Metale grele

Metalele grele sunt combinate cu definiții neuniforme metale a căror densitate sau masă atomică depășește o anumită valoare. În unele cazuri, în definiție sunt incluse și alte proprietăți, cum ar fi numărul atomic și toxicitatea . Multe surse clasifică un metal greu ca un metal a cărui densitate este mai mare de 5,0 g / cm³ sau - în cazul surselor mai vechi - mai mare de 4,5 g / cm³.

În ingineria nucleară , „metalul greu” este utilizat în două semnificații speciale diferite:

• ca termen colectiv pentru toți nuclizii care pot fi împărțiți de neutroni ,
• în cazul considerațiilor de ardere pentru conținutul de metal fisibil ( uraniu , plutoniu ) al combustibilului nuclear proaspăt .

Definiții

În tehnologie (numai metale neferoase ) și chimie, termenul „metal greu” include metale cu o densitate> 5 g / cm³. Acestea includ metalele prețioase , metalele de bază fier , cupru , plumb , zinc , staniu și nichel, precum și bismut , cadmiu , crom și uraniu . Cu toate acestea, un studiu IUPAC a găsit cel puțin 38 de definiții pentru denumirea de „metal greu”, variind de la densitate , greutate atomică sau număr atomic la proprietăți chimice sau toxicitate . Astfel, listele de „metale grele” diferă de la un set de linii directoare la altul; în timp ce deseori și metaloizi asemenea. B. arsenic inclus. Termenul este adesea folosit fără a specifica metalele la care se referă. Din motivele enumerate mai sus, desemnarea tuturor celorlalte metale ca metale ușoare este, de asemenea, nedefinită. În ochii publicului, toate substanțele desemnate ca „metale grele” (și compușii și aliajele lor sunt adesea incluse) sunt considerate toxice. Următoarele elemente au o densitate peste 5 g / cm³:

* Semi-metale
** Deoarece aceste elemente nu pot fi sintetizate în cantități măsurabile, multe dintre proprietățile lor, cum ar fi densitatea, nu pot fi măsurate. Cu toate acestea, calculele modelului sugerează intervale de valori pentru aceste cantități.

Tabelul conține elemente cu o densitate de la 5 g / cm³. Elementele cu o densitate cunoscută între 5 și 10 g / cm³ au un fundal galben, între 10 și 20 g / cm³ portocaliu și peste 20 g / cm³ maro.

Apariție și origine

Metalele grele apar în rocile scoarței terestre, unde sunt strâns legate în minereuri sub formă de oxizi , sulfuri și carbonați și sunt, de asemenea, închise în silicați sau sunt parțial native . Concentrația lor în hidrosferă , atmosferă și pedosferă fluctuează pe mai multe ordine de mărime. Concentrația lor în scoarța terestră variază de la părți dintr-o singură cifră pe miliard (ppb) (iridiu, aur, platină) la 5% (fier). Datorită intemperiilor și eroziunii, acestea își găsesc în mod natural drumul în sol și în apele subterane. Unele roci, cum ar fi picritul , serpentinitul , bazaltele și, mai presus de toate, minereurile conțin concentrații ridicate de crom, nichel și cobalt în unele cazuri, ceea ce duce la o încărcare naturală mare de metale grele pe solul din vecinătatea lor. Cantitatea de cicluri materiale și acumularea în mediu au crescut rapid de la industrializare în secolul al XIX-lea, din cauza emisiilor în creștere din diferite surse antropice . Aceasta include extracția metalelor grele și prelucrarea acestora, producerea de îngrășăminte, arderea cărbunelui, a gunoiului și a nămolului de canalizare, traficul autovehiculelor și producția de oțel, ciment și sticlă. Exploatarea „minereurilor de metale grele” este adesea asociată cu niveluri ridicate de poluare cu metale grele din sol. În unele locuri din Harz , Siegerland și zona Aachen , de exemplu, s-a format vegetație azonală a unor comunități de plante specifice pe solurile poluate de extracția minereului . Acolo plantele galmei formează ceea ce este cunoscut sub numele de „ gazon de metale grele ”.

Acum 4,5 miliarde de ani - când mantaua pământului era încă lichidă - metalele grele s-au scufundat în centrul pământului și au format miezul pământului . În ceea ce privește apariția metalelor grele în scoarța terestră , geologii presupun că majoritatea provin din asteroizi . Această presupunere este susținută de un studiu cu tungsten , care provine dintr-un eșantion de rocă din Groenlanda . Izotopul ¹⁸² W a fost găsit de 13 ori mai des în această probă de rocă decât în ​​probele de rocă din alte locații. Matthias Willbold, de la Universitatea din Bristol , primul autor al studiului, spune: „Majoritatea metalelor prețioase pe care se bazează economia noastră și multe procese industriale importante au venit pe planeta noastră prin norocoasă coincidență - când pământul era format din aproximativ 20 au fost lovite trilioane de tone de material asteroid. "

caracteristici

Proprietăți biologice și impact asupra mediului

Tendința emisiilor de metale grele în Germania din 1990

Prin natură, metalele grele și compușii lor apar doar în urme din biosferă. Unele dintre ele sunt vitale pentru plante, animale și oameni în cantități mici; acestea sunt apoi denumite metale grele esențiale sau oligoelemente . Acestea includ crom , fier , cobalt , cupru , mangan , molibden , nichel , vanadiu , zinc și staniu . Multe metale grele, inclusiv cele esențiale, pot fi dăunătoare sau toxice pentru organismul uman chiar și în cazul unei concentrări ușoare excesive , prin care efectul lor toxic depinde, de asemenea, puternic de compusul chimic al metalului greu. Un exemplu în acest sens este cromul, care este netoxic în forma sa elementară, esențial ca crom (III) și toxic și cancerigen ca crom (VI). În general, pericolul compușilor crește odată cu solubilitatea lor în apă și grăsimi. Substanțele sunt de obicei absorbite prin lanțul trofic și ajung astfel în corpul uman . Plantele joacă un rol important aici, deoarece pot absorbi și acumula metale grele. La om, otrăvirea cronică cu metale grele are adesea un efect specific asupra anumitor organe și provoacă imagini clinice caracteristice.

Metalele grele din sol se pot mobiliza în apele subterane , în plante și astfel în lanțul trofic și pot provoca daune fiziologice acolo.

Din 2006 Institutul American Fierar a publicat o listă cu cele mai poluate zece locuri din lume. Toate metalele grele - emise în mare parte prin exploatare sau topire - sunt reprezentate în diferite moduri de fiecare dată.

conduce

Plumbul se acumulează în organismul uman atunci când este absorbit prin alimente și respirație și acționează ca o otravă cronică chiar și în urme mici . Se acumulează în oase , dinți și în creier și afectează funcționalitatea sistemului nervos . Copiii sunt în special expuși riscului, de multe ori prezintă tulburări de inteligență , învățare și concentrare . De asemenea, sistemul imunitar este deteriorat de otrăvirea cu plumb, ceea ce duce la o susceptibilitate crescută la infecție.

Cea mai mare sursă de otrăvire cu plumb a fost benzina cu plumb, dezvoltată în Statele Unite în anii 1920, la care s-a adăugat plumb tetraetil pentru a îmbunătăți rezistența la lovire . În SUA, acest combustibil a fost retras treptat din utilizare din 1973. În Europa, benzina fără plumb a fost vândută din nou pentru prima dată în Germania în 1983. După înlocuirea și abolirea treptată, benzina cu plumb a fost interzisă în toată UE la începutul anului 2000. Cu toate acestea, la nivel mondial, benzina cu plumb este încă utilizată în Africa și în părți mari din Asia - cu consecințele corespunzătoare asupra sănătății.

Din 1973, în Germania nu au fost construite conducte de plumb ca conducte de apă. Întreaga sud a Germaniei este practic lipsită de țevi de plumb, deoarece niciuna nu a fost așezată acolo de peste o sută de ani. Valoarea limită pentru plumb în apa de la robinet a fost de 25 µg / L începând cu 1 decembrie 2003 și a fost redusă la 10 µg / L pe 1 decembrie 2013.

cadmiu

Cadmiul și compușii săi sunt toxici chiar și în concentrații scăzute. S-a demonstrat că este cancerigen în experimentele pe animale și este mutagen și teratogen. Corpul unui adult conține aproximativ 30 mg de cadmiu fără ca acesta să fie necesar pentru construirea substanțelor corporale. Este unul dintre elementele neesențiale . Ingerarea sărurilor solubile de cadmiu poate provoca vărsături și tulburări ale tractului digestiv , leziuni hepatice și crampe . Inhalarea vaporilor de cadmiu provoacă iritarea căilor respiratorii și dureri de cap. Intoxicația cronică se manifestă prin pierderea mirosului , decolorarea galbenă a gâtului dinților, anemie și durere vertebrală, într-un stadiu avansat prin leziuni ale măduvei osoase și osteoporoză . Cadmiul a intrat din ce în ce mai mult în dispreț de la apariția bolii Itai-Itai adesea fatale în Japonia , care este asociată cu modificări scheletice severe. Acumularea de cadmiu în ficat și în special în rinichi este deosebit de îngrijorătoare. La fumători s-au găsit aproximativ două ori mai mari niveluri de cadmiu decât la nefumători. Expunerea medie la cadmiu prin fumat este de 2 până la 4 µg pe zi. Oamenii consumă zilnic între 10 și 35 µg cadmiu cu mâncarea lor. Potrivit OMS , limita critică este de 10 µg pe zi și kilogram de masă corporală. Timpul de înjumătățire biologic la om este între 10 și 35 de ani.

cupru

Cuprul este unul dintre oligoelementele esențiale. Cu toate acestea, compușii speciali pot provoca slăbiciune, vărsături și inflamații în tractul digestiv dacă sunt înghițite cantități mari . Intoxicațiile acute cauzate de cantități foarte mari sunt rare la om, deoarece vărsăturile sunt inevitabile. Cuprul are un efect catalitic în numeroase procese chimice, inclusiv în procesele metabolice.

Cuprul trebuie consumat în cantități suficiente în fiecare zi. Capacitatea de stocare în corp este limitată. Necesarul zilnic al unui adult este de aproximativ 1 până la 2 mg. Numeroase alimente conțin acest oligoelement, inclusiv nuci, anumite tipuri de pește și carne și unele legume. Cuprul poate pătrunde și în apa potabilă prin conductele de apă care conțin cupru, dar numai dacă apa potabilă a fost în conducte de mult timp. Acest lucru este important doar în ceea ce privește cantitatea pentru apă cu o valoare scăzută a pH-ului . În acest caz, se recomandă scurgerea apei învechite. Apa proaspătă care nu stagnează în țevi nu este practic modificată în compoziția sa de materialele utilizate în instalația casei. Standardele de apă potabilă ale OMS și UE permit un conținut maxim de cupru de 2 mg / L. Ordonanța germană privind apa potabilă a adoptat această valoare, care a fost specificată la 2,0 mg / L în amendamentul din 2011 la Ordonanța privind apa potabilă.

Un conținut de cupru de 2 mg / L conferă deja apei un gust metalic, 5 mg / L o fac necomestibilă. Conform cunoștințelor actuale, un conținut mediu de apă potabilă de 2 mg / L este considerat inofensiv pentru sănătate, acest lucru se aplică bucurării pe tot parcursul vieții. Un aport excesiv de cupru prin apă sau alimente poate duce la ciroză hepatică la sugari și copii mici al căror metabolism al cuprului nu este încă pe deplin dezvoltat . Unul dintre motive este că cantitatea totală specifică de cupru din corpul sugarilor este, în mod natural, relativ mare la naștere. La adolescenți și adulți, excesul de cupru este excretat similar cu vitamina C.

În 2011, Agenția Federală de Mediu a publicat proiectul materialelor metalice adecvate igienei apei potabile, cuprul este inclus pentru toate tipurile de componente. În apa cu o valoare a pH-ului scăzută, componentele din cupru trebuie conservate pe suprafața interioară - DIN 50930-6 oferă descrieri detaliate ale condițiilor generale pe partea de apă. Este necesar un test precis pentru puțurile casei, deoarece apa din puțurile casei nu este adesea tratată. În afară de această excepție, apa potabilă este mult mai bună decât este considerată a fi și este sigur pentru copii să bea mult din ea.

Deși cuprul este unul dintre oligoelementele esențiale pentru oameni, are un efect antimicrobian inhibitor al creșterii sau chiar activ asupra multor microorganisme. Această proprietate este utilizată în mod special pentru suprafețele de contact din domeniul medical ca măsură suplimentară în lupta împotriva microorganismelor rezistente la antibiotice.

plutoniu

Doza letală pentru un om este probabil să fie de zeci de miligrame. Cu toate acestea, mult mai periculos decât efectul chimic este radioactivitatea sa , care poate provoca cancer . O cantitate de câteva micrograme este probabil suficientă pentru a provoca cancer. Din această estimare a fost derivată neînțelegerea pe scară largă cu privire la pericolul deosebit reprezentat de plutoniu . Deoarece radiația alfa emisă este deja protejată de straturile exterioare ale corneei, plutoniul este dăunător sănătății numai atunci când este încorporat (de exemplu, inhalarea prafului care conține plutoniu).

Mercur

Mercurul metalic poate fi absorbit în organism ca vapori de mercur prin plămâni . Irită tractul respirator și digestiv , poate provoca vărsături cu dureri abdominale și, de asemenea, afectează rinichii și sistemul nervos central .

Taliu

Taliul și compușii care conțin taliu sunt foarte toxici și trebuie tratați cu mare atenție.

utilizare

Metalele grele sunt utilizate în multe domenii, dar mai ales pentru finisarea metalelor . Acest lucru conferă materialelor selectate proprietăți speciale . Următoarele domenii de aplicare sunt interzise astăzi din cauza efectelor lor dăunătoare:

• Plumb în conducte din PVC și apă potabilă
• Conform directivei RoHS , plumbul în lipit nu mai este permis (cu câteva excepții, a se vedea mai jos)
• Cadmiu în produse cosmetice , protecția culturilor și PVC, și mai devreme și în acumulatori
• Mercur în conservanți pentru lemn, agenți de impregnare, vopsele antivegetative și pentru tratarea apei

Metale grele încă utilizate:

• Plumb în lipire în dispozitive medicale, în instrumente de monitorizare și control, în sectoarele aerospațial și militar, și pentru reparații
• Crom și nichel pentru oțel , nichel și în acumulatori
• Plumb pentru acumulatori (= baterii reîncărcabile ), învelișuri pentru cabluri, pigmenți , aliaje și pentru protecție împotriva radiațiilor
• Mercur în cantități mici în lămpi fluorescente și lămpi cu economie de energie , în termometre, în tehnologia aparatelor și în umpluturile dinților de amalgam
• Cadmiu pentru acumulatori (nichel-cadmiu și argint-cadmiu), ca protecție împotriva coroziunii pentru fier și metale similare ( acoperiri de cadmiu produse prin depunere electrolitică sau depunere fizică de vapori protejează împotriva coroziunii chiar și cu o grosime de 0,008 mm ), pigmenți de cadmiu și săpun de cadmiu ca stabilizatori pentru PVC, cadmiu (și ca aliaje) pentru protecție împotriva neutronilor termici și pentru tijele de control din reactoare (cadmiul-113 are o secțiune deosebit de mare pentru captarea neutronilor ).

Utilizare în medicină:

• Lantanul este utilizat ca carbonat de lantan ( liant de fosfat ) pentru tratarea hiperfosfatemiei la pacienții cu insuficiență renală .
• Gadoliniu este utilizat în formă legată de complex ca agent de contrast în imagistica prin rezonanță magnetică , cum ar fi gadopentetat dimeglumină . Există un risc de fibroză sistemică nefrogenă (NSF) la pacienții cu insuficiență renală.
• Metalele grele, cum ar fi mercurul, aveau o gamă largă de indicații, de exemplu în tratamentul sifilisului .

literatură

• Jerome Nriagu : A History of Global Metal Pollution . În: Știință . bandă 272 , nr. 5259 , 1996, pp. 223-223 , doi : 10.1126 / science.272.5259.223 . 

Link-uri web

Wikționar: Schwermetall  - explicații privind semnificațiile, originea cuvintelor, sinonime, traduceri

Dovezi individuale

1. ^ ME Hodson: Metale grele - bărbați bogati geochimici? În: Poluarea mediului , 129/2004, pp. 341-343, doi: 10.1016 / j.envpol.2003.11.003 .
2. ^ JH Duffus: Definiții ale metalelor grele: Studiul utilizării curente . Aprilie 2001.
3. ^ AF Holleman , E. Wiberg , N. Wiberg : Manual de chimie anorganică . Ediția a 102-a. Walter de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1 , p. 1141.
4. ↑ metale ușoare . Lexicon chimie, Lexicon știință online; Adus la 16 aprilie 2009.
5. ↑ K. Maile, E. Roos: Știința materialelor pentru ingineri: Fundamente, aplicație, testare. Birkhäuser, 2005, ISBN 978-3-540-22034-3 , p. 10.
6. ↑ Puține surse mai vechi dau o valoare limită de <4,5 g / cm³
   J. Elpers, H. Meyer, N. Meyer, H. Marquard, W. Nabbefeld, W. Skornitzke, W. Willner, F. Ruwe: Mechatronik. Nivel elementar. Ediția a IV-a. Bildungsverlag Eins, 2001, ISBN 978-3-8242-2080-9 , p. 52
   K. Hengesbach: Fachwissen Metall Grundstufe și Fachstufe 1. Ediția a IV-a. Bildungsverlag Eins, 1994, ISBN 978-3-8237-0330-3 , p. 248.
7. ↑ R. Zahoransky (Ed.): Tehnologia energiei . Ediția a VII-a, Springer 2015, ISBN 978-3-658-07453-1 , pagina 109.
8. ↑ Carte specializată în metal . Ediția a 56-a. Europa-Lehrmittel, p. 268: Tabelul 1: Clasificarea metalelor neferoase.
9. ↑ ^{a b} A. F. Holleman , E. Wiberg , N. Wiberg : Manual de chimie anorganică . Ediția a 101-a. Walter de Gruyter, Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9 , p. 1065.
10. ^ John H. Duffus: „Metale grele” - un termen fără sens? În: Uniunea internațională de chimie pură și aplicată (IUPAC), Chimie pură și aplicată , 74/2002, pp. 793-807, doi: 10.1351 / pac200274050793 .
11. ↑ Jyoti Gyanchandani, SKSikka: Structural Properties of Group IV B Element Rutherfordium by First Principles Theory , 2011, arxiv : 1106.3146 .
12. ↑ ^{a b c} Andreas Heintz, Guido A. Reinhardt: Chimie și mediu: O carte de studiu pentru chimiști, fizicieni, biologi și geologi . Springer DE, 2000, ISBN 3-642-61205-9 , p. 233 ( previzualizare limitată în căutarea Google Book). 
13. ↑ ^{a b} Jörg Lewandowski, Stephan Leitschuh, Volker Koss: Poluanții în sol: o introducere în analiză și evaluare: cu ... Springer DE, 1997, ISBN 3-540-62643-3 , p. 99 ff . ( previzualizare limitată în căutarea Google Book). 
14. ↑ Heinz Brauer: Manual de protecție a mediului și tehnologie de protecție a mediului: Volumul 1: Emisiile și efectele acestora . Springer DE, 1996, ISBN 3-642-59197-3 , pp. 475 ( previzualizare limitată în Căutare de cărți Google). 
15. ↑ Meteoriții lasă metale prețioase să plouă pe pământ . Spiegel online , 8 septembrie 2011.
16. ^ Compoziția izotopică de tungsten a mantalei Pământului înainte de bombardamentul terminal . În: Nature , 8 septembrie 2011, doi: 10.1038 / nature10399 .
17. ↑ Metale toxice . GeoLexicon.
18. ↑ Georg Schwedt: Atlasul de buzunar al chimiei mediului . John Wiley & Sons, 1996, ISBN 3-527-30872-5 , pp. 206 ( previzualizare limitată în căutarea Google Book). 
19. ↑ Robert Guderian: Manual de schimbări de mediu și ecotoxicologie: Volumul 2B: Terrestrische ... Springer DE, 2001, ISBN 3-642-56413-5 , p. 103 ( previzualizare limitată în căutarea Google Book). 
20. ↑ Cele mai importante zece amenințări toxice . 2013, Blacksmith Institute (PDF; 4,8 MB).
21. ^ SZ: benzină fără plumb
22. ↑ ^{a b c} ajutor informații serviciu nutriție, agricultură, protecția consumatorului e. V. cu finanțare de la Ministerul Federal al Alimentației, Agriculturii și Protecției Consumatorilor .
23. ↑ BR Stern, M. Solioz, D. Krewski, P. Aggett, TC Aw, S. Baker, K. Crump, M. Dourson, L. Haber, R. Hertzberg, C. Keen, B Meek, L. Rudenko, R. Schoeny, W. Slob, T. Starr: Cuprul și sănătatea umană: biochimie, genetică și strategii pentru modelarea relațiilor doză-răspuns. În: Journal of Toxicology and Environmental Health - Part B - Critical Reviews . Volumul 10, numărul 3, 2007 aprilie-mai, pp. 157-222, doi: 10.1080 / 10937400600755911 , PMID 17454552 (recenzie).
24. ↑ Cuprul și corpul uman. ( Memento din originalului din 23 mai 2012 în Internet Archive ) Info: Arhiva link - ul a fost introdus în mod automat și nu a fost încă verificată. Vă rugăm să verificați linkul original și arhivă conform instrucțiunilor și apoi eliminați această notificare. Eurocopper. @ 1@ 2Șablon: Webachiv / IABot / www.eurocopper.org
25. ↑ Calitatea apei potabile pentru consumatorii finali (metale grele) ( Memento din 18 iulie 2013 în Arhiva Internet ). Agenția Federală de Mediu, date despre mediu.
26. ↑ Lista materialelor metalice adecvate igienei apei potabile (pescaj) Materiale metalice adecvate igienei apei potabile ( Memento din 3 septembrie 2013 în Arhiva Internet ). Agenția Federală de Mediu (PDF; 103 kB).
27. ↑ Igiena sănătății. ( Memento din originalului din 23 mai 2012 în Internet Archive ) Info: Arhiva link - ul a fost introdus în mod automat și nu a fost încă verificată. Vă rugăm să verificați linkul original și arhivă conform instrucțiunilor și apoi eliminați această notificare. Eurocopper. @ 1@ 2Șablon: Webachiv / IABot / www.eurocopper.org
28. ^ AF Holleman , E. Wiberg , N. Wiberg : Manual de chimie anorganică . Ediția a 101-a. Walter de Gruyter, Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9 , p. 1093.
29. ↑ M. Fukagawa, C. Harman: Este carbonatul de lantan mai sigur și mai eficient decât carbonatul de calciu pentru hiperfosfatemie la pacienții cu dializă? În: Nature Clinical Practice Nephrology . bandă 1 , nr. 1 , 2005, p. 20-21 , doi : 10.1038 / ncpneph0020 . 
30. ↑ KJ Murphy, JA Brunberg, RH Cohan: Reacții adverse la media de contrast gadoliniu: o revizuire a 36 de cazuri . În: American Journal of Roentgenology . bandă 167 , nr. 4 , 1996, pp. 847-849 , doi : 10.2214 / ajr.167.4.8819369 . 
31. ↑ HS Thomsen, SK Morcos, P. Dawson: Există o relație cauzală între administrarea de medii de contrast pe bază de gadolinium și dezvoltarea fibrozei sistemice nefrogenice (NSF)? În: Radiologie clinică . bandă 61 , nr. 11 , 2006, p. 905-906 , doi : 10.1016 / j.crad.2006.09.003 . 
32. ^ Robert C. Thompson, Dudley C. Smith: Evaluarea tratamentului sifilisului precoce cu arfenamină și metal greu. În: Am. J. Syph. Gon. Ven. Dis. Volumul 34, 1950, pp. 410-419.