Тяжёлые мета́ллы — химические элементы со свойствами металлов и значительным атомным весом либо плотностью.
Определение Понятие «тяжёлые металлы» было предложено немецким химиком Леопольдом Гмелиным в 1817 году в справочнике . Неорганические соединения были разделены на 10 неметаллов, 11 лёгких металлов и 25 тяжёлых металловGmelin and his Handbuch , , vol. 34, no. 1, pp. 30–1.. Лёгкие металлы имели плотность 0.860–5.0 г/см3, тяжёлые – 5.308–22.000 г/см3Gmelin L. 1849, Hand-book of chemistry, vol. III, Metals, translated from the German by H. Watts, Cavendish Society, London. Page 2.. Как первое использование термина в англоязычной научной литературе называется 3-е издание «Неорганической химии» в 1936 году.
В литературе на русском языке термин «тяжёлые металлы» встречался еще в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона.
Существует множество различных определений термина тяжёлые металлы, и невозможно указать на одно из них, как наиболее принятое. Соответственно, список тяжёлых металлов согласно разным определениям будет включать разные элементы, включая как металлы, так и металлоиды. Определяющим критерием может быть сравнительно большая атомная масса, например — атомная масса свыше 50 а. е. м., и тогда в список попадают все металлы, идущие в периодической системе после ванадия. Другим критерием, часто используемым, и хронологически первым по введению, является плотность, например, плотность примерно равная или большая плотности железа (7.8 г/см), тогда в список попадают такие элементы как свинец, ртуть, медь, кадмий, кобальт, а, например, менее плотное олово может исключаться из списка. Существуют классификации, основанные и на других значениях пороговой плотности, таких как 8.0 г/смТяжёлые металлы // Энциклопедический словарь по металлургии. — М.: Интермет Инжиниринг, под ред. Н. П. Лякишева. 2000., 7 г/см, 6 г/см, 5 г/см, 4.5 г/см, и на других значениях пороговой атомной массы, например — 40 а. е. м., 45 а. е. м.. Aтомная масса химического элемента не связана напрямую с его плотностью, поэтому два основных подхода к определению не согласованы друг с другом, и элементы, относимые к тяжелым металлам по одному критерию, могут не подпадать ни под одно определение тяжелых металлов по другому критерию, например скандий, при атомной массе 45 а.е.м. имеет плотность всего лишь 3 г/см.
Некоторые классификации делают исключения для благородных и редких металлов, не относя их к тяжёлым, некоторые сужают рамки определения до цветных металлов, исключая таким образом черные металлы (железо, марганец).
Тяжелые металлы противопоставляются легким металлам, это разделение может основываться на одном пороговом значении (например, все металлы с плотностью больше 5 г/см — тяжелые, все остальные — легкие), либо же на двух пороговых значениях (например, металлы с плотностью больше 8 г/см — тяжелые, меньше 3 г/см — легкие).
Разные определения могут быть ориентированы на разные отрасли науки. Так, определения, основанные на плотности, чаще встречающиеся в технических науках, а в рамках экономики металлургии могут выделяться основные тяжелые металлы (медь, цинк, свинец, олово, никель), и малые тяжелые металлы (мышьяк, сурьма, ртуть, висмут, кадмий).
Чаще всего термин «тяжёлые металлы» рассматривается не с химической, а с медицинской и природоохранной точек зрения; при включении в эту категорию могут учитываться не только химические и физические свойства элемента, но и его биологическая активность и токсичность (в частности, показатель ЛД50), а также объём использования в хозяйственной деятельности и общая опасность для окружающей среды, связанная с накапливаемостью, ПДК в почве, влиянием на пищевую ценность сельскохозяйственной продукции, и другими факторами.
Использование этого термина в англоязычной научной литературе (), в связи с описанной выше несогласованностью в определениях, на протяжении долгого времени подвергается критике и служит предметом острых дискуссий. В 2002 году Международный союз теоретической и прикладной химии выпустил отчет, где говорилось, что данный термин является бессмысленным и вводящим в заблуждение, так как за почти 60 лет его использования он не получил четкого определения, основанного на химии, а биологические и токсикологические свойства разных соединений одного и того же элемента могут резко отличаться. В русскоязычной же научной литературе использование этого термина в основном не вызывает возражений.
Биологическая роль Тяжёлые металлы и их соединения накапливаясь в природной среде, ведут к ее загрязнению и могут оказывать вредное воздействие на живые организмы. Они способны накапливаться в тканях, вызывая ряд заболеваний.
С другой стороны, тяжелые металлы являются естественными составляющими земной коры и многие из них в некоторых формах и в соответствующих концентрациях имеют важное значение для жизни. Железо, медь, цинк, молибден, хром, участвуют в биологических процессах и в небольших количествах являются необходимыми для функционирования растений, животных и человека микроэлементами (т. н. «эссенциальные микроэлементы»).
Не имеющие полезной роли в биологических процессах металлы, такие как свинец, таллий, ртуть и актиноиды, определяются как токсичные металлы. Некоторые элементы, такие как ванадий или кадмий, обычно имеющие токсичное влияние на живые организмы, могут быть полезны для некоторых видовA biological function for cadmium in marine diatoms. Lane TW, Morel FM. ; относительно кадмия и такого токсичного металла как свинец, существуют некоторые данные об их роли в жизнедеятельности организма, в результате чего их могут выделять в категорию условно жизненно необходимых микроэлементов.
Некоторые тяжёлые металлы, такие как кобальт, никель, кадмий, уран, плутоний и хром (+6) обладают выраженным канцерогенным действием.
Механизмы действия Катионы Pb2+, Hg2+, Cd2+ и другие, относимые к группе мягких кислот Льюиса, легко образуют прочные ковалентные связи с тиольными группами SH в молекуле аминокислоты цистеина. Ферменты, содержащие в своём активном центре тиольные группы, при действии даже малых концентраций ионов тяжёлых металлов подвергаются ингибированию, как правило, необратимому, что приводит к серьёзному нарушению обмена веществ.
Загрязнение тяжёлыми металлами Среди разнообразных загрязняющих веществ тяжёлые металлы (в том числе ртуть, свинец, кадмий, цинк) и их соединения выделяются распространенностью, высокой токсичностью, многие из них — также способностью к накоплению в живых организмах. Они широко применяются в различных промышленных производствах, поэтому, несмотря на очистительные мероприятия, содержание соединений тяжёлых металлов в промышленных сточных водах довольно высокое. Они также поступают в окружающую среду с бытовыми стоками, с дымом и пылью промышленных предприятий. Ограничение выброса ртути, свинца и кадмия в атмосферу являлось предметом специально посвященной этому вопросу конвенции ООН.
Накопление тяжелых металлов в растениях неравномерно, некоторые сельскохозяйственные растения, такие как сарептская горчица, кукуруза и подсолнечник известны как гипераккумуляторы тяжелых металлов.
Многие металлы образуют стойкие органические соединения, хорошая растворимость этих комплексов способствует миграции тяжёлых металлов в природных водах. К тяжёлым металлам относят более 40 химических элементов, но при учёте токсичности, стойкости, способности накапливаться во внешней среде и масштабов распространения токсичных соединений, контроля требуют примерно в четыре раза меньшее число элементов.
Для уменьшения экологического ущерба, причиняемого тяжелыми металлами, может применяться известкование почв, переводящее металлы в осадочную форму, и абсорбция тяжелых металлов цеолитами, которые переводят их в недоступную для растений форму на протяжении 6-7 лет. Рассматриваются перспективы разработки технологий очищения окружающей среды, прежде всего водоемов, от солей таких металлов как свинец, кадмий, цинк, медь, с использованием растений (фиторемедиация).
Загрязнение океана Помимо сточных вод, большие массы соединений тяжёлых металлов поступают в океан через атмосферу и с захоронением разнообразных отходов в Мировом океане. Для морских биоценозов наиболее опасны ртуть, свинец и кадмий.
Ртуть Ртуть переносится в океан с материковым стоком (прежде всего — из стока промышленных вод) и через атмосферу. В составе атмосферной пыли содержится около 12 тыс. т ртути. До трети от этого количества образуется при выветривании пород, содержащих ртуть (киноварь). Ртуть антропогенного происхождения попадает в атмосферу в первую очередь при сжигании угля на электростанциях, а также работы горнодобывающих предприятий: по данным 2024 года это 2000 тонн ртути в газообразном состоянии ежегодно. Около половины годового промышленного производства этого металла (910 тыс. т) попадает в океан. Некоторые бактерии переводят токсичные хлориды ртути в ещё более токсичную метилртуть. Соединения ртути накапливается многими морскими и пресноводными организмами в концентрациях, во много раз превышающих содержание её в воде.
Употребление в пищу рыбы и морепродуктов неоднократно приводило к ртутному отравлению населения. Так, к 1977 году насчитывалось 2800 жертв болезни Минамата, причиной которой послужило поступление в залив Минамата со сточными водами отходов предприятий, на которых в качестве катализатора использовалась хлористая ртуть. Соединения ртути высокотоксичны для человека.
Свинец Свинец— рассеянный элемент, содержащийся во всех компонентах окружающей среды: в горных породах, почвах, природных водах, атмосфере, живых организмах. Помимо того, свинец поступает в окружающую среду в результате хозяйственной деятельности человека. До запрета на использование в топливе тетраэтилсвинца в начале XXI века, выхлопные газы транспорта были заметным источником свинца в атмосфере. С континентальной пылью в атмосфере океан получает 20—30 тысяч тонн свинца в год.
В организм человека свинец попадает как с пищей и водой, так и из воздуха. Свинец может выводиться из организма, однако малая скорость выведения может приводить к накоплению в костях, печени и почках.
Кадмий Кадмий является относительно редким и рассеянным элементом, в природе концентрируется в минералах цинка. Поступает в природные воды в результате смыва почв, выветривания полиметаллических и медных руд, и со сточными водами рудообогатительных, металлургических и химических производств. Большую опасность представляют отработавшие своё, неисправные и не подлежащие восстановлению никель-кадмиевые аккумуляторы, которые ранее отправлялись на свалки вместе с обыкновенными твердыми бытовыми отходами, и не подвергались специальной процедуре утилизации. Кадмий в норме присутствует в организме человека в микроскопических количествах. При накоплении организмом соединений кадмия поражается нервная система, нарушается фосфорно-кальциевый обмен. Хроническое отравление приводит к анемии и остеопорозу.
Примечания
Ссылки Тяжёлые металлы — «Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия» Тяжёлые металлы — сайт «Очистные сооружения»
Литература
Категория:Металлы Категория:Охрана окружающей среды