Что значит тяжелый металл

Тяжелые металлы – перечень, свойства и риски элементов

Официально такой группы химических элементов не существует. Однако металлурги, аграрии, особенно экологи, оперируют понятием «тяжелые металлы». Этот сегмент привлекает повышенное внимание.

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:

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:

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.

Классификация

Кроме плотности, маркером принадлежности к группе служат температура плавления, степень использования, другие свойства.

На основании этого выделяют следующие виды тяжелых металлов:

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.

Откуда берутся

Естественных поставщиков тяжелых металлов четыре:

Еще один источник – Вселенная. Вещество заносится в стратосферу метеоритами либо облаками космической пыли.

Получение продукта

На большинстве металлургических комбинатах сырье плавят в доменных и мартеновских печах. Это оборудование из позапрошлого века делает процесс тяжелым, опасным для экологии и человека.

Внедрение « зеленых » технологий продвигается медленно, поскольку требует инвестиций.

Результат недостаточной очистки отходов производства – высокое содержание вредных компонентов. Следствие – загрязнение почвы, воды, воздуха.

Влияние на экологию

Особо опасные загрязнители биосферы – именно тяжелые металлы. Самая вредная форма соединений – соли.

Пути поступления

Загрязнение биосферы происходит следующими способами:

Свинец пропитывает почву минимум на 100 м по обе стороны дороги.

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:

Флора вытягивает «свои» металлы. Так, лишайники «кушают» цинк, никель, медь.

Самородная медь

Токсичность тяжелых металлов возрастает с увеличением атомного номера.

Воздействие на человека

Влияние большинства таких веществ двояко:

Отравление организма внешне проявляется как тошнота, рвота, головная боль, нарушение координации движений. Плюс более тяжелые последствия, до летального исхода.

В зоне риска следующие категории:

Уровень загрязненности территории экологи определяют благодаря местным животным.

Чуткие «индикаторы» загрязненности на европейской части – лоси, мышь-полевка, кроты, бурый мишка.

Источник

14 различных типов металлов

Термин «металл» происходит от греческого слова «metalléuō», что означает выкапываю или добываю из земли. Наша планета содержит много металла. На самом деле из 118 элементов периодической системы порядка 95 являются металлами.

Это число не является точным, потому что граница между металлами и неметаллами довольно расплывчата: нет стандартного определения металлоида, как нет и полного согласия относительно элементов, соответствующим образом классифицированных как таковые.

Сегодня мы используем различные виды металлов, даже не замечая их. Начиная с зажимов в сантехнике и заканчивая устройством, которое вы используете для чтения этой статьи, все они сделаны из определенных металлов. Фактически, некоторые металлические элементы необходимы для биологических функций, таких как приток кислорода и передача нервных импульсов. Некоторые из них также широко используются в медицине в виде антацидов.

Все металлы в периодической таблице можно классифицировать по их химическим или физическим свойствам. Ниже мы перечислили некоторые различные типы металлов вместе с их реальным применением.

Классификация по физическим свойствам

14. Легкие металлы

Сплав титана 6AL-4V

Примеры: Алюминий, титан, магний

Легкие металлы имеют относительно низкую плотность. Формального определения или критериев для идентификации этих металлов нет, но твердые элементы с плотностью ниже 5 г/см³ обычно считаются легкими металлами.

Металлургия легких металлов была впервые развита в середине 19 века. Хотя большинство из них происходит естественным путем, значительная их часть образуется при электротермии и электролизе плавленых солей.

Их сплавы широко используются в авиационной промышленности благодаря их низкой плотности и достаточным механическим свойствам. Например, сплав титана 6AL-4V составляет почти 50 процентов всех сплавов, используемых в авиастроении. Он используется для изготовления роторов, лопастей компрессоров, мотогондол, компонентов гидравлических систем.

13. Тяжелые металлы

Окисленные свинцовые конкреции и кубик размером 1 см3

Примеры: железо, медь, кобальт, галлий, олово, золото, платина.

Эти металлы редки в земной коре, но они присутствуют в различных аспектах современной жизни. Они используются в солнечных батареях, сотовых телефонах, транспортных средствах, антисептиках и ускорителях частиц.

Тяжелые металлы часто смешиваются в окружающей среде из-за промышленной деятельности, ухудшая качество почвы, воды и воздуха, а затем вызывая проблемы со здоровьем у животных и растений. Выбросы транспортных средств, горнодобывающие и промышленные отходы, удобрения, свинцово-кислотные батареи и микропластики, плавающие в океанах, являются одними из наиболее распространенных источников тяжелых металлов в этом контексте.

12. Белый металл

Подшипники из белого металла

Примеры: Обычно изготавливается из олова, свинца, висмута, сурьмы, кадмия, цинка.

Белый металлический сплав изготавливается путем объединения определенных металлов в фиксированных пропорциях в соответствии с требованиями конечного продукта. Основной металл для ювелирных изделий, например, формуется, охлаждается, экстрагируется, а затем полируется, чтобы придать ему точную форму и блестящий вид.

Они также используются для изготовления тяжелых подшипников общего назначения, подшипников внутреннего сгорания среднего размера и электрических машин.

11. Хрупкий металл

Хрупкое разрушение чугуна

Примеры: сплавы углеродистой стали, чугуна и инструментальной стали.

Металл считается хрупким, если он твердый, но не может противостоять ударам или вибрации под нагрузкой. Такие металлы под воздействием напряжения ломаются без заметной пластической деформации. Они имеют низкую прочность на разрыв и часто издают щелкающий звук при поломке.

Многие стальные сплавы становятся хрупкими при низких температурах, в зависимости от их обработки и состава. Чугун, например, твердый, но хрупкий из-за высокого содержания углерода. Напротив, керамика и стекло гораздо более хрупки, чем металлы, из-за их ионных связей.

Галлий, висмут, хром, марганец и бериллий также хрупки. Они часто используются в различных гражданских и военных целях, связанных с высокими деформационными нагрузками. Чугун, устойчивый к повреждениям в результате окисления, используется в машинах, трубах и деталях автомобильной промышленности, таких как корпуса коробок передач и головки цилиндров.

10. Тугоплавкий металл

Микроскопическое изображение вольфрамовой нити в лампе накаливания

Примеры: молибден, вольфрам, тантал, рений, ниобий.

Тугоплавкие металлы имеют чрезвычайно высокие температуры плавления (более 2000 °С) и устойчивы к износу, деформации и коррозии. Они являются хорошими проводниками тепла и электричества и имеют высокую плотность.

Другой ключевой характеристикой является их термостойкость: они не расширяются и не растрескиваются при многократном нагревании и охлаждении. Однако они могут деформироваться при высоких нагрузках и окисляться при высоких температурах.

Благодаря своей прочности и твердости они идеально подходят для сверления и резки. Карбиды и сплавы тугоплавких металлов используются почти во всех отраслях промышленности, включая горнодобывающую, автомобильную, аэрокосмическую, химическую и ядерную.

Металлический вольфрам, например, используется в ламповых нитях. Сплавы рения используются в гироскопах и ядерных реакторах. А ниобиевые сплавы используются для форсунок жидкостных ракетных двигателей.

9. Черные и цветные металлы

Валы-шестерни из (черной) нержавеющей стали

Черные металлы: Сталь, чугун, сплавы железа.
Цветные металлы: Медь, алюминий, свинец, цинк, серебро, золото.

Термин «железо» происходит от латинского слова «Ferrum», что переводится как «железо». Таким образом, термин «черный металл» обычно означает «содержащий железо», тогда как «цветной металл» означает металлы и сплавы, которые не содержат достаточного количества железа.

Поскольку черные металлы могут иметь широкий спектр легирующих элементов, которые значительно изменяют их характеристики, очень трудно поместить свойства всех черных металлов под один зонт. Тем не менее некоторые обобщения могут быть сделаны, например, большинство черных металлов являются твердыми и магнитными.

Черные металлы используются для применения с высокой нагрузкой и низкой скоростью, в то время как цветные металлы предпочтительны для применения с высокой скоростью и нулевой нагрузкой для применения с низкой нагрузкой.

Сталь является наиболее распространенным черным металлом. Она составляет около 80% всего металлического материала благодаря своей доступности, высокой прочности, низкой стоимости, простоте изготовления и широкому спектру свойств. Она широко используется в строительстве и обрабатывающей промышленности. Фактически, рост производства стали показывает общее развитие промышленного мира.

8. Цветные и благородные металлы

Ассортимент благородных металлов

Цветные металлы: медь, алюминий, олово, никель, цинк
Благородные металлы: родий, ртуть, серебро, рутений, осмий, иридий

Благородные металлы, с другой стороны, устойчивы к окислению и коррозии во влажном воздухе. Согласно атомной физике, благородные металлы имеют заполненный электрон d-диапазона. В соответствии с этим строгим определением, медь, серебро и золото являются благородными металлами.

Они находят применение в таких областях, как орнамент, металлургия и высокие технологии. Их точное использование варьируется от одного элемента к другому. Некоторые благородные металлы, такие как родий, используются в качестве катализаторов в химической и автомобильной промышленности.

7. Драгоценные металлы

Родий: 1 грамм порошка, 1 грамм прессованного цилиндра и 1 г аргонодуговой переплавленной гранулы

Примеры: палладий, золото, платина, серебро, родий.

Драгоценные металлы считаются редкими и имеют высокую экономическую ценность. Химически они менее реакционноспособны, чем большинство элементов (включая благородные металлы). Они также пластичны и имеют высокий блеск.

Несколько веков назад эти металлы использовались в качестве валюты. Но сейчас они в основном рассматриваются как промышленные товары и инвестиции. Многие инвесторы покупают драгоценные металлы (в основном золото), чтобы диверсифицировать свои портфели или победить инфляцию.

Классификация по химическим свойствам

6. Щелочные металлы

Твердый металлический натрий

Примеры: натрий, калий, рубидий, литий, цезий и франций.

Щелочь относится к основной природе гидроксидов металлов. Когда эти металлы реагируют с водой, они образуют сильные основания, которые легко нейтрализуют кислоты.

Они настолько реактивны, что обычно встречаются в природе в слиянии с другими веществами. Карналлит (хлорид калия-магния) и сильвин (хлорид калия), например, растворимы в воде и, таким образом, легко извлекаются и очищаются. Нерастворимые в воде щелочи, такие, как фторид лития, также существуют в земной коре.

5. Щелочноземельные металлы

Изумрудный кристалл, основной минерал бериллия.

Примеры: бериллий, кальций, магний, барий, стронций и радий.

Щелочноземельные металлы в стандартных условиях мягкие и серебристо-белые. Они имеют низкую плотность, температуру кипения и температуру плавления. Хотя они не так реакционноспособны, как щелочные металлы, они очень легко образуют связи с элементами. Как правило, они вступают в реакцию с галогенами, образуя галогениды щелочноземельных металлов.

Все они встречаются в земной коре, кроме радия, который является радиоактивным элементом. Радий уже распадался в ранней истории Земли из-за относительно короткого периода полураспада (1600 лет). Современные образцы поступают из цепочки распада урана и тория.

Щелочноземельные металлы имеют широкий спектр применения. Бериллий, например, используется в полупроводниках, теплопроводниках, электрических изоляторах и в военных целях. Магний часто сплавляют с цинком или алюминием для получения материалов со специфическими свойствами. Кальций в основном используется в качестве восстановителя, а барий используется в вакуумных трубках для удаления газов.

4. Переходные металлы

Примеры: титан, ванадий, хром, никель, серебро, вольфрам, платина, кобальт.

Большинство элементов используют электроны из своей внешней оболочки для связи с другими элементами. Переходные металлы, однако, могут использовать две крайние оболочки для соединения с другими элементами. Это химическая особенность, которая позволяет им связываться со многими различными элементами в различных формах.

Они занимают среднюю часть таблицы Менделеева, служа мостом между (или переходом) между двумя сторонами таблицы. Более конкретно, есть 38 переходных металлов в группах с 3 по 12 периодической таблицы. Все они являются пластичными, податливыми и хорошими проводниками тепла и электричества.

Многие из этих металлов, такие как медь, никель, железо и титан, используются в конструкциях и в электронике. Большинство из них образуют полезные сплавы друг с другом и с другими металлическими веществами. Некоторые из них, включая золото, серебро и платину, называются благородными металлами, потому что они крайне инертны и устойчивы к кислотам.

3. Постпереходные металлы

Висмут в виде синтетических кристаллов

Примеры: алюминий, галлий, олово, свинец, таллий, индий, висмут.

Физически они хрупки (или мягки) и имеют более низкую температуру плавления и механическую прочность, чем переходные металлы. Их кристаллическая структура довольно сложна: они проявляют ковалентные или направленные эффекты связи.

Различные металлы этого семейства имеют различное применение. Алюминий, например, используется для изготовления оконных рам, кухонной посуды, банок, фольги, деталей автомобилей. Оловянные сплавы используются в мягких припоях, оловянных и сверхпроводящих магнитах.

2. Лантаноиды

1-сантиметровый кусок чистого лантана

Примеры: лантан, церий, прометий, гадолиний, тербий, иттербий, лютеций.

Сплавы лантаноидов используются в металлургии из-за их сильных восстановительных способностей. Около 15 000 тонн лантаноидов ежегодно расходуется в качестве катализаторов и при производстве стекол. Они также широко используются в лазерах и оптических усилителях.

Некоторые исследования показывают, что лантаноиды могут быть использованы в качестве противораковых средств. Лантан и церий, в частности, могут подавлять пролиферацию раковых клеток и способствовать цитотоксичности.

1. Актиниды

Металлический уран, высокообогащенный ураном-235

Примеры: актиний, уран, торий, плутоний, фермий, нобелий, лоренций

Подобно лантаноидам, актиниды образуют семейство редкоземельных элементов с аналогичными свойствами. Они представляют собой серию из 15 последовательных химических элементов в периодической системе от атомных номеров 89 до 103.

Все они радиоактивны по своей природе. Синтетически произведенный плутоний, а также природные уран и торий являются наиболее распространенными актинидами на Земле. Первым актинидом, который был открыт в 1789 году, был уран. И большая часть существующих продуктов актинидов была произведена в 20 веке.

Источник

Что такое тяжелые металлы? Про хром, сурьму и цинк

В последнее время очень много говориться о загрязнении природы тяжелыми металлами. В эту категорию входят более 40 химических элементов (олово, вольфрам, молибден, теллур, сурьма, кадмий, железо, цинк, хром, ртуть, марганец, свинец, кобальт, висмут, никель, галлий, медь, германий, таллий).

Называть «тяжелые металлы» «токсичными элементами» неточное понятие, потому что не только они образуют токсичные соединения для живых организмов. Более легкие элементы тоже могут быть опасными при определённой концентрации.

Откуда берутся тяжелые металлы?

Породы магматического и осадочного происхождения

Основным природным источником загрязнения тяжелыми металлами являются разные породы магматического и осадочного происхождения. Многие минералы, содержащие эти элементы, могут быть примесями в другие горные породы. В эту группу входят: минералы хрома (Fe₂Cr₂O₄) и титана (анатаз, ильменит, брусит). Соединения этой категории химических элементов могут попасть в атмосферу из космоса (с космической пылью), и из недр нашей планеты (с помощью вулканических газов).

Антропогенное загрязнение

Важным фактором поступления тяжелых металлов в окружающую среду является антропогенное загрязнение. Промышленность цемента, черная и цветная металлургия, из-за технологических процессов при большой температуре, выбрасывает очень большое количество этих элементов в нашу среду обитания. Эти загрязнители могут проникнуть и в наши продукты питания, если орошение полей проводилось водами содержащие большую концентрацию таких химических элементов (например, бытовые сточные воды). Это случается по мотиву, что одни из них считаются микроэлементами. Конечно, не только так эти металлы попадают в водоёмы. Если рядом с вашим местом обитания есть металлургические предприятия, рудники, или на ваши поля вносится большое количество минеральных удобрений с содержанием цинка, меди, железа, молибдена, то они могут попасть в подземные воды благодаря дождям, таянью снега. Так что я вам советую провести контроль качества воды на содержания в местности тяжелых металлов, если вы хотите выкопать колодец.

Не только локальная антропогенная активность может повлиять на вырастание содержания тяжелых металлов в атмосфере. В виде аэрозолей, эти химические элементы могут быть перенесены на многие десятки, сотни, да и тысячи километров от места их выброса в атмосферу. Также тяжелые элементы они могут накапливаться на дне бессточных водоемов в отложениях. Часть их содержания образуют нерастворимые карбонаты, сульфаты, а также входят в состав минеральных и органических осадков. Таким образом, содержание тяжелых металлов в отложених водоёмов растёт, но если отложения перенасыщены этими металлами, то они попадут назад в воду и тогда будет «двойной удар». Почему так? Да потому что, мы ещё не почувствовали глобально эффект от сильного загрязнения такими элементами. Вот когда, эти отложения со дна водоёмов утратят способность связывать их, то «вернут» части этих элементов назад в воду и тогда мы будем искать пригодную воду где-то в другом месте. Особо затруднительная ситуация создалась вблизи автострад. Там почва накопила столько свинца, кадмия и цинка что положительных прогнозов не ожидается.

Как удаляются тяжелые металлы из воды и почвы?

Тяжелые металлы, поступая в почву, начинают накапливаться в верхние слои этого пласта. Есть верные пути их удаления: потребление растениями, выщелачивание, эрозия, вынос водою. В функции от элемента, период полуудаления из почвы может варьировать. Например, уменьшение начальной концентрации до половины для определённых элементов является: для кадмия — 13 — 110 лет, для цинка 70 — 510, для меди — 310 — 1500 лет, для свинца — 770 — 5900 лет.

На растворимость соединений этих элементов в почве влияют различные факторы:

Вот почему рекомендуется повышенный уровень кислорода в водном растворе. Кислород окисляет ионы металлов до нерастворимых форм. Важным звеном в круговороте тяжелых металлов в природе являются растения. Они аккумулируют их в тканях, оттуда они могут переходить к животным и человеку.

Всем известно, что несколько химических элементов из этой категории входят в группу микроэлементов. Растения каждые по своему виду концентрируют определённые микроэлементы.

Чем тяжелее, тем токсичнее…

Токсичность тяжелых металлов возрастает с ростом атомной массы. Каждый такой химический элемент при высоком уровне в живом организме влияет на определённые биохимические процессы.

Учёные в последнее время заинтересовались действиями тяжелых металлов на животных. Оказывается, они могут аккумулировать их, таким образом служить индикаторами. Самыми чувствительными животными считаются почвенные животные (сапрофиты, благодаря тому, что они живут на определённую территорию), европейский крот, рыжая полевка, лось, бурый медведь. Особенно интересны сведения про млекопитающих, потому что так можно более точно узнать про возможные действия на человека.

Действие тяжелых металлов на живые организмы

Воздействуя на организмы животных, тяжелые металлы накапливаются в ткани и вызывают разные болезни.

Сурьма (Sb)

Главными источниками загрязнения этим элементом считаются сточные воды с предприятий, которые производят спички, стекло, краски, резину и природный процесс выщелачивания минералов сурьмы (стибиоканит, сенармонтит, стибнит, сервантит, валентинит).

Содержание сурьмы в природных водоёмах

В природных чистых водоёмах, соединения этого химического элемента не превышают норму и находятся в дисперсионном состоянии. Возможно присутствие соединений трехвалентной так и пятивалентной сурьмы.

Нормальная вода с поверхности Земли содержит очень малые концентрации сурьмы (меньше микрограмма на литр воды), в морях она содержится на уровне 0,5 мкг/литр, а в водах подземелья — около 10 мкг/литр.

Предельно-допустимая концентрация сурьмы для водной среды

В природных водоёмах максимально допустимая концентрация сурьмы (ПДК_в) является 0.05 мг/литр, а в водоёмах, предназначенной для рыбохозяйственных целей (ПДК_вр) — 0.01 мг/литр.

Хром (Cr)

В основном соединения трех- и шестивалентного этого элемента попадают в поверхностные воды путём выщелачивания разных минералов (крокоит, хромит, уваровит). Другим натуральным источником хрома могут быть растения и другие живые организмы. В результате разложения этих живых организмов могут освободиться ионы Cr. Человек тоже может быть замешен в загрязнении окружающий среды его соединениями. Самыми важными источниками загрязнения хромом являются:

Снижение концентрации Cr в воде замечается благодаря адсорбции на поверхности пород и обрабатыванию разными организмами.

Уровень соединений Cr в воде зависит от многих факторов как:

Очень важно, какие сорбенты находятся в иле, отложениях на дне водоемов (карбонат кальция, глина, гидроксид железа, остатки растении и животных) потому что они влияют на общий уровень хрома в воде. Растворимые формы Cr являются хроматы и бихроматы. При повышенной концентрации кислорода в воде (аэробные условия) соли шестивалентного хрома Cr(VI) переходят в соли трехвалентного хрома Cr(III), которые при повышенном рН переходят в нерастворимые гидроксиды.

Содержание хрома в природных водоёмах

Концентрация Cr в чистых незагрязнённых водах находится в интервале от 0,1 мкг/литр до n*1 мкг/литр, в загрязнённых водоёмах — от n*10 мкг/литр до n*100 мкг/литр. В морях Cr содержится на уровне 0,05 мкг/литр, а в водах подземелья от n*10 до n*100 мкг/литр.

Важно знать, что соединения шестивалентного и трехвалентного хрома при больших концентрации в окружающей среде могут вызвать раковые заболевания у животных и человека, живущих в этой среде.

Предельно-допустимая концентрация хрома для водной среды

ПДК Cr(VI) в водоёмах не должно превышать 0,05 мг/литр, а Cr(III) — 0,5 мг/литр.

В рыбохозяйственных водоемах, содержание шестивалентного хрома ПДК_рыбхоз не должно превышать 0,001 мг/литр, а трехвалентного хрома — 0,005 мг/литр.

Цинк (Zn)

Главные минералы и горные породы, которые могут служить природными загрязнителями цинком, являются сфалерит, смитсонит, каламин, госларит, цинкит. Антропогенные факторы загрязнения цинком могут быть сточные воды с разных промышленных объектов (фабрики по производству минеральных красок, пергаментной бумаги, вискозного волокна и гальванические цехи).

В воде Zn находится в ионной форме, а также в форме органических и минеральных комплексов. Самыми распространёнными формами нерастворимых соединений цинка являются карбонаты, сульфиды, гидроксиды.

Содержание цинка в природных водоёмах

В морях Zn содержится в концентрациях от 1,5 до 10 мкг/литр, а в реках — 3 до 120 мкг/литр. Отходные воды с рудников и шахт, при низком рН, могут содержать очень большое количество цинка.

Zn — один из важнейших микроэлементов, в котором нуждаются все растения и животные. Есть и негативные стороны цинка, хлорид и сульфат этого элемента токсичны.

Предельно-допустимая концентрация цинка для водной среды

ПДК цинка в природных водоёмах — 1 мг Zn 2+ /литр, а в рыбохозяйственных водоемах ПДК_рыбхоз — 0,01 мг Zn 2+ /литр.

Видео (Презентация) на тему загрязнения тяжелыми металлами

Ниже представлена презентация (видео) на тему загрязнения тяжелыми металлами.

Источник