Definicja pojęcia:

metale ciężkie

Metale ciężkie – zbiór naturalnych pierwiastków chemicznych wykazujących właściwości metaliczne, wyróżniany ze względu na stosunkowo dużą gęstość o wartości przewyższającej 5 g/cm³. Metale ciężkie stanowią większość układu okresowego pierwiastków chemicznych; obecne są w grupie skandowców (lantanowce, np. lantan, cer), tytanowców (cyrkon, hafn), wanadowców (wanad, niob), chromowców (chrom, molibden,), manganowców (mangan), żelazowców (żelazo), kobaltowców (kobalt), niklowców (nikiel, platyna), miedziowców (miedź, srebro, złoto), cynkowców (cynk, kadm, rtęć), borowców (gal, ind, tal), węglowców (cyna, ołów), azotowców (arsen, antymon) oraz tlenowców (selen, tellur). Metale ciężkie charakteryzują się połyskiem, ciągliwością i kowalnością, stosunkowo wysoką temperaturą wrzenia i topnienia oraz bardzo dobrym przewodnictwem elektrycznym i cieplnym. Obecne są w całej skorupie ziemskiej, gdzie występują w niewielkiej ilości w postaci czystej (rodzimej) (np. platyna, miedź, srebro, złoto, rtęć) lub związanej (np. chrom, żelazo, kobalt, cynk, kadm, ołów); zwiększona koncentracja metali ciężkich w biosferze wynika głównie z działalności przemysłowej człowieka. Metale ciężkie są mikroelementami niezbędnymi do prawidłowego funkcjonowania organizmów żywych (np. żelazo, miedź, cynk, mangan, molibden); niektóre wykazują działanie toksyczne (np. rtęć, kadm, ołów). Metale ciężkie wykorzystywane są m.in. w hutnictwie, przemyśle chemicznym, elektronicznym, motoryzacyjnym oraz fotograficznym, elektrotechnice, galwanotechnice, technice dentystycznej i jubilerstwie do wyrobu biżuterii.
  1. Występowanie metali ciężkich na kuli ziemskiej
  2. Właściwości metali ciężkich
  3. Biologiczne znaczenie metali ciężkich
  4. Zastosowania metali ciężkich

Występowanie metali ciężkich na kuli ziemskiej

Metale ciężkie są metalicznymi pierwiastkami chemicznymi o stosunkowo dużej gęstości, występującymi naturalnie na kuli ziemskiej. Metale ciężkie są szeroko rozpowszechnione w obrębie całej skorupy ziemskiej (litosfery), gdzie obecne są jednak w niewielkich (śladowych) ilościach (%) (z wyjątkiem żelaza):
  • chrom (Cr) – 1,9 · 10⁻²
  • molibden (Mo) – 1,4 · 10⁻³
  • mangan (Mn) – 8,5 · 10⁻²
  • żelazo (Fe) – 4,7
  • kobalt (Co) – 3,7 · 10⁻³
  • nikiel (Ni) – 1,5 · 10⁻²
  • platyna (Pt) – 5 · 10⁻⁷
  • miedź (Cu) – 1 · 10⁻²
  • srebro (Ag) – 1 · 10⁻⁵
  • złoto (Au) – 5 · 10⁻⁷
  • cynk (Zn) – 1,2 · 10⁻²
  • kadm (Cd) – 3 · 10⁻⁵
  • rtęć (Hg) – 4 · 10⁻⁵
  • cyna (Sn) – 3,5 · 10⁻³
  • ołów (Pb) - 1,8 · 10⁻³
  • arsen (As) - 5,5 · 10⁻⁴

Śladowe ilości metali ciężkich występują w skorupie ziemskiej w dwóch głównych postaciach:
  • postaci czystej (rodzimej), czyli minerałów zbudowanych z atomów tego samego pierwiastka chemicznego (np. platyna rodzima, miedź rodzima, srebro rodzime, złoto rodzime, rtęć rodzima);
  • postaci związanej, czyli minerałów zbudowanych z cząsteczek związków chemicznych, m.in. siarczków, tlenków, węglanów, krzemianów, fosforanów, np. cyna (kasyteryt, SnO₂), żelazo (magnetyt, Fe₃O₄; syderyt, FeCO₃), ołów (galena, PbS), chrom (chromit, FeCr₂O₄), miedź (chalkozyn, Cu₂; chalkopiryt, CuFeS₂), mangan (braunsztyn, MnO₂), srebro (argentyt, Ag₂S), cynk (blenda cynkowa, ZnS; smitsonit, ZnCO₃), lantanowce (gadolinit – krzemian itru, żelaza i berylu Y2FeBe2[O/SiO4]2; monacyt – fosforan ceru, lantanu, neodymu, toru, itru i prazeodymu (Ce, La, Nd, Th, Y, Pr)PO4).

Obieg metali ciężkich występujących naturalnie w środowisku odbywa się za pośrednictwem zjawisk i procesów zachodzących w biosferze – głównie wietrzenia powierzchniowej warstwy skorupy ziemskiej (skał i gleby), erozji wodnej i wiatrowej (eolicznej), ruchów masowych oraz zdarzeń losowych (np. aktywności wulkanicznej, pożarów lasów). Zwiększona koncentracja metali ciężkich i ich związków w atmosferze, hydrosferze i litosferze (np. miedzi, niklu, cynku, ołowiu, chromu, rtęci, kadmu, arsenu) jest więc głównie wynikiem działalności przemysłowej człowieka, m.in. procesów spalania paliw kopalnych w przemyśle energetycznym, zakładach przemysłowych, transporcie, rolnictwie i gospodarstwach domowych, emisją zanieczyszczeń z oczyszczalni ścieków i składowisk odpadów przemysłowych, eksploatacji i wytopu rud bądź produkcji stali, żelaza, cementu oraz nawozów mineralnych (sztucznych).

Złoto rodzime. Źródło: shutterstock

Właściwości metali ciężkich

Metale ciężkie są zbiorem pierwiastków chemicznych wykazujących właściwości metaliczne (metali i półmetali, tzw. metaloidów), który wyróżniany jest na podstawie stosunkowo dużej gęstości o wartości większej niż 5 g/cm³. Metale ciężkie stanowią więc znaczną większość układu okresowego pierwiastków chemicznych. Pierwiastki spełniające powyższe kryterium gęstości (w temp. 20°C) obecne są w następujących grupach:
  • skandowce  – lantanowce, np. lantan (6,174 g/cm³), cer (6,76 g/cm³);
  • tytanowce – cyrkon (6,5 g/cm³), hafn (13,31 g/cm³);
  • wanadowce – wanad (6,092 g/cm³), niob (8,66 g/cm³), tantal (16,66 g/cm³);
  • chromowce – chrom (7,2 g/cm³), molibden (10,2 g/cm³), wolfram (19,3 g/cm³);
  • manganowce – mangan (7,4 g/cm³), ren (21,0 g/cm³);
  • żelazowce – żelazo (7,87 g/cm³), ruten (12,45 g/cm³), osm (22,59 g/cm³);
  • kobaltowce – kobalt (8,9 g/cm³), rod (12,41 g/cm³), iryd (22,56 g/cm);
  • niklowce – nikiel (8,91 g/cm³), pallad (12,02 g/cm³), platyna (21,45 g/cm³);
  • miedziowce – miedź (8,95 g/cm³), srebro (10,54 g/cm³), złoto (19,32 g/cm³);
  • cynkowce – cynk (7,13 g/cm³), kadm (8,65 g/cm³), rtęć (13,5g/cm³);
  • borowce – gal (5,91 g/cm³ (), ind (7,31 g/cm³), tal (11,85 g/cm³);
  • węglowce – german (5,35 g/cm³), cyna (7,29 g/cm³), ołów (11,34 g/cm³);
  • azotowce – arsen (5,73 g/cm³), antymon (6,68 g/cm³), bizmut (9,79 g/cm³);
  • tlenowce – selen (4,8 g/cm³), tellur (6,25 g/cm³).

Metale ciężkie są ciałami stałymi posiadającymi przeważnie srebrzystobiałe zabarwienie ze srebrnym, różowym, czerwonawym, żółtawym lub niebieskim połyskiem. Wyjątek stanowią ołów, cynk, kadm i osm o barwie niebieskawobialej, czerwonawa miedź, żółto połyskujące złoto oraz biały kadm. Unikalne właściwości wykazuje srebrzystobiała rtęć – jedyny metal występujący w warunkach normalnych w ciekłym stanie skupienia. Wszystkie metale ciężkie charakteryzują się dobrą ciągliwością i kowalnością, wysoką temperaturą wrzenia i topnienia oraz bardzo dobrym przewodnictwem elektrycznym i cieplnym. Metaloidy, czyli półmetale (german, arsen, antymon, selen, tellur) wykazują właściwości chemiczne metali (np. połysk, wysoką temperaturę topnienia) i niemetali (np. niskie przewodnictwo elektryczne i cieplne).

Metale ciężkie wykazują nieco mniejszą aktywność chemiczną niż metale lżejsze (np. litowce, berylowce). Są bardzo trwałe na powietrzu; niektóre metale nieszlachetne (np. chrom, cynk) w kontakcie z powietrzem atmosferycznym ulegają procesowi pasywacji, pokrywając się zwartą warstwą tlenków (tlenku chromu (III) bądź wodorotlenków (wodorotlenku węglanu cynku, tzw. białą rdzą) chroniącą ich powierzchnię przed działaniem czynników utleniających (korozją). Szlachetne metale ciężkie (srebro, złoto, ruten, osm, rod, iryd, pallad, platyna) nie ulegają korozji, nie reagują z wodą i kwasami beztlenowymi (np. stężonym kwasem solnym, HCl); przeważnie ulegają jednak działaniu kwasów utleniających, np. kwasu azotowego (V) (HNO₃), gorącego i stężonego kwasu siarkowego (VI) (H₂SO₄) i wody królewskiej (mieszaniny stężonego kwasu solnego z kwasem azotowym (V) w stosunku objętościowym 3:1).
Rtęć jest jedynym metalem występującym w warunkach normalnych w ciekłym stanie skupienia. Źródło: shutterstock

Biologiczne znaczenie metali ciężkich

Metale ciężkie są ważnymi pierwiastkami śladowymi (tzw. mikroelementami) niezbędnymi do życia i prawidłowego funkcjonowania organizmów żywych. Żelazo (Fe) jest składnikiem enzymów uczestniczących w fotosyntezie, oddychaniu komórkowym (łańcuchu transportu elektronów) i wiązaniu azotu atmosferycznego; ponadto wchodzi w skład hemoglobiny, czyli czerwonego barwnika krwi zwierząt odpowiedzialnego za transport tlenu w ich organizmie. Miedź (Cu) jest składnikiem enzymów uczestniczących w fotosyntezie, metabolizmie cukrów i związków azotowych oraz barwnika krwi mięczaków i stawonogów (hemocyjaniny); jest pierwiastkiem niezbędnym w syntezie chlorofilu. Cynk (Zn) współtworzy enzymy regulujące oddychanie oraz metabolizm cukrów, białek i kwasów nukleinowych. Mangan (Mn) stanowi  kofaktor enzymów uczestniczących w fotosyntezie, oddychaniu i metabolizmie azotowym; bierze udział w procesie powstawania przeciwciał. Molibden (Mo) wchodzi w skład enzymów regulujących przemianę związków azotowych; pełni istotną rolę w procesie wiązania azotu atmosferycznego przez bakterie brodawkowe. Kobalt (Co) stanowi centralny atom witaminy B₁₂ (kobalaminy) niezbędnej w procesie powstawania czerwonych krwinek (erytrocytów).

Niektóre metale ciężkie (np. rtęć, kadm, ołów) wykazują silne działanie toksyczne, co wiąże się ściśle ze zdolnością tych pierwiastków chemicznych oraz ich związków do gromadzenia się w komórkach i tkankach organizmów żywych (roślin i zwierząt), czyli tzw. bioakumulacji (akumulacji biogenicznej). Rośliny pobierają jony metali ciężkich z roztworu glebowego za pośrednictwem systemu korzeniowego; do organizmów zwierzęcych metale ciężkie dostają się wraz z pożywieniem, poprzez drogi oddechowe lub pochłaniane są ze środowiska (wody, powietrza) całą powierzchnią ciała. Akumulacja metali ciężkich w tkankach roślin przyczynia się m.in. do chlorozy (żółknięcia) liści, zaburzenia pobierania wody i składników mineralnych, zahamowanie syntezy barwników fotosyntetycznych (chlorofilu), biosyntezy białek i kwasów nukleinowych. Metale ciężkie gromadzące się w mózgu, wątrobie, nerkach i szpiku kostnym zwierząt mogą powodować ostre lub chroniczne zatrucia (np. ołowicę, rtęcicę), uszkodzenia ośrodkowego układu nerwowego (mózgu), wątroby i nerek, zaburzenia rytmu serca, choroby układu krążenia, osteoporozę, osłabienie mięśni oraz rozwój zmian nowotworowych.
Objawy niedoboru żelaza u człowieka. Źródło: shutterstock

Zastosowania metali ciężkich

Metale ciężkie i ich związki chemiczne mają duże znaczenie technologiczne. Wykorzystywane są w hutnictwie do produkcji stopów (np. żelazo, cynk, cyna, ołów, miedź, wanad, molibden, mangan, kobalt), w przemyśle chemicznym do produkcji związków chemicznych (np. srebro, złoto, ołów, bizmut), elektronice do wytwarzania urządzeń elektronicznych (np. ołów, kadm, rtęć, chrom, nikiel), przemyśle motoryzacyjnym w reaktorach katalitycznych (katalizatorach samochodowych) (np. platyna, rod, pallad) i elektrotechnice do produkcji i domieszkowania półprzewodników (np. gal, ind, german, antymon). Metale ciężkie maja także zastosowanie w galwanotechnice do pokrywania powierzchni metali i ich stopów stali ochronną warstwą antykorozyjną (np. cynowanie, cynkowanie, chromowanie, niklowanie). Metale szlachetne mają również duże znaczenie w technice dentystycznej (np. srebro, złoto, pallad) i przemyśle fotograficznym (np. srebro). Srebro, złoto i platyna są metalami ozdobnymi używanymi do wyrobu biżuterii. Nikiel i platyna wykorzystywane są do produkcji urządzeń laboratoryjnych; rtęć jest metalem używanym do wypełniania termometrów, barometrów, manometrów, pomp rtęciowych oraz innych urządzeń pomiarowych. Promieniotwórczy izotop kobaltu-60 (⁶⁰Co) ma zastosowanie w radioterapii (bomba kobaltowa) i sterylizacji sprzętu medycznego.
Pręty metalowe wykonane ze stopu miedzi z cynkiem (mosiądzu). Źródło: shutterstock

Bibliografia

  1. Loretta Jones, Peter Atkins ; “Chemia ogólna – cząsteczki, materia, reakcje ”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2009.;
  2. Norman Neill Greenwood, Alan Earnshaw, Butterworth-Heinemann ; “Chemistry of the Elements (2nd ed.) ”; Oxford 1997. ;
  3. Andrew Burrows, John Holman, Andrew Parsons, Gwen Pilling, Gareth Price; “Chemistry³. Introducing inorganic, organic and physical chemistry, ”; Oxford University Press, 2017.;
  4. Grażyna Łabno ; “Ekologia. Słownik encyklopedyczny”; Wydawnictwo Europa, Warszawa 2006.;
  5. Andrew S. Goudie; “Human Impact on the Natural Environment ”; John Wiley & Sons Inc., 2018.;
  6. K.-H. Lautenschlager, W. Schroter, A. Wanninger; “Nowoczesne kompendium chemii”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2016. ;
Legenda. Pokaż objaśnienia oznaczeń i skrótów
Szukaj
Oceń stronę
Ocena: 4.5
Wybór wg alfabetu:
a b c ć d e f g h i j k l ł m n o q p r s ś t u v w x y z ż ź