai pada suhu kamar, dan timbal(IV) bromida yang bahkan lebih tak stabil lagi. Keberadaan timbal(IV) iodida masih diragukan.^[63]

Sedikit sekali senyawa yang memiliki timbal dengan bilangan oksidasi selain +2 atau +4. Timbal(III) dan Timbal(I) bersifat tak stabil baik dalam bentuk ion maupun senyawa kompleks karena adanya radikal bebas. Sekalipun demikian, timbal(III) kadang ditemukan pada senyawa kompleks organotimbal besar sebagai zat perantara antara timbal(II) dan timbal(IV).^[64][65][66]

Timbal dengan bilangan oksidasi negatif dapat ditemukan dalam zat fase Zintl, baik sebagai ion Pb^4- bebas, seperti pada Ba₂Pb,^[67] maupun sebagai gugus ion berbentuk cincin atau polihedral.^[68] Contoh gugus ion polihedral adalah Pb₅²⁻, yang strukturnya adalah bipiramida segitiga. Ion ini memiliki dua atom timbal dengan bilangan oksidasi -1 dan tiga dengan bilangan oksidasi 0.^[68] Dalam ion ini, setiap atom berada pada tiap sudut bipiramida dan masing-masing menyumbangkan 2 elektron dari orbital sp³nya kepada rusuk-rusuk bipiramida. Dua elektron sp³ yang tersisa menjadi pasangan sunyi.^[50] Ion ini dapat terbentuk dalam amonia cair melalui reaksi reduksi timbal oleh natrium.^[69]

Timbal dapat membentuk rantai molekul panjang, seperti karbon dan unsur-unsur di golongan IVA pada umumnya. Namun, energi ikatan Pb–Pb relatif lemah, sekitar 3,5 kali lebih lemah dibanding ikatan karbon–karbon.^[44] Jika rantai molekul hanya terdiri dari timbal, panjang maksimal yang mungkin tercapai hanyalah 3.^[70] Jika rantai ini juga memiliki karbon, maka terbentuk senyawa-senyawa yang disebut senyawa organotimbal, yang mirip dengan senyawa-senyawa organik biasa tetapi lebih tak stabil karena ikatan Pb–C relatif lebih lemah.^[71][50] Hal ini menyebabkan senyawa organologam ini lebih langka dibandingkan saudara dekatnya di tabel periodik yaitu organotimah. Timbal pada sebagian besar senyawa organotimbal memiliki bilangan oksidasi +4, bahkan ketika diproduksi dari senyawa anorganik timbal(II). Contoh langka senyawa organotimbal(II) adalah Pb[CH(SiMe₃)₂]₂ dan Pb(η⁵-C₅H₅)₂.^[72]

Plumbana (PbH₄) adalah analog timbal untuk metana (CH₄), senyawa organik paling sederhana. Plumbana dapat dihasilkan melalui reaksi antara logam timbal dan atom hidrogen.^[73] Dua senyawa turunan plumbana, yaitu tetra metil timbal dan tetra etil timbal (TET atau TEL, tetraethyllead), adalah senyawa organotimbal yang paling terkenal. Keduanya relatif stabil, dan TET hanya terurai jika dipanaskan atau terpapar sinar matahari maupun ultraviolet.^[74][75] Terdapat juga tetrafenil timbal yang lebih stabil dan baru terurai pada suhu 270 °C.^[72] Banyak senyawa organotimbal bersifat oksidator, misalnya timbal tetraasetat yang digunakan sebagai oksidator untuk reaksi organik di laboratorium.^[76] Senyawa-senyawa organotimbal lainnya bersifat kurang stabil,^[71] dan banyak senyawa organik yang analog timbalnya tidak ditemukan.^[73]

Di Tata Surya, timbal memiliki kelimpahan 0,112 ppb (bagian per semiliar).^[77] Kelimpahan ini 2,5 kali lipat kelimpahan unsur platinum, 8 kali raksa, dan 17 kali emas.^[77] Jumlah timbal di alam semesta saat ini meningkat perlahan karena banyak atom-atom berat yang meluruh perlahan menjadi timbal.^{[78] [79]}Sejak terbentuknya Tata Surya 4,5 miliar tahun lalu, kelimpahan timbal telah meningkat sekitar 0,75%.^[80] Walaupun timbal memiliki nomor atom relatif tinggi, timbal memiliki kelimpahan yang lebih tinggi dibanding kebanyakan unsur bernomor di atas 40 (lihat tabel).^[77]

Isotop primordial (isotop yang terbentuk sejak sebelum terbentuknya bumi) timbal terdiri dari isotop 204, 206, 207, dan 208. Semuanya terbentuk karena proses penangkapan neutron yang berulang-ulang terjadi di dalam bintang. Proses ini dibedakan menjadi dua mode: proses s dan proses r.^[81]

Dalam proses s (dari kata slow, "lambat"), penangkapan neutron terjadi setiap beberapa tahun atau puluhan tahun, sehingga inti-inti atom yang kurang stabil dapat mengalami peluruhan beta.^[82] Misalnya, inti 203
81Tl dapat menangkap neutron menjadi 204
81Tl, yang lalu mengalami peluruhan beta menjadi 204
82Pb yang bersifat stabil. Jika 204
82Pb menangkap neutron lagi, ia akan menjadi Pb, yang memiliki paruh waktu 15 juta tahun. Jika terus terjadi penangkapan neutron, inti ini akan menjadi 206
82Pb, lalu 207
82Pb, lalu 208
82Pb. Tambahan satu neutron lagi akan mengubahnya menjadi 209
82Pb, yang bersifat tidak stabil dan meluruh menjadi 209
83Bi dan melepaskan partikel beta. Inti ini lalu menangkap neutron menjadi 210
83Bi, yang meluruh (beta) menjadi 210
84Po, yang lalu mengalami peluruhan alfa menjadi 206
82Pb. Hasil siklus ini adalah Pb-206, Pb-207, Pb-208, dan Bi-209 (lihat gambar).^[83]

Dalam proses r (dari kata rapid, "cepat"), penangkapan neutron terjadi dengan sangat cepat, sehingga inti-inti atom yang terlibat tidak sempat mengalami peluruhan beta.^[84] Biasanya proses ini terjadi dalam kondisi kaya neutron, misalnya dalam sebuah supernova atau bergabungnya dua bintang neutron. Aliran neutron pada kondisi ini dapat mencapai 10²² neutron per cm² per detik.^[85] Proses r tidak menghasilkan timbal sebanyak proses s.^[86] Proses ini cenderung berhenti ketika inti atom mencapai 126 neutron.^[87] Pada posisi ini, konfigurasi neutron telah memenuhi kulit nuklirnya sehingga sangat sulit untuk menerima neutron tambahan.^[88] Saat aliran elektron berkurang, inti-inti kaya neutron yang terbentuk akan mengalami peluruhan beta menjadi osmium, iridium, dan plantinum.^[89]

Dalam klasifikasi Goldschmidt, timbal digolongkan sebagai unsur kalkofil, yang berarti unsur ini sering ditemukan bersama-sama dengan belerang.^[90] Timbal jarang ditemukan dalam bentuk logam asli.^[91] Timbal ditemukan dalam mineral-mineral yang relatif ringan, dan sepanjang sejarah bumi tetap bertahan di kerak bumi alih-alih tenggelam ke inti bumi. Hal ini menyebabkan timbal memiliki kelimpahan di kerak bumi yang relatif tinggi, yaitu 14 ppm (bagian per sejuta) atau peringkat ke-38 dari seluruh unsur.^[92][e]

Mineral utama yang mengandung timbal adalah galena (PbS), yang sering ditemukan bersama-sama dengan bijih seng.^[95] Kebanyakan mineral timbal lain masih terkait dengan galena: boulangerite, Pb₅Sb₄S₁₁, adalah sulfida campuran yang diturunkan dari galena, anglesite, PbSO₄ adalah hasil oksidasi galena, dan cerussite, PbCO₃, adalah hasil penguraian galena. Mineral-mineral ini sering tercampur unsur-unsur lain, seperti arsenik, timah, antimon, perak, emas, tembaga, dan bismut.^[95]

Dunia memiliki sumber timbal dengan total melebihi 2 miliar ton. Sumber timbal yang besar terdapat di Amerika Serikat, Australia, Irlandia, Meksiko, Peru, Portugal, Rusia, dan Tiongkok. Jika hanya menghitung sumber yang layak diekstraksi secara ekonomi, cadangan timbal dunia mencapai 88 juta ton pada tahun 2016. Dari total ini, jumlah terbesar adalah 35 juta yang berada di Australia, 17 juta di Tiongkok, dan 6,4 juta di Rusia.^[94]

Pada umumnya konsentrasi latar timbal di atmosfer berada di bawah 0,1 μg/m³, <100 mg/kg di tanah, dan <5 μg/L di air laut maupun tawar.^[96]

Manik-manik dari logam timbal yang diperkirakan berasal dari 7000–6500 SM telah ditemukan di Asia Kecil (sekarang daerah Turki); bisa jadi ini adalah kali pertama manusia mengekstraksi logam dari bijihnya melalui teknik peleburan.^[98] Pada masa itu, timbal agaknya memiliki sedikit kegunaan karena bersifat lunak dan tampak buram.^[98] Penyebab meningkatnya produksi timbal adalah karena bijih timbal yang disebut galena juga merupakan sumber perak.^[99] Bangsa Mesir Kuno adalah bangsa pertama yang menggunakan mineral timbal sebagai kosmetika, dan praktik inipun menyebar ke Yunani Kuno dan daerah-daerah lain.^[100] Bangsa Mesir Kuno bisa jadi juga menggunakan timbal untuk pemberat jaring penangkap ikan, kaca, email porselen, dan sebagai hiasan.^[99] Berbagai kebudayaan di daerah Bulan Sabit Subur menggunakan timbal untuk alat tulis, sebagai mata uang, dan sebagai bahan bangunan.^[99] Di Tiongkok Kuno, timbal digunakan psikostimulan di kalangan istana,^[99] sebagai mata uang^[101] dan sebagai alat kontrasepsi.^[102] Peradaban Lembah Indus dan Mesoamerika menggunakannya untuk membuat berbagai jimat;^[99] bangsa-bangsa Afrika daerah selatan dan timur menggunakannya untuk mengerjakan penarikan kawat.^[103]

Karena perak (yang sering tercampur dalam mineral timbal) banyak digunakan sebagai alat tukar dan perhiasan, sumber-sumber timbal mulai diolah di Asia Kecil sejak 3000 SM, lalu diikuti pengolahan di Kepulauan Aegea dan Lavrio (sekarang di Yunani). Tiga kawasan ini mendominasi pertambangan timbal hingga sekitar 1200 SM.^[105] Selain itu, sejak 2000 SM bangsa Bangsa Fenisia mengolah sumber timbal di Semenanjung Iberia; pada 1600 SM pulau Siprus dan Sardinia pun juga memiliki pertambangan timbal.^[106] Daerah Nusantara telah mengenal pertambangan timbal dan penggunaannya dalam paduan perunggu setidaknya sudah ada sejak zaman kebudayaan bercorak Hindu-Buddha. Sebagian artefak perunggu yang ditemukan dari zaman ini di Sumatra dan Jawa mengandung kadar timbal yang berkisar antara 1,22% sampai 17,43%.^[107] Daerah pertambangan yang menggunakan teknik peleburan ditemukan di berbagai tempat di Sumatra, termasuk Muara Sipongi, Sumatera Utara.^[108]

Republik Romawi menjadi produser terbesar timbal pada zaman klasik akibat perluasan wilayahnya di Eropa dan Laut Mediterania serta pengembangan pertambangan yang mereka lakukan. Puncak produksi timbal Romawi pada masa ini diperkirakan mencapai 80.000 ton. Seperti sebelumnya, sebagian besar timbal diperoleh sebagai hasil sampingan pertambangan perak.^[97][109] Pertambangan timbal dibuka di Eropa Tengah, Britania, Semenanjung Balkan, Yunani, Asia Kecil, dan Semenanjung Iberia. Semenanjung Iberia (atau Hispania) menghasilkan 40% timbal dunia.^[97]

Papan timbal banyak digunakan sebagai bahan menulis surat.^[110] Di Provinsi Yudea, timbal digunakan sebagai peti mati yang dicetak dengan motif-motif sesuai kepercayaan penghuninya.^[111] Timbal digunakan untuk bahan pipa air di Kekaisaran Romawi.^[112] Karena mudah diolah dan tahan korosi,^[112] timbal pun banyak digunakan sebagai bahan obat-obatan, atap, mata uang, maupun persenjataan.^{[113][114][115]} Penulis seperti Marcus Porcius Cato, Columella, dan Plinius yang Tua menyarankan penggunaan wadah berbahan atau berlapis timbal untuk membuat defrutum, pemanis dan pengawet yang digunakan untuk minuman anggur dan makanan. Saat ini diketahui bahwa wadah timbal memberikan rasa manis karena dapat bereaksi membentuk timbal(II) asetat ("gula timbal"), sedangkan wadah tembaga atau perunggu dapat menberikan rasa pahit akibat terbentuknya tembaga(II) asetat ("verdigris").^[116]

Penulis Romawi Vitruvius menulis bahwa timbal berbahaya untuk kesehatan,^[117] dan beberapa penulis modern berpendapat bahwa keracunan timbal adalah salah satu penyebab melemahnya bangsa Romawi.^{[118][119][f]} Namun, peneliti lain mengkritik pendapat tersebut, salah satunya dengan menunjukkan bahwa tidak semua gejala sakit perut diakibatkan keracunan timbal.^[121] Menurut penelitian arkeologi, pipa timbal yang digunakan bangsa Romawi meningkatkan kadar timbal dalam air leding, tetapi efeknya kemungkinan besar tidak terlalu berbahaya.^[122][123]

Penambangan timbal di Eropa barat menurun setelah runtuhnya Kekaisaran Romawi Barat, dan hanya Al-Andalus (Hispania) yang masih memproduksi timbal dengan jumlah besar.^[124][125] Pada saat bersamaan, pertambangan timbal tumbuh dengan cepat di luar Eropa. Produksi terbesar terjadi di Asia Timur (terutama Tiongkok) dan Asia Selatan (terutama India).^[125]

Pertambangan timbal mulai meningkat lagi di Eropa pada abad ke-11 dan ke-12, dan logam tersebut digunakan kembali untuk bahan atap dan pipa.^[126] Sejak abad ke-13, timbal digunakan untuk membuat kaca berwarna.^[126] Menurut ilmu alkimia dalam tradisi dunia Islam dan Eropa pada abad pertengahan, timbal merupakan logam dasar tak murni yang konon dapat diubah menjadi emas melalui proses pemisahan dan pemurnian.^[127]

Pada masa ini, timbal juga digunakan sebagai bahan campuran pada minuman anggur. Paus Aleksander VI melarang penggunaan anggur yang tercampur timbal dalam misa dan ritus-ritus lainnya pada 1498, tetapi praktik ini terus berlangsung, mengakibatkan terjadinya banyak keracunan hingga abad ke-18.^[124][129] Timbal juga merupakan bahan penting untuk mesin cetak yang ditemukan sekitar 1440; pekerja mesin cetak sering terpapar racun karena menghirup debu timbal.^[130] Timbal menjadi bahan utama peluru untuk senjata api pada masa ini. Walaupun lebih mahal dibanding besi, timbal dipilih karena besi membuat laras senapan tidak awet, sedangkan timbal lebih padat dan mudah diproduksi karena titik lelehnya lebih rendah.^[131] Kosmetik berbahan timbal digunakan oleh kalangan bangsawan Eropa Barat sebagai pemutih wajah, dan kelak juga untuk rambut palsu dan celak. Tren ini baru surut pada masa Revolusi Prancis pada akhir abad ke-18.^[132][133]

Tren serupa juga muncul di Jepang abad ke-18, sejak munculnya profesi geisha atau wanita penghibur. Timbal sangat umum dipakai sebagai pemutih wajah.^[134] Wajah putih dianggap melambangkan sifat baik wanita Jepang.^[135] Di Afrika, pertambangan dan pengolahan timbal berlangsung di Palung Benue^[136] dan daerah hilir Cekungan Kongo, serta penggunaan logam ini sebagai mata uang dan alat tukar dengan bangsa Eropa telah terjadi pada abad ke-17, sebelum penjajahan besar-besaran oleh bangsa Eropa.^[137]

Di benua Amerika, kedatangan bangsa Eropa diikuti juga dengan pertambangan timbal. Pertambangan mulai didirikan di Koloni Virginia pada 1621, 14 tahun setelah pendirian koloni tersebut.^[138] Di Australia, pertambangan timbal adalah pertambangan pertama yang didirikan oleh pemukim Eropa, yaitu pada tahun 1841.^[139]

Revolusi Industri terjadi pada paruh kedua abad ke-18, dimulai di Britania Raya dan menyebar ke benua Eropa dan Amerika Serikat. Saat ini produksi timbal meningkat kembali, dan melebihi produksi zaman Romawi untuk pertama kalinya.^[97] Awalnya, Britania Raya adalah penghasil timbal terbesar hingga pertengahan abad ke-19, saat persediaan timbalnya mulai habis dan pertambangan di Jerman, Spanyol, dan Amerika Serikat semakin berkembang.^[140] Pada 1900, Amerika Serikat adalah penghasil timbal terbesar, dan negara non-Eropa lainnya (terutama Kanada, Meksiko, dan Australia) mulai menambang timbal dalam jumlah besar.^[141] Alhasil, produksi timbal di luar Eropa melebihi produksi Eropa.^[141] Timbal paling banyak digunakan untuk membuat pipa dan cat.^[142] Semakin banyak orang (terutama golongan pekerja) terpapar timbal dan kasus-kasus keracunan pun meningkat. Hal ini memicu penelitian mengenai efek timbal bagi tubuh manusia. Penelitian selanjutnya menyimpulkan bahwa asap timbal lebih berbahaya daripada timbal berbentuk padatan. Timbal dikaitkan dengan penyakit pirai—dokter Inggris Alfred Baring Garrod menemukan bahwa sepertiga dari pasien pirainya adalah tukang leding atau tukang cat. Pada abad ke-19, diteliti juga efek menghirup timbal (terutama jika terus menerus) terhadap kelainan-kelainan mental. Pada dekade 1870-an dan 1880-an, Britania Raya mengeluarkan undang-undang untuk mengurangi keracunan timbal di pabrik-pabrik.^[142]

Bukti-bukti bahaya yang ditimbulkan timbal terus ditemukan pada abad ke-19 dan 20. Pengetahuan akan mekanisme unsur ini dalam tubuh manusia semakin jelas, dan ditemukan juga fenomena kebutaan yang diakibatkan oleh timbal. Akibatnya, unsur ini mulai dihindari di Amerika Serikat dan Eropa. Britania Raya mewajibkan inspeksi pabrik pada 1878 dan menunjuk pejabat khusus untuk mengepalai inspeksi pabrik pada 1898; setelah itu, kasus keracunan timbal berkurang 25 kali lipat dalam rentang 1900–1944.^[143] Pada 1930, sebagian besar negara Eropa telah melarang cat timbal (yang populer karena warnanya pekat dan tahan air)^[144] untuk interior bangunan.^[145]

Timbal (dalam bentuk tetra etil timbal) mulai digunakan sebagai zat antiketuk untuk bensin di Amerika Serikat pada 1921. Praktik ini menyebar dan menjadi sumber terakhir yang memaparkan timbal pada khalayak umum. Pada 2000, praktik ini telah dilarang di Amerika Serikat dan Uni Eropa.^[146][142]

Pada dasawarsa 1970-an, Amerika Serikat dan negara-negara Eropa Barat mulai mengeluarkan undang-undang untuk membatasi pencemaran timbal di udara.^[147][148] Hal ini terbukti efektif: penelitian Pusat Pengendalian dan Pencegahan Penyakit Amerika Serikat menunjukkan bahwa populasi yang menderita tingginya kadar timbal darah menurun dari 77,8% (1976–1980) menjadi 2,2% (1991–1994).^[149] Pada akhir abad ke-20, produk mengandung timbal yang paling umum adalah baterai asam timbal yang dianggap tidak berbahaya bagi manusia.^[150]

Selama rentang 1960–1990, produksi timbal di negara-negara Blok Barat tumbuh sekitar 31%.^[151] Produksi di negara-negara Blok Timur juga meningkat, dan persentase timbal dunia yang dihasilkan di negara-negara ini meningkat dari sekitar 10% (1950) menjadi 30% (1990). Uni Soviet menjadi penghasil timbal terbesar dunia dari pertengahan 1970-an hingga 1980-an, dan Tiongkok mulai melakukan penambangan timbal besar-besaran pada akhir abad ke-20.^[152] Berbeda dengan negara-negara Blok Timur di Eropa, pada pertengahan abad ke-20 sebagian besar Tiongkok masih belum terindustrikan. Penggunaan timbal terkait pengindustrian yang selanjutnya terjadi di negara tersebut menjadi ancaman kesehatan (seperti halnya di Eropa pada masa Revolusi Industri).^[153] Pada tahun 2004, Tiongkok menjadi produsen timbal terbesar dunia.^[154]

Menurut data tahun 2014, produksi timbal dunia saat ini sedang meningkat karena diperlukan untuk baterai asam timbal.^[155] Ada dua mode produksi: yaitu produksi primer dengan mengolah bijih mineral, dan produksi sekunder dengan mendaur ulang barang bekas. Pada 2014, 4,58 juta ton timbal dihasilkan melalui produksi primer dan 5,64 juta ton melalui produksi sekunder. Negara penghasil timbal terbesar melalui pertambangan adalah Tiongkok, Australia, dan Amerika Serikat,^[94] sedangkan penghasil terbesar melalui daur ulang adalah Tiongkok, Amerika Serikat, dan India.^[156] Menurut laporan International Resource Panel pada 2010, jumlah total timbal yang digunakan, disimpan, dibuang, atau tersebar ke lingkungan mencapai 8 kg per kapita. Di negara maju, angka ini mencapai 20–150 kg per kapita sedangkan di negara berkembang hanya 1–4 kg per kapita.^[157]

Proses produksi timbal secara primer dan sekunder cukup mirip. Beberapa pabrik produksi primer juga melengkapi operasinya dengan produksi sekunder, praktik yang diprediksi akan terus meningkat. Dengan teknik yang tepat, timbal yang diproduksi secara sekunder dapat menjadi serupa timbal yang dihasilkan secara primer dan tidak dapat dibedakan. Proses produksi timbal melalui daur ulang biasanya lebih hemat energi dibanding produksi primer, dengan penghematan sering mencapai 50% atau lebih.^[158]

Kebanyakan bijih timbal memiliki kadar timbal yang kecil (bijih yang dianggap "kaya" biasanya hanya memiliki kadar 3–8%), dan harus dipekatkan sebelum diekstraksi.^[159] Awalnya bijih tersebut diproses dengan penggilingan, pemisahan berdasarkan berat, pengapungan buih, dan pengeringan. Konsentrat yang dihasilkan memiliki kadar massa 30%–80% (umumnya 50–60%).^[159]

Konsentrat ini selanjutnya diubah menjadi logam timbal (yang belum murni). Ada dua cara melakukan hal ini, yang disebut "proses dua tahap" dan "proses langsung". Belakangan ini, proses langsung lebih sering dilakukan, tetapi masih banyak juga yang melakukan proses dua tahap.^[160]

Awalnya, timbal yang masih dalam bentuk sulfida (PbS) dipanggang di udara agar teroksidasi:^[161]

2 PbS(s) + 3 O₂(g) → 2 PbO(s) + 2 SO₂(g)↑

Karena timbal sulfida yang diolah masih belum murni, pemanggangan ini menghasilkan tidak hanya timbal(II) oksida (PbO) seperti reaksi di atas, tetapi juga campuran oksida, sulfat, dan silikat dari timbal maupun logam-logam lain yang terdapat dalam bijih. PbO tak murni ini lalu direduksi oleh kokas (karbon dari batu bara) dalam sebuah tanur tiup:^[162]

2 PbO(s) + C(s) → 2 Pb(s) + CO₂(g)↑

Karena pereaksinya tidak murni, hasil reaksi ini pun tidak murni dan mengandung logam pengotor seperti arsenik, antimon, bismut, seng, tembaga, perak, dan emas. Selanjutnya pengotor-pengotor ini dimurnikan, umumnya melalui sebuah proses pirometalurgi. Hasil dari proses sebelumnya (yang masih berupa lelehan panas) diolah melalui tanur pantul. Ke dalam tanur pantul dicampurkan udara, uap air, dan sulfur, yang dapat mengoksidasi pengotor-pengotor yang ada, kecuali perak, emas, dan bismut. Pengotor yang telah teroksidasi akan memadat dan mengapung sehingga dapat dipisahkan.^[163][164] Emas dan perak lalu dipisahkan melalui proses Parkes dengan cara mencampurkan cairan seng. Seng melarutkan emas dan perak tetapi tidak bercampur dengan timbal. Seng ini dapat dipisahkan, lalu emas dan perak yang terlarut didalamnya diambil sebagai hasil samping.^[165][164] Bismut dipisahkan dengan proses Betterton–Kroll, yaitu mencampurkan kalsium dan magnesium yang menghasilkan senyawa bismut yang mengapung.^[164]

Selain proses pirometalurgi, pemurnian timbal juga dapat dilakukan melalui proses elektrolisis yang disebut proses Betts yang menghasilkan kemurnian lebih tinggi. Namun, proses ini sangat mahal sehingga hanya dilakukan jika benar-benar dibutuhkan.^[166][164]

Pada proses langsung, logam timbal dihasilkan langsung dari konsentrat. Konsentrat yang—seperti proses primer—mengandung timbal sulfida (PbS) dilelehkan dalam sebuah tanur dan dioksidasi menghasilkan timbal(II) oksida atau PbO. Karbon (dari kokas maupun gas batubara) ditambahkan ke dalam lelehan ini bersama dengan fluks (bahan yang dapat bereaksi terus menerus). Karbon ini mereduksi PbO menjadi logam Pb, yang tercampur dengan terak (ampas) PbO dan pengotor lain.^[160]

Jika konsentrat masukan proses ini memiliki kadar timbal tinggi, 80% dari timbal yang ada dapat menjadi logam Pb, sedangkan sisanya akan menjadi PbO yang tercampur di dalam terak. Jika konsentrat hanya memiliki kadar timbal rendah, semua timbal yang ada akan teroksidasi dan hanya menjadi terak. Terak ini kaya akan timbal (25–40%), dan logamnya dapat diperoleh dengan proses pembakaran tenggelam, reduksi dalam tanur busur listrik, atau kombinasi keduanya.^[160]

Para peneliti juga mencari proses penambangan timbal yang lebih bersih dan hemat energi. Namun, sejauh ini metode-metode alternatif memiliki kelemahan, di antaranya adalah banyaknya timbal yang terbuang dalam terak, serta tingginya kadar belerang pada logam timbal yang dihasilkan. Salah satu teknik yang mendapat perhatian peneliti adalah ekstraksi hidrometalurgi melalui elektrolisis. Dalam proses ini, timbal kotor digunakan sebagai anode, dan listrik dialirkan sehingga timbal kotor larut dan akan mengendap di katode sebagai timbal murni. Namun, saat ini proses ini masih belum ekonomis kecuali di lokasi dengan sumber listrik amat murah.^[167]

Proses sekunder dilakukan dengan daur ulang barang bekas yang mengandung timbal. Barang bekas yang paling umum adalah baterai asam timbal; selain itu, pipa timbal, lembaran timbal, maupun pelapis kabel juga banyak digunakan.^[158] Dalam proses sekunder, sering kali tidak perlu dilakukan reduksi seperti halnya pada proses primer, karena timbal pada barang bekas sudah berupa unsur (bukan senyawa). Hanya kasus-kasus tertentu (misalnya timbal yang telah teroksidasi, atau bahan yang berupa senyawa seperti sisa baterai) perlu diproses dengan reduksi.^[158] Jika reduksi dibutuhkan, prosesnya mirip dengan pada proses primer, dan biasanya dilakukan pada tanur tiup atau tanur putar. Perbedaan utama kedua tanur ini adalah kadar pengotornya: tanur tiup biasanya menghasilkan timbal keras dengan 10% antimon, sedangkan tanur putar biasanya menghasilkan timbal semilunak (3–4% antimon).^[168] Selain itu juga ada proses Isasmelt, yang di atas kertas juga dapat dilakukan untuk proses primer. Pada proses ini, sampah baterai asam timbal (yang terdiri dari timbal oksida dan timbal sulfat) direaksikan dengan basa untuk memisahkan sulfatnya, lalu direaksikan dengan karbon pada sebuah tanur beroksigen. Proses ini menghasilkan timbal tak murni, pengotor utamanya biasanya adalah antimon.^[169] Pemurnian hasil ini mirip dengan pemurnian pada proses primer, tetapi kadang sebagian tahap pemurnian dapat ditiadakan tergantung pengotor yang terdapat dalam bahan yang didaur ulang.^[169]

Logam timbal memiliki banyak sifat fisik yang berguna, di antaranya massa jenis tinggi, titik leleh rendah, mudah ditarik, dan relatif lengai. Banyak unsur logam lain yang memiliki sebagian sifat ini, bahkan lebih baik daripada timbal, tetapi umumnya logam-logam tersebut lebih langka atau sulit ditambang. Namun, timbal mulai ditinggalkan karena sifat racunnya.^[170]

Timbal digunakan sebagai peluru sejak abad pertengahan. Timbal cocok untuk kegunaan ini karena murah, bertitik leleh rendah sehingga dapat dicetak dengan peralatan sederhana, dan bermassa jenis tinggi sehingga lebih mampu mempertahankan kecepatannya setelah ditembakkan. Saat ini, timbal masih menjadi bahan utama peluru, dan biasanya dipadukan dengan logam lain sebagai pengeras.^[131] Namun, ada kekhawatiran bahwa penggunaan peluru timbal untuk berburu dapat merusak lingkungan.^[g][171]

Sifat timbal yang padat dan tahan korosi dimanfaatkan untuk banyak hal. Logam ini digunakan sebagai pemberat pada lunas kapal karena massa besar dan volume kecilnya mengurangi gesekan air maupun goyangan kapal akibat angin.^[172] Timbal juga digunakan pada tali pengikat selam skuba karena beratnya memudahkan penyelam turun di air.^[173] Pada tahun 1993, dasar Menara Pisa diperkuat menggunakan 600 ton timbal.^[174] Logam ini juga digunakan untuk melapisi kabel bawah laut karena bersifat tahan korosi.^[175]

Timbal banyak digunakan dalam arsitektur dan konstruksi bangunan. Lembaran timbal digunakan sebagai bahan atap, kelongsong, talang, dan tembok atap.^[176][177] Timbal juga masih digunakan sebagai bahan patung, termasuk pada angkurnya.^[178][179] Dulunya timbal juga digunakan untuk menjaga keseimbangan roda mobil, tetapi diganti bahan lain karena alasan kesehatan dan lingkungan.^[94]

Timbal digunakan dalam paduan tembaga, termasuk kuningan dan perunggu, agar bahan tersebut menjadi mudah dipotong dan lebih lumas.^[180] Karena tidak larut dalam tembaga, timbal membentuk globul (globule, tetesan kecil) yang padat pada celah-celah dalam paduan timbal-tembaga tersebut. Pada konsentrasi rendah, globul-globul ini berfungsi sebagai pelumas dan mencegak robeknya paduan tersebut saat dipotong atau diolah. Paduan dengan konsentrasi timbal tinggi digunakan untuk membuat bantalan pada mesin. Pada paduan timbal seperti ini, timbal berfungsi sebagai pelumas sedangkan tembaga berfungsi untuk menahan beban.^[180]

Timbal juga digunakan sebagai peredam suara, getaran, atau radiasi. Hal ini disebabkan kepadatan dan nomor atom timbal yang tinggi, serta sifatnya yang mudah dibentuk.^[181] Timbal tidak memiliki frekuensi resonansi alami,^[181] alhasil lembaran timbal digunakan sebagai insulasi pada tembok, lantai, dan langit-langit studio suara.^[182] Pipa organ sering dibuat dari timbal yang dipadukan dengan timah untuk mengendalikan nada tiap pipa.^[183][184] Timbal merupakan bahan utama untuk penangkal radiasi dalam ruangan sinar X maupun penelitian nuklir, karena kepadatannya yang tinggi dan sifatnya yang sulit ditembus radiasi.^[185][186] Timbal cair digunakan sebagai pendingin pada jenis reaktor nuklir yang disebut reaktor cepat berpendingin timbal.^[187]

Pada abad ke-21, penggunaan timbal yang terbesar adalah dalam baterai asam timbal. Dalam baterai ini, tegangan listrik dihasilkan oleh reaksi antara timbal, timbal(IV) oksida, dan asam sulfat.^[h][188] Superkapasitor yang menggunakan baterai asam timbal telah digunakan di Amerika Serikat, Australia, dan Jepang.^[189] Baterai asam timbal jauh lebih murah dibanding alternatifnya yaitu baterai ion litium, tetapi memiliki kepadatan energi yang lebih rendah dan efisiensi siklus pengisian (charge-discharge efficiency) yang lebih buruk.^[190]

Timbal digunakan sebagai insulasi pada kabel tegangan tinggi untuk mencegah meresapnya air, tetapi mulai ditinggalkan dan diganti bahan lain.^[191] Penggunaan timbal dalam solder juga mulai ditinggalkan untuk mengurangi limbah yang mencemari lingkungan.^[192] Timbal digunakan dalam Tes Oddy (bersama perak dan tembaga) untuk mendeteksi zat-zat yang dapat merusak karya seni rupa di museum.^[193][194]

Senyawa-senyawa timbal digunakan dalam baterai asam timbal (bersama-sama dengan logam timbal).^[188] Selain itu, senyawa timbal saat ini hanya digunakan untuk kegunaan yang sangat khusus dan banyak ditinggalkan.^[195] Senyawa timbal digunakan untuk pigmen merah dan kuning untuk mewarnai keramik dan gelas. Penggunaan cat timbal telah ditinggalkan di Amerika Serikat dan Eropa, tetapi masih umum di negara berkembang seperti Indonesia,^[196] Tiongkok,^[197] dan India.^[198] Timbal(IV) asetat dan timbal(IV) oksida banyak digunakan sebagai oksidator dalam reaksi kimia organik. Senyawa timbal juga ditambahkan pada plastik PVC untuk insulasi alat-alat listrik.^[199][200] Senyawa timbal juga bisa ditambahkan pada lilin agar lebih awet saat dibakar; tetapi karena sifat racunnya, negara-negara Eropa dan Amerika Utara menggantinya dengan seng.^[201][202] Kaca timbal dibuat dari 12–28% timbal(II) oksida, yang memengaruhi sifat optiknya dan dapat melemahkan radiasi pengion.^[203] Senyawa-senyawa timbal juga digunakan sebagai semikonduktor, misalnya timbal telurida dan timbal selenida yang digunakan untuk sel fotovoltaik dan detektor inframerah.^[204]

Walaupun timbal tidak diketahui memiliki fungsi khusus secara biologi,^[205] unsur ini sangat banyak ditemui dalam tubuh manusia. Kadar rata-rata timbal dalam tubuh manusia dewasa mencapai 120 mg,^[i] logam berat tertinggi ketiga setelah zat besi (4000 mg) dan seng (2500 mg).^[209] Garam-garam timbal diserap tubuh dengan mudah.^[210] Pada orang dewasa, 1% timbal disimpan dalam tulang dan sisanya dibuang melalui urin dan feses setelah beberapa minggu. Namun, pada anak-anak, hanya sepertiga timbal yang dibuang oleh tubuh, dan pemaparan secara terus-menerus dapat menyebabkan bioakumulasi.^[211]

Timbal merupakan racun yang kuat (baik jika dihirup atau ditelan), dapat memengaruhi hampir semua organ dan sistem dalam tubuh manusia.^[212] Menurut National Institute for Occupational Safety and Health di Amerika Serikat, timbal dengan konsentrasi 100 mg/m³ di udara memiliki status "berbahaya langsung" (kode bahasa Inggris "IDLH", immediately dangerous to life and health).^[213] Jika timbal terhirup, hampir semuanya akan diserap masuk ke peredaran darah.^[214] Faktor utama dalam sifat racun timbal adalah kecenderungannya mengganggu fungsi-fungsi enzim dengan cara mengikat gugus tiol dalam banyak enzim,^[215] maupun berkompetisi dengan unsur logam penting yang menjadi kofaktor dalam banyak reaksi enzimatik.^[216] Logam-logam yang sering disaingi oleh timbal adalah zat besi, seng, dan kalsium.^[217] Tubuh yang kekurangan zat besi dan kalsium cenderung lebih rentan keracunan timbal.^[210]

Timbal menyebabkan kerusakan otak dan ginjal yang dapat berakhir dengan kematian. Dengan meniru (menggantikan posisi) kalsium, timbal dapat menembus sawar darah otak, lalu mengurangi dan merusak selubung mielin yang membungkus neuron, menggangu jalur pengiriman sinyal pada saraf, dan mengurangi pertumbuhan neuron.^[215] Dalam tubuh, timbal menghambat enzim porfobilinogen sintase dan ferokelatase, sehingga mencegah terbentuknya porfobilinogen dan mengikatnya besi ke protoporfirin IX, yang merupakan tahap terakhir pembentukan molekul heme. Akibatnya, pembentukan heme dalam tubuh menjadi tidak efektif dan menyebabkan anemia mikrositik.^[218]

Gejala keracunan timbal di nataranya nefropati (kerusakan ginjal), mulas, dan kadang disertai lemahnya jari, pergelangan tangan, dan kaki. Keracunan ini juga dapat menyebabkan sedikit kenaikan tekanan darah, yang dapat menyebabkan anemia terutama pada penderita berumur menengah atau tua. Beberapa penelitian (kebanyakan bermetode potong lintang) menemukan keterkaitan antara kontak dengan timbal dengan berkurangnya variabilitas denyut jantung.^[219] Pada wanita hamil, pemaparan timbal yang tinggi dapat menyababkan keguguran. Pemaparan yang tinggi dan terus-menerus juga dapat mengurangi kesuburan pria.^[220]

Timbal juga dapat mengganggu proses pembentukan sinapsis di korteks otak besar maupun pembentukan senyawa neurokimia serta saluran ion dalam otak anak yang sedang tumbuh.^[221] Pemaparan timbal pada anak kecil telah dikaitkan dengan meningkatnya risiko gangguan tidur maupun kantuk di siang hari pada masa anak akhir.^[222] Kadar timbal tinggi dalam darah pada anak perempuan dikaitkan dengan terlambatnya pubertas.^[223] Selain itu, ada hipotesis bahwa naik dan turunnya kadar timbal di udara akibat penggunaan tetra etil timbal pada abad ke-20 berkorelasi dengan naik turunnya tingkat kriminalitas, tetapi hipotesis ini masih belum diterima kebanyakan ilmuwan.^[224]

Paparan timbal adalah masalah global karena penambangan, pengolahan, dan penggunaan barang-barang berbahan timbal banyak terjadi di berbagai negara. Timbal dapat masuk tubuh manusia dengan dihirup, ditelan, atau diserap kulit. Hampir semua timbal yang dihirup akan diserap tubuh, sedangkan timbal yang ditelan biasanya diserap sebesar 20–70%, dan anak-anak menyerap lebih banyak dibanding dewasa.^[225]

Keracunan biasanya terjadi akibat makanan atau minuman yang terkontaminasi timbal. Selain itu, kadang timbal masuk karena tidak sengaja menelan tanah, debu, atau cat yang terkontaminasi.^[226] Air laut dapat mengandung timbal jika dicemari limbah industri.^[227] Tanah dapat terkontaminasi melalui akumulasi partikel limbah dari pipa, cat, maupun emisi bahan bakar yang ditambahi aditif timbal. Buah dan sayuran juga dapat terkontaminasi jika tumbuh di tanah berkadar timbal tinggi.^[228]

Penggunaan pipa timbal dapat berbahaya di daerah dengan air asam atau air lunak.^[229] Air sadah membentuk lapisan pelindung pada permukaan pipa, sedangkan air asam atau lunak dapat melarutkan dan menyerap timbal.^[230] Air yang berkarbondioksida dapat menyerap timbal menjadi timbal bikarbonat (Pb(HCO₃)₂, air yang beroksigen juga dapat menyerap timbal menjadi timbal(II) hidroksida. Meminum air yang terkontaminasi seperti ini dapat menyebabkan masalah kesehatan. Ini dapat dicegah jika air memiliki kesadahan tinggi, karena kalsium karbonat dan kalsium sulfat pada air sadah akan bereaksi dengan timbal membentuk timbal karbonat atau timbal sulfat yang melapisi permukaan pipa.^[231]

Cat timbal sering tertelan oleh anak-anak, misalnya ketika anak itu menjilat kusen atau bagian bangunan lain. Selain itu, ketika cat tersebut mulai terkelupas, partikelnya menjadi debu dan dapat menempel di mulut, makanan, atau minuman.^[232]

Timbal juga dapat masuk melalui hirupan, terutama pada perokok dan pekerja di sektor yang melibatkan timbal.^[214] Isotop radioaktif timbal-210 (bersama racun-racun lain) sering ada dalam rokok, yang berasal dari jenik pupuk fosfat yang digunakan untuk tembakau.^[233] Penyerapan melalui kulit biasanya terjadi pada pekerjaan yang melibatkan senyawa timbal organik. Senyawa timbal anorganik biasanya lebih sulit diserap melalui kulit.^[234]

Keracunan timbal biasanya ditangani dengan dimerkaprol dan asam dimerkaptosuksinat (DMSA).^[235] Pada kasus yang lebih parah, kadang diperlukan natrium kalsium edetat (natrium kalsium EDTA). EDTA lebih terikat pada timbal dibanding kalsium, sehingga dalam tubuh obat ini akan melepaskan kalsiumnya untuk diganti dengan timbal, membentuk senyawa kelat dengan timbal yang akan keluar melalui urin.^[236]

Penambangan, pengolahan, dan pembuangan timbal menyebabkan kontaminasi dalam tanah dan air. Emisi timbal ke atmosfer mencapai puncaknya selama Revolusi Industri dan selama penggunaan aditif timbal di bahan bakar. Timbal dilepaskan dari sumber alam (misal akibat aktvitas vulkanik), maupun dari kegiatan manusia, misalnya industri, pembakaran, daur ulang, dan kegiatan manusia yang mengganggu timbal yang sebelumnya tertimbun.^[237] Tanah dan endapan di daerah industri dan perkotaan banyak mengandung kadar timbal tinggi.^[238] Emisi akibat pembakaran batubara sering terjadi.^[239] Masalah-masalah ini sering lebih parah di negara berkembang akibat kurangnya peraturan, infrastruktur pengolahan sampah, dan banyaknya praktik penggunaan timbal yang telah ditinggalkan di negara maju.^[240]

Timbal dapat terakumulasi di tanah, terutama tanah dengan kadar organik tinggi, dan bertahan hingga ratusan atau ribuan tahun. Timbal dapat bersaing dengan logam-logam lain dalam tubuh dan permukaan tanaman sehingga mengganggu proses fotosintesis, bahkan pada konsentrasi tinggi dapat membahayakan pertumbuhan dan hidup tumbuhan itu. Kontaminasi timbal dapat mengikuti rantai makanan, sehingga kontaminasi pada tanah dan tumbuhan akan menyebabkan juga kontaminasi pada hewan atau mikroorganisme yang memakannya. Pada hewan, timbal meracuni banyak organ, merusak sistem saraf, ginjal, reproduksi, pembuatan sel darah, dan peredaran darah.^[241] Ikan dapat menyerap timbal melalui air dan endapan yang terdapat di habitatnya,^[242] sehingga unsur ini dapat terakumulasi melalui rantai makanan dan membahayakan hewan-hewan laut lainnya.^[243]

Penggunaan timbal dalam peluru dan peralatan memancing juga memperparah kontaminasi unsur ini di lingkungan. Selain industri, dua hal ini adalah penyebab utama kontaminasi timbal.^[244] Pada 2017, Amerika Serikat sempat melarang penggunaan timbal pada peluru dan peralatan memancing (tetapi dibatalkan dalam 1 bulan setelah pergantian pemerintahan);^[245][246] Uni Eropa mempertimbangkan memberlakukan larangan serupa.^[247]

Metode analisis untuk menentukan keberadaan timbal di lingkungan di antaranya metode spektrofotometri, fluoresensi sinar-X, spektroskopi atomik, dan elektrokimia. Metode elektrokimia dapat dilakukan dengan elektrode selektif ion menggunakan ionofor S,S'-Metilenebis(N,N-diisobutilditiokarbamat).^[248]

Sejak 1980, negara-negara maju mulai mengurangi penggunaan timbal untuk industri. Amerika Serikat mengeluarkan peraturan-peraturan untuk mengurangi atau menghilangkan penggunaan timbal pada produk selain baterai, termasuk bensin, cat, solder, dan sistem pipa air. Alat penangkap partikel dipasang pada pembangkit listrik tenaga batubara untuk mencegah emisi timbal.^[239] Pada 1992, Kongres Amerika Serikat memerintahkan Environmental Protection Agency mengurangi kadar timbal darah pada anak-anak Amerika Serikat.^[249] Uni Eropa mengeluarkan Direktif RoHS yang membatasi penggunaan timbal.^[250]

Di Amerika Serikat, peraturan yang berlaku pada 2012 membatasi konsentasi timbal di tempat kerja menjadi maksimal 50 μg/m³ selama 8 jam kerja, dan kadar timbal darah dibatasi maksimal 5 μg per 100 g.^[251] Timbal dalam kadar berbahaya masih ditemukan pada tembikar,^[252] vinil,^[253] dan kuningan tertentu.^[j][254] Banyak negara maju telah melarang penjualan cat timbal putih (lihat Konvensi Cat Timbal Putih 1921), tetapi masih dipakai untuk pigmen kuning yang berbahan timbal kromat.^[144] Membersihkan cat timbal pada bangunan lama dapat melepaskan debu timbal yang mudah terhirup.^[255] Beberapa negara mewajibkan penghilangan timbal di bangunan-bangunan yang ditinggali anak-anak.^[256]

Tiongkok, salah satu produsen cat terbesar dunia,^[257] membatasi kadar timbal pada cat interior bangunan, cat dekoratif, maupun cat mainan anak-anak.^[258] Batas maksimalnya adalah 90 ppm (bagian per sejuta) jika diekstraksi dengan reaksi asam standar, sebanding dengan kira-kira 600 ppm kadar timbal total.^[259] Namun, penelitian yang dilakukan lembaga antipencemaran IPEN serta Insight Explorer di akhir 2014 menunjukkan bahwa sekitar setengah dari sampel yang diteliti melebihi batas ini.^[257] Bahkan, 34% dari sampel memiliki kadar timbal total yang dianggap "sangat berbahaya", yaitu di atas 10.000 ppm.^[257]

Ilmuwan juga meneliti cara menghilangkan timbal secara biologi. Jamur Aspergillus versicolor mampu menyerap ion timbal yang terlarut dalam air limbah industri.^[260][261] Penelitian dilakukan terhadap berbagai bakteri yang diduga dapat membersihkan timbal dari lingkungan, di antaranya Desulfovibrio dan Desulfotomaculum; keduanya bersifat reduktor sulfat dan efektif dalam air.^[262] Tulang ikan juga saat ini diteliti sifat bioremediasinya pada timbal yang terkandung di tanah.^[260][263]