Тяжелые металлы

Тяжелые металлы обычно определяются как металлы с относительно высокой плотностью , атомной массой или атомным номером . Используемые критерии и то , включены ли металлоиды , варьируются в зависимости от автора и контекста. ^[2] В металлургии , например, тяжелый металл может быть определен на основе плотности, тогда как в физике отличительным критерием может быть атомный номер, в то время как химик, вероятно, будет больше интересоваться химическим поведением . Были опубликованы более конкретные определения, но ни одно из них не получило широкого признания. Определения, рассматриваемые в этой статье, охватывают до 96 из 118 известныххимические элементы ; Всем им встречаются только ртуть , свинец и висмут . Несмотря на это несогласованность, термин (множественное или единственное число) широко используется в науке. Плотность более 5 г / см ³ иногда указывается как обычно используемый критерий и используется в основной части этой статьи.

Самые ранние известные металлы - обычные металлы, такие как железо , медь и олово , и драгоценные металлы, такие как серебро , золото и платина, - являются тяжелыми металлами. С 1809 года были открыты легкие металлы , такие как магний , алюминий и титан , а также менее известные тяжелые металлы, включая галлий , таллий и гафний .

Некоторые тяжелые металлы либо являются незаменимыми питательными веществами (обычно железо, кобальт и цинк ), либо относительно безвредны (например, рутений , серебро и индий ), но могут быть токсичными в больших количествах или в определенных формах. Другие тяжелые металлы, такие как кадмий , ртуть и свинец, очень ядовиты. Потенциальные источники отравления тяжелыми металлами включают горнодобывающую промышленность , хвосты , промышленные отходы , сельскохозяйственные стоки , профессиональное облучение , краски и обработанную древесину .

К физическим и химическим характеристикам тяжелых металлов следует подходить с осторожностью, поскольку соответствующие металлы не всегда определяются последовательно. Помимо того, что тяжелые металлы относительно плотны, они, как правило, менее химически активны, чем более легкие металлы, и содержат гораздо меньше растворимых сульфидов и гидроксидов . Хотя относительно легко отличить тяжелый металл, такой как вольфрам, от более легкого металла, такого как натрий , некоторые тяжелые металлы, такие как цинк, ртуть и свинец, обладают некоторыми характеристиками более легких металлов, а более легкие металлы, такие как бериллий , скандий и титан обладают некоторыми характеристиками более тяжелых металлов.

Тяжелых металлов относительно мало в земной коре, но они присутствуют во многих аспектах современной жизни. Они используются, например, в клюшках для гольфа , автомобилях , антисептических средствах , самоочищающихся печах , пластмассах , солнечных батареях , мобильных телефонах и ускорителях частиц .

Определения [ править ]

Тепловая карта тяжелых металлов в периодической таблице
	1	2		3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
1	ЧАС																		Он
2	Ли	Быть												B	C	N	О	F	Ne
3	Na	Mg												Al	Si	п	S	Cl	Ar
4	K	Ca		Sc	Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn	Ga	Ge	В виде	Se	Br	Kr
5	Руб.	Sr		Y	Zr	Nb	Пн	Tc	RU	Rh	Pd	Ag	CD	В	Sn	Sb	Te	я	Xe
6	CS	Ба		Лу	Hf	Та	W	Re	Операционные системы	Ir	Pt	Au	Hg	Tl	Pb	Би	По	В	Rn
7	Пт	Ра		Lr	Rf	Db	Sg	Bh	Hs	Mt	Ds	Rg	Cn	Nh	Fl	Mc	Ур.	Ц	Og
				Ла	Ce	Pr	Nd	Вечера	См	Евросоюз	Б-г	Tb	Dy	Хо	Э	Тм	Yb
				Ac	Чт	Па	U	Np	Пу	Являюсь	См	Bk	Cf	Es	FM	Мкр	Нет
	Количество удовлетворяемых критериев: Количество элементов:    10 3    9 5    8 14    6–7 56    4–5 14    1–3 4    0 3    неметаллы 19
В этой таблице показано количество критериев тяжелых металлов, которым соответствует каждый металл, из десяти критериев, перечисленных в этом разделе, т.е. два по плотности , три по атомному весу , два по атомному номеру и три по химическому поведению. [n 1] Это иллюстрирует отсутствие согласия в отношении концепции, за возможным исключением ртути , свинца и висмута . Шесть элементов в конце периодов (строк) с 4 по 7, которые иногда считаются металлоидами, рассматриваются здесь как металлы: это германий (Ge), мышьяк (As), селен (Se), сурьма (Sb), теллур (Te) и астатин (Ат). [16] [n 2] Оганессон (Ог) считается неметаллом. Металлы, обведенные пунктирной линией, имеют (или, согласно прогнозам, для At и Fm – Ts) плотность более 5 г / см 3 .

Не существует общепринятого критериального определения хэви-метала. Термин может иметь разные значения в зависимости от контекста. В металлургии , например, тяжелый металл , может быть определен на основе плотности , ^[17] , тогда как в физике отличительный критерий может быть атомный номер , ^[18] и химик или биолог , вероятно , будет больше озабочен химическим поведением. ^[10]

Критерии плотности варьируются от более 3,5 г / см ³ до более 7 г / см ³ . ^[3] Определения атомной массы могут быть в диапазоне от больше, чем у натрия (атомная масса 22,98); ^[3] более 40 (исключая металлы s- и f-блока , следовательно, начиная со скандия ); ^[4] или более 200, т. Е. Начиная с ртути . ^[5] Атомные номера тяжелых металлов обычно превышают 20 ( кальций ); ^[3] иногда он ограничивается 92 ( уран ). ^[6]Определения, основанные на атомном номере, подвергались критике за включение металлов с низкой плотностью. Так , например, рубидий в группе (колонка) 1 из периодической таблицы имеет атомный номер 37 , но плотность только 1,532 г / см ³ , что ниже порогового рисунка , используемый другими авторы. ^[19] Та же проблема может возникнуть с определениями, основанными на атомном весе. ^[20]

Штаты Фармакопея США включает в себя испытание для тяжелых металлов , который включает осаждающие металлические примеси , как их цветных сульфиды «. ^{[7] [п 3]} В 1997 годе , Стивен Хоукс, профессор химии письмо в контексте опыта пятидесяти лет с термином, сказал, что это применимо к «металлам с нерастворимыми сульфидами и гидроксидами , соли которых образуют окрашенные растворы в воде и чьи комплексы обычно окрашены». На основе металлов, которые он видел, называемых тяжелыми металлами, он предположил, что было бы полезно дать им определение а (в целом) всех металлов в периодических столбцах таблицы 3 до 16 , которые находятся в строке 4или выше, другими словами, переходные металлы и постпереходные металлы . ^{[10] [п 4]} В лантаноидах удовлетворяют описание трех частей Hawkes; статус актинидов окончательно не выяснен. ^{[n 5] [n 6]}

В биохимии тяжелые металлы иногда определяют - на основе кислотного поведения их ионов Льюиса (акцептор электронных пар) в водном растворе - как класс B и пограничные металлы. ^[41] В этой схеме ионы металлов класса A предпочитают доноры кислорода ; ионы класса B предпочитают доноры азота или серы ; и пограничные или амбивалентные ионы демонстрируют характеристики класса A или B, в зависимости от обстоятельств. ^{[n 7]} Металлы класса A, которые имеют тенденцию к низкой электроотрицательности и образуют связи с большим ионным характером , - это щелочные и щелочноземельные металлы ,алюминий , металлы группы 3 , а также лантаноиды и актиниды. ^{[n 8]} Металлы класса B, которые, как правило, имеют более высокую электроотрицательность и образуют связи со значительным ковалентным характером, в основном являются более тяжелыми переходными и постпереходными металлами. Пограничные металлы в основном включают более легкие переходные и постпереходные металлы (плюс мышьяк и сурьму ). Различие между металлами класса А и двумя другими категориями резкое. ^[45] Часто цитируемое предложение ^{[n 9]} об использовании этих классификационных категорий вместо более вызывающего воспоминания ^[11] названия хэви-метал не получило широкого распространения.^[47]

Список тяжелых металлов по плотности [ править ]

Плотность более 5 г / см ³ иногда упоминается как общий определяющий фактор для тяжелых металлов ^[48] и, в отсутствие единодушного определения, используется для заполнения этого списка и (если не указано иное) для определения оставшейся части статья. Металлоиды , отвечающие применимые критерии-мышьяк и сурьму, например, иногда подсчитывают как тяжелые металлы, в частности , в области химии окружающей среды , ^[49] , как в случае здесь. Селен (плотность 4,8 г / см ³ ) ^[50] также включен в список. Он незначительно не соответствует критерию плотности и менее известен как металлоид ^[16].но имеет химический состав на водной основе, в некоторых отношениях сходный с мышьяком и сурьмой. ^[51] Другие металлы, которые иногда классифицируются или рассматриваются как «тяжелые», такие как бериллий ^[52] (плотность 1,8 г / см ³ ), ^[53] алюминий ^[52] (2,7 г / см ³ ), ^[54] кальций ^{[ 55]} (1,55 г / см ³ ), ^[56] и барий ^[55] (3,6 г / см ³ ) ^[57] здесь рассматриваются как легкие металлы и, как правило, в дальнейшем не рассматриваются.

Происхождение и использование термина [ править ]

Тяжелость встречающихся в природе металлов, таких как золото , медь и железо, возможно, была замечена еще в предыстории и, в свете их пластичности , привела к первым попыткам изготовления металлических украшений, инструментов и оружия. ^[64] Все металлы, открытые с тех пор до 1809 года, имели относительно высокую плотность; их тяжесть считалась исключительно отличительным критерием. ^[65]

С 1809 года были выделены легкие металлы, такие как натрий, калий и стронций . Их низкая плотность бросила вызов общепринятому мнению, и было предложено называть их металлоидами (что означает «напоминающие металлы по форме или внешнему виду»). ^[66] Это предложение было проигнорировано; новые элементы стали называться металлами, а затем термин «металлоид» использовался для обозначения неметаллических элементов, а затем элементов, которые было трудно описать как металлы или неметаллы. ^[67]

Термин «тяжелый металл» впервые был использован в 1817 году, когда немецкий химик Леопольд Гмелин разделил элементы на неметаллы, легкие металлы и тяжелые металлы. ^[68] Легкие металлы имели плотность 0,860–5,0 г / см ³ ; тяжелые металлы 5.308–22.000. ^{[69] [n 10]} Этот термин позже стал ассоциироваться с элементами с высоким атомным весом или высоким атомным номером. ^[19] Иногда его используют как синонимы с термином « тяжелый элемент» . Например, обсуждая историю ядерной химии , Маги ^[70] отмечает, что когда-то считалось, что актиниды представляют новую переходную группу тяжелых элементов, тогда как Сиборги коллеги «одобрили ... серию тяжелых металлов и редкоземельных элементов ...». Однако в астрономии тяжелый элемент - это любой элемент тяжелее водорода и гелия . ^[71]

Критика [ править ]

В 2002 году шотландский токсиколог Джон Даффус проанализировал определения, использованные за предыдущие 60 лет, и пришел к выводу, что они настолько разнообразны, что фактически лишают этот термин смысла. ^[72] Наряду с этим открытием, статус тяжелых металлов для некоторых металлов иногда ставится под сомнение на том основании, что они слишком легкие, или участвуют в биологических процессах, или редко представляют опасность для окружающей среды. Примеры включают скандий (слишком легкий); ^{[19] [73]} ванадий в цинк (биологические процессы); ^[74] и родий , индий и осмий (слишком редко). ^[75]

Популярность [ править ]

Несмотря на сомнительное значение, термин « тяжелый металл» регулярно появляется в научной литературе. Исследование 2010 года показало, что он все чаще используется и, похоже, стал частью языка науки. ^[76] Считается, что это приемлемый термин, учитывая его удобство и известность, если он сопровождается строгим определением. ^[41] Аналог тяжелых металлов, легких металлов , упоминается Обществом минералов, металлов и материалов как «алюминий, магний , бериллий , титан, литий и другие химически активные металлы». ^[77]Названные металлы имеют плотность от 0,534 до 4,54 г / см ³ .

Биологическая роль [ править ]

Для определенных биологических процессов требуются следовые количества некоторых тяжелых металлов, в основном в период 4. Это железо и медь ( перенос кислорода и электронов ); кобальт ( сложные синтезы и клеточный метаболизм ); цинк ( гидроксилирование ); ^[83] ванадий и марганец ( регуляция или функционирование ферментов ); хром ( утилизация глюкозы ); никель ( рост клеток ); мышьяк (метаболический рост у некоторых животных и, возможно, у людей) иселен ( функционирование антиоксидантов и выработка гормонов ). ^[84] Периоды 5 и 6 содержат меньше основных тяжелых металлов, что согласуется с общей закономерностью, согласно которой более тяжелые элементы, как правило, менее распространены, а более дефицитные элементы с меньшей вероятностью являются необходимыми с точки зрения питания. ^[85] В период 5 , молибден необходим для катализа в окислительно - восстановительных реакциях; кадмий используется некоторыми морскими диатомовыми водорослями с той же целью; и олово может потребоваться для роста некоторых видов. ^[86] В период 6 г.Вольфрам необходим некоторым архейам и бактериям для метаболических процессов . ^[87] Дефицит любого из этих 4–6 основных тяжелых металлов может повысить восприимчивость к отравлению тяжелыми металлами ^[88] (наоборот, избыток также может иметь неблагоприятные биологические эффекты ). В среднем 70 кг человеческого тела содержит около 0,01% тяжелых металлов (~ 7 г, что эквивалентно весу двух сушеных горохов, с содержанием железа 4 г, цинка 2,5 г и свинца 0,12 г, включая три основных компонента) 2. % легких металлов (~ 1,4 кг, вес бутылки вина) и почти 98% неметаллов (в основном вода ). ^{[89] [n 15]}

Было обнаружено, что некоторые несущественные тяжелые металлы обладают биологическим действием. Галлий , германий (металлоид), индий и большинство лантаноидов могут стимулировать метаболизм, а титан способствует росту растений ^[90] (хотя он не всегда считается тяжелым металлом).

Токсичность [ править ]

Основное внимание в этом разделе уделяется более серьезным токсическим эффектам тяжелых металлов, включая рак, повреждение мозга и смерть, а не вреду, который они могут нанести одной или нескольким участкам кожи, легких, желудка, почек, печени или сердца. Для получения более конкретной информации см. Токсичность металлов , Токсичный тяжелый металл или статьи об отдельных элементах или соединениях.

Часто считается, что тяжелые металлы очень токсичны или вредны для окружающей среды. ^[91] Некоторые из них являются токсичными, в то время как некоторые другие токсичны только в том случае, если их принимают в избытке или встречаются в определенных формах.

Экологические тяжелые металлы [ править ]

Хром, мышьяк, кадмий, ртуть и свинец обладают наибольшим потенциалом причинения вреда из-за их широкого использования, токсичности некоторых из их комбинированных или элементарных форм и их широкого распространения в окружающей среде. ^[92] Шестивалентный хром , например, очень токсичен, как и пары ртути и многие соединения ртути. ^[93] Эти пять элементов имеют сильное сродство к сере; в организме человека они обычно связываются через тиоловые группы (–SH) с ферментами, отвечающими за контроль скорости метаболических реакций. Образовавшиеся связи сера-металл препятствуют правильному функционированию задействованных ферментов; здоровье человека ухудшается, иногда со смертельным исходом. ^[94]Хром (в его шестивалентной форме) и мышьяк являются канцерогенами ; кадмий вызывает дегенеративное заболевание костей ; а ртуть и свинец повреждают центральную нервную систему .

• Кристаллы хрома
  и куб 1 см ³
• Мышьяк , запечатанный в
  контейнере, чтобы предотвратить потускнение
• Кадмиевый брусок
  и куб 1 см ³
• Ртуть будучи
  налили в чашку Петри
• Окисленные свинцовые
  узелки и куб 1 см ³

Свинец является наиболее распространенным загрязнителем тяжелых металлов. ^[95] Уровни в водной среде индустриальных обществ, по оценкам, в два-три раза выше, чем доиндустриальные уровни. ^[96] В качестве компонента тетраэтилсвинца , (CH
₃CH
₂)
₄Pb , он широко использовался в бензине в 1930–1970-х годах. ^[97] Хотя использование этилированного бензина в Северной Америке было в значительной степени прекращено к 1996 году, в почвах рядом с дорогами, построенными до этого времени, сохраняется высокая концентрация свинца. ^[98] Более поздние исследования продемонстрировали статистически значимую корреляцию между уровнем использования этилированного бензина и насильственными преступлениями в Соединенных Штатах; с учетом 22-летнего лага (для среднего возраста жестоких преступников) кривая насильственных преступлений практически повторяет кривую воздействия свинца. ^[99]

Другие тяжелые металлы, известные своей потенциально опасной природой, обычно как токсичные загрязнители окружающей среды, включают марганец (поражение центральной нервной системы); ^[100] кобальт и никель (канцерогены); ^[101] медь, ^[102] цинк, ^[103] селен ^[104] и серебро ^[105] ( эндокринные нарушения, врожденные нарушения или общие токсические эффекты у рыб, растений, птиц или других водных организмов); олово, как оловоорганическое (поражение центральной нервной системы); ^[106] сурьма (предположительно канцероген); ^[107] и таллий(поражение центральной нервной системы). ^{[102] [n 16] [n 17]}

Важные в питании тяжелые металлы [ править ]

Тяжелые металлы, необходимые для жизни, могут быть токсичными, если их принимать в избытке; некоторые имеют особенно токсичные формы. Пятиокись ванадия (V ₂ O ₅ ) канцерогена для животных и при вдыхании вызывает повреждение ДНК . ^[102] Пурпурный перманганат- ион MnO^-
₄это яд печени и почек . ^[111] Употребление более 0,5 грамма железа может вызвать сердечную недостаточность; такие передозировки чаще всего возникают у детей и могут привести к смерти в течение 24 часов. ^[102] Карбонил никеля (Ni (CO) ₄ ) в количестве 30 частей на миллион может вызвать дыхательную недостаточность, повреждение мозга и смерть. ^[102] Употребление грамма или более сульфата меди (CuSO ₄ ) может быть фатальным; выжившие могут остаться с серьезным повреждением органов. ^[112] Более пяти миллиграммов селена очень токсичны; это примерно в десять раз больше рекомендуемой максимальной суточной дозы в 0,45 миллиграмма; ^[113]длительное отравление может иметь паралитические эффекты. ^{[102] [n 18]}

Другие тяжелые металлы [ править ]

Некоторые другие несущественные тяжелые металлы имеют одну или несколько токсичных форм. Почечная недостаточность и летальные исходы были зарегистрированы в результате приема диетических добавок германия (всего от 15 до 300 г, потребляемых в течение периода от двух месяцев до трех лет). ^[102] Воздействие четырехокиси осмия (OsO ₄ ) может вызвать необратимое повреждение глаз и может привести к дыхательной недостаточности ^[115] и смерти. ^[116] Соли индия токсичны при проглатывании более нескольких миллиграммов и влияют на почки, печень и сердце. ^[117] Цисплатин (PtCl ₂ (NH ₃ ) ₂ ), который является важным лекарством, используемым для уничтожения раковых клеток., также является ядом почек и нервов. ^{[102] При} приеме в избытке соединения висмута могут вызвать повреждение печени; нерастворимые соединения урана, а также опасное излучение, которое они излучают, могут вызвать необратимое повреждение почек. ^[118]

Источники воздействия [ править ]

Тяжелые металлы могут ухудшать качество воздуха, воды и почвы и впоследствии вызывать проблемы со здоровьем у растений, животных и людей, когда они становятся концентрированными в результате промышленной деятельности. ^[119] Общие источники тяжелых металлов в этом контексте включают горнодобывающие и промышленные отходы; выбросы транспортных средств; свинцово-кислотные батареи ; удобрения; краски ; и обработанная древесина ; ^[120] старение инфраструктуры водоснабжения ; ^[121] и микропластик, плавающий в Мировом океане. ^[122] Недавние примеры загрязнения тяжелыми металлами и риска для здоровья включают возникновение болезни Минамата.в Японии (1932–1968; судебные процессы продолжаются с 2016 года); ^[123] Bento Rodrigues дамба бедствие в Бразилии, ^[124] и высокие уровни содержания свинца в питьевой воды , подаваемой жителям Флинт , штат Мичиган, на северо-востоке Соединенных Штатов. ^[125]

Формирование, численность, возникновение и извлечение [ править ]

Тяжелые металлы в земной коре:
численность и основное проявление или источник [n 19]
	1	2		3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
1	ЧАС																		Он
2	Ли	Быть												B	C	N	О	F	Ne
3	Na	Mg												Al	Si	п	S	Cl	Ar
4	K	Ca		Sc	Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn	Ga	Ge	В виде	Se	Br	Kr
5	Руб.	Sr		Y	Zr	Nb	Пн		RU	Rh	Pd	Ag	CD	В	Sn	Sb	Te	я	Xe
6	CS	Ба		Лу	Hf	Та	W	Re	Операционные системы	Ir	Pt	Au	Hg	Tl	Pb	Би
7		Ра
				Ла	Ce	Pr	Nd		См	Евросоюз	Б-г	Tb	Dy	Хо	Э	Тм	Yb
					Чт	Па	U
	Наиболее обильные (56 300 частей на миллион по весу)										Редко (0,01–0,99 частей на миллион)
	Обильный (100–999 частей на миллион)										Очень редко (0,0001–0,0099 частей на миллион)
	Нечасто (1–99 частей на миллион)										Наименее многочисленны (~0,000 001 частей на миллион)
Тяжелые металлы, оставшиеся от разделительной линии, встречаются (или поступают) в основном в виде литофилов ; те, что справа, как халькофилы, за исключением золота ( сидерофил ) и олова (литофил).

Тяжелые металлы вплоть до железа (в периодической таблице) в основном производятся посредством звездного нуклеосинтеза . В этом процессе более легкие элементы от водорода до кремния претерпевают последовательные реакции синтеза внутри звезд, выделяя свет и тепло и образуя более тяжелые элементы с более высокими атомными номерами. ^[129]

Более тяжелые тяжелые металлы обычно не образуются таким образом, поскольку реакции синтеза с участием таких ядер будут потреблять, а не выделять энергию. ^[130] Скорее, они в значительной степени синтезируются (из элементов с более низким атомным номером) путем захвата нейтронов , причем двумя основными режимами этого повторяющегося захвата являются s-процесс и r-процесс . В S-процесса ( «S» означает «медленно»), особые захваты отделены друг от друга годами или десятилетиями, позволяя менее стабильные ядра до бета - распада , ^[131]в то время как в r-процессе («быстром») захваты происходят быстрее, чем ядра могут распадаться. Следовательно, s-процесс идет более или менее ясным путем: например, стабильные ядра кадмия-110 последовательно бомбардируются свободными нейтронами внутри звезды до тех пор, пока они не образуют ядра кадмия-115, которые являются нестабильными и распадаются с образованием индия-115 (который почти стабильный, с периодом полураспада30 000 раз старше Вселенной). Эти ядра захватывают нейтроны и образуют нестабильный индий-116, который распадается с образованием олова-116 и так далее. ^{[129] [132] [n 20]} Напротив, в r-процессе такого пути нет. S-процесс останавливается на висмуте из-за коротких периодов полураспада следующих двух элементов, полония и астатина, которые распадаются на висмут или свинец. R-процесс настолько быстр, что может пропустить эту зону нестабильности и перейти к созданию более тяжелых элементов, таких как торий и уран. ^[134]

Тяжелые металлы конденсируются на планетах в результате звездной эволюции и процессов разрушения. Звезды теряют большую часть своей массы, когда она выбрасывается в конце своей жизни, а иногда и после этого в результате слияния нейтронных звезд ^{[135] [n 21],} тем самым увеличивая содержание элементов тяжелее гелия в межзвездной среде . Когда гравитационное притяжение заставляет эту материю объединяться и коллапсировать, образуются новые звезды и планеты . ^[137]

Земная кора состоит примерно из 5% тяжелых металлов по весу, из которых 95% составляет железо. Остальные 95% корки составляют легкие металлы (~ 20%) и неметаллы (~ 75%). ^[126] Несмотря на их общий дефицит, тяжелые металлы могут концентрироваться в экономически извлекаемых количествах в результате горообразования , эрозии или других геологических процессов . ^[138]

Тяжелые металлы в основном встречаются в виде литофилов (любящие породу) или халькофилы (любящие руду). Литофильные тяжелые металлы - это в основном элементы f-блока и более реактивные из элементов d-блока . Они имеют сильное сродство к кислороду и в основном существуют в виде силикатных минералов с относительно низкой плотностью . ^[139] Халькофильные тяжелые металлы - это в основном менее реакционноспособные элементы d-блока, а также металлы и металлоиды периода 4-6 p-блока . Обычно они находятся в (нерастворимых) сульфидных минералах . Будучи более плотными, чем литофилы и, следовательно, погружаясь ниже в кору во время ее затвердевания, халькофилы, как правило, менее многочисленны, чем литофилы. ^[140]

С другой стороны, золото - сидерофил или элемент, любящий железо. Он не образует легко соединений ни с кислородом, ни с серой. ^[141] Во время формирования Земли , как наиболее благородный (инертный) из металлов, золото погружалось в ядро из-за его тенденции к образованию металлических сплавов с высокой плотностью. Следовательно, это относительно редкий металл. ^[142] Некоторые другие (менее) благородные тяжелые металлы - молибден, рений , металлы платиновой группы ( рутений , родий, палладий , осмий, иридий)., и платина), германий и олово - могут считаться сидерофилами, но только с точки зрения их первичного присутствия в Земле (ядро, мантия и кора), а не в коре. В остальном эти металлы встречаются в коре в небольших количествах, главным образом в виде халькофилов (в меньшей степени в их естественной форме ). ^{[143] [n 22]}

Концентрации тяжелых металлов под коркой, как правило, выше, причем большинство из них находится в основном в железо-кремний-никелевом ядре. Платина , например, составляет приблизительно 1 часть на миллиард корки, тогда как ее концентрация в ядре считается почти в 6000 раз выше. ^{[144] [145]} Недавние предположения предполагают, что уран (и торий) в ядре может генерировать значительное количество тепла, которое движет тектоникой плит и (в конечном итоге) поддерживает магнитное поле Земли . ^{[146] [n 23]}

Извлечение тяжелых металлов из их руд является сложной функцией типа руды, химических свойств металлов и экономики различных методов добычи. В разных странах и на нефтеперерабатывающих заводах могут использоваться разные процессы, в том числе те, которые отличаются от кратких описаний, перечисленных здесь.

Вообще говоря, за некоторыми исключениями, литофильные тяжелые металлы могут быть извлечены из их руд с помощью электрической или химической обработки , в то время как халькофильные тяжелые металлы получают путем обжига их сульфидных руд для получения соответствующих оксидов, а затем их нагревания для получения сырых металлов. ^{[148] [n 24]} Радий встречается в количествах, слишком малых для того, чтобы его можно было экономично добывать, и вместо этого он получается из отработавшего ядерного топлива . ^[151] Халькофильные металлы платиновой группы (МПГ) в основном встречаются в небольших (смешанных) количествах с другими халькофильными рудами. Руды , вовлеченные необходимость быть выплавлено , обжаренные, а затем выщелачивают ссерная кислота для получения остатка МПГ. Это химически очищается, чтобы получить отдельные металлы в их чистых формах. ^[152] По сравнению с другими металлами, МПГ дороги из-за их дефицита ^[153] и высокой стоимости производства. ^[154]

Золото, сидерофил, обычно извлекается путем растворения руды, в которой оно обнаружено, в растворе цианида . ^[155] Золото образует дицианоаурат (I), например: 2 Au + H 2 O + ½ O ₂ + 4 KCN → 2 K [Au (CN) ₂ ] + 2 KOH . В смесь добавляется цинк, который, будучи более активным, чем золото, вытесняет золото: 2 K [Au (CN) ₂ ] + Zn → K ₂ [Zn (CN) ₄ ] + 2 Au. Золото выпадает в осадок из раствора в виде шлама, отфильтровывается и плавится. ^[156]

Свойства по сравнению с легкими металлами [ править ]

Некоторые общие физико-химические свойства легких и тяжелых металлов сведены в таблицу. К сравнению следует относиться с осторожностью, поскольку термины «легкий металл» и «тяжелый металл» не всегда имеют однозначное определение. Также физические свойства твердости и прочности на разрыв могут широко варьироваться в зависимости от чистоты, размера зерна и предварительной обработки. ^[157]

Эти свойства позволяют относительно легко отличить легкий металл, такой как натрий, от тяжелого металла, такого как вольфрам, но различия становятся менее четкими на границах. Легкие структурные металлы, такие как бериллий, скандий и титан, обладают некоторыми характеристиками тяжелых металлов, например более высокими температурами плавления; ^{[n 27]} Постпереходные тяжелые металлы, такие как цинк, кадмий и свинец, обладают некоторыми характеристиками легких металлов, такими как относительно мягкость, более низкая температура плавления ^{[n 28]} и образование в основном бесцветных комплексов. ^{[21] [23] [24]}

Использует [ редактировать ]

Тяжелые металлы присутствуют практически во всех аспектах современной жизни. Железо может быть наиболее распространенным, поскольку на него приходится 90% всех очищенных металлов. Платина может быть наиболее распространенной, поскольку считается, что она содержится в 20% всех потребительских товаров или используется для ее производства. ^[181]

Некоторые общие применения тяжелых металлов зависят от общих характеристик металлов, таких как электропроводность и отражательная способность, или общих характеристик тяжелых металлов, таких как плотность, прочность и долговечность. Другие варианты использования зависят от характеристик конкретного элемента, например, от их биологической роли в качестве питательных веществ или ядов или от некоторых других конкретных атомных свойств. Примеры таких атомных свойств включают: частично заполненные d- или f-орбитали (во многих переходных, лантаноидных и актинидных тяжелых металлах), которые делают возможным образование окрашенных соединений; ^[182] емкость большинства ионов тяжелых металлов (таких как платина, ^[183] церий ^[184] или висмут^[185] ), чтобы существовать в различных степенях окисления и, следовательно, действовать как катализаторы; ^[186] плохо перекрывающиеся 3d или 4f орбитали (в железе, кобальте и никеле или в тяжелых металлах лантаноидов от европия до тулия ), которые вызывают магнитные эффекты; ^[187], а также высокие атомные номера и электронные плотности , лежащие в основе их приложений в ядерной науке. ^[188] Типичные виды использования тяжелых металлов можно в общих чертах разделить на следующие шесть категорий. ^{[189] [n 29]}

На основе веса или плотности [ править ]

Некоторые виды использования тяжелых металлов, в том числе в спорте, машиностроении , военных боеприпасах и ядерной науке , основаны на их относительно высокой плотности. В подводном плавании свинец используется в качестве балласта ; ^[191] В скачках с гандикапом каждая лошадь должна нести определенный вес, основанный на факторах, включая прошлые выступления, чтобы уравнять шансы различных участников. ^[192] В гольфах , вставки из вольфрама, латуни или меди в клюшках и утюги на фервее.понизить центр тяжести клюшки, чтобы мяч легче поднялся в воздух; ^[193], а мячи для гольфа с вольфрамовым сердечником обладают лучшими летными характеристиками. ^[194] При ловле рыбы нахлыстом тонущие лески имеют покрытие из ПВХ, заделанное вольфрамовым порошком, так что они тонут с необходимой скоростью. ^[195] В легкоатлетическом спорте, стальные шары , используемые в метании молота и толкание события заполнены свинцом, чтобы достичь минимального веса требуется в соответствии с международными правилами. ^[196]Вольфрам использовался в шарах для метания молотов по крайней мере до 1980 г .; минимальный размер шара был увеличен в 1981 году, чтобы устранить необходимость в том, что в то время было дорогим металлом (в три раза дороже других молотов), доступным не во всех странах. ^[197] Вольфрамовые молоты были настолько плотными, что слишком глубоко проникали в дерн. ^[198]

В машиностроении тяжелые металлы используются для балласта лодок, ^[199] самолетов ^[200] и автомобилей; ^[201] или в балансовых весов на колесах и коленчатых валов , ^[202] гироскопы и гребных винтов , ^[203] и центробежные муфты , ^[204] в ситуациях , требующих максимального веса в минимальном пространстве (например , в часовых механизмов ). ^[200]

В военной боеприпасов, вольфрам или уран используется в броне ^[205] и бронебойных снарядов , ^[206] , а также в ядерном оружии для повышения эффективности (путем отражения нейтронов и на мгновение задерживать расширение реагирующих материалов). ^[207] В 1970-х годах было обнаружено , что тантал более эффективен, чем медь, в кумулятивном заряде и противобронетном оружии, образованном взрывчаткой, из-за его более высокой плотности, позволяющей большую концентрацию силы и лучшую деформируемость. ^[208] Менее токсичные тяжелые металлытакие как медь, олово, вольфрам и висмут и, вероятно, марганец (а также бор , металлоид) заменили свинец и сурьму в зеленых пулях, используемых некоторыми армиями и в некоторых боеприпасах для развлекательной стрельбы. ^[209] Высказывались сомнения в безопасности (или экологичности ) вольфрама. ^[210]

Поскольку более плотные материалы поглощают больше радиоактивных выбросов, чем более легкие, тяжелые металлы полезны для защиты от излучения и для фокусировки пучков излучения в линейных ускорителях и радиотерапевтических установках. ^[211]

На основе прочности или долговечности [ править ]

Прочность или долговечность тяжелых металлов, таких как хром, железо, никель, медь, цинк, молибден, олово, вольфрам и свинец, а также их сплавов, делает их полезными для изготовления артефактов, таких как инструменты, оборудование ^{[214]. ]} приборы , ^[215] утварь, ^[216] трубы, ^[215] железнодорожные пути , ^[217] здания ^[218] и мосты, ^[219] автомобили, ^[215] замки, ^[220] мебель, ^[221] корабли, ^{[ 199]} самолеты, ^[222] монеты ^[223] и ювелирные изделия. ^[224]Они также используются в качестве легирующих добавок для улучшения свойств других металлов. ^{[n 31]} Из двух дюжин элементов, которые использовались в монетизированной мировой чеканке монет, только два, углерод и алюминий, не являются тяжелыми металлами. ^{[226] [n 32]} Золото, серебро и платина используются в ювелирных изделиях ^{[n 33],} как (например) никель, медь, индий и кобальт в цветном золоте . ^[229] Недорогие ювелирные изделия и детские игрушки могут быть в значительной степени изготовлены из тяжелых металлов, таких как хром, никель, кадмий или свинец. ^[230]

Медь, цинк, олово и свинец являются металлами более слабыми механически, но обладают полезными антикоррозийными свойствами. Хотя каждый из них будет реагировать с воздухом, образующаяся патина из различных солей меди, ^[231] карбоната цинка , оксида олова или смеси оксида , карбоната и сульфата свинца придает ценные защитные свойства . ^[232] Поэтому медь и свинец используются, например, в качестве кровельных материалов ; ^{[233] [n 34]} цинк действует как антикоррозионный агент в оцинкованной стали ;^[234] и олово служит аналогичной цели для стальных банок . ^[235]

Технологичность и коррозионная стойкость железа и хрома повышаются за счет добавления гадолиния ; сопротивление ползучести никеля улучшается при добавлении тория. Теллур добавляют в медь ( теллур-медь ) и стальные сплавы для улучшения их обрабатываемости; и сделать его более твердым и кислотостойким. ^[236]

Биологические и химические [ править ]

В биоцидных эффектах некоторых тяжелых металлов известны с глубокой древности. ^[238] Платина, осмий, медь, рутений и другие тяжелые металлы, в том числе мышьяк, используются в противораковых препаратах или показали потенциал. ^[239] Сурьма (антипротозойные), висмут ( противоязвенные ), золото ( противоартритные ) и железо ( противомалярийные ) также важны в медицине. ^[240] Медь, цинк, серебро, золото или ртуть используются в антисептических составах; ^[241] небольшие количества некоторых тяжелых металлов используются для контроля роста водорослей, например, в градирнях . ^[242]В зависимости от предполагаемого использования в качестве удобрений или биоцидов агрохимикаты могут содержать тяжелые металлы, такие как хром, кобальт, никель, медь, цинк, мышьяк, кадмий, ртуть или свинец. ^[243]

Выбранные тяжелые металлы используются в качестве катализаторов при переработке топлива (например, рения), производстве синтетического каучука и волокна (висмут), устройствах контроля выбросов (палладий) и в самоочищающихся печах (где оксид церия (IV) в стенках такие печи помогают окислять углеродистые остатки готовки). ^[244] В химии мыла тяжелые металлы образуют нерастворимые мыла, которые используются в консистентных смазках , сушилках для красок и фунгицидах (кроме лития, щелочные металлы и ионы аммония образуют растворимые мыла). ^[245]

Раскраска и оптика [ править ]

Цвета стекла , керамической глазури , красок , пигментов и пластмасс обычно получают путем включения тяжелых металлов (или их соединений), таких как хром, марганец, кобальт, медь, цинк, селен, цирконий , молибден, серебро, олово, празеодим , неодим , эрбий , вольфрам, иридий, золото, свинец или уран. ^[247] Краски для тату могут содержать тяжелые металлы, такие как хром, кобальт, никель и медь. ^[248] Высокая отражательная способность некоторых тяжелых металлов важна при конструкции зеркал , в том числе прецизионных.астрономические инструменты . Отражатели фар основаны на превосходной отражательной способности тонкой пленки родия. ^[249]

Электроника, магниты и освещение [ править ]

Тяжелые металлы или их соединения можно найти в электронных компонентах , электродах , проводке и солнечных панелях, где они могут использоваться как проводники, полупроводники или изоляторы. Порошок молибдена используется в чернилах для печатных плат . ^[250] Титановые аноды с покрытием из оксида рутения (IV) используются для промышленного производства хлора . ^[251] Домашние электрические системы, по большей части, имеют медную проволоку из-за ее хороших проводящих свойств. ^[252] Серебро и золото используются в электрических и электронных устройствах, особенно в контактных переключателях., в результате их высокой электропроводности и способности противостоять или минимизировать образование примесей на своей поверхности. ^[253] Полупроводники теллурид кадмия и арсенид галлия используются для производства солнечных батарей. Оксид гафния , изолятор, используется в качестве регулятора напряжения в микрочипах ; оксид тантала , другой изолятор, используется в конденсаторах в мобильных телефонах . ^[254] Тяжелые металлы использовались в батареях более 200 лет, по крайней мере, с тех пор, как Вольта изобрел гальваническую батарею из меди и серебра в 1800 году.^[255] Прометий , лантан и ртуть являются дополнительными примерами, обнаруженными, соответственно, в атомных , никель-металлогидридных батареяхибатареях кнопочных элементов. ^[256]

Магниты сделаны из тяжелых металлов, таких как марганец, железо, кобальт, никель, ниобий, висмут, празеодим, неодим, гадолиний и диспрозий . Неодимовые магниты - это самый мощный из имеющихся на рынке постоянных магнитов . Они являются ключевыми компонентами, например, дверных замков автомобилей, стартеров , топливных насосов и электрических стеклоподъемников . ^[257]

Тяжелые металлы используются в освещении , лазерах и светодиодах (светодиодах). Плоские дисплеи содержат тонкую пленку электропроводящего оксида индия и олова . В работе люминесцентного освещения используются пары ртути. Рубиновые лазеры генерируют темно-красные лучи, возбуждая атомы хрома; лантаноиды также широко используются в лазерах. Галлий, индий и мышьяк; ^[258], а медь, иридий и платина используются в светодиодах (последние три - в органических светодиодах ). ^[259]

Ядерная [ править ]

Ниши тяжелых металлов с высокими атомными номерами встречаются в диагностической визуализации , электронной микроскопии и ядерной науке. В диагностической визуализации тяжелые металлы, такие как кобальт или вольфрам, составляют анодные материалы рентгеновских трубок . ^[263] В электронной микроскопии тяжелые металлы, такие как свинец, золото, палладий, платина или уран, используются для создания проводящих покрытий и для введения электронной плотности в биологические образцы путем окрашивания , отрицательного окрашивания или вакуумного осаждения . ^[264] В ядерной науке ядра тяжелых металлов, таких как хром, железо или цинк, иногда стреляют по другим целям из тяжелых металлов, чтобы произвестисверхтяжелые элементы ; ^[265] Тяжелые металлы также используются в качестве мишеней для расщепления для производства нейтронов ^[266] или радиоизотопов, таких как астат (в последнем случае используются свинец, висмут, торий или уран). ^[267]

Заметки [ править ]

Источники [ править ]

Цитаты [ править ]

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

Определение и использование

• Али Х. и Хан Э. 2017, «Что такое тяжелые металлы? Давние споры по поводу научного использования термина« тяжелые металлы »- предложение всеобъемлющего определения», Toxicological & Environment Chemistry, стр. 1–25, doi : 10.1080 / 02772248.2017.1413652 . Предлагает определить тяжелые металлы , как «природных металлов , имеющих атомный номер (Z) больше чем 20 , и элементарной плотность Большой , чем 5 г см ^-3 ».
• Duffus JH 2002, " ' Heavy metals'-бессмысленный термин?" , Теоретической и прикладной химии , т. 74, нет. 5, стр 793-807,. DOI : 10,1351 / pac200274050793 . Включает обзор различных значений термина.
• Хоукс С.Дж. 1997, « Что такое« тяжелый металл »? », Журнал химического образования , вып. 74, нет. 11, стр. 1374, DOI : 10.1021 / ed074p1374 . Взгляд химика.
• Хюбнер Р., Астин К. Б. и Герберт Р. Дж. Х. 2010, « Хэви-метал» - время перейти от семантики к прагматике? », Журнал экологического мониторинга , т. 12, стр 1511-1514,. DOI : 10.1039 / C0EM00056F . Обнаруживает, что, несмотря на отсутствие конкретики, этот термин, по-видимому, стал частью научного языка.

Токсичность и биологическая роль

• Бэрд К. и Кэнн М. 2012, Химия окружающей среды , 5-е изд., Глава 12, «Токсичные тяжелые металлы», WH Freeman and Company , Нью-Йорк, ISBN 1-4292-7704-1 . Обсуждает использование, токсичность и распределение Hg, Pb, Cd, As и Cr. 
• Nieboer E. & Richardson DHS 1980, «Замена невнятного термина« тяжелые металлы »биологически и химически значимой классификацией ионов металлов», Environment Pollution Series B, Chemical and Physical , vol. 1, вып. 1, стр 3-26,. DOI : 10.1016 / 0143-148X (80) 90017-8 . Широко цитируемая статья, посвященная биологической роли тяжелых металлов.

Формирование

• Хадхази А. 2016, « Галактическая« золотая жила »объясняет происхождение самых тяжелых элементов в природе », Science Spotlights , 10 мая, по состоянию на 11 июля 2016 г.

Использует

• Koehler CSW 2001, " Heavy Metal Medicine ", Chemistry Chronicles , Американское химическое общество, по состоянию на 11 июля 2016 г.
• Моровиц Н. 2006, «Тяжелые металлы», Modern Marvels , сезон 12, серия 14, HistoryChannel.com
• Öhrström L. 2014, « Оксид тантала », Chemistry World , 24 сентября, по состоянию на 4 октября 2016 г. Автор объясняет, как оксид тантала (V) вытеснил мобильные телефоны размером с кирпич. Также доступен в виде подкаста .

Внешние ссылки [ править ]

• СМИ, связанные с тяжелыми металлами, на Викискладе?