همه چیز در مورد فلزات سنگین و اثرات مخرب آنها

فلزات سنگین به عناصر شیمیایی فلزی گفته می شود که دارای چگالی نسبتاً بالایی هستند و در غلظت های کم سمی می باشد. از بین فلزات سنگین می توان به جیوه ، کادمیوم ، آرسنیک ، کروم ، تالیوم  و سرب اشاره کرد.

فلزات سنگین اجزای طبیعی پوسته زمین هستند و نمی توان آنها را تخریب یا نابود کرد. آنها تا حدودی از طریق غذا ، آب آشامیدنی و هوا وارد بدن ما می شوند. به عنوان عناصر کمیاب ، برخی از فلزات سنگین (به عنوان مثال مس ، سلنیوم ، روی) برای حفظ متابولیسم بدن انسان ضروری هستند. با این حال ، در غلظت های بالاتر می توانند منجر به مسمومیت شوند.

مسمومیت با فلزات سنگین می تواند به عنوان مثال ناشی از آلودگی آب آشامیدنی ، غلظت بالا در هوای محیط یا مصرف از طریق زنجیره غذایی ایجاد شود. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می گردد لطفا همراه ما باشید.

ریشه و کاربرد اصطلاح فلزات سنگین

فلزات سنگین طبیعی مانند طلا ، مس و آهن در گذشته با توجه به قابلیت انعطاف پذیری آنها مورد توجه قرار گرفته اند و از آنها برای ساخت زیور آلات ، ابزار و سلاح های فلزی می شده است. تمام فلزات کشف شده از آن زمان تا سال ۱۸۰۹ دارای تراکم نسبتاً بالایی بودند. سنگینی آنها به عنوان یک معیار متمایز در نظر گرفته می شد.

از سال ۱۸۰۹ به بعد ، فلزات سبک مانند سدیم ، پتاسیم و استرانسیم کشف شدند. تراکم کمتر آنها باعث شد از آنها به عنوان متالوئید یا شبه فلز یاد شود. ولی بعدها آنها جزء فلزات قرار گرفتند و اصطلاح متالوئید برای اشاره به عناصر غیر فلزی و عناصری که توصیف آنها به عنوان فلز یا غیر فلز دشوار بود ، مورد استفاده قرار گرفت.

استفاده اولیه از اصطلاح “فلز سنگین” از سال ۱۸۱۷ آغاز شد ، زمانی که شیمی دان آلمانی لئوپولد گلمین عناصر را به غیر فلزات ، فلزات سبک و فلزات سنگین تقسیم کرد. بر اساس این دسته بندی چگالی فلزات سبک ۰.۸۶۰- ۵.۰ گرم در سانتی متر مکعب و فلزات سنگین ۵.۳۰۸–۲۲.۰۰۰ بود.  این اصطلاح بعداً برای عناصر دارای وزن اتمی بالا یا عدد اتمی بالا مورد استفاده قرار گرفت. این تعریف در زمینه های مختلف نیز متفاوت است به عنوان مثال در شیمی هسته ای و نجوم فلزات و شبه فلزات مختلفی سنگین در نظر گرفته می شوند.

خطر فلزات سنگین برای سلامتی چیست؟

مقدار زیاد این عناصر خطرناک است  زیرا تمایل به تجمع زیستی دارند. تجمع زیستی به معنای افزایش غلظت یک ماده شیمیایی در یک ارگانیسم بیولوژیک در طول زمان در مقایسه با غلظت آن ماده شیمیایی در محیط است. در واقع هر زمان که ترکیبات سریعتر از تجزیه (متابولیسم) یا دفع  جذب و ذخیره شوند  در بدن موجودات زنده جمع می شوند.

فلزات سنگین می توانند از طریق زباله های صنعتی و مصرفی ، یا حتی در اثر باران اسیدی و تجزیه خاک و آزادسازی فلزات سنگین به جویبارها ، دریاچه ها ، رودخانه ها و آب های زیرزمینی و منابع آب وارد شوند.

نقش بیولوژیکی فلزات سنگین

تعداد کمی از این فلزات سنگین  که بیشتر در دوره تناوب ۴  قرار دارند  برای برخی فرآیندهای بیولوژیکی مورد نیاز هستند که شامل آهن و مس (انتقال اکسیژن و الکترون) ،  کبالت (سنتزهای پیچیده و متابولیسم سلول) ، روی (هیدروکسیلاسیون) ، وانادیوم و منگنز (تنظیم یا عملکرد آنزیم) ، کروم (استفاده از گلوکز) ، نیکل (رشد سلول) ، آرسنیک (رشد متابولیکی در برخی از حیوانات و احتمالاً در انسان) و سلنیوم (عملکرد آنتی اکسیدانی و تولید هورمون) هستند.

در دوره ۵ و ۶ فلزات سنگین ضروری کمتری وجود دارد و این عناصر کمیاب از نظر تغذیه ضروری هستند. در در دوره ۵ ، مولیبدن برای کاتالیز واکنش های اکسیداسیون مورد نیاز است. کادمیوم توسط برخی دیاتوم های دریایی به همین منظور استفاده می شود و ممکن است قلع برای رشد در چند گونه مورد نیاز باشد. در دوره ۶ ، برخی از آرکئاها و باکتری ها برای فرآیندهای متابولیک به تنگستن نیاز دارند.

کمبود هر یک از فلزات سنگین ضروری دوره های ۴-۶ ممکن است حساسیت به مسمومیت با فلزات سنگین را افزایش دهد.  بدن یک انسان ۷۰ كیلوگرمی به طور متوسط حاوی ​​حدود ۰.۰۱٪ فلز سنگین است.

چند فلز سنگین غیر ضروری نیز مشاهده شده است که اثرات بیولوژیکی دارند. گالیم ، ژرمانیم (فلزی) ، ایندیوم و بیشتر لانتانیدها می توانند متابولیسم را تحریک کنند و تیتانیوم باعث رشد گیاهان می شود اگرچه همیشه فلز سنگین در نظر گرفته نمی شود.

ویژگی های خاص فلزات سنگین

فلزات سنگین و نسبتا سنگین واکنش پذیری کمتری نسبت به فلزات سبک دارند و دارای سولفیدها و هیدروکسیدهای محلول بسیار کمتری هستند. در حالی که تشخیص فلز سنگین مانند تنگستن از فلز سبک تر مانند سدیم نسبتاً آسان است ، اما چند فلز سنگین مانند روی ، جیوه و سرب مشخصاتی شبیه فلزات سبک تر دارند و فلزات سبک تر مانند بریلیم ، اسکاندیم و تیتانیوم  برخی از ویژگی های فلزات سنگین را نشان می دهند.

فلزات سنگین در پوسته زمین نسبتاً کمیاب هستند اما در بسیاری از ابعاد زندگی مدرن وجود دارند. از آنها به عنوان مثال در چوب های گلف ، اتومبیل ها ، ضد عفونی کننده ها ، اجاق های خود تمیز شونده ، پلاستیک ها ، صفحات خورشیدی ، تلفن های همراه و شتاب دهنده های ذرات استفاده می شود.

لیست فلزات سنگین بر اساس چگالی

چگالی بیش از ۵ گرم در سانتی متر مکعب بعضاً به عنوان یک فاکتور رایج در تشخیص  فلز سنگین ذکر شده است. فلزات مطابق با معیارهای قابل استفاده – به عنوان مثال آرسنیک و آنتیموان – بعضاً به عنوان فلزات سنگین به حساب می آیند ، سلنیوم (تراکم ۴.۸ گرم در سانتی متر مکعب) و کبالت نیز در این لیست وجود دارد. سرب ، مس ، جیوه ، روی ، کادمیم ، کروم ، آهن ، آلومینیوم ، برلیوم و منگنز فلزات سنگین موجود در این لیست هستند.

کاربردهای فلزات سنگین

فلزات سنگین تقریباً در همه جنبه های زندگی مدرن وجود دارند. آهن ممکن است متداول ترین آنها باشد زیرا ۹۰٪ کل فلزات تصفیه شده را تشکیل می دهد. پلاتین با توجه به اینکه گفته می شود در ۲۰٪ کل کالاهای مصرفی یافت می شود از همه پرکاربردتر است.

برخی از کاربردهای معمول فلزات سنگین به مشخصات کلی فلزات مانند هدایت الکتریکی و بازتابندگی یا ویژگی های عمومی فلزات سنگین مانند چگالی ، مقاومت و دوام بستگی دارد. سایر کاربردها به ویژگی های خاص هر عنصر بستگی دارد ، مانند نقش بیولوژیکی آنها به عنوان مواد مغذی یا سموم یا برخی دیگر از خصوصیات اتمی خاص.

نمونه هایی از این ویژگی های اتمی عبارتند از: اوربیتال های d- یا f- تا حدی پر شده (در بسیاری از فلزات سنگین لانتانید و اکتینید) که تشکیل ترکیبات رنگی را امکان پذیر می سازد ، اکثر یون های فلزات سنگین مانند پلاتین ، ​​سریم  یا بیسموت در حالت های مختلف اکسیداسیون قرار دارند بنابراین بیشتر به عنوان کاتالیزور عمل می کنند. بطور کلی شش کاربرد برای این ترکیبات در نظر گرفته می شود که در ادامه ذکر شده است.

کاربرد بر اساس دوام و استحکام

استحکام و دوام این فلزات باعث کاربرد گسترده آنها  در ساخت مجسمه‌ ها، دستگاه‌ ها و تجهیزات مختلف، ظروف و لوازم خانگی، ساختمان‌ سازی و خودروسازی شده است. همچنین فلزاتی مانند مس،‌ روی، قلع و سرب که از نظر مقاومت ضعیف هستند بیشتر برای جلوگیری از خوردگی فلزات به صورت آبکاری مورد استفاده قرار می ‌گیرند.

کاربرد بر اساس وزن یا چگالی

وزن یا چگالی بالای این عناصر باعث شده که در برخی از رشته های ورزشی، صنایع نظامی ، مهندسی مکانیک، و علوم  هسته‌ ای مورد استفاده قرار بگیرند. به عنوان مثال فلزاتی مانند تنگستن و آلیاژهای برنج در ساخت چوب گلف استفاده می شوند و تنگستن برای آبکاری تجهیزات نظامی مورد استفاده قرار می گیرد.

کاربرد های بیولوژیکی و شیمیایی

برخی از این فلزات مانند مس، پلاتین، اسمیوم، روتنیوم و آرسنیک به دلیل سمیت بالا در تولید داروهای  ضد سرطان استفاده می شوند. آنتیموان، بیسموت، طلا و آهن نیز کاربرد گسترده ای در پزشکی دارند. مس، روی، نقره و طلا نیز در تولید مواد ضدعفونی‌ کننده مورد استفاده قرار می گیرند.

مقادیر کمی از فلزات سنگین نیز برای کنترل رشد جلبک ‌ها ، در کاتالیزور خودروها و در فرآیند پالایش سوخت استفاده می شود.

کاربرد بر اساس خواص نوری و رنگ

فلزات سنگین یا ترکیبات آن‌ ها رنگدانه هایی تولید می کنند که از آنها در ساخت شیشه ‌های رنگی، لعاب سرامیک‌ و رنگ ‌های پلاستیک‌ و تولید جوهر استفاده می شود. برخی از این فلزات شامل کروم، کبالت، مس، روی، سلنیوم، زیرکونیوم، مولیبدن، ایریدیوم هستند. علاوه بر این از ویژگی انعکاسی برخی از این فلزات در تولید آینه‌ و تجهیزات نجوم استفاده می شود.

کاربرد های الکترونیکی و مغناطیسی

از دیگر کاربردهای این عناصر یا ترکیبات آن‌ها استفاده در قطعات الکترونیک، الکترودها، سیم‌ پیچ ها و پنل ‌های خورشیدی است. فلزاتی همچون مس و نقره در نیز پیل‌ های سوختی مورد استفاده قرار می گیرند.

کاربرد های هسته ای

برخی از این فلزات با عدد اتمی بالا در تصویربرداری پزشکی، میکروسکوپ‌ های الکترونی ، تولید پرتو ایکس  و علوم هسته ‌ای مورد استفاده قرار می گیرند.

تاثیرات زیست محیطی و خطرات فلزات سنگین برای سلامتی

تاثیر آنتیموان بر محیط زیست

آنتیموان فلزی است که در ترکیب تری اکسید آنتیموان به عنوان بازدارنده حریق استفاده می شود. این ماده را می توان در باتری ها ، رنگدانه ها و سرامیک ها و شیشه ها نیز یافت. قرار گرفتن در معرض سطح بالای آنتیموان برای مدت زمان کوتاه باعث حالت تهوع ، استفراغ و اسهال می شود. اطلاعات کمی در مورد اثرات قرار گرفتن در معرض آنتیموان در دراز مدت وجود دارد ، اما این یک ماده سرطان زای انسانی مشکوک است. بیشتر ترکیبات آنتیموان در آبزیان تجمع زیستی ندارند.

تاثیر کادمیوم بر محیط زیست

کادمیوم فلزی با مقاومت زیستی است و پس از جذب توسط ارگانیسم ، سالها (برای چندین دهه در بدن انسان) در بدت باقی می ماند ، هرچند که در نهایت دفع می شود. در انسان ، قرار گرفتن طولانی مدت در معرض این فلز با اختلال عملکرد کلیه همراه است. قرار گرفتن در معرض زیاد آن می تواند منجر به بیماری انسدادی ریه شود و با سرطان ریه ارتباط دارد.

میانگین مصرف روزانه این فلز برای انسان ۰.۱۵ میکروگرم از هوا و ۱ میکروگرم از آب تخمین زده می شود. استعمال یک بسته سیگار می تواند منجر به استنشاق حدود ۲-۴ میکروگرم کادمیوم شود.

تاثیرات کروم بر محیط زیست

از کروم در آلیاژهای فلزی و رنگدانه ها برای تولید رنگ ، سیمان ، کاغذ ، لاستیک و سایر مواد استفاده می شود. قرار گرفتن در معرض سطح پایین می تواند باعث تحریک پوست و ایجاد زخم شود. قرار گرفتن در معرض طولانی مدت می تواند باعث آسیب کلیه و کبد و اختلال در خونرسانی و بافت عصبی شود. کروم غالباً در آبزیان جمع می شود و به خطر خوردن ماهی هایی که ممکن است در معرض مقادیر زیادی کروم قرار داشته باشند ، می افزاید.

اثرات مس بر محیط زیست

مس یک ماده ضروری برای حیات انسان است ، اما در دوزهای بالا می تواند باعث کم خونی ، آسیب کبدی و کلیوی و تحریک معده و روده شود. افراد مبتلا به بیماری ویلسون در معرض خطر بیشتری برای اثرات سلامتی مس هستند. مس به طور معمول در آب آشامیدنی و همچنین مواد افزودنی برای کنترل رشد جلبک ها وجود دارد.

اثرات سرب بر محیط زیست

در انسان قرار گرفتن در معرض سرب بسته به سطح و مدت زمان مواجهه می تواند منجر به طیف وسیعی از اثرات بیولوژیکی شود. اثرات مختلفی در محدوده وسیعی از دوزها رخ می دهد ، جنین و نوزاد در حال رشد حساسیت بیشتری نسبت به بزرگسالان دارند. مقادیر زیاد مواجهه ممکن است منجر به اثرات بیوشیمیایی سمی در انسان شود که به نوبه خود باعث اختلال در سنتز هموگلوبین ، تاثیر بر کلیه ها ، دستگاه گوارش ، مفاصل و سیستم تولید مثل و آسیب حاد یا مزمن  سیستم عصبی شود.

مسمومیت با سرب در حدی که باعث ایجاد بیماری واضح شود ، اکنون واقعاً بسیار نادر است. با این حال ، در غلظت های متوسط ​​، شواهد متقاعد کننده ای وجود دارد که نشان می دهد سرب می تواند اثرات کوچک ، ظریف و تحت بالینی ، به ویژه بر تحولات عصب روانشناختی در کودکان داشته باشد. برخی مطالعات نشان می دهد که ممکن است با افزایش سطح سرب خون از ۱۰ به ۲۰ میکروگرم / دسی لیتر در کودکان خردسال ، ضریب هوشی کاهش می یابد. سرب موجود در هوا از طریق رسوب گرد و غبار و باران های اسیدی  بر روی محصولات و خاک تاثیر گذاشته و وارد چرخه غذایی می شود.

اثرات جیوه بر محیط زیست

جیوه یک ماده سمی است که هیچ عملکرد شناخته شده ای در بیوشیمی یا فیزیولوژی انسان ندارد و به طور طبیعی در موجودات زنده وجود ندارد. مسمومیت غیر آلی با جیوه با لرزش بدن ، التهاب لثه و / یا تغییرات روانی جزئی همراه با سقط خود به خودی و ناهنجاری مادرزادی همراه است. مونو متیل جیوه باعث آسیب به مغز و سیستم عصبی مرکزی می شود.

جیوه یک آلاینده جهانی است که دارای خصوصیات شیمیایی و فیزیکی پیچیده و غیرمعمول است. عمده ترین منبع طبیعی جیوه ، گاز زدایی پوسته زمین ، انتشار از آتشفشان ها و تبخیر از اجسام طبیعی آب است.

استخراج این فلز در سطح جهان منجر به تخلیه غیر مستقیم به جو می شود. استفاده از جیوه در فرآیندهای صنعتی و در محصولات مختلف (به عنوان مثال باتری ، لامپ و دماسنج) گسترده است. این ماده همچنین به طور گسترده ای در دندانپزشکی به عنوان آمالگام برای پر کردن دندان و در صنایع دارویی استفاده می شود.

اثرات نیکل بر محیط زیست

مقادیر کمی از نیکل برای تولید گلبول های قرمز بدن مورد نیاز بدن است ، با این حال ، در مقادیر بیش از حد ، می تواند تا حدودی سمی باشد. قرار گرفتن در معرض مقدار زیاد نیکل در کوتاه مدت هیچ مشکلی در سلامتی ایجاد نمی کند ، اما قرار گرفتن در معرض طولانی مدت می تواند باعث کاهش وزن بدن ، آسیب به قلب و کبد و تحریک پوست شود.  نیکل می تواند در آبزیان جمع شود ، اما وجود آن در طول زنجیره های غذایی زیاد نمی شود.

تاثیرات سلنیوم بر محیط زیست

سلنیوم به مقدار کم برای انسان و سایر حیوانات مورد نیاز است ، اما در مقادیر بیشتر می تواند باعث آسیب به سیستم عصبی ، خستگی و تحریک پذیری شود. سلنیوم در بافت زنده تجمع می یابد و باعث می شود مقدار زیادی سلنیوم در ماهی و موجودات دیگر وجود داشته باشد. مشکلات حاصل از مصرف مقدار زیاد سلنیوم شامل ریزش مو و شکنندگی ناخن ، آسیب به بافت کلیه و کبد ، اختلال در گردش خون و آسیب شدیدتر به سیستم عصبی است.