Тяжелые металлы

На сегодняшний день известно порядка 40 различных трактовок термина «тяжелые металлы», и совершенно невозможно выделить одну наиболее правильную. Так, каждое определение тяжелых металлов будет включать свой перечень элементов согласно с теми или иными критериями. Зачастую характеристика тяжелых металлов основывается на: атомной массе, плотности, токсичности, распространенности в природной среде, степени вовлеченности в природные и техногенные циклы. Например, основным критерием может являться минимальная относительная атомная масса, равная 50. Согласно данной особенности, под список «тяжелых металлов» попадут абсолютно все металлы, начиная с ванадия, вне зависимости от их плотности. Однако, в других определениях данного термина именно плотность является главной характеристикой, на основе которой и составляется перечень, и она должна быть более или равной 8 г/см³ (плотность железа). Согласно данному критерию в список «тяжелых металлов» будут включены следующие элементы: свинец, ртуть, медь, кадмий, кобальт, а вот олово уже будет исключено из данного списка, так оно более легкое. Кроме того, также в основе классификации металлов могут находится и другие значения пороговой плотности (например, в 5 г/см³) или атомной массы. Таким образом, к некоторым группа тяжелых металлов могут попадать элементы, которые являются хрупкими или металлоидами (например, висмут или мышьяк, соответственно). В связи с этим, термин «тяжелые металлы» рассматривается с медицинской и природоохранной точек зрения. Это позволяет при составлении списка тяжелых металлов основываться не только на физических и химический свойствах элемента, но и на его биологической активности, токсичности, а также объеме его применения в хозяйственной деятельности.

Однако, все же в большинстве случаев, в список тяжелых металлов входит 40 элементов, имеющие относительную плотность, превышающую 6. Не смотря на то, что термин «тяжелые металлы» и «токсичные металлы» принято считать синонимами, все же количество опасных металлов существенно меньше, что не может не радовать.

В первую очередь интерес представляют элементы, имеющие самое широкое и активное использование в производстве, в результате чего происходит их накопление в окружающей среде, что и представляет опасность здоровью человечества с точки зрения их биологической активности и токсичности. Среди таковых следует выделить свинец, ртуть, кадмий, цинк, висмут, кобальт, никель, медь, олово, сурьму, ванадий, марганец, хром, молибден и мышьяк.

Свойства тяжелых металлов

Тяжелые металлы в атмосфере представляют собой органические и неорганические соединения. Они могут присутствовать как пыль, аэрозоль, или же иметь газообразную элементную форму (например, ртуть). Стоит отметить, что свинец, кадмий, медь и цинк в виде аэрозоля включают в себя, главным образом, субмикронные частицы, диаметр которых составляет примерно 0,5 – 1 мкм. А вот частицы никеля и кобальта в виде аэрозоля представляют собой крупнодисперсные частицы, имеющие диаметр, превышающий 1 мкм. Их образование, в основном, происходит во время сгорания дизельного топлива.

В водной среде тяжелые металлы могут быть представлены в виде трех основных форм: взвешенных частиц, коллоидных частиц, а также растворенных соединений. Последние представляют собой свободные ионы и растворимые комплексные соединения с органическими (гуминовые и фульвокислоты) и неорганическими (галогены, сульфаты, фосфаты, карбонаты) лигандами. Форма нахождения элемента в воде определяется гидролизом, который очень сильно влияет на нахождение указанных элементов в водной среде. Огромное количество тяжелых металлов переносится посредством поверхностных вод во взвешенном состоянии.

Содержание тяжелых металлов в почвах представлено водорастворимой, ионообменной и непрочно адсорбированной формах. Первые, главным образом, представляют собой хлориды, нитраты, сульфаты, а также органические комплексные соединения. Следует сказать, что часто отмечается связь ионов тяжелых металлов с минералами почвы, как часть кристаллической решетки.

В таблице представлены биогеохимические свойства тяжелых металлов, оценка которых осуществлялась по трем главным критериям: высокая (В), умеренная (У), низкая (Н).

Стоит отметить, что к биогеохимическим свойствам тяжелых металлов относятся токсичность, канцерогенность, растворимость и многие другие, которые выражены у них по-разному. Однако, существует два основных свойства, на основе которых и определяется степень опасности того или иного тяжелого металла для живого организма в зависимости от концентрации. К данным свойствам относятся: биохимическая активность и органическая форма распространения.

Определение тяжелых металлов

На сегодняшний день есть две главные группы аналитических методов, которые позволяют определять тяжелые металлы (например, в воде или почве), а именно:

• электрохимические методы;
• спектрометрические методы.

Стоит отметить что вторая группа постепенно сдает свои позиции и уступает электрохимическим методам.

Среди спектрометрических методов следует выделить наиболее распространенный – атомно-абсорбционную спектрометрию с разной атомизацией образцов. В том случае, когда необходимо определить несколько элементов одновременно, главным методом определения выступают атомная эмиссионная спектрометрия с индукционно связанной плазмой, а также масс-спектрометрия с индукционно связанной плазмой.

Для того, чтобы определить тяжелые металлы электрохимическими способами пробу переводят в водный раствор. К электрохимическим методам относятся: полярографический (вольтамперометрический), потенциометрический, кулонометрический, кондуктометрический и многие другие. Стоит отметить, что бывают ситуации, когда невозможно определить тяжелые металлы с помощью лишь только одного метода, тогда используются сразу несколько методов с дальнейшим титрованием. Данные методы основываются на анализе вольт-амперных характеристик, потенциалов ион-селективных электродов, интегрального заряда, который служит для того, чтобы искомый метал выпал в осадок на электроде электрохимической ячейке, электропроводности раствора и т.д. Указанные способы позволяют определять тяжелые металлы до 10^-9 моль/л.

Группа спектральных анализов является включает в себя множество различных методов, с помощью которых осуществляется определение тяжелых металлов. Прежде всего, она включает в свой перечень атомный эмиссионный анализ, атомный абсорбционный анализ, спектрофотометрию, масс-спектрометрию, спектрометрию с индуктивно связанной плазмой, рентгеноспектральный анализ.

В отдельных случаях, когда концентрация тяжелых металлов находится в достаточно небольшой концентрации, то они определяются, зачастую, несколькими методами спектрометрии.

Иногда, для определения тяжелых металлов, следует прибегнуть к комплексным методам, которые сочетают в себе как спектральные, как и электрохимические способы. Одним из таких методов является спектрополяриметральный анализ.

Самый тяжелый металл

Определить и назвать один единственный самый тяжелый металл невозможно, так как критерии определения «тяжести» металла могут быть совершенно разными. Об этом шла речь в начале данной статьи. Таким образом, одним из самых тяжелых металлов является свинец, которому не уступают цинк, олово, железо, и медь, однако он не может носить титул самого тяжелого металла. Например, свинец существенно уступает жидкому металлу – ртути. Так, если поместить в ртуть кусочек свинца, то он не утонет, а будет уверенно держаться на ее поверхности. Бутылка с ртутью объемом в 1 литр будет весить 14 кг. Но, не смотря на это, и ртуть не является самым тяжелым металлом, так как золото и платина тяжелее ртути в полтора раза.

Опережают золото и платину редкие металлы – иридий и осмий, которые в два раза тяжелее железа. Итак, самые тяжелые металлы, согласно их удельному весу:

• цинк – 7,1;
• олово – 7,3;
• железо – 7,8;
• медь – 8,9;
• свинец – 11,3;
• ртуть – 13,6;
• золото – 19,3;
• платина – 21,5;
• иридий – 22,4;
• осмий – 22,5

Если же взять за основную характеристику тяжелых металлов плотность, то список будет отличаться, и в него войдут следующие элементы:

• тантал – 16,67 г/см³;
• уран – 19,05 г/см³;
• вольфрам – 19,29 г/см³;
• золото – 19,29 г/см³;
• плутоний – 19,80 г/см³;
• нептуний – 20,47 г/см³;
• рений – 21,01 г/см³;
• платина – 21,40 г/см³;
• осмий – 22,61 г/см³;
• иридий – 22,65 г/см³;

Однако, существует перечень металлов, которых общепринято считать тяжелыми. Основные тяжелые металлы:

• свинец;
• ртуть;
• медь;
• кадмий;
• кобальт.

Особенности тяжелых металлов заключаются в том, что все они обладают высокой токсичностью и в некоторых случаях несут угрозу здоровью и жизни живых организмов. Кроме этого, они обладают способностью к биоаккумуляции и биомагнификации.

Применение тяжелых металлов

В далекие времена появившиеся первые металлы в жизни человека существенно облегчили его существование на Земле. Ведь металл является более прочным материалом, чем камень или дерево. Из металла получались более продуктивные орудия труда, более разрушительное оружие, а также более надежная защита. Кроме этого, из металла люди также научились изготавливать украшения, посуду, различные ритуальные предметы, а также предметы повседневного обихода. На сегодняшний день человечеству известно порядка 70 металлов, часть из которых, согласно разным определениям и критериям отбора, являются тяжелыми. Благодаря своим уникальным свойствам и особенностям, тяжелые металлы нашли свое применение во многих сферах человеческой деятельности, в частности, в машиностроении, судостроении, авиастроении, медицине, производстве техники и электроники, строительстве, в производстве посуды, украшений, а также вещей повседневного обихода.

Например, свинец используется для покрытия различной аппаратуры  с целью ее защиты от коррозии. Также его используют в качестве оболочки кабелей, которые прокладываются под землей, в воде или любой другой влажной среде. Для зажигания двигателей внутреннего сгорания все так же используются свинцовые аккумуляторы, не смотря на то, что уже в природе давно существуют никелевые аккумуляторы, однако, стоимость последних значительно выше.

Ртуть также нашла свое широкое применение в электротехнике, электронике, приборостроении, металлургии, химии (изготовление термометров, барометров, реле, лампы дневного света, кварцевые ртутные лампы) и т.д.

Медь благодаря своему низкому удельному сопротивлению и высокой теплопроводности, достаточно широко используется в электротехнике – она является основным материалом, из которого производят силовые и другие кабели, провода, другие проводники. Из меди изготавливают различные теплообменники – радиаторы охлаждения, кондиционирования, отопления, компьютерные кулеры, тепловые трубки и многое другое.

Данные элементы добываются из руды тяжелых металлов – изначально извлекается руда, после чего осуществляется ее обогащение и затем при помощи химического или электролитического восстановления уже получается сам металл.