Тяжелые металлы – перечень, свойства и риски элементов

Ценные элементы: российские учёные открыли месторождение стратегических металлов на Кольском полуострове

Российские учёные совместно с зарубежными коллегами открыли на Кольском полуострове геологическое образование — дайку, богатое редкоземельными элементами. Специалисты установили, что она образовалась около 400 млн лет назад благодаря горячим мантийным потокам, двигающимся от основания мантии к поверхности Земли. По словам учёных, найденные в дайке металлы имеют стратегическое значение для гражданской и оборонной промышленности.

Учёные из Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского (ГЕОХИ) РАН совместно с зарубежными коллегами открыли на Кольском полуострове геологическое образование, богатое редкими стратегическими металлами. Их концентрация выше, чем на аналогичных суперкрупных месторождениях. О находке геологов сообщили RT в пресс-службе Минобрнауки. Результаты исследования опубликованы в журнале Lithos.

Как отмечают учёные, в Мурманской области находится Кольская щелочно-карбонатитовая провинция, с которой связаны крупнейшие месторождения редкоземельных металлов, имеющих стратегическое значение для гражданской и оборонной промышленности. Они принципиально меняют свойства материалов. Например, добавление незначительного количества редкоземельного скандия в алюминиевые сплавы в три раза повышает их прочность и создаёт ковкость.

Редкоземельные элементы используют в радиоэлектронике, приборостроении, атомной технике, машиностроении, химической промышленности, металлургии. В частности, ниобий используется в сверхпроводящих материалах. Сплавы из ниобия, содержащие титан и олово, применяются в магнитах МРТ-сканеров.

Ценные элементы сконцентрированы в дайках — так геологи называют вертикальный столб породы, который может образовываться в результате подъёма расплавленной магмы из недр планеты к поверхности.

Открытая учёными дайка содержит очень высокую концентрацию редкоземельных металлов. По словам авторов работы, в породе есть значительное количество ниобия, циркония, бария, стронция, железа, титана, а также летучих компонентов, которые позволяют металлургам регулировать температуру кристаллизации и вязкость сплавов.

«Марсианский» минерал: российские учёные впервые нашли мерриллит в земных условиях

Российские учёные обнаружили в бразильских алмазах включения минерала мерриллита. Ранее это соединение встречалось только в метеоритах.

«Всё это отражается в её (дайки. — RT) минеральном составе: слагающая её порода состоит из таких чрезвычайно редких минералов, как лампрофиллит, энигматит, астрофиллит, нунканбахит», — отметила в беседе с RT заведующая лабораторией геохимии и рудоносности щелочного магматизма ГЕОХИ РАН, академик РАН Лия Когарко.

Специалисты определили, что возраст открытого геологического образования — около 370 млн лет. Химический состав дайки указывает на то, что она сформировалась благодаря горячим мантийным потокам, двигающимся от основания мантии к поверхности Земли.

Находка имеет не только практическое, но и научное значение. Как пояснила Лия Когарко, уникальность найденной дайки заключается в том, что она является результатом самого позднего этапа разделения щелочной магмы на фазы — её дифференциации. Исследование геохимического состава породы позволит учёным узнать, как именно происходил процесс концентрации редких элементов в остывающей щелочной магме.

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.

Тяжелые металлы в россии

Репетитор по Химии
Конспекты

На этой странице Вы можете найти конспект на тему «Тяжелые металлы.» и оценить уровень подготовленного материала. Я надеюсь, что Вы, обращаясь ко мне за помощью, уже не будете покупать кота в мешке. Вы будете знать, что Вашего ребенка или Вас учит знающий свое дело специалист — репетитор по химии. Более подробную информацию обо мне Вы сможете прочитать здесь.

С уважением,
доктор биологических наук,
ведущий научный сотрудник НИИ акушерства и гинекологии им. Д.О.Отта
репетитор по химии и биологии
Соколов Дмитрий Игоревич

Тяжелые металлы относятся к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах.

Термин тяжелые металлы, характеризующий широкую группу загрязняющих веществ, получил в последнее время значительное распространение. В различных научных и прикладных работах авторы по-разному трактуют значение этого понятия. В связи с этим количество элементов, относимых к группе тяжелых металлов, изменяется в широких пределах. В качестве критериев принадлежности используются многочисленные характеристики: атомная масса, плотность, токсичность, распространенность в природной среде, степень вовлеченности в природные и техногенные циклы. В некоторых случаях под определение тяжелых металлов попадают элементы, относящиеся к хрупким (например, висмут) или металлоидам (например, мышьяк).

В работах, посвященных проблемам загрязнения окружающей природной среды и экологического мониторинга, на сегодняшний день к тяжелым металлам относят более 40 металлов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и др. При этом немаловажную роль в категорировании тяжелых металлов играют следующие условия: их высокая токсичность для живых организмов в относительно низких концентрациях, а также способность к биоаккумуляции и биомагнификации. Практически все металлы, попадающие под это определение (за исключением свинца, ртути, кадмия и висмута, биологическая роль которых на настоящий момент не ясна), активно участвуют в биологических процессах, входят в состав многих ферментов. По классификации Н.Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см 3 . Таким образом, к тяжелым металлам относятся Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg.

Формально определению тяжелые металлы соответствует большое количество элементов. Однако, по мнению исследователей, занятых практической деятельностью, связанной с организацией наблюдений за состоянием и загрязнением окружающей среды, соединения этих элементов далеко не равнозначны как загрязняющие вещества. Поэтому во многих работах происходит сужение рамок группы тяжелых металлов, в соответствии с критериями приоритетности, обусловленными направлением и спецификой работ. Так, в ставших уже классическими работах Ю.А. Израэля в перечне химических веществ, подлежащих определению в природных средах на фоновых станциях в биосферных заповедниках, в разделе тяжелые металлы поименованы Pb, Hg, Cd, As. С другой стороны, согласно решению Целевой группы по выбросам тяжелых металлов, работающей под эгидой Европейской Экономической Комиссии ООН и занимающейся сбором и анализом информации о выбросах загрязняющих веществ в европейских странах, только Zn, As, Se и Sb были отнесены к тяжелым металлам. По определению Н. Реймерса отдельно от тяжелых металлов стоят благородные и редкие металлы, соответственно, остаются только Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg. В прикладных работах к числу тяжелых металлов чаще всего добавляют Pt, Ag, W, Fe, Au, Mn.

Ионы металлов являются непременными компонентами природных водоемов. В зависимости от условий среды (pH, окислительно-восстановительный потенциал, наличие лигандов) они существуют в разных степенях окисления и входят в состав разнообразных неорганических и металлорганических соединений, которые могут быть истинно растворенными, коллоидно-дисперсными или входить в состав минеральных и органических взвесей.

Истинно растворенные формы металлов, в свою очередь, весьма разнообразны, что связано с процессами гидролиза, гидролитической полимеризации (образованием полиядерных гидроксокомплексов) и комплексообразования с различными лигандами. Соответственно, как каталитические свойства металлов, так и доступность для водных микроорганизмов зависят от форм существования их в водной экосистеме.

Многие металлы образуют довольно прочные комплексы с органикой; эти комплексы являются одной из важнейших форм миграции элементов в природных водах. Большинство органических комплексов образуются по хелатному циклу и являются устойчивыми. Комплексы, образуемые почвенными кислотами с солями железа, алюминия, титана, урана, ванадия, меди, молибдена и других тяжелых металлов, относительно хорошо растворимы в условиях нейтральной, слабокислой и слабощелочной сред. Поэтому металлорганические комплексы способны мигрировать в природных водах на весьма значительные расстояния. Особенно важно это для маломинерализованных и в первую очередь поверхностных вод, в которых образование других комплексов невозможно.

Для понимания факторов, которые регулируют концентрацию металла в природных водах, их химическую реакционную способность, биологическую доступность и токсичность, необходимо знать не только валовое содержание, но и долю свободных и связанных форм металла.

Переход металлов в водной среде в металлокомплексную форму имеет три следствия:

1. может происходить увеличение суммарной концентрации ионов металла за счет перехода его в раствор из донных отложений;

2. мембранная проницаемость комплексных ионов может существенно отличаться от проницаемости гидратированных ионов;

3. токсичность металла в результате комплексообразования может сильно измениться.

Так, хелатные формы Cu, Cd, Hg менее токсичны, нежели свободные ионы. Для понимания факторов, которые регулируют концентрацию металла в природных водах, их химическую реакционную способность, биологическую доступность и токсичность, необходимо знать не только валовое содержание, но и долю связанных и свободных форм.

Источниками загрязнения вод тяжелыми металлами служат сточные воды гальванических цехов, предприятий горнодобывающей, черной и цветной металлургии, машиностроительных заводов. Тяжелые металлы входят в состав удобрений и пестицидов и могут попадать в водоемы вместе со стоком с сельскохозяйственных угодий.

Повышение концентрации тяжелых металлов в природных водах часто связано с другими видами загрязнения, например, с закислением. Выпадение кислотных осадков способствует снижению значения рН и переходу металлов из сорбированного на минеральных и органических веществах состояния в свободное.

Прежде всего представляют интерес те металлы, которые в наибольшей степени загрязняют атмосферу ввиду использования их в значительных объемах в производственной деятельности и в результате накопления во внешней среде представляют серьезную опасность с точки зрения их биологической активности и токсических свойств. К ним относят свинец , ртуть, кадмий, цинк, висмут, кобальт, никель , медь , олово, сурьму, ванадий, марганец , хром, молибден и мышьяк.

Источник https://russian.rt.com/science/article/1063636-uchyonye-issledovanie-magma-metally

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

Источник https://himbrep.ru/docs/chem/tmet.htm