Тяжёлые металлы: список, свойства, особенности, сферы применения и влияние на человека

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:

• Атомный номер выше 50.
• Плотность 5+ г/см3.

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:

• Традиционные: железо, медь, хром, марганец, кобальт, олово, свинец, никель, цинк.
• Менее известные: кадмий, молибден, вольфрам, сурьма. Плюс экзотика – галлий, теллур.
• И самые коварные – ртуть, таллий, висмут.

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:

– цинк, медь, олово, свинец, никель. – железо.
• Редкие – галлий, висмут, таллий, кадмий. – молибден, вольфрам, хром. – кадмий, кобальт, свинец, ртуть, олово, галлий, таллий, висмут.

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:

1. Горное сырье. Чаще это магматические либо осадочные породы.
2. Породообразующие минералы. У меди, например, это малахит и другие минералы.
3. Вулканы. Частицы вещества извергаются попутно с вулканическими продуктами (газами, гейзерами).

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:

1. Металлургия. Выбросы в процессе плавки, обжига. Вымывание тяжелых веществ из отвалов месторождений либо меткомбинатов водой, выветривание.
2. Агросектор. Полив плантаций, удобрение полей илом бытовых стоков либо пестицидами.
3. Быт. Использование как топлива торфа, угля, другого сырья.
4. Автобаны. Свинцом, цинком, кадмием насыщены обочины автострад.

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

Свинец

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:

• Токсичные соединения растворяются в воде.
• В почве процесс активируют влажность и растительность.

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:

• Микродозы цинка, железа, меди задействованы в биологических процессах. Например, поддержании уровня гемоглобина в крови.
• Превышение микродоз опасно: тормозится работа нервной системы, сердца, почек, других органов. Разрушается скелет, идет разбалансировка жизненных процессов.
• Токсичны бесполезные свинец, ртуть.

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

В зоне риска следующие категории:

• Работники меткомбинатов.
• Жители мегаполисов, окрестностей автострад.
• Потребители продуктов со стихийных рынков (не прошедших санитарный контроль).

Уровень загрязненности территории экологи определяют благодаря местным животным.

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

10 самых тяжелых металлов в мире по плотности

Мы все любим металлы. Машины, велосипеды, кухонная техника, банки для напитков и множество других вещей — все они состоят из металла. Металл — краеугольный камень нашей жизни. Но иногда он бывает очень тяжелым.

Когда мы говорим о тяжести того или иного метала, то обычно имеем в виде его плотность, то есть соотношение массы к занимаемому объёму.

Еще одним способом измерения «веса» металлов является их относительная атомная масса. Самыми тяжелыми металлами по относительной атомной массе являются плутоний и уран.

Если вы хотите узнать, какой металл самый тяжелый, если рассматривать его плотность, то мы рады вам помочь. Вот топ-10 самых тяжелых металлов на Земле с указанием их плотности на кубический см.

10. Тантал — 16,67 г/см³

Десятую строчку в рейтинге занимает синевато-серый, очень твердый металл со сверхвысокой температурой плавления. Несмотря на свою твердость он пластичен, как золото.

Тантал является важным компонентом во многих современных технологиях. В частности, он используется для производства конденсаторов, которые применяются в компьютерной технике и мобильных телефонах.

9. Уран — 19,05 г/см³

Это самый тяжелый элемент на Земле, если учитывать его атомную массу — 238,0289 г/моль. В чистом виде уран представляет собой серебристо-коричневый тяжелый металл, который почти вдвое плотнее свинца.

Как и плутоний, уран служит необходимым компонентом для создания ядерного оружия.

8. Вольфрам — 19,29 г/см³

Считается одним из самых плотных элементов в мире. В дополнение к своим исключительным свойствам (высокая теплопроводность и электропроводность, очень высокая стойкость к воздействию кислот и истиранию) вольфрам также отличается тремя уникальными свойствами:

• После углерода он имеет самую высокую температуру плавления — плюс 3422 ° C. А его температура кипения — плюс 5555 ° C, эта температура примерно сопоставима с температурой поверхности Солнца.

• Сопровождает оловянные руды, однако препятствует выплавке олова, переводя его в пену шлаков. За это и получил свое название, которое в переводе с немецкого означает «волчьи сливки».
• Вольфрам имеет самый низкий коэффициент линейного расширения при нагревании из всех металлов.

7. Золото — 19,29 г/см³

С давних времен люди покупают, продают и даже убивают за этот драгоценный металл. Да что люди, целые страны занимаются скупкой золота. Лидером государств с самыми крупными запасами золота на данный момент является Америка. И вряд ли наступит пора, когда в золоте не будет нужды.

Говорят, что деньги не растут на деревьях, но золото — растет! Небольшое количество золота можно найти в листьях эвкалипта, если тот находится на золотоносной почве.

6. Плутоний — 19,80 г/см³

Шестой самый тяжелый металл в мире — один из самых нужных компонентов для ядерных держав мира. А еще он — настоящий хамелеон в мире элементов. Плутоний демонстрирует красочное состояние окисления в водных растворах, при этом их цвет варьируется от светло-фиолетового и шоколадного до светло-оранжевого и зеленого. Цвет зависит от степени окисления плутония и солей кислот.

5. Нептуний — 20,47 г/см³

Этот металл с серебристым блеском, названный в честь планеты Нептун, был открыт химиком Эдвином Макмилланом и геохимиком Филиппом Абельсоном в 1940 году. Он используется для получения шестого номера в нашем списке, плутония.

4. Рений — 21,01 г/см³

Слово «Рений» происходит от латинского Rhenus, что означает «Рейн». Нетрудно догадаться, что этот металл был обнаружен в Германии. Честь его открытия принадлежит немецким химикам Иде и Вальтеру Ноддакам. Это последний из открытых элементов, у которого есть стабильный изотоп.

Из-за очень высокой температуры плавления рений (в виде сплавов с молибденом, вольфрамом и другими металлами) применяется для создания компонентов ракетной техники и авиации.

3. Платина — 21,40 г/см³

Один из самых драгоценных металлов в этом списке (кроме Осмия и Калифорния-252) используется в самых разных областях — от ювелирного дела до химической промышленности и космической техники. В России лидером по добыче платинового металла является ГМК «Норильский никель». В год в стране добывается около 25 тонн платины.

2. Осмий — 22,61 г/см³

Хрупкий и при этом крайне твердый металл редко используется в чистом виде. В основном его смешивают с другими плотными металлами, такими как платина, для создания очень сложного и дорогого хирургического оборудования.

Название «осмий» происходит от древнегреческого слова «запах». При растворении щелочного сплава осмиридия в жидкости появляется резкое амбре, похожее на запах хлора или подгнившей редьки.

И осмий и иридий (первое место рейтинга) весят примерно в два раза больше свинца (11,34 г/см³).

1. Иридий — 22,65 г/см³ – самый тяжелый металл

Этот металл с полным правом может претендовать на звание элемента с наибольшей плотностью. Однако споры о том, какой же металл тяжелее — иридий или осмий, все-таки ведутся. А все дело в том, что любая примесь может снизить плотность этих металлов, а их получение в чистом виде — очень тяжелая задача.

Теоретическая расчетная плотность иридия составляет 22,65 г/см³. Он почти втрое тяжелее, чем железо (7,8 г/см³). И почти вдвое тяжелее, чем самый тяжелый жидкий металл — ртуть (13,6 г/см³).

Как и осмий, иридий был открыт английским химиком Смитсоном Теннантом в начале 19 века. Любопытно, что Теннант нашел иридий вовсе не целенаправленно, а случайно. Он был обнаружен в примеси, оставшейся после растворения платины.

Иридий в основном используется в качестве отвердителя платиновых сплавов для оборудования, которое должно выдерживать высокие температуры. Он перерабатывается из платиновой руды и является побочным продуктом при добыче никеля.

Название «иридий» переводится с древнегреческого как «радуга». Это объясняется наличием в металле солей разнообразной окраски.

Самый тяжелый металл в периодической таблице Менделеева очень редко встречается в земных веществах. Поэтому его высокая концентрация в образцах породы — маркер их метеоритного происхождения. За год во всем мире добывают около 10 тысяч килограмм иридия. Крупнейший его поставщик — Южная Африка.

Рейтинг самых тяжелых металлов в мире

Металлы являются неотъемлемой частью нашей жизни. Люди производят из них современные средства передвижения (автомобили, мотоциклы, велосипеды и т.п.), бытовую технику, посуду и многое другое. По сути, они стали основой основ во всех сферах жизни человека: производстве, строительстве, медицине и т.д. Область применения зависит от самого металла и его свойств, в том числе от тяжести. Под тяжестью обычно подразумевается отношение его массы к объему, то есть плотность. Однако также характеризовать металлы по весу можно основываясь на их относительной атомной массе. Исходя из этой характеристики, уран и плутоний самые тяжелые из всех известных в настоящее время металлов.

Если рассматривать плотность как меру определения тяжести, то рейтинг самых тяжелых металлов выстроится следующим образом:

10 место: Тантал. Плотность 16,67 г/см³.

Тантал редкий метал голубовато-серого, но чаще свинцового цвета. Он очень твердый и тугоплавкий. Однако несмотря на высокую температуру плавления (3017 °С) тантал остается очень пластичным, из-за чего легко поддается механической обработке. Благодаря своим физическим свойствам тантал широко применяется при производстве высокотехнологичных устройств и оборудования: конденсаторов, мобильных устройств, компьютерной техники, в военной отрасли.

9 место: Уран. Плотность 19,05 г/см³.

По относительной атомной массе уран самый тяжелый на планете. Цвет вещества серебристо-коричневый или серебристо-белый, глянцевитый. Уран весьма ковкий, гибкий и плотный. Широко применяется в ядерных реакторах и при производстве ядерного оружия.

8 место: Вольфрам. Плотность 19,29 г/см³.

Помимо одной из самых высоких плотностей в мире, вольфрам характеризуется высокой тепло- и электропроводностью, повышенной устойчивостью к истиранию и воздействию кислот. Исключительной особенностью вольфрама является его тугоплавкость. У него самая высокая температура плавления (3422 °C). Выше только у углерода. При этом кипит вольфрам при 5555 °C. Для понимания серьезности этих цифр: температура поверхности Солнца 5500 °C. В чистом виде вольфрам серебристо-белый, легко поддающийся ковке. Является спутником оловянной руды, но при выплавке олова превращает его в шлаковую пену, за что был назван «волчьими сливками».

7 место: Золото. Плотность 19,29 г/см³.

Драгоценный металл, значимый во всем мире. Исторически так сложилось, что его покупают и продают, когда-то даже могли убить ради золота. В настоящее время золото не менее востребовано, ведь золотым фондом подкрепляют денежное благосостояние страны. Самые крупные запасы этого металла зафиксированы в Америке. Навряд ли когда-нибудь наступит время, когда золото перестанет быть таким востребованным. Разве что его потеснит какой-нибудь другой драгоценный металл.

Занимательный факт: кто-то может себе представить, что золото растет на деревьях? А вот может! Например, в листьях эвкалипта, растущего на золотоносной почве, концентрируется небольшое количество этого драгоценного металла.

6 место: Плутоний. Плотность 19,80 г/см³.

Плутоний – самый тяжелый металл на земле и самое важное вещество в производстве ядерного оружия. Этот металл обладает впечатляющей цветовой палитрой, ведь при окислении (в зависимости от степени окисления и самих кислот) он подобно хамелеону демонстрирует цветовую гамму от светло-фиолетового, шоколадного, до светло-оранжевого или зеленого.

5 место: Нептуний. Плотность 20,47 г/см³.

Впервые металл был экспериментально выведен в первой половине 20 века американскими исследователями: химиком Э. Макмилланом и геохимиком Ф. Абельсоном. Свое название он получил по имени восьмой планеты Солнечной системы — Нептун. Нептуний получают из продуктов длительного облучения урана в ядерных реакторах при синтезе плутония.

4 место: Рений. Плотность 21,01 г/см³.

Canon 100mm EF macro

Еще один значимый и редкий, а следовательно дорогой металл. Открыт рений был в 1922 году в Германии немецкими химиками-супругами Идой и Вальтером Ноддаками, подарившими металлу название в честь реки Рейн.

Сам металл обладает серебристо-белым цветом, он очень плотный и твердый. Благодаря высоким температурам кипения (5869 °С) и плавления (3186 °С), рений может быть подвержен многократным перегревам и охлаждениям, сохраняя прочностные характеристики. Из-за этих свойств рений в сплавах с вольфрамом и молибденом применяется в авиации и ракетном строительстве.

3 место: Платина. Плотность 21,40 г/см³.

Платина относится к благородным металлам и используется различных сферах человеческой деятельности: изготовление ювелирных изделий, стоматология, приборостроение и другие отрасли. Общая добыча платины за год в России достигает 25 тонн, при этом передовиком в этой области является ПАО «Норникель».

2 место: Осмий. Плотность 22,61 г/см³.

Осмий — серебристо-белый металл с голубоватым оттенком. Он очень твердый, но хрупкий. Без примесей его практически не используют. Как правило, осмий перемешивают с подобными плотными металлами, например, платиной. Получившаяся многокомпонентная металлическая смесь используется при изготовлении медицинского оборудования, например, в хирургии.

Названия металла переводится как «запах». Это связано с появлением специфического хлористого аромата при растворении щелочного сплава осмия и иридия. Осмий крайне тяжелый металл, вес которого вдвое превышает вес свинца.

1 место: Иридий. Плотность 22,65 г/см³.

По плотности иридий можно назвать самым тяжелым из известных металлов. Но некоторые исследователи до сих пор не могут сойтись во мнении, плотность иридия, или же осмия выше? Это связано с тем, что чистое вещество получить крайне тяжело, а примеси значительно снижают плотностные характеристики.

Плотность иридия почти в 3 раза больше плотности железа, и в 2 раза тяжелее ртути.

Открытие иридия произошло благодаря трудам англичанина Смитсона Теннанта в 1803 году. Он был химиком и обнаружил иридий совершенно случайно, растворяя платину. В оставшемся нерастворимом остатке он обнаружил незнакомое вещество, известное нам теперь как иридий.

Название «иридий» означает «радуга». Такое название было выбрано из-за радужного цвета солей, находящихся в нем. Как правило в земной коре иридий практически не встречается, в отличии от космических объектов. Поэтому его нахождение в земле в большом количестве может свидетельствовать о происходивших метеоритных бомбардировках на конкретной территории.

Сплав иридия и платины обычно применяется для производства устройств, которые должны подвергаться большим температурным нагрузкам. Обычно он появляется как побочное вещество при добыче никеля. За год в мире добывается в среднем 10 тысяч кг иридия, при этом больше всего добычи происходит в Южной Африке.

Источник https://jgems.ru/metally/tyazhelye

Источник https://basetop.ru/samyiy-tyazhelyiy-metall-v-mire-top-10/

Источник https://9ox.ru/rejting-samyh-tyazhelyh-metallov-v-mire/