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定义编辑

重金属在元素周期表上的位置
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
1  H He
2  Li Be B C N O F Ne
3  Na Mg Al Si P S Cl Ar
4  K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5  Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6  Cs Ba La * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7  Fr Ra Ac ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
 
* Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
** Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
 
满足的标准个数:
元素数量:
  
10  
3
  
9
5
  
8
14
  
6–7
56
  
4–5
14
  
1–3
4
  
0
3
  
非金属
19
各个金属元素所满足的不同“重金属判定标准”数量。本节内罗列的10个标准中,有2个基于密度,3个基于原子质量,2个基于原子序数,3个基于化学性质[註 1]这说明除了外,其他金属是否属于“重金属”还存在争议。
一般而言被视为非金属,而在此处也计入金属[14][註 2]Og在此处属于非金属。虚线内的元素单质密度(对于从砹至Ts的元素为预测值)大于5 g/cm3

对于重金属一词的定义,并无广泛接受的共识,因此在不同语境下可能有不同的含义。例如:

  • 冶金行业中,一种金属是否为重金属可能根据其密度决定[15]
  • 在化学中可能根据其化学性质决定[8]

基于密度的界定标准从大于3.5 g/cm3到大于7 g/cm3皆有使用[1]。基于原子质量的则有大于的22.98au、大于40(从开始,s区元素f区元素除外)[2]以及大于200(自开始)等若干种不同的标准[3]原子序数标准一般是大于20(),[1]有時以92()為上限。[4]基于原子序数的标准可能会将一些密度较低的金属也认定为重金属。例如属于碱金属,其原子序数为37,而密度仅为1.532 g/cm3,低于绝大多数基于密度的标准[17]。基于原子质量的标准也有类似的情况[18]

美国药典》提出一个辨识重金属元素的测试方法,其包含金屬的有色硫化物雜質沈澱。[5][註 3]。化学家斯蒂芬·霍克斯(Stephen Hawkes)在1997年提出,“重金属”一词应适用于“硫化物不溶于水、氢氧化物不溶于水、溶于水并生成有色溶液、配合物通常有色的金属”。在这个基础上,霍克斯提出把“重金属”定义为“所有在元素周期表里位于3族16族、同时位于第4周期或以下的金属”,即是过渡金属貧金屬[8][註 4]镧系元素都满足霍克斯的表述,而锕系元素则尚未确定。[註 5][註 6]

生物化学领域,重金属的定义有时建基于酸碱电子理论,以某一金属元素的离子在水溶液的路易斯酸行为(接收电子对)来区分。这个准则把较倾向接收氧原子电子对的金属离子称为“A类”,较倾向接收氮原子或硫原子电子对的金属离子称为“B类”;有些金属离子在不同情况下分别展示出A类和B类的特性,模棱两可,处于临界位置。由此,这个准则把“重金属”一词定义为上述的B类金属或临界金属。[39][註 7]A类金属包括碱金属、碱土金属3族元素、镧系元素和锕系元素,它们倾向有较低的电负性,并倾向形成离子键成分较大化学键[註 8]B类金属通常具有较高的电负性,并倾向于形成共价键成分较大化学键。B类金属主要是较重的过渡金属和贫金属。临界金属主要由较轻的过渡金属和贫金属组成(以及)。三类金属中A类金属和另外两类金属的差异较大。[43]一个关于使用上述分类系统,以替代轻重金属分类的提议[註 9]尚未被广泛接受。[45]

以密度界定编辑

密度是否大于5 g/cm3有时被视为界定一个金属元素是否重金属的通用指标[46]。由于学术界对重金属尚没有一致定义,下方列表、以至本条目余下内容(除非另有註明)将会建基于上述标准。符合这个标准的类金属(例如砷和锑)有时候也会视作重金属(尤其是在环境化学领域)[47],本条目亦然。的密度为4.8 g/cm3[48],稍微低于上述标准,但仍会收录在下方列表之内。它较少被视为类金属[14]但其部分水性化學性质与砷和锑相近[49]。有些密度低于上述标准的金属有时候也会当成“重金属”看待,例如[50](密度为1.8 g/cm3[51]、铝[50](2.7 g/cm3[52]、钙[53](1.55 g/cm3[54]、钡[53](3.6 g/cm3[55]。本条目把这些金属一概视为轻金属,不会进一步讨论。

主要通过商业开采生产 (下表以经济重要性分类,非正式分类方法)
战略性元素(30个)
 
 
 
 
 
 
 
 
 
被认为对多国战略利益举足轻重[56]
(右方列出其中22个,其余8个列于下方)
贵金属(8个)
稀有又昂贵[57]
战略性:
非战略性:
商品金属(9个)
公噸为单位在伦敦金属交易所交易
战略性:
非战略性:
其他(14个)
既非战略性元素,也非贵金属,亦非商品金属
主要通过核嬗变生产(下表以稳定性分类,非正式分类方法)
长寿命(15个)
半衰期长于一天
短寿命(16个)
半衰期短于一天
锑、砷、锗、碲通常被视作类金属,硒较少被这样看待。[14]
砈被推算为金属元素。[58]
  这34个元素的所有同位素都不稳定,因此具放射性。虽然铋亦如此,但它的半衰期为 年,是宇宙的年龄(138亿年)乘上超过十亿倍,因此不列为放射性金属。[59][60]
这8个元素也存在于自然环境中,但存量太少,不足以作经济上可行的开采。[61]

詞語编辑

由来與應用编辑

史前时代的人类已经注意到铁(以自然鐵英语Telluric iron的形式存在)、金、银等天然金属英语Native metal很重。由于这些金属具有优良展性,所以常常會被制成饰物、工具和武器,這是人类首次尝试用金属制造这些物品。[62]从史前时代至1809年前发现的金属之密度一概相对较高,这被视为金属的唯一判断标准[63]

自1809年起,科学家开始成功提取轻金属(例如等)。由於这些金属密度低,其冲击了当时科学家认为金属密度都高的传统想法;因此有科学家提议把这些金属成为“类金属”(意指它们的形态或外观类近于其他金属)[64][65]。但是科学界最终没有采用这个说法,而是把轻金属承认为金属元素,“类金属”一词则用作指称非金属元素(其后又改用作指称难以归类为金属或非金属的元素)[66]

“重金属”一词的早期使用可以追溯到1817年:当时,德国化学家利奧波德·格梅林英语Leopold Gmelin把化学元素分类为非金属、轻金属、重金属三种[67],他把轻金属界定为密度介于0.860 g/cm3至5.0 g/cm3的金属元素,重金属则界定为密度介于5.308 g/cm3至22.000 g/cm3的金属元素[68][註 10]“重金属”一词后来用作指称高原子量或高原子序的化学元素[17],有时与“重元素”一词交替使用。

不同學界的不同定義编辑

核化學歷史上,Magee[69]留意到曾經有紀錄將錒系元素視為新的“重元素”過渡系,而格倫·西奧多·西博格和他的同事则偏好使用「类稀土元素的重金属系列元素」來標示錒系元素

天文学领域,重元素所指的是任何比重的元素[70]

质疑编辑

苏格兰毒理学家约翰·达弗斯(John Duffus)在2002年审视了过往60年“重金属”一词在学术界的定义,发现各个定义迥然不同,因而批评这个术语无意义可言[71]。学术界也经常质疑一些金属是否属于重金属,理由包括它们太轻、它们涉及到生物过程英语Biological process当中、它们甚少构成环境危害英语Environmental hazard等,例如:钪(太轻)[17][72];钒、锌(涉及到生物过程)[73];铑、铟、锇(太稀有)[74]

詞語應用程度编辑

虽然“重金属”一词的含义没有定论,但这个术语仍旧经常在科学文献里出现。2010年,有研究显示这个术语的使用量日益增加,似乎已经成为科学语言的一部分[75]。由于“重金属”一词既方便又为人熟悉,所以只要附上严谨定义,这个术语也会被视为可以接受的[39]。与重金属相对应的术语是“轻金属”,美国矿物、金属与材料学会英语The Minerals, Metals & Materials Society建议用这个名词指称铝、、铍、钛、锂以及其他高活性金属[76],它们的密度介乎0.534 g/cm3至4.54 g/cm3

生物角色编辑

一个体重70公斤的人
体内通常的重金属含量
元素 毫克[77]
4000 4000
 
2500 2500
 
[註 11] 120 120
 
70 70
 
[註 12] 30 30
 
20 20
 
20 20
 
[註 13] 15 15
 
14 14
 
12 12
 
其他[註 14] 200 200
 
总计 7000

一些在生物体内发生的过程需要微量重金属(多数是第4周期元素)方能进行。这些重金属包括:铁和铜(氧气运输電子傳遞)、钴(复合物合成与细胞新陈代谢)、锌(羥基化)、钒和锰(酶的调节和运作)、铬(葡萄糖利用)、镍(细胞生长英语Cell growth)、砷(一些动物的代谢生长,可能包括人类)、硒(抗氧化功能和激素制造)。[82][83]第5和第6周期有较少属于必要元素的重金属,符合“元素越重就越稀有,元素越稀有就越不常是必要营养”的一般规律[84]。生物需要钼(第5周期元素)来催化体内的氧化还原反应,一些海洋矽藻则是用镉来达到这个目的。有些矽藻物种需要同属第5周期的锡来生长。[85]一些古菌细菌需要钨(第6周期元素)来进行新陈代谢程序[86]。如果生物缺乏上述任何一种属于必要元素的第4和第6周期重金属,就可能会更容易出现重金属中毒[87](倒过来说,如果体内有过剩的重金属,同样可能造成负面生物影响)。

一个体重為70公斤的人体内英语Composition of the human body通常有大概0.01%的重金属(约等于7克,重量相当于两颗晒干的豌豆,其中铁(4克)、锌(2.5克)、铅(0.12克)是三大主要成分)、2%的轻金属(约等于1.4公斤,重量相当于一瓶红酒)、约98%的非金属(其中大部分是[88][註 15]

有好几个不属于必要元素的重金属也被认为有生物影响。锗(类金属)、镓、铟以及大多数镧系元素可以刺激代谢,而钛(有时不被视为重金属)能够促进植物生长。[89]

毒性编辑

这章节集中讲述重金属较为严重的毒性,包括癌症腦損傷和死亡,而非它们可能对皮肤肺部胃部肾脏肝脏心脏造成伤害。关于更具体的毒性资讯,参见金属毒性英语Metal toxicity有毒重金属,或者参看个别元素和化合物的条目。

重金属经常被认定为剧毒或者会破坏环境[90]。有些重金属的确如此,不过有些重金属只是在摄取过量时才有毒,或者只在特定形式才有毒性。

环境污染编辑

铬、砷、镉、汞、铅是最具潜在危害的重金属,这是因为它们被人类广泛使用,而且在环境里广泛分布,但是它们的单质或化合物有毒[91]。例如六价铬(铬的一种形式)具有剧毒,毒性与气态汞相若、与多种汞化合物相若[92]。这五个重金属元素对有强大的亲和力,因此它们在人体里经常与巰基官能團(-SH)上的硫原子键合,从而结合到控制代谢反应速度的之上。硫原子与重金属原子之间的化学键抑制了酶的正常运作,令人体健康受损害,有时更可能死亡。[93]铬(六价铬)和砷是致癌物,镉会导致痛痛病(骨骼变异),汞和铅会损害中樞神經系統

铅是最常见的重金属污染物[94]。在工业化地区,水生环境里的铅浓度估计为非工业化地区的两至三倍[95]。在1930至1970年代,四乙基铅(CH3CH2)4Pb)被广泛用作汽油添加剂[96]。虽然北美洲国家在1996年前大规模淘汰了含铅汽油,但此前兴建的行车道旁边的土壤已经留下了高浓度铅[97]。后来的研究发现,美国的含铅汽油使用率和暴力罪案率之间存在关联,这种关联在统计学上是显著的:考虑两者之间有22年(暴力罪犯平均作案年龄)的时间延迟,暴力罪案率与铅暴露的统计曲线几乎完全相合[98]

其他具有潜在危害、通常是有毒环境污染物的重金属包括:锰(损害中央神经系统[99];钴和镍(致癌)[100];铜[101]、锌[102]、硒[103]、银[104](对鱼类、植物、鸟类和其他水生动物造成內分泌扰乱、先天性障碍或一般毒害);锡(有機錫化合物损害中央神经系统)[105];锑(怀疑致癌)[106](损害中央神经系统)[101][註 16][註 17]

属于必要营养素的重金属编辑

如果摄取过量,属于必要营养素的重金属也可能会变得有毒,一些元素已知存在一些有毒的形态。五氧化二钒(V2O5)对动物是致癌物,吸入可以引致DNA损伤[101]高锰酸根离子(MnO
4
)对肝脏肾脏有毒[110]。摄入0.5克以上的铁能够导致心脏衰竭,这种过量摄取通常发生在儿童身上,可能在24小时内引致死亡[101]。30百万分率浓度的四羰基镍(Ni2(CO)4)可以引致呼吸衰竭、脑损害、以至死亡[101]。吸入一克或以上的硫酸铜(CuSO4)可以致命,即使存活下来也可能遭受主要器官损伤[111]。硒的建议摄取量是0.45毫克,一旦摄取多于5毫克就具有剧毒,这个分量是建议摄取量的十倍左右[112];长期硒中毒还能够致瘫[101][註 18]

其他编辑

一些非必需的重金属元素具有一种或多种有毒化合物形态。曾出现过由于过量摄入导致肾衰竭甚至致命的记录[101]。暴露于四氧化锇则可能导致永久性眼损伤、呼吸衰竭[114]及死亡[115]。对于,如果摄入超过几毫克,会使肾脏肝脏心脏受到影响[116]。重要的化疗药物顺铂对肾脏及神经具有毒性[101]。过量摄入化合物可导致肝损伤。不可溶的铀化合物以及它们产生的电离辐射则可导致永久性肾损伤[117]

暴露源编辑

工业活动带来的重金属富集能降低空气、水及土壤的质量,并因此导致动植物健康状况下降[118]。可能导致重金属富集的来源包括工业垃圾、汽车尾气、铅酸蓄电池、肥料、染料、经过处理的木材[119]、老化的管道[120]以及海中漂浮的塑胶颗粒[121]。1950年代发生于日本的水俣病事件,正是由于含汞废水被排放入海,被水中生物摄入后转化为有机汞化合物,人食用这些海产品后有机汞进入人体所致[122];而巴西的班托羅德里格斯水壩災難[123]、美国的弗林特饮用水危机英语Flint water crisis[124]等都是由于不当工业活动而使得普通民众暴露于过量重金属的例子。[125]

形成、丰度、分布及提取编辑

 
地壳中的重金属
丰度及主要来源和分布情况[註 19]
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
1  H He
2  Li Be B C N O F Ne
3  Na Mg Al Si P S Cl Ar
4  K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5  Rb Sr Y Zr Nb Mo Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te  I  Xe
6  Cs Ba La   Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi
7   
  Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
  Th U
 
   丰度最高(按质量计 56300 ppm)[129]
   丰度低 (0.01–0.99 ppm)
   丰度高 (100–999 ppm)
   丰度极低 (0.0001–0.0099 ppm)
   丰度中等 (1–99 ppm)
 
 
分割线左边的重金属元素多为亲石元素英语Goldschmidt classification#Lithophile elements;右边则多为亲硫元素英语Goldschmidt classification#Chalcophile elements,除了金(亲铁元素英语Goldschmidt classification#Siderophile elements)和锡(亲石元素)

重金属元素的产生与大多数元素类似,是从已存在的原子核发生核反应后形成。关于具体的反应形式,可按原子序数小于和大于铁元素进行区分。在之前的重金属元素大部分是通过恒星核合成产生的。恒星内,从氢至硅的元素在恒星内部参与连续的核聚变反应,释放光和热,并生成较原子序数较大的元素。[130]

由于通过核聚变生成原子序数大于铁的元素的过程中,吸收的能量大于放出的能量,故原子序数大于铁的重金属通常并不经由核聚变产生[131],它们主要由原子序数较小的元素发生中子俘获而来。中子俘获有两种主要的形式——R-过程S-过程。在S-过程中,两次俘获事件之间可能间隔数年或数十年,这使得不稳定的原子核有充分时间发生β衰变[132]。而在R-过程中,俘获速率比衰变速率快。因此,S-过程的反应路径较为清晰,例如-110在恒星内被足够的中子轰击后变为镉-115,然后通过β衰变生成半衰期长达宇宙年龄30000倍的-115。铟-115可继续俘获中子变成铟-116,然后衰变为-116[130][133][註 20]。由于的半衰期很短,他们会快速衰变为铋和铅,使得S-过程终止于。而在R-过程中则没有这样的反应路径。R-过程的俘获速率太快,以至于可以跳过一些不稳定的核素,从而产生更重的元素,例如[135]

关于这些过程所需的较轻元素及中子的来源,则与恒星的演化有关。恒星可能会在他们生命周期的末期会将一部分质量抛出,而中子星碰撞事件则抛出大量中子[136][註 21],产生了上述的中子俘获过程的发生条件,因而得以在星际空间中产生更重的元素。之后在引力的作用下,这些物质逐渐坍缩形成新的恒星和行星[138]

按质量计算,地壳中大约含有5%的重金属,其中铁占95%;轻金属占约20%,非金属占约75%[126]。虽然总体含量较少,但由于造山运动侵蚀作用及其他地质过程,重金属元素常常集中出现,从而在经济上有提取的价值[139]

重金属元素中的一些元素属于亲石元素英语Goldschmidt classification#Lithophile elements(易与结合成化合物),另有一些属于亲硫元素英语Goldschmidt classification#Chalcophile elements(易与除氧以外的氧族元素形成化合物)。其中亲石元素主要是f区元素,且通常比d区元素具有更活跃的化学性质。它们与氧具有很强的化學親和性,常常出现在相对低密度的硅酸盐矿物[140]。亲硫重金属元素一般较d区及第4至6周期的元素不活跃。在自然界中,这类元素一般出现于不可溶的硫化物矿物英语sulfide minerals中。亲硫元素形成的矿物通常比亲石元素的密度大,因而在形成过程中会沉至地壳更深处,而丰度也更低[141]

金作為一种亲铁元素英语Goldschmidt classification#Siderophile elements,不易与氧或硫化合成化合物[142]。在地球形成时,金与其他抗腐蚀金属倾向于熔合成高密度合金,并沉入地核,因而相对稀有[143]。一些相对而已較為不贵重的重金属(如铂系金属等),其被认为主要是以亲铁金属的型態存在於地核地幔地殼中,而在地壳中则又被认为主要以亲硫金属的型態存在,其少以天然金属英语native metal形式存在於自然界[144][註 22]

地殼下的重金屬豐度通常較高,而大部分存在於鐵-硅-鎳核中。例如,鉑佔地殼的約十億分之一,而其在地核豐度則會高出近6000倍[145][146]。最年來的猜測表明,地核中的元素(可能亦有元素)可能會因為衰變產生大量的熱量,來驅使板塊運動,並(最終)來維持到地球的磁場[147][註 23]

從礦石中獲得重金屬的方式,主要是根據礦石不同種類的性質的變化而變化。提煉的方式方法會涉及到各種金屬的化學性質、方法的經濟效益、方法複雜性等等。這會導致不同的煉油廠或國家可能會使用不同的方法來提煉,所以其可能與此處所列之簡要大綱不同。

除了一些特殊例子之外,從廣義上來講,親石重金屬可以通過電解或化學處理來從其礦石中提取出來;而親金屬的重金屬元素則是通過高溫煅燒原礦石中的硫化物,使其轉換成對應的氧化物,然後繼續煅燒重金屬氧化物,以獲得純金屬元素[149][註 24]。由於鐳元素於自然界存量較少,不能產生經濟效應;所以主要是從核廢料中提取出來的[152]親金屬鉑系元素主要是與其他親金屬元素熔合在一起形成的親金屬原礦石。這些原礦石需要通過熔煉英语smelting、煅燒,再淋溶英语leaching (metallurgy)硫酸中,才能提取出不可與硫酸反應的鉑系元素。這是化學精製得到的純金屬單質[153]。與其他金屬元素相比,鉑系元素因為元素豐度[154]與生產成本[155]的原因,而導致其更為昂貴。

金元素由於屬亲铁元素英语Goldschmidt classification#Siderophile elements的緣故,導致在工業作業上,可以通過黃金氰化法從原礦石中提取出來[156]。於黃金氰化法的反應中,礦石中的金元素單質會形成氰化亞金離子 )。

例如,將原礦石擊碎後,投入氰化鉀溶液氧氣共同作用下,就可以得到氰化亞金鉀氫氧化鉀的混合溶液;其化學方程式如下:

 

然後再在混合溶液中加入,由於鋅的活躍程度遠遠高於金,鋅會取代金。反應方程式如下:

 

金元素單質作為沉澱物從溶液中析出,隨後被濾出並熔化成金錠。[157]

重金属与轻金属编辑

下表笼统地总结了重金属和轻金属(及其化合物)的一些物理性质和化学性质。“轻金属”和“重金属”这两个术语并没有恒定的定义,因此对二者进行总体对比时应小心谨慎。而且,金属的硬度强度随纯度、晶粒大小、预处理工序而异,差异可以很大。[158]

重金属和轻金属的性质
物理性质 轻金属 重金属
密度 通常较低 通常较高
硬度[159] 倾向柔软,容易切开或弯曲 多数颇硬
热膨胀程度[160] 通常较高 通常较低
熔点 通常较低[161] 低至极高[162]
强度[163] 通常较低 通常较高
化学性质 轻金属 重金属
在周期表的位置 常见于1族2族[164] 几乎全部见于3族16族
活性[76][165] 活性较高 活性较低
地球化学性质 轻金属 重金属
在地壳的丰度[126][165] 丰度较高 丰度较低
戈尔德施密特元素分类英语Goldschmidt classification 亲石元素[128] 亲石元素、亲铜元素(金是亲铁元素)
生物学角色 轻金属 重金属
营养作用[166] 部分为宏量营养素(钠、钾、镁、钙) 部分为微量营养素(钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钼)
重金属化合物和轻金属化合物的物理性质
物理性质 化合物 轻金属 重金属
水溶性 硫化物 可溶至不溶[註 25] 极易溶[註 26][171]
氢氧化物 可溶至不溶[註 27] 通常不可溶[175]
水溶液颜色 [168] 通常无色 通常有色
络合物 通常无色[176] 通常有色[177]

这些性质帮助人们较易分辨重金属(例如钨)和轻金属(例如钠),但两者之间的差异到了临界情况就变得模糊不清。钡、钪、钛等 light structural metals 具有一些重金属的性质,例如熔点较高[註 28];锌、镉、铅等重金属(同时为贫金属)具有一些轻金属的性质,例如相对较柔软[註 29]、熔点较低[註 30] 、主要生成无色配合物。[19][21][22]

重金屬的應用编辑

Heavy metals are present in nearly all aspects of modern life. Iron may be the most common as it accounts for 90% of all refined metals. Platinum may be the most ubiquitous given it is said to be found in, or used to produce, 20% of all consumer goods.[182]

一些常见的用途中,人们只是利用了重金属材料所具有的普通的金属性质,例如导电性和反光特性,或是密度、强度和耐久性度。某些重金属元素因其特性,具有一些特别的用途。例如由于部分重金属原子的 d 轨道或 f 轨道未填满,使得它们可以形成彩色的化合物[183],这包括大多数过渡金属和镧系、锕系元素。另一些重金属元素则在化合物中显示出多种氧化态,使得它们可以催化一些化学反应。具有此特性的金属包括铂[184]、铈[185]和铋[186]等。

poorly overlapping 3d or 4f orbitals (in iron, cobalt, and nickel, or the lanthanide heavy metals from europium through thulium) that give rise to magnetic effects;[187] and high atomic numbers and electron densities英语electron density that underpin their nuclear science applications.[188] Typical uses of heavy metals can be broadly grouped into the following six categories.[189][註 31]

重量與密度编辑

 
大提琴(图)或中提琴的C弦上,有时会使用。其较高的密度可降低琴弦的直径,进而提升其对演奏者的响应。In a cello (example shown above) or a viola the C-string sometimes incorporates tungsten; its high density permits a smaller diameter string and improves responsiveness.[190]

重金属材料的一个主要特点,即为其较高的密度。在体育、机械工程武器以及原子核物理学等领域中都有利用这个特点。潜水中使用铅作为配重[191]障碍赛马中马匹需要佩戴指定重量的铅,以平衡选手的获胜概率[192]高尔夫球球道球杆中会使用钨、黄铜等调节重心位置,令球更容易被击至空中[193],含钨的球可能拥有更好的飞行特性[194]飞蝇钓的钓线中使用的聚氯乙烯含有钨粉,可使钓线具有一定的重量[195]链球铅球分别使用钢和铅作为球的填充物以达到国际规则所需的重量[196]

Tungsten was used in hammer throw balls at least up to 1980; the minimum size of the ball was increased in 1981 to eliminate the need for what was, at that time, an expensive metal (triple the cost of other hammers) not generally available in all countries.[197] Tungsten hammers were so dense that they penetrated too deeply into the turf.[198]

In mechanical engineering, heavy metals are used for ballast in boats,[199] aeroplanes,[200] and motor vehicles;[201] or in balance weights on wheels and crankshafts,[202] gyroscopes, and propellers,[203] and centrifugal clutch英语centrifugal clutches,[204] in situations requiring maximum weight in minimum space (for example in watch movements英语movement (clockwork)).[200]

The higher the projectile density, the more effectively it can penetrate heavy armor plate ... Os, Ir, Pt, and Re ... are expensive ... U offers an appealing combination of high density, reasonable cost and high fracture toughness.

AM Russell and KL Lee
Structure–property relations
in nonferrous metals
(2005, p. 16)

In military ordnance, tungsten or uranium is used in armour plating英语Chobham armour[205] and armour piercing projectiles英语kinetic energy penetrator,[206] as well as in nuclear weapons to increase efficiency (by reflecting neutrons and momentarily delaying the expansion of reacting materials).[207] In the 1970s, tantalum was found to be more effective than copper in shaped charge and explosively formed anti-armour weapons英语explosively formed penetrator on account of its higher density, allowing greater force concentration, and better deformability.[208] Less-toxic heavy metals, such as copper, tin, tungsten, and bismuth, and probably manganese (as well as boron, a metalloid), have replaced lead and antimony in the green bullets英语green bullets used by some armies and in some recreational shooting munitions.[209] Doubts have been raised about the safety (or green credentials) of tungsten.[210]

Because denser materials absorb more radioactive emissions than lighter ones, heavy metals are useful for radiation shielding英语radiation protection and to focus radiation beams英语collimator in linear accelerator英语linear accelerators and radiotherapy applications.[211]

強度與耐久度编辑

 
The Statue of Liberty. A stainless steel alloy[212] armature provides structural strength; a copper skin confers corrosion resistance.[註 32]

The strength or durability of heavy metals such as chromium, iron, nickel, copper, zinc, molybdenum, tin, tungsten, and lead, as well as their alloys, makes them useful for the manufacture of artefacts such as tools, machinery,[214] appliances,[215] utensils,[216] pipes,[215] railroad tracks,[217] buildings[218] and bridges,[219] automobiles,[215] locks,[220] furniture,[221] ships,[199] planes,[222] coinage[223] and jewellery.[224] They are also used as alloying additives for enhancing the properties of other metals.[註 33] Of the two dozen elements that have been used in the world's monetised coinage only two, carbon and aluminium, are not heavy metals.[226][註 34] Gold, silver, and platinum are used in jewellery[註 35] as are (for example) nickel, copper, indium, and cobalt in coloured gold.[229] Low-cost jewellery and children's toys may be made, to a significant degree, of heavy metals such as chromium, nickel, cadmium, or lead.[230]

Copper, zinc, tin, and lead are mechanically weaker metals but have useful corrosion prevention properties. While each of them will react with air, the resulting patinas of either various copper salts,[231] zinc carbonate, tin oxide, or a mixture of lead oxide, carbonate, and sulfate, confer valuable protective properties.[232] Copper and lead are therefore used, for example, as roofing materials;[233][註 36] zinc acts as an anti-corrosion agent in galvanised steel;[234] and tin serves a similar purpose on steel cans.[235]

The workability and corrosion resistance of iron and chromium are increased by adding gadolinium; the creep resistance of nickel is improved with the addition of thorium. Tellurium is added to copper and steel alloys to improve their machinability; and to lead to make it harder and more acid-resistant.[236]

生物與化學编辑

 
Cerium(IV) oxide (sample shown above) is used as a catalyst in self-cleaning ovens.[237]

The biocidal effects of some heavy metals have been known since antiquity.[238] Platinum, osmium, copper, ruthenium, and other heavy metals, including arsenic, are used in anti-cancer treatments, or have shown potential.[239] Antimony (anti-protozoal), bismuth (anti-ulcer), gold (anti-arthritic), and iron (anti-malarial) are also important in medicine.[240] Copper, zinc, silver, gold, or mercury are used in antiseptic formulations;[241] small amounts of some heavy metals are used to control algal growth in, for example, cooling towers.[242] Depending on their intended use as fertilisers or biocides, agrochemicals may contain heavy metals such as chromium, cobalt, nickel, copper, zinc, arsenic, cadmium, mercury, or lead.[243]

Selected heavy metals are used as catalysts in fuel processing (rhenium, for example), synthetic rubber and fibre production (bismuth), emission control devices (palladium), and in self-cleaning ovens (where cerium(IV) oxide in the walls of such ovens helps oxidise carbon-based cooking residues).[244] In soap chemistry, heavy metals form insoluble soaps that are used in lubricating greases, paint dryers, and fungicides (apart from lithium, the alkali metals and the ammonium ion form soluble soaps).[245]

著色與光學编辑

 
硫酸钕常用于给玻璃着色[246]

玻璃、涂料和塑料中的颜色常来自于重金属元素的离子,例如、铜、[247]。例如刺青使用的墨水中可能含有铬、钴、镍和铜[248]另外,在光学和天文学器件,常在反射镜中采用某些具有高反射率的重金属材料。例如车前灯的反射器会使用来提高反射率译注:此句可能需要查证)。

The colours of glass, ceramic glazes, paints英语environmental impact of paint, pigments, and plastics are commonly produced by the inclusion of heavy metals (or their compounds) such as chromium, manganese, cobalt, copper, zinc, selenium, zirconium, molybdenum, silver, tin, praseodymium, neodymium, erbium, tungsten, iridium, gold, lead, or uranium.[249] Tattoo inks may contain heavy metals, such as chromium, cobalt, nickel, and copper.[250] The high reflectivity of some heavy metals is important in the construction of mirrors, including precision astronomical instrument英语astronomical instruments. Headlight reflectors rely on the excellent reflectivity of a thin film of rhodium.[251]

電磁性與發光性编辑

 
The Topaz Solar Farm, in southern California, features 9 million cadmium-tellurium photovoltaic modules covering an area of 25.6 square kilometres (9.5 square miles).

Heavy metals or their compounds can be found in electronic components, electrodes, and wiring and solar panels where they may be used as either conductors, semiconductors, or insulators. Molybdenum powder is used in circuit board inks.[252] Ruthenium(IV) oxide coated titanium anodes are used for the industrial production of chlorine.[253] Home electrical systems, for the most part, are wired with copper wire for its good conducting properties.[254] Silver and gold are used in electrical and electronic devices, particularly in contact switches, as a result of their high electrical conductivity and capacity to resist or minimise the formation of impurities on their surfaces.[255] The semiconductors cadmium telluride and gallium arsenide are used to make solar panels. Hafnium oxide, an insulator, is used as a voltage controller in microchips; tantalum oxide, another insulator, is used in capacitors in mobile phones.[256] Heavy metals have been used in batteries for over 200 years, at least since Volta invented his copper and silver voltaic pile in 1800.[257] Promethium, lanthanum, and mercury are further examples found in, respectively, atomic, nickel-metal hydride, and button cell batteries.[258]

Magnets are made of heavy metals such as manganese, iron, cobalt, nickel, niobium, bismuth, praseodymium, neodymium, gadolinium, and dysprosium. Neodymium magnets are the strongest type of permanent magnet commercially available. They are key components of, for example, car door locks, starter motors, fuel pumps, and power windows.[259]

Heavy metals are used in lighting, lasers, and light-emitting diodes (LEDs). Flat panel displays incorporate a thin film of electrically conducting indium tin oxide. Fluorescent lighting relies on mercury vapour for its operation. Ruby lasers generate deep red beams by exciting chromium atoms; the lanthanides are also extensively employed in lasers. Gallium, indium, and arsenic;[260] and copper, iridium, and platinum are used in LEDs (the latter three in organic LEDs).[261]

核子與放射性编辑

 
An X-ray tube with a rotating anode, typically a tungsten-rhenium alloy on a molybdenum core, backed with graphite[262][註 37]

Niche uses of heavy metals with high atomic numbers occur in diagnostic imaging, electron microscopy, and nuclear science. In diagnostic imaging, heavy metals such as cobalt or tungsten make up the anode materials found in x-ray tubes.[265] In electron microscopy, heavy metals such as lead, gold, palladium, platinum, or uranium are used to make conductive coatings and to introduce electron density into biological specimens by staining, negative staining, or vacuum deposition.[266] In nuclear science, nuclei of heavy metals such as chromium, iron, or zinc are sometimes fired at other heavy metal targets to produce superheavy elements;[267] heavy metals are also employed as spallation targets for the production of neutrons[268] or radioisotopes such as astatine (using lead, bismuth, thorium, or uranium in the latter case).[269]

註釋编辑

  1. ^ (1)密度高于3.5 g/cm3[1];(2)密度高于7 g/cm3[1];(3)原子质量大于22.98[1];(4)原子质量大于40(除s区元素f区元素[2];(5)原子质量大于200[3];(6)原子序数大于20;(7)原子序数介于21与92[4];(8)依据美国药典[5][6][7];(9)基于Hawkes元素周期表的定义(除镧系锕系[8];(10)Nieboer与Richardson生物化学分类[9]。元素的密度数据主要来自于约翰·埃姆斯利的著作《Nature's Building Blocks》[10]。其中 的密度为预测值[11]的密度基于其原子质量与晶格结构进行推算[12][13]
  2. ^ Metalloids were, however, excluded from Hawkes' periodic table-based definition given he noted it was "not necessary to decide whether semimetals [i.e. metalloids] should be included as heavy metals."[8]
  3. ^ 这个测试方法不是专门为某些特定金属而设,但最低限度能够检测到钼、铜、銀、镉、汞、锡、铅、砷、锑、铋[6]。不过,如果以硫化氫作为试剂的话,这个测试就无法检测钍、钛、锆、铌、钽和铬[7]
  4. ^ 通常不形成有色配合物的过渡金属或貧金屬包括:钪、钇(3族元素[19];銀(11族元素[20];锌、镉(12族元素[19][21];以及位于元素周期表13族至16族的金属[22]
  5. ^ 镧系元素的硫化物和氢氧化物均为不可溶的[23]。其中氢氧化物可通过镧系元素盐的水溶液获得,在水溶液中呈现为有色胶状沉淀物[24]。镧系元素的配合物也通常具有和其水溶液相同的颜色[25]。关于锕系元素的硫化物是否可溶,则存在不同的观点。二价的一硫化铀英语uranium monosulfide在沸水中不溶[26],而三价锕系离子的行为与三价镧系离子有些类似,仍不完全清楚。[27] Tervalent An sulfides decompose[28] but Edelstein et al. say they are soluble[29] whereas Haynes says thorium(IV) sulfide英语thorium(IV) sulfide is insoluble.[30] Early in the history of nuclear fission it had been noted that precipitation with hydrogen sulfide was a "remarkably" effective way of isolating and detecting transuranium elements in solution.[31] In a similar vein, Deschlag writes that the elements after uranium were expected to have insoluble sulfides by analogy with third row transition metals. But he goes on to note that the elements after actinium were found to have properties different from those of the transition metals and claims they do not form insoluble sulfides.[32] The An hydroxides are, however, insoluble[29] and can be precipitated from aqueous solutions of their salts.[33] Finally, many An complexes have "deep and vivid" colours.[34]
  6. ^ The heavier elements commonly to less commonly recognised as metalloidsGe; As, Sb; Se, Te, Po; At—satisfy some of the three parts of Hawkes' definition. All of them have insoluble sulfides[33][35] but only Ge, Te, and Po apparently have effectively insoluble hydroxides.[36] All bar At can be obtained as coloured (sulfide) precipitates from aqueous solutions of their salts;[33] astatine is likewise precipitated from solution by hydrogen sulfide but, since visible quantities of At have never been synthesised, the colour of the precipitate is not known.[35][37] As p-block elements, their complexes are usually colourless.[38]
  7. ^ The class A and class B terminology is analogous to the "hard acid" and "soft base" terminology sometimes used to refer to the behaviour of metal ions in inorganic systems.[40]
  8. ^ 铍和铝是这个整体趋势的例外,它们的电负性相对较高[41]铍离子铝离子体积相对小,因此电荷密度较大,能够使附近的电子云发生极化,这使铍化合物和铝化合物具有可观的共价性质[42]
  9. ^ Google Scholar 显示有超过1200篇论文引用了提出这个想法的论文[44]
  10. ^ 如果格梅林当时用的是英制单位,他可能会把300 lb/ft3定为轻金属与重金属的密度分界点,这样的话硒(密度为300.27 lb/ft3)就足以列入重金属。但是如果以5 g/cm3(相等于312.14lb/ft3)为分界点的话,硒就不是重金属了。
  11. ^ 铅是个累積毒物,以前曾经被人类广泛使用,又被人为排放到自然环境,因此在人体内的含量较高[78]
  12. ^ 学者海恩斯的数据为17毫克以下[79]
  13. ^ 学者艾揚格的数据为5毫克[80],海恩斯的数据则为10毫克[79]
  14. ^ 这里共有45种重金属,含量各小于10毫克,包括砷(7毫克)、钼(5毫克)、钴(1.5毫克)、铬(1.4毫克)等[81]
  15. ^ 这里的数据把类金属硼和矽看作非金属,把类金属锗、砷、锑、碲看作重金属。
  16. ^ 镍、铜、锌、硒、银、锑被美国政府列入有毒污染物名录[107];锰、钴、锡被澳洲政府列入国家污染物清单[108]
  17. ^ 钨可能也是这种有毒重金属[109]
  18. ^ 在对于哺乳类动物属必要营养素的重金属当中,硒是毒性最高的[113]
  19. ^ 丰度低于万亿分之1的痕量元素Tc, Pm, Po, At, Ra, Ac, Pa, Np, and Pu)未予显示。丰度数据来自《CRC物理化学手册》第85版[126]及《构建自然的基础》[127],分布信息来自《Regolith地球化学》[128]
  20. ^ 在某些情况下,例如处于高能γ射线高温富氢环境中,原子核可能会丢失中子或增加质子,产生中子少于质子的原子核英语p-nuclei[134]
  21. ^ 两个中子星碰撞时抛出物质可归因于他们之间潮汐力的作用][137]
  22. ^ 铁、钴、镍、锗和锡在地球中任何地方出现时均属于亲铁元素[128]
  23. ^ Heat escaping from the inner solid core is believed to generate motion in the outer core, which is made of liquid iron alloys. The motion of this liquid generates electrical currents which give rise to a magnetic field.[148]
  24. ^ 自然屆存在的部分重金屬豐度太低(如:TcPmPoAtAcNpPu),導致不能通過經濟活動來開採,而是要通過核嬗變獲取這些元素[150]。後者也經常被用於從起來生成重金屬[151]
  25. ^ 碱金属、碱土金属和铝的硫化物遇水分解[167];钪[168]、钇[169]、钛[170]的硫化物不溶于水。
  26. ^ 硫化镓硫化铬遇水分解。
  27. ^ 比方说,氢氧化钾氢氧化铷氢氧化铯的水溶性超过100克每100克水[172]氢氧化铝(水溶性为0.0001克每100克水)[173]、氢氧化钪(水溶性小于0.00000015克每100克水)[174]被视为不溶于水。
  28. ^ 钡的熔点为摄氏1287度,被认为较高。钪和钛的熔点分别为摄氏1541度和摄氏1668度。[178]
  29. ^ 锌的莫氏硬度为2.5,是柔软的金属[179];钙和铅的莫氏硬度就更低,分别为2.0和1.5[180]
  30. ^ 锌的熔点为摄氏420度,被认为较低。镉和铅的熔点分别为摄氏322度和摄氏328度。[181]
  31. ^ Some violence and abstraction of detail was applied to the sorting scheme in order to keep the number of categories to a manageable level.
  32. ^ The skin has largely turned green due to the formation of a protective patina composed of antlerite Cu3(OH)4SO4, atacamite Cu4(OH)6Cl2, brochantite Cu4(OH)6SO4, cuprous oxide Cu2O, and tenorite CuO.[213]
  33. ^ For the lanthanides, this is their only structural use as they are otherwise too reactive, relatively expensive, and moderately strong at best.[225]
  34. ^ Weller[227] classifies coinage metals as precious metals (e.g., silver, gold, platinum); heavy metals of very high durability (nickel); heavy metals of low durability (copper, iron, zinc, tin, and lead); and light metals (aluminium).
  35. ^ Emsley[228] estimates a global loss of six tonnes of gold a year due to 18-carat wedding rings slowly wearing away.
  36. ^ Sheet lead exposed to the rigours of industrial and coastal climates will last for centuries[191]
  37. ^ Electrons impacting the tungsten anode generate X-rays;[263] rhenium gives tungsten better resistance to thermal shock;[264] molybdenum and graphite act as heat sinks. Molybdenum also has a density nearly half that of tungsten thereby reducing the weight of the anode.[262]

參考資料编辑

引用编辑

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