Содержание
Легкие металлы – перечень, свойства и польза элементов
Группа легких металлов, как правило, включает в себя следующие: алюминий, олово, магний, титан, бериллий и литий. Кроме этого, к данной группе металлов часто также добавляют галлий, индий, таллий, висмут и кадмий.
Наиболее важными металлами данной группы с точки зрения технического применения являются алюминий, магний, титан, бериллий. Именно данные металлы служат в качестве основы сплавов. Алюминиевые сплавы являются наиболее значимой и распространенной группой, однако, не смотря на это, для специфического применения также предлагаются и материалы из титана и бериллия.
Что представляют собой
В номенклатуре IUPAC – уважаемой в мире международной организации, курирующей теорию и практику в сфере химии, термин «легкие металлы» отсутствует.
Неофициально к легким металлам относятся вещества с плотностью менее 5 граммов на кубический сантиметр.
Разные списки включают пять – десять позиций.
Самое распространенное деление – по используемости:
- На этом основании выделяют пять главных: алюминий, бериллий, магний, титан, литий.
- Их дополняет «экзотика»: галлий, индий, висмут, таллий, кадмий.
Вторая группа причисляется к редким металлам.
Редкими эти элементы названы потому, что на практике используются недавно и не так широко, как традиционные материалы.
Литий
Литий находится в первой группе периодической таблицы элементов. Он стоит под номером 3, после водорода и гелия, и обладает самой маленькой атомной массой среди всех металлов. Простое вещество – литий, при нормальных условиях имеет серебристо-белый цвет.
Это самый лёгкий щелочной металл с плотностью 0,534 г/см³. Из-за этого он всплывает не только в воде, но и в керосине. Для его хранения обычно используют парафин, газолин, минеральные масла или петролейный эфир. Литий очень мягкий и пластичный, легко режется ножом. Чтобы расплавить этот металл, его нужно нагреть до температуры 180,54 °C. Закипит он только при 1340 °C.
В природе существует только два стабильных изотопа металла: Литий-6 и Литий-7. Кроме них, есть 7 искусственных изотопа и 2 ядерных изомера. Литий является промежуточным продуктом в реакции превращения водорода в гелий, участвуя, таким образом, в процессе образования звёздной энергии.
Классификация
Каждый представитель «легкой» группы относится еще к какому-нибудь сообществу.
Основанием становится не плотность, а другие физико-химические характеристики:
- Щелочные элементы – литий.
- Щелочноземельные – бериллий, магний.
- Цветные металлы – алюминий, титан, магний.
- Легкоплавкие – висмут, галлий, кадмий, таллий, индий.
- Тугоплавкие – титан, магний.
Каждый химический элемент наделен специфическими свойствами, присущими своей группе.
Сплавы лития
Свойства лития повышают отдельные качества металлов, из-за чего его часто используют в сплавах. Полезной является его реакция с окислами, водородом, сульфидами. При нагревании он образует с ними нерастворимые соединения, которые легко извлечь из расплавленных металлов, очистив их от этих веществ.
Для придания сплаву стойкости к коррозии и пластичности его смешивают с магнием и алюминием. Медь в сплаве с ним становится более плотной и менее пористой, лучше проводит электричество. Самый легкий металл повышает твёрдость и пластичность свинца. При этом он повышает температуру плавления многих веществ.
Благодаря литию металл становится прочным и устойчивым к разрушениям. При этом он не утяжеляет их. Именно поэтому сплавы на его основе применяются в космической инженерии и авиации. Главным образом используются смеси с кадмием, медью, скандием и магнием.
Как представлены в природе
На легкий металлический сегмент приходится пятая часть литосферы (по массе).
Чаще они входят в состав руды либо минерала. Особенно химически сверхактивные элементы, например, литий. Этот самый легкий металл в природе представлен собственными минералами – лепидолитовой слюдой и сподуменом.
Сподумен
Особенности сдачи легких сплавов
В настоящее время физические и юридические лица имеют возможность получить прибыль от сдачи цветмета в специализированные пункты приема. Стоимость лома определяется рядом факторов, среди которых качество материала, чистота его химического состава, категория и прочие параметры. Также имеют значение актуальные расценки на рынке, тарифы конкретной принимающей компании.
Формальная сторона вопроса сдачи любого лома, в том числе легких цветных металлов, имеет свою специфику. Право на такое мероприятие есть у каждого, но реализуется оно по-разному. Например, если сдача цветмета производится юридическим лицом – организацией, предприятием или представителем малого бизнеса (ИП), – то потребуется специальная лицензия. На физических лиц данное требование не распространяется, однако следует учитывать несколько правил:
- к приемке допускается только собственный лом (при наличии документов, подтверждающих право на владение);
- подлежащий сдаче цветмет должен входить в реестр материалов, принимаемых без лицензии;
- сдача лома нелегальным пунктам приема может иметь весьма неприятные последствия в соответствии с действующим законодательством.
Помимо сугубо меркантильного интереса сдача цветных металлов привлекательна с точки зрения экологии, сохранения запасов природных ресурсов. Переработанный лом снова идет на изготовление необходимой продукции, причем производство из вторсырья оказывается дешевле, чем при использовании руды. С учетом того, что потребность промышленности в ломе неуклонно растет, тогда как природные запасы сырья стремительно сокращаются, замкнутый производственный цикл является наиболее рациональным. Таким образом, каждый, кто сдает сдает лом цветмета, не только повышает собственное благосостояние, но и действует во благо общества в целом.
Способы получения
Технологию выплавки легких металлов отработали к середине 19 века.
Для их получения в металлургии используется три способа:
- Электролиз расплава солей. То есть аккумуляция на электродах компонентов растворенных либо других веществ. Реакцию запускает электрический ток, пропускаемый через раствор либо расплав электролита.
- Металлотермия. Восстановление из их соединений другими, более активными металлами. Процесс проходит при повышенных температурах.
- Электротермия. Материал нагревается, затем расплавляется теплом, полученным из электрического тока.
Производство легких элементов – весьма энергоемкий процесс. Поэтому металлургические комбинаты располагают поближе к источникам энергии.
В отличие от тяжелых металлов: их базовые предприятия привязывают к месторождению.
Ценностью легких, особенно цветных металлов, обусловлен второй способ получения – переработка лома.
Свойства легких металлов
Алюминий
Алюминий является металлом, идеально сочетающим в своих характеристиках легкость и прочность. Его первооткрывателем является датский физик Ганс Эрстед, который в 1825 году восстановил хлорид алюминия амальгамой калия при воздействии высоких температур, в результате чего и выделил данный металл.
Имеет характерный серебристо-белый окрас. Плотность металла составляет 2712 кг/м3. Плавится при температуре: 6580С (для технического алюминий) и 6600С (для алюминия высокой чистоты). Удельная теплота плавления алюминия – 390 кДж/кг. Закипает при температуре 2515,80С. Имеет удельную теплоемкость 897Дж/кг*К. Обладает достаточно высокой пластичностью, которая составляет 35% у технического алюминия и 50% у чистого металла.
Первым изделием, для изготовления которого был применен алюминий, стала детская погремушка. Однако, с тех далеких времен, алюминий стал достаточно распространенным материалом. В настоящее время он нашел свое широкое применение во многих сферах человеческой деятельности. Однако, наибольший процент потребления данного металла приходится на упаковочную промышленность, особенно для банок с напитками.
Также следует отметить, что алюминий активно применяется наряду со сталью и в машиностроении. В настоящее время существует огромное множество алюминиевых сплавов, которые отвечают огромному количеству определенных и необходимых требований. Среди данных сплавов можно выделить две основные группы – литейные и деформируемые. Сплавы из каждой группы также можно разделить на те, которые способны дисперсионно твердеть и те, которые не способны. Чтобы материал сделать более прочным применяются:
- наклеп;
- легирование;
- дисперсионное твердение (старение).
Для того, чтобы получить оптимальные характеристики стареющих сплавов, их необходимо подвергнуть измельчению. В связи с этим, для дисперсионного старения деформируемых сплавов используется термообработка. Ее также могут применять с целью повышения прочности.
Среди наиболее важных литейных сплавов стоит выделить Al-Si, которые образуют эвтектическую систему с эвтектической точкой при 11,7% Si и 5770С. Сплавы, имеющие в своем составе содержание Si в пределах 11-13% называют близкими к эвтектическим. Кроме этого, они также известны как силуминовое литье. Стоит отметить, что если охлаждение сплава с содержанием Si 13% осуществляется медленно, то первично выделяющийся твердый раствор Si образует крупные, угловатые, игольчатые кристаллы, что, в свою очередь, чревато ярко выраженной хрупкостью подобных сплавов. Одним словом, такая структура является крайне неблагоприятной. Для того, чтобы подобного не происходило, применяют облагораживание металлов – т.е. добавляют в плавку 0,1% Na. При этом происходит очищение кристаллов кремния, а также их округление и, в конечном итоге, образование тонкодиспергированной эвтектики. Благодаря подмешиванию в сплав натрия происходит снижение эвтектической температуры до 5640С.
Если же сплав охлаждается за относительно короткий промежуток времени, что происходит в кокильном литье, то происходит действие, подобное облагораживанию металлов – сдвиг эвтектической точки при помощи переохлаждения. В результате происходит образование достаточно чистой эвтектической структуры, что избавляет от необходимости облагораживания металлов путем добавления в них натрия.
Деформируемые сплавы имеют в своем составе значительно меньшее количество легирующих элементов и примесей, в отличие от литейных сплавов. Деформируемые сплавы, обычно, отвечают более высоким требованиям. В связи с этим, для их выплавки применяется металлургический алюминий. К нестареющим деформированным сплавам относятся AlMg-сплавы. Они отличаются своей высокой твердостью и прочностью по причине легирования. Данные свойства сохраняются даже при отжиге и сварке.
К высокопрочным сплавам нового поколения относятся Al-Li- сплавы.
Титан
Представляет собой легкий тугоплавкий металл с характерным серебристо-белым цветом. Отличается своей высокой устойчивостью к коррозии. Данным свойством он обязан стабильному пассивированному оксидному слою, который образуется за достаточно короткий промежуток времени при слабых средствах окисления.
Для титановых сплавов характерна высокая жаропрочность, которая может достигать 1200 – 1400Н/мм2. Именно титановые сплавы занимают ячейку между алюминиевыми сплавами и жаропрочными сталями, поскольку могут применятся до температуры 5000С, а также до 10000С при непродолжительном использовании.
Титановый сплав используется для изготовления деталей, которые подвергаются сильной нагрузке, с целью их облегчения. Например, шатуны для высокомощных двигателей изготавливаются именно из титановых сплавов. Это связано с тем, что данный материал обладает идеальным соотношением прочности на разрыв к плотности Rm/p.
Однако, для титановых сплавов характерна достаточно высокая стоимость, что препятствует их широкому применению, в отличие от Al-сплавов.
Титану, как и железу, присуще аллотропное превращение. Титан сохраняет свою гексагональную структуру до температуры 8820С.
Среди наиболее важных легирующих элементов, которыми обогащаются технические титановые сплавы, следует назвать ванадий, олово, молибден, цирконий, ниобий, а также хром и алюминий.
Титан (Ti)
Открытый в конце XVIII столетия и сразу добавленный в периодическую таблицу Менделеева под 22-м номером химический элемент серебристого цвета с атомной массой в 47,867 а. е. м. (атомная единица массы) и плотностью в 4,5 г/см^3 отличается впечатляющей прочностью.
Также среди свойств металла, получившего статус самого твердого из используемых, выделяют отличную антикоррозионную устойчивость. Это справедливо и для сплавов, получаемых на основе титана, причем собственные прочностные характеристики последние сохраняют даже при температурах в 300 °C, что делает их незаменимыми в текущий период времени в авиации и ракетостроении.
Титан, фото https://mining-prom.ru/
Получивший название в честь титанов из древнегреческой мифологии металл входит в десятку самых распространенных в природе элементов, месторождения которого открыты на всех континентах, исключая Антарктиду. Причем Россия занимает по концентрации руд с содержанием рассматриваемого элемента второе место в мире после КНР.
Помимо уже упомянутых отраслей, титановые сплавы востребованы в кораблестроении, химической, автомобильной и оборонной промышленности, а также на пищевом производстве и в сельском хозяйстве. Благодаря собственной инертности титан без проблем способен контактировать с тканями живых организмов, не вызывая опасных для здоровья химических реакций, а потому активно используется в медицине, начиная с протезирования и изготовления имплантатов и заканчивая созданием хирургических инструментов.
Тяжелые металлы — Heavy metals
Тяжелые металлы обычно определяются как металлы с относительно высокой плотностью , атомным весом или атомным номером . Используемые критерии и то , включены ли металлоиды , варьируются в зависимости от автора и контекста. 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 известных химических элементов ; 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 воздействие , 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 .
СОДЕРЖАНИЕ
Определения
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). Оганессон (Ог) считается неметаллом.
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 , тогда как в физике отличительным критерием может быть атомный номер , а химик или биолог, вероятно, будут больше интересоваться химическим поведением.
Критерии плотности варьируются от более 3,5 г / см 3 до более 7 г / см 3 . Определения атомной массы могут быть в диапазоне от больше, чем у натрия (атомная масса 22,98); более 40 (исключая металлы s- и f-блока , следовательно, начиная со скандия ); или более 200, т.е. начиная с ртути . Атомные номера тяжелых металлов обычно превышают 20 ( кальций ); иногда он ограничивается 92 ( уран ). 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. Та же проблема может возникнуть с определениями на основе атомного веса.
Штаты Фармакопеи США включает в себя испытание для тяжелых металлов , что предполагает использование осаждения металлических примесей , как их цветные сульфиды «В 1997 году Стивен Хоукс, профессор химии письма в контексте опыта пятьдесят лет с термином, сказал , что применительно к» металлов с нерастворимые сульфиды и гидроксиды , 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 определить их как (в целом) все металлы в периодической таблице колоннах 3 до 16 , которые находятся в строке 4 или больше, других словах, в переходных металлах и пост-переходные металлы . в лантаноидах удовлетворяют описание трех частей Hawkes; статус из актинидов не полностью исчерпан.
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. В этой схеме ионы металлов класса А 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. 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. 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. Часто цитируемое предложение использовать эти классификационные категории вместо более вызывающего воспоминания названия хэви-метал не получило широкого распространения.
Список тяжелых металлов по плотности
Плотность более 5 г / см 3 иногда упоминается как общий определяющий фактор для тяжелых металлов и, в отсутствие единодушного определения, используется для заполнения этого списка и (если не указано иное) для направления оставшейся части статьи. Металлоиды, отвечающие применимым критериям, например мышьяк и сурьма, иногда считаются тяжелыми металлами, особенно в химии окружающей среды , как в данном случае. Селен (плотность 4,8 г / см 3 ) также включен в список. Он незначительно не соответствует критерию плотности и реже считается металлоидом, но имеет химический состав на водной основе, в некоторых отношениях сходный с химическим составом мышьяка и сурьмы. Другие металлы, которые иногда классифицируются или обрабатываются как «тяжелые», такие как бериллий (плотность 1,8 г / см 3 ), алюминий (2,7 г / см 3 ), кальций (1,55 г / см 3 ) и барий (3,6 г / см 3). ) здесь рассматриваются как легкие металлы и, как правило, в дальнейшем не рассматриваются.
- Сурьма†
- Германий†
- Уран
- Мышьяк†
- Протактиний
- Селен†
- Теллур†
- Торий
- Актиний¶
- Америций
- Беркелиум
- Калифорний
- Кюрий
- Дубний
- Эйнштейний
- Фермий
- Менделевий
- Нептуний¶
- Плутоний¶
- Полоний¶
- Прометий¶
- Радий¶
- Технеций¶
- Астати퇶
- Бориум
- Копернициум
- Дармштадтиум
- Флеровий
- Калий
- Лоуренсий
- Ливерморий
- Мейтнерий
- Московиум
- Нихоний
- Нобелий
- Рентгений
- Резерфордий
- Сиборгий
- Tennessine
Происхождение и использование термина
Тяжелость встречающихся в природе металлов, таких как золото , медь и железо, могла быть замечена еще в доисторические времена и, в свете их пластичности , привела к первым попыткам изготовления металлических украшений, инструментов и оружия. Все металлы, открытые с тех пор до 1809 года, имели относительно высокую плотность; их тяжесть считалась исключительно отличительным критерием.
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»). Это предложение было проигнорировано; новые элементы были признаны металлами, а затем термин «металлоид» использовался для обозначения неметаллических элементов, а позднее — элементов, которые было трудно описать как металлы или неметаллы.
Термин «тяжелый металл» впервые был использован в 1817 году, когда немецкий химик Леопольд Гмелин разделил элементы на неметаллы, легкие и тяжелые металлы. Легкие металлы имели плотность 0,860–5,0 г / см 3 ; тяжелые металлы 5.308–22.000. Позднее этот термин стал ассоциироваться с элементами с высоким атомным весом или высоким атомным номером. Иногда его используют как синонимы с термином « тяжелый элемент» . Например, обсуждая историю ядерной химии , Маги отмечает, что когда-то считалось, что актиниды представляют новую группу переходных тяжелых элементов, в то время как Сиборг и его сотрудники «отдавали предпочтение . серии тяжелых металлов, подобных редкоземельным элементам . » . Однако в астрономии тяжелый элемент — это любой элемент тяжелее водорода и гелия .
Критика
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. 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); ванадий в цинк (биологические процессы); и родий , индий и осмий (слишком редко).
Популярность
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. Считается, что это приемлемый термин, учитывая его удобство и известность, если он сопровождается строгим определением. Двойники тяжелых металлов, легких металлов , упоминаются Обществом минералов, металлов и материалов как «алюминий, магний , бериллий , титан, литий и другие химически активные металлы».
Биологическая роль
| Элемент | Миллиграммы | |
|---|---|---|
| Железо | 4000 | 4000 |
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 ); ванадий и марганец ( регуляция или функционирование ферментов ); хром ( утилизация глюкозы ); никель ( рост клеток ); мышьяк (метаболический рост у некоторых животных и, возможно, у людей) и селен ( антиоксидантное действие и выработка гормонов ). 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 будут необходимы с точки зрения питания. 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. В период с 6 , вольфрама требует некоторого архей и бактерий для метаболических процессов . Дефицит любого из этих 4–6 основных тяжелых металлов может повысить восприимчивость к отравлению тяжелыми металлами (наоборот, избыток также может иметь неблагоприятные биологические эффекты ). В среднем в теле человека 70 кг содержится около 0,01% тяжелых металлов (
7 г, что эквивалентно весу двух сушеных горошек, 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 ).
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 (хотя он не всегда считается тяжелым металлом).
Токсичность
Часто считается, что тяжелые металлы очень токсичны или вредны для окружающей среды. Некоторые из них являются токсичными, а некоторые другие токсичны только в том случае, если их принимать в избытке или встречаться в определенных формах. Вдыхание некоторых металлов в виде мелкой пыли или, чаще всего, в виде паров, также может вызвать состояние, называемое лихорадкой от дыма металла .
Экологические тяжелые металлы
Хром, мышьяк, кадмий, ртуть и свинец обладают наибольшим потенциалом причинения вреда из-за их широкого использования, токсичности некоторых их комбинированных или элементарных форм и их широкого распространения в окружающей среде. Шестивалентный хром , например, очень токсичен, как и пары ртути и многие соединения ртути. Эти пять элементов имеют сильное сродство с серой; 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. Хром (в его шестивалентной форме) и мышьяк являются канцерогенами ; кадмий вызывает дегенеративное заболевание костей ; а ртуть и свинец повреждают центральную нервную систему .
Свинец является наиболее распространенным загрязнителем тяжелых металлов. Уровни в водной среде индустриальных обществ, по оценкам, в два-три раза выше, чем доиндустриальные уровни. В качестве компонента тетраэтилсвинца , (CH
3 CH
2 )
4 Pb , он широко использовался в бензине в 1930-1970-е годы. Хотя к 1996 году использование этилированного бензина в Северной Америке в значительной степени прекратилось, в почвах рядом с дорогами, построенными до этого времени, сохраняется высокая концентрация свинца. 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.
Другие тяжелые металлы, известные своей потенциально опасной природой, обычно как токсичные загрязнители окружающей среды, включают марганец (поражение центральной нервной системы); кобальт и никель (канцерогены); медь, цинк, селен и серебро ( эндокринные нарушения, врожденные нарушения или общие токсические эффекты у рыб, растений, птиц или других водных организмов); олово, как оловоорганическое (поражение центральной нервной системы); сурьма (подозреваемый канцероген); и таллий (поражение центральной нервной системы).
Важные в питательном отношении тяжелые металлы
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 . Пурпурный перманганат- ион MnO —
4 является печень и почки яд. 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. Карбонил никеля (Ni (CO) 4 ) в концентрации 30 частей на миллион может вызвать дыхательную недостаточность, повреждение мозга и смерть. Употребление грамма или более сульфата меди (CuSO 4 ) может быть фатальным; выжившие могут остаться с серьезным повреждением органов. Более пяти миллиграммов селена очень токсичны; это примерно в десять раз больше рекомендуемой максимальной суточной дозы в 0,45 миллиграмма; длительное отравление может иметь паралитические эффекты.
Другие тяжелые металлы
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). Воздействие четырехокиси осмия (OsO 4 ) может вызвать необратимое повреждение глаз и может привести к дыхательной недостаточности и смерти. Соли индия токсичны при проглатывании более нескольких миллиграммов и влияют на почки, печень и сердце. Цисплатин (PtCl 2 (NH 3 ) 2 ), который является важным лекарством, используемым для уничтожения раковых клеток , также является ядом для почек и нервов. Соединения висмута при приеме в избытке могут вызвать повреждение печени; нерастворимые соединения урана, а также опасное излучение, которое они излучают, могут вызвать необратимое повреждение почек.
Источники воздействия
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. Общие источники тяжелых металлов в этом контексте включают горнодобывающие и промышленные отходы; выбросы транспортных средств; моторное масло; топливо, используемое на судах и тяжелой технике; строительные работы; удобрения; пестициды; краски ; красители и пигменты; ремонт; незаконное размещение строительного мусора и строительного мусора; мусорный контейнер с открытым верхом; сварка, пайка и пайка; обработка стекла; бетонные работы; ; дорожные работы; использование вторсырья; Металлические проекты своими руками; сжигание кузнечной бумаги ; открытое сжигание мусора в сельской местности; загрязненная система вентиляции; пищевые продукты, загрязненные окружающей средой или упаковкой; вооружение; свинцово-кислотные батареи ; площадка по переработке электронных отходов; и обработанная древесина ; старение инфраструктуры водоснабжения ; и микропластик, плавающий в Мировом океане. Недавние примеры загрязнения тяжелыми металлами и рисков для здоровья включают возникновение болезни Минамата в Японии (1932–1968; судебные процессы продолжаются с 2016 года); Bento Rodrigues дамба бедствие в Бразилии, высокие уровни содержания свинца в питьевой воды , подаваемой жителям Флинт , штат Мичиган, на северо-востоке Соединенных Штатов и 2015 Гонконг тяжелых металлов в питьевой воды инцидентов .
Формирование, численность, возникновение и добыча
0,000 001 частей на миллион)
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.
Более тяжелые тяжелые металлы обычно не образуются таким образом, поскольку реакции синтеза с участием таких ядер будут потреблять, а не выделять энергию. 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-процессе (s означает «медленный») сингулярные захваты разделены годами или десятилетиями, что позволяет менее стабильным ядрам бета-распад , 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 полураспада В 30 000 раз старше Вселенной). Эти ядра захватывают нейтроны и образуют нестабильный индий-116, который распадается с образованием олова-116 и так далее. 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.
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 , тем самым увеличивая содержание элементов тяжелее гелия в межзвездной среде . Когда гравитационное притяжение заставляет эту материю объединяться и коллапсировать, образуются новые звезды и планеты .
Земная кора состоит примерно из 5% тяжелых металлов по весу, из которых 95% составляет железо. Остальные 95% корки составляют легкие металлы (
75%). Несмотря на их общий дефицит, тяжелые металлы могут концентрироваться в экономически извлекаемых количествах в результате горообразования , эрозии или других геологических процессов .
Тяжелые металлы встречаются в основном 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 . 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.
Напротив, золото — сидерофил или элемент, любящий железо. Он не образует легко соединений ни с кислородом, ни с серой. Во время формирования Земли , как наиболее благородный (инертный) из металлов, золото погрузилось в ядро из-за своей склонности к образованию металлических сплавов с высокой плотностью. Следовательно, это относительно редкий металл. 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 точнее в коре. В остальном эти металлы встречаются в коре в небольших количествах, главным образом в виде халькофилов (в меньшей степени в их естественной форме ).
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. 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 .
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 сульфидных руд для получения соответствующих оксидов, а затем их нагревания для получения сырых металлов. Радий встречается в количествах, слишком малых для того, чтобы его можно было экономично добывать, и вместо этого он получается из отработанного ядерного топлива . Халькофильные металлы платиновой группы (МПГ) в основном встречаются в небольших (смешанных) количествах с другими халькофильными рудами. Руды , вовлеченные необходимость быть плавили , жареные, а затем выщелачивают с серной кислотой с получением остатка PGM. Это химически очищается, чтобы получить отдельные металлы в их чистых формах. По сравнению с другими металлами МПГ дороги из-за их редкости и высокой стоимости производства.
Золото, сидерофил, обычно извлекается путем растворения руды, в которой оно обнаружено, в растворе цианида . 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 из раствора в виде шлама, отфильтровывается и плавится.
Свойства по сравнению с легкими металлами
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.
| Физические свойства | Легкие металлы | Тяжелые металлы |
|---|---|---|
| Плотность | Обычно ниже | Обычно выше |
| Твердость | Мягкие, легко режутся или сгибаются | Большинство довольно сложно |
| Тепловое расширение | В основном выше | В основном ниже |
| Температура плавления | В основном низкий | От низкого до очень высокого |
| Предел прочности | В основном ниже | В основном выше |
| Химические свойства | Легкие металлы | Тяжелые металлы |
| Расположение периодической таблицы | Больше всего встречается в группах 1 и 2 | Почти все встречаются в группах с 3 по 16. |
| Изобилие в земной коре | Более обильный | Менее обильный |
| Основное происхождение (или источник) | Литофилы | Литофилы или халькофилы ( Au — сидерофил ) |
| Реактивность | Более реактивный | Менее реактивный |
| Сульфиды | От растворимого до нерастворимого | Чрезвычайно нерастворим |
| Гидроксиды | От растворимого до нерастворимого | Обычно нерастворим |
| Соли | В основном образуют бесцветные растворы в воде. | В основном образуют цветные растворы в воде. |
| Комплексы | В основном бесцветный | В основном цветные |
| Биологическая роль | Включите макроэлементы ( Na , Mg , K , Ca ) | Включите микроэлементы ( V , Cr , Mn , Fe , Co , Ni , Cu , Zn , Mo ) |
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; постпереходные тяжелые металлы, такие как цинк, кадмий и свинец, обладают некоторыми характеристиками легких металлов, такими как относительно мягкость, более низкая температура плавления и образование в основном бесцветных комплексов.
Использует
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.
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; способность большинства ионов тяжелых металлов (таких как платина, церий или висмут) находиться в различных степенях окисления и, следовательно, действовать как катализаторы; плохо перекрывающиеся 3d или 4f орбитали (в железе, кобальте и никеле или в тяжелых металлах лантаноидов от европия до тулия ), которые вызывают магнитные эффекты; и высокие атомные номера и плотность электронов, которые лежат в основе их приложений в ядерной науке. Типичные виды использования тяжелых металлов можно в общих чертах разделить на следующие шесть категорий.
В зависимости от веса или плотности
Некоторые виды использования тяжелых металлов, в том числе в спорте, машиностроении , военных боеприпасах и ядерной науке , основаны на их относительно высокой плотности. При подводном плавании свинец используется в качестве балласта ; в скачках с гандикапом каждая лошадь должна иметь определенный вес свинца, основанный на факторах, включая прошлые выступления, чтобы уравнять шансы различных участников. В гольфе вставки из вольфрама, латуни или меди в клюшках на фервее и утюги снижают центр тяжести клюшки , облегчая подбрасывание мяча в воздух; а мячи для гольфа с вольфрамовым сердечником обладают лучшими летными характеристиками. При ловле нахлыстом тонущие лески имеют покрытие из ПВХ, заделанное вольфрамовым порошком, поэтому они тонут с необходимой скоростью. В легкоатлетическом спорте, стальные шары , используемые в метании молота и толкание событие заполнены свинцом, чтобы достичь минимального веса требуется в соответствии с международными правилами. 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. Вольфрамовые молоты были настолько плотными, что слишком глубоко проникали в дерн.
В машиностроении тяжелые металлы используются для балласта лодок, самолетов и автомобилей; или в балансировочных грузах на колесах и коленчатых валах , гироскопах , гребных винтах и центробежных муфтах в ситуациях, когда требуется максимальный вес в минимальном пространстве (например, в часовых механизмах ).
Чем выше плотность снаряда, тем эффективнее он может пробить тяжелый броневой лист . Os , Ir , Pt и Re . стоят дорого . U предлагает привлекательное сочетание высокой плотности, разумной стоимости и высокой вязкости разрушения.
AM Russell, KL Lee
Соотношение структура – свойство
в цветных металлах (2005, стр. 16)
В военных боеприпасах вольфрам или уран используются в броне и бронебойных снарядах , а также в ядерном оружии для повышения эффективности (путем отражения нейтронов и кратковременной задержки расширения реагирующих материалов). В 1970-х годах было обнаружено , что тантал более эффективен, чем медь, в кумулятивном заряде и противобронированном оружии, образующемся во взрывоопасных формах, из- за его более высокой плотности, что обеспечивает большую концентрацию силы и лучшую деформируемость. Менее токсичные тяжелые металлы , такие 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. Высказывались сомнения в безопасности (или экологичности ) вольфрама.
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.
На основе прочности или долговечности
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, бытовая техника , посуда, трубы, железнодорожные пути , здания и мосты, автомобили, замки, мебель, корабли, самолеты, монеты и украшения. Они также используются в качестве легирующих добавок для улучшения свойств других металлов. Из двух дюжин элементов, которые использовались в монетизированной мировой чеканке монет, только два, углерод и алюминий, не являются тяжелыми металлами. В ювелирных изделиях используются золото, серебро и платина, а также (например) никель, медь, индий и кобальт в цветном золоте . Недорогие украшения и детские игрушки могут быть в значительной степени изготовлены из тяжелых металлов, таких как хром, никель, кадмий или свинец.
Медь, цинк, олово и свинец являются металлами более слабыми механически, но обладают полезными антикоррозийными свойствами. Хотя каждый из них вступает в реакцию с воздухом, образующаяся патина из различных солей меди, карбоната цинка , оксида олова или смеси оксида , карбоната и сульфата свинца придает ценные защитные свойства . Поэтому медь и свинец используются, например, в качестве кровельных материалов ; цинк действует как антикоррозийное средство в оцинкованной стали ; и олово служит той же цели для стальных банок .
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.
Биологические и химические
В биоцидных эффектах некоторых тяжелых металлов известны с глубокой древности. Платина, осмий, медь, рутений и другие тяжелые металлы, включая мышьяк, используются в противораковых препаратах или показали потенциал. Сурьма (антипротозойные), висмут ( противоязвенные ), золото ( противоартритные ) и железо ( противомалярийные ) также важны в медицине. Медь, цинк, серебро, золото или ртуть используются в антисептических составах; небольшие количества некоторых тяжелых металлов используются для контроля роста водорослей, например, в градирнях . 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.
Выбранные тяжелые металлы используются в качестве катализаторов при переработке топлива (например, рений), производстве синтетического каучука и волокна (висмут), устройствах контроля выбросов (палладий) и в самоочищающихся печах (где оксид церия (IV) в стенках такие духовки помогают окислять углеродистые остатки готовки). В химии мыла тяжелые металлы образуют нерастворимые мыла, которые используются в консистентных смазках , сушилках для краски и фунгицидах (кроме лития, щелочных металлов и ионов аммония, образующих растворимое мыло).
Расцветка и оптика
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. Краски для тату могут содержать тяжелые металлы, такие как хром, кобальт, никель и медь. Высокая отражательная способность некоторых тяжелых металлов важна при создании зеркал , включая точные астрономические инструменты . Отражатели фар основаны на превосходной отражательной способности тонкой пленки родия.
Электроника, магниты и освещение
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 . Титановые аноды с покрытием из оксида рутения (IV) используются для промышленного производства хлора . Домашние электрические системы, по большей части, имеют медный провод из-за его хороших проводящих свойств. 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 их поверхностях. 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 . Тяжелые металлы использовались в батареях более 200 лет, по крайней мере, с тех пор, как Вольта изобрел свои гальванические батареи из меди и серебра в 1800 году. Прометий , лантан и ртуть — другие примеры, обнаруженные соответственно в атомных , никель-металлогидридных и кнопочных элементах. батареи.
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 .
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; а медь, иридий и платина используются в светодиодах (последние три — в органических светодиодах ).
Ядерная
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 . 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 . В ядерной науке ядра тяжелых металлов, таких как хром, железо или цинк, иногда выстреливают по другим мишеням из тяжелых металлов для производства сверхтяжелых элементов ; тяжелые металлы также используются в качестве мишеней для расщепления для производства нейтронов или радиоизотопов, таких как астат (в последнем случае используются свинец, висмут, торий или уран).
Тяжелые металлы – перечень, свойства и риски элементов
Понятие «тяжёлых металлов» применяется к тем химическим элементам, у которых либо плотность превышает 5 граммов на квадратный сантиметр либо атомный номер больше 20. Среди тяжёлых металлов, попадающих в экосистемы, есть микроэлементы, биологически важные для растений и живых организмов, так как они входят в состав ферментов. Однако существенные превышения допустимых концентраций тяжёлых металлов оказывают токсическое и угнетающее действие на биоценозы экосистем.
- Тяжелые металлы-загрязнители окружающей среды Ртуть
- Кадмий
- Свинец
- Медь
- Цинк
- Молибден
- Промышленные сточные воды
- Воздействие на гидросферу
Что представляют собой
Термин «тяжелые металлы» еще двести лет назад пытался ввести в научный оборот немецкий химик Лео Гмелин.
Однако в номенклатуре Международного союза, курирующего вопросы теории и практики химии (IUPAC), такое подразделение отсутствует.
Промышленность
В академических и промышленных кругах циркулирует четыре десятка критериев, по которым металл признается тяжелым.
Самые популярные основания:
- Атомный номер выше 50.
- Плотность 5+ г/см3.
На практике чаще востребован второй критерий.
То есть к тяжелым металлам относятся элементы с плотностью, превышающей 5 г/см3.
В соответствии с ним таковыми считаются:
- Традиционные: железо, медь, хром, марганец, кобальт, олово, свинец, никель, цинк.
- Менее известные: кадмий, молибден, вольфрам, сурьма. Плюс экзотика – галлий, теллур.
- И самые коварные – ртуть, таллий, висмут.
На бытовом уровне они считаются токсичными элементами. Подобное отождествление некорректно.
Не каждый тяжелый металл токсичен, но таким способно стать при благоприятных условиях безобидное вещество.
Экология, медицина
У экологов и врачей свои подходы. Для них тяжелыми металлами являются особо значимые (полезные либо опасные) для биологических организмов элементы.
Суровее критерии Организации Объединенных наций (ООН). В соответствии с ее экологической доктриной, тяжелыми считаются стабильные металлы либо металлоиды, их соединения (особенно соли тяжелых металлов) с плотностью более 4,5 г/см3.
Критерий действует с 1998 года.
Сколько элементов включает список тяжёлых металлов?
На сегодня не существует единого мнения относительно количества элементов в названном перечне, поскольку нет общих критериев, относящих металлы к тяжёлым. Тем не менее, список тяжёлых металлов может быть сформирован в зависимости от различных свойств металлов и их признаков. К ним относят:
- Атомный вес. Исходя из этого критерия, к названным принадлежат более 40 элементов с атомной массой, превышающей 50 а.е.м (г/моль).
- Плотность. Исходя из этого критерия, тяжёлыми считаются те металлы, у которых плотность равна или превосходит плотность железа.
- Биологическая токсичность объединяет тяжёлые металлы, негативно влияющие на жизнедеятельность человека и живых организмов. В их списке порядка 20 элементов.
Классификация
Кроме плотности, маркером принадлежности к группе служат температура плавления, степень использования, другие свойства.
На основании этого выделяют следующие виды тяжелых металлов:
- Цветные металлы – цинк, медь, олово, свинец, никель.
- Черные – железо.
- Редкие – галлий, висмут, таллий, кадмий.
- Тугоплавкие – молибден, вольфрам, хром.
- Легкоплавкие – кадмий, кобальт, свинец, ртуть, олово, галлий, таллий, висмут.
Самый тяжелый металл планеты – иридий. Кубик с ребром в 1 см весит 22,6 грамма. Но вещество попадает на Землю только с метеоритами.
Иридий
В сегменте обычных земных «тяжеловесов» лидирует вольфрам – он на три грамма легче. Это восьмая позиция среди металлов.
Область применения тяжёлых металлов
Несмотря на токсичность, современная промышленность создаёт огромное множество полезных продуктов, перерабатывая тяжёлые цветные металлы, список которых включает сплавы меди, цинка, свинца, олова, никеля, титана, циркония, молибдена и др.
Медь – высокопластичный материал, из которого получаются разнообразные провода, трубы, кухонная утварь, украшения, кровельное покрытие и многое другое. Кроме того, она широко используется в машиностроении и кораблестроительстве.
Цинк обладает высокими антикоррозийными свойствами, поэтому распространено использование цинковых сплавов для покрытия металлических изделий (т. н. оцинковка). Области применения продуктов из цинка: строительство, машиностроение, полиграфия (изготовление печатных форм), ракетостроение, химическая промышленность (производство лаков и красок) и даже медицина (антисептические средства и др.).
Свинец легко плавится, поэтому используется в качестве сырья во многих отраслях: лакокрасочной, химической, автомобильной (входит в состав аккумуляторов), радиоэлектронной, медицинской (изготовление защитных фартуков для пациентов во время прохождения рентген-исследований).
Откуда берутся
Естественных поставщиков тяжелых металлов четыре:
- Горное сырье. Чаще это магматические либо осадочные породы.
- Породообразующие минералы. У меди, например, это малахит и другие минералы.
- Вулканы. Частицы вещества извергаются попутно с вулканическими продуктами (газами, гейзерами).
Камень малахит
Еще один источник – Вселенная. Вещество заносится в стратосферу метеоритами либо облаками космической пыли.
Влияние на экологию
Особо опасные загрязнители биосферы – именно тяжелые металлы. Самая вредная форма соединений – соли.
Пути поступления
Загрязнение биосферы происходит следующими способами:
- Металлургия. Выбросы в процессе плавки, обжига. Вымывание тяжелых веществ из отвалов месторождений либо меткомбинатов водой, выветривание.
- Агросектор. Полив плантаций, удобрение полей илом бытовых стоков либо пестицидами.
- Быт. Использование как топлива торфа, угля, другого сырья.
- Автобаны. Свинцом, цинком, кадмием насыщены обочины автострад.
Свинец пропитывает почву минимум на 100 м по обе стороны дороги.
Свинец
Способы очищения
Почва очищается от такого груза десятилетиями, иногда столетиями.
Концентрация цинка уменьшается наполовину спустя столетие, кадмию требуется вдвое меньше.
Медь исчезает через три столетия, свинец – через десять:
- Токсичные соединения растворяются в воде.
- В почве процесс активируют влажность и растительность.
Флора вытягивает «свои» металлы. Так, лишайники «кушают» цинк, никель, медь.
Самородная медь
Токсичность тяжелых металлов возрастает с увеличением атомного номера.
Тяжелые металлы-загрязнители окружающей среды
Тяжёлых металлов из таблицы Менделеева насчитывается около 40. Но чаще всего главными загрязнителями окружающей среды становятся лишь некоторые из них.
Ртуть
Около половины количества содержания ртути попадает в экосистему по техногенным причинам. Вместе со сточными водами и атмосферными выбросами предприятий нефтехимии соединения ртути оказываются в окружающей среде. Подавляющее количество — около 97% — находится на поверхности мирового океана. Соединения ртути, обладающие разной степенью окисления, в природе вступают в реакции между собой. Самыми опасными являются органические (алкильные) соединения ртути — метилртуть и диметилртуть. Находясь в воде, эти соединения адсорбируются донными отложениями, а затем медленно высвобождаются, становясь источником вторичного загрязнения и хронического токсического поражения гидросферы.
Нехватка чистой пресной воды – глобальная проблема человечества
Загрязнение воды, как экологическая проблема номер один на планете
Вторичное загрязнение водоёмов как процесс, приводящий к деградации водных объектов
Кадмий
Кадмий — высокотоксичный тяжёлый металл. Он обладает довольно большой летучестью, поэтому значительная его часть загрязняет атмосферу. Это происходит в результате работы заводов по его выплавке и гальванических производств. В почву кадмий проникает из сельхозудобрений, а также с нефтепродуктами. В результате атмосферных процессов он выпадает на землю и поверхностные воды в виде осадков, которые угнетают рост и развитие растений и оказывают канцерогенное действие на представителей животного мира.
Тяжелые металлы – наиболее опасные элементы, способные загрязнять почву
Возможно ли решение современных экологических проблем в глобальном масштабе
Свинец
Такой тяжёлый металл, как свинец, относится к 1 классу токсичной опасности. Среди промышленных отравлений именно отравление свинцом занимает первое место. Основными поставщиками свинцовых загрязнений на почву и в атмосферу являются выхлопы от сжигания этилированного бензина, выбросы промышленных предприятий, выпускающих пластик, целлюлозно-бумажные изделия, смазки, пигменты и другие.
Машиностроение в России и его вредные производства, влияющие на экологию
Влияние основных отраслей производства на экологию
Воздействие легкой промышленности и ее текстильной отрасли на окружающую среду
Свинец способен накапливаться в биомассе, образуя высокотоксичные соединения. Далее соединения свинца вмешиваются в метаболический цикл растений и животных. Так, следуя по пищевым цепочкам, токсические элементы попадают в организм человека.
Вы знали, что соединения свинца способны разрушить структуру ДНК и причинить существенный вред репродуктивной системе человека?
В окружающую среду медь попадает из выбросов отходов металлургических предприятий, заводов по изготовлению химических источников тока (аккумуляторов, батареек), сельхозхимии. Когда ионы меди попадают в почву, то они быстро связываются с минералами и органическими веществами.
Основные источники загрязнения литосферы и возможные последствия
С помощью каких мер можно защитить почву от загрязнения?
Химическое загрязнение почвы
Попав в воду, медь распространяется на дальние расстояния, загрязняя всё новые акватории. Этот тяжёлый металл не разрушается в природе, и поэтому он накапливается в растениях, микроорганизмах. Большие дозы меди в организме человека разрушают его репродуктивную систему, органы ЦНС.
На повышение содержания цинка могут повлиять как естественные геохимические процессы, так и техногенное загрязнение предприятиями цветной металлургии и химической промышленности.
Из вышеперечисленных тяжёлых металлов цинк наименее токсичен, однако, существенное превышение его доз аккумулируется в верхних слоях почвы, загрязняя плодородный слой.
Попав в организм человека, цинк заметно активирует деятельность ферментов. Превышенная доза цинка может вызвать рвоту.
Молибден
Молибден попадает в окружающую среду из минеральных удобрений и из выбросов предприятий по добыче и переработке молибденовых руд. Примечательно, что в некоторых регионах страны фиксируется недостаток молибдена в биосфере. А в регионах, где базируются крупные предприятия, добывающие и перерабатывающие молибденовые руды, его содержание в почве и воде может превышать норму в 100-200 раз. Растения, накапливающие данный металл в аномальных количествах, становятся ядовитыми для человека и животных. Повышенное содержание молибдена в организме человека вызывает угнетение функций гипофиза, гипоталамуса, щитовидной железы.
Источник https://miminonino.ru/stali/kakie-metally-otnosyatsya-k-legkim.html
Источник https://ru.abcdef.wiki/wiki/Heavy_metals
Источник https://chistiy-timashevsk.ru/resursy/tyazhelye-metally-v-vozduhe.html
