重金屬

重金屬是一類金屬元素的統稱，通常代表密度大於5 g/cm3的金屬，但在不同情況下有許多種不同的定義。重金屬概念的出現，是由於一系列密度較小的金屬的發現，進而金屬被逐漸分為輕重兩類。而根據領域不同，除密度之外還存在基於原子序數和化學性質等方面的定義。重金屬元素在宇宙中經核聚變和中子俘獲產生，不同的重金屬元素在地殼中的丰度和富集程度不同，因此需要使用不同的開採和提純方式來生產。許多重金屬元素因其密度、強度、電磁和化學特性在眾多領域都有所應用，例如工程、醫療、軍事等。而對於生物，一些重金屬元素對於生命活動必不可少，例如氧氣運輸、輔因子、葡萄糖利用等方面均需要一定量的重金屬元素參與。而有些元素則對生物有不同程度的毒性。工業活動所導致的重金屬元素洩漏造成了包括水俁病事件在內的多次重金屬生態災難事件。定義.“重金屬”一詞所包含的元素種類並無定論，其在不同語境下可能存在不同的定義。儘管如此，這個術語仍舊經常出現在科學。2010年，有研究顯示這個術語的使用量日益增加，似乎已經成為科學語言的一部分。由於“重金屬”一詞既方便又為人熟悉，所以只要在使用時附上定義，這個術語也是可以接受的。通常而言，對重金屬的範圍進行界定時，會使用特定的理化性質進行定義。例如在冶金行業中一般依據元素單質的密度進行判定；在物理學中，探討核物理時會使用元素的原子序數作為依據；在化學中，元素的化學性質則會成為是否將其歸入重金屬的考量。即便是同一種理化性質，也存在不同的重金屬定義。例如以密度來區分輕重金屬時，存在3.5 g/cm3至7 g/cm3的多種分界線；以原子質量為參考時則有22.98au等。以密度判定.密度是一種常見的用來區分重金屬和其他金屬的性質。密度是否大於5 g/cm3是界定一個金屬元素是否屬於重金屬的通用指標。符合這個標準的類金屬。與重金屬相對應的術語是“輕金屬”，建議用“輕金屬”指稱鋁、鎂、鈹、鈦、鋰以及其他高活性金屬，它們的密度介乎0.534 g/cm3至4.54 g/cm3。以原子序數判定.原子序數亦可用於判定重金屬元素，例如定義原子序數為21範圍內的金屬為重金屬。使用原子序數作為標準時一些密度較低的金屬可能也會被認定為重金屬。例如屬於鹼金屬的銣，其原子序數為37，而密度僅為1.532 g/cm3，低於絕大多數基於密度的標準。基於原子質量的標準也有類似的情況。以化學性質判定.《美國藥典》曾經提出一個辨別重金屬元素的方法，原理是利用部分金屬的硫化物為有色沈澱物這一性質。化學家斯蒂芬·霍克斯於1997年提出，“重金屬”一詞應適用於“硫化物不溶於水、氫氧化物不溶於水、鹽溶於水並生成有色溶液、配合物通常有色的金屬”。在這個基礎上，霍克斯提出把“重金屬”定義為“所有在元素週期表裡位於3族至16族、同時位於第4週期或以下的金屬”，即是過渡金屬或貧金屬。鑭系元素都滿足霍克斯的表述，而錒系元素則尚未確定。在生物化學領域，重金屬的定義有時建基於酸鹼電子理論，以某一金屬元素的離子在水溶液的路易斯酸行為。三類金屬中A類金屬和另外兩類金屬的差異較大。1980年，Nieboer和Richardson兩人提出使用上述分類方法，以替代輕重金屬分類。而該提議尚未被廣泛接受。詞語由來.史前時代的人就已經注意到鐵、金、銀等的密度很大。它們因延展性優良而常被製成飾物、工具或武器。因為1809年之前發現的金屬，密度都相對較高，所以密度曾被視為判斷某材料是否為金屬的唯一標準。1809年起，科學家成功提取諸如鈉、鉀、鍶之類，密度相較以往發現金屬更低的金屬。這衝擊了當時“金屬密度都很高”的傳統觀點，因此有科學家提議把這些金屬稱作“類金屬”，意指它們的形態或外觀近似於金屬。但科學界最終並未採用此說法，而是承認這些元素為金屬元素，而以“類金屬”指稱非金屬元素。“重金屬”一詞最早可追溯到1817年，德國化學家利奧波德·格梅林將化學元素分類為非金屬、輕金屬、重金屬三種，其中輕金屬界定為密度介於0.860 g/cm3至5.0 g/cm3的金屬元素，重金屬則界定為密度介於5.308 g/cm3至22.000 g/cm3的金屬元素。此後多年間，不同的科學家使用的重金屬定義各有不同，而在一些“重金屬”一詞也被用來稱呼具有高原子量或高原子序數的元素。蘇格蘭毒理學家約翰·達弗斯。生物角色.一些在生物體內發生的過程需要微量重金屬。一個體重為70公斤的人通常有約0.01%的重金屬。有若干不屬於必要元素的重金屬也具有生物影響。例如鍺能夠促進植物生長。毒性.人們通常認為重金屬有。某些重金屬的確如此，不過部分重金屬只是在攝取過量時才有毒，或者只在特定化學形式下才有毒性。環境汙染.鉻、砷、鎘、汞、鉛是最具潛在危害的重金屬，這是儘管它們的單質或化合物有劇毒，卻被人類廣泛使用，致使在自然環境中廣泛分佈。例如六價鉻和砷是致癌物，鎘會導致痛痛病，汞和鉛會損害中樞神經系統。鉛是最常見的重金屬汙染物。在工業化地區，水生環境裡的鉛濃度估計為非工業化地區的兩至三倍。在1930至1970年代，四乙基鉛的時間差納入考量，則暴力罪案率與鉛暴露的統計曲線幾乎完全相合。其他具有潛在危害的重金屬環境汙染物包括：錳。屬於必要營養素的重金屬.如果攝取過量，屬於必要營養素的重金屬也可能會變得有毒，一些元素已知存在一些有毒的形態。五氧化二釩可以致命，即使存活下來也可能使主要器官受到損傷。硒的每日建議攝取量上限是0.45毫克，而若攝取超過建議量的十倍，達到5毫克，硒就具有劇毒；長期硒中毒還能夠致癱。其他.一些非必需的重金屬元素具有一種或多種有毒化合物形態。曾出現過由於過量攝入鍺導致腎衰竭甚至致命的記錄。暴露於四氧化鋨則可能導致永久性眼損傷、呼吸衰竭及死亡。對於銦鹽，如果攝入超過幾毫克，會使腎臟、肝臟和心臟受到影響。重要的化療藥物順鉑對腎臟及神經具有毒性。過量攝入鉍化合物可導致肝損傷。不可溶的鈾化合物以及它們產生的電離輻射則可導致永久性腎損傷。暴露源.工業活動帶來的重金屬富集能降低空氣、水及土壤的品質，並因此導致動植物健康狀況下降。可能導致重金屬富集的括工業垃圾、汽車尾氣、鉛酸蓄電池、肥料、染料、經過處理的木材、老化的管道以及海中漂浮的塑膠顆粒等。1950年代發生於日本的水俁病事件，正是由於含汞廢水排放入海，被水中生物攝入後轉化為有機汞化合物，人食用這些海產品後有機汞進入人體所致。巴西的班託羅德里格斯水壩災難、美國的等，都是由於不當工業活動致使普通民眾暴露於過量重金屬的例子。形成、丰度、分佈及提取.重金屬元素的產生與大多數元素類似，是從已存在的原子核發生核反應後形成。關於具體的反應形式，可按原子序數小於和大於鐵元素進行區分。原子序數小於鐵的重金屬元素大部分是透過恆星核合成產生的。恆星內，從氫至矽的元素在恆星內部參與連續的核聚變反應，釋放光和熱，並生成較原子序數較大的元素。關於原子序數大於鐵的元素，由於透過核聚變生成這些元素的過程中，吸收的能量大於放出的能量，故原子序數大於鐵的重金屬通常並不經由核聚變產生，它們主要由原子序數較小的元素髮生中子俘獲而來。中子俘獲有兩種主要的形式——R-過程與S-過程。在S-過程中，兩次俘獲事件之間可能間隔數年甚至數十年，這使得不穩定的原子核有充分時間發生β衰變。而在R-過程中，俘獲速率比衰變速率快。因此，S-過程的反應路徑較為清晰，例如鎘-110在恆星內被足夠的中子轟擊後變為鎘-115，然後透過β衰變生成半衰期長達宇宙年齡30000倍的銦-115。銦-115可繼續俘獲中子變成銦-116，然後衰變為錫-116。由於釙和砈的半衰期很短，他們會快速衰變為鉍和鉛，使得S-過程終止於鉍。而在R-過程中則沒有這樣的反應路徑。R-過程的俘獲速率太快，以至於可以跳過一些不穩定的核素，從而產生更重的元素，例如釷和鈾。關於這些過程所需的較輕元素及中子的則與恆星的演化有關。恆星可能會在他們生命週期的末期會將一部分質量丟擲，而中子星碰撞事件則丟擲大量中子，產生了上述的中子俘獲過程的發生條件，因而得以在星際空間中產生更重的元素。之後在引力的作用下，這些物質逐漸坍縮形成新的恆星和行星。按質量計算，地殼中大約含有5%的重金屬，其中鐵佔95%。另外輕金屬佔約20%，非金屬佔約75%。雖然總體含量較少，但由於造山運動、侵蝕作用及其他地質過程，重金屬元素常常集中出現，從而在經濟上有提取的價值。重金屬元素中的一些元素屬於中的親石元素，易與除氧以外的氧族元素形成化合物。其中親石元素主要是f區元素，且通常比d區元素具有更活躍的化學性質。它們與氧具有很強的化學親和性，常常出現在相對低密度的矽酸鹽礦物中。親硫重金屬元素一般較d區及第4至6週期的元素不活躍。在自然界中，這類元素一般出現於不可溶的硫化物礦物中。親硫元素形成的礦物通常比親石元素的密度大，因而在形成過程中會沉至地殼更深處，而丰度也更低。作為一種，金不易與氧或硫化合成化合物。在地球形成時，金與其他抗腐蝕金屬傾向於熔合成高密度合金，並沉入地核，因而相對稀有。一些相對而言較為不貴重的重金屬，其被認為主要是以親鐵金屬的型態存在於地核、地幔和地殼中，而在地殼中則又被認為主要以親硫金屬的型態存在，其少以形式存在於自然界。地殼下的重金屬豐度通常較高，而大部分存在於鐵-矽-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。加州大學伯克利分校的研究認為，地核中的鈾、釷和鉀元素可能透過衰變產生大量的熱量，來驅使板塊運動，並維持地球的磁場。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，親石重金屬可以透過電解或化學處理來從其礦石中提取出來；而親硫的重金屬元素則是透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。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。親硫的鉑系元素主要是與其他親硫元素熔合在一起形成的親硫原礦石。這些原礦石需要透過、煅燒，再於硫酸中，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。與其他金屬元素相比，鉑系元素因為元素豐度與生產成本的原因，而導致其更為昂貴。金元素由於屬的緣故，導致在工業作業上，可以透過黃金氰化法從原礦石中提取出來。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，投入氰化鉀溶液與氧氣共同作用下，就可以得到氰化亞金鉀和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鋅，由於鋅的活躍程度遠遠高於金，可發生取代反應而將金析出。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。重金屬與輕金屬.由於“輕金屬”和“重金屬”的定義目前並未達成廣泛共識，因此對二者進行總體對比時應小心謹慎。而且，金屬的硬度和強度隨純度、晶粒大小、預處理工序而異，差異可以很大。下表籠統地總結了重金屬和輕金屬的一些物理性質和化學性質。這些性質幫助人們較易分辨重金屬具有一些輕金屬的性質，例如相對較柔軟、熔點較低 、主要生成無色配合物。應用.重金屬在生活中很常見，例如鐵佔所有精煉金屬產量的90%。一些常見的用途中，人們只是利用了重金屬材料所具有的普通的金屬性質，例如導電性和反光特性，或是密度、強度和耐久性度。某些重金屬元素因其特性，具有一些特別的用途。例如由於部分重金屬原子的 d 軌道或 f 軌道未填滿，使得它們可以形成彩色的化合物，這包括大多數過渡金屬和鑭系、錒系元素。另一些重金屬元素則在化合物中顯示出多種氧化態，使得它們可以催化一些化學反應。具有此特性的金屬包括鉑、鈰和鉍等。一些元素3d或4f軌道重疊較弱，使得這些元素具有磁性，例如，例如鐵、鈷、鎳及銪至銩等鑭系重金屬。而高原子序數和電子密度則使元素具有核物理應用價值。重金屬元素的典型用途按其所利用的性質，可以歸為以下列出的六類。重量與密度.重金屬材料的一個主要特點就是擁有較高的密度。在體育、機械工程、武器以及原子核物理學等領域中都有利用這個特點。潛水中，潛水者會使用鉛作為配重；障礙賽馬中，馬匹需要佩戴指定重量的鉛，以平衡選手的獲勝機率，高爾夫球、球道及球杆中會使用鎢、黃銅等降低重心位置，使得球手更容易將球擊打至半空，含鎢的球可能擁有更好的飛行特性；飛蠅釣的釣線中使用的聚氯乙烯含有鎢粉，可使釣線具擁有一定重量；鏈球和鉛球則會分別使用鋼和鉛作為球的填充物以達到國際規則規定的重量。直至1980年，鏈球中都有使用鎢。自1981年起，鏈球的最小直徑變大，使得製造鏈球時，不再必須使用鎢。當時，鎢屬於比較昂貴的金屬，且不是在所有的國家都能買到。鎢制的鏈球密度之大，以至於常常在草皮上砸出很深的洞。在機械工程領域，重金屬常用於船舶、飛機及機動車等。輪胎平衡、曲軸、陀螺儀、螺旋槳、，以及需要在極小的空間內使用大質量物體的情況。在軍械方面，、穿甲彈及核武器製成的代替鉛製及銻制的子彈。而關於鎢對環境的影響則尚有爭論。通常來說，材料的密度越高，越能有效吸收輻射。因此，中常會用到重金屬材料。而在放射線療法及直線粒子加速器中則會將重金屬材料用於粒子束準直。強度與耐久度.因為一些重金屬材料具有良好的強度和耐久度，所以在工具、機械、家用電器、鐵路運輸、建築、橋樑、汽車等各個方面均有應用。重金屬元素也可與其他金屬製成合金，以增強其效能。重金屬材料亦是金屬貨幣和首飾、玩具中常用的材料。除了碳和鋁之外，其餘二十多種被用來鑄造貨幣的材料都是重金屬。此外，首飾中會使用金、銀和鉑。同樣用於製作首飾的還有由金和鎳、銦、鈷等製成的。鉻、鎳、鎘和鉛則可能用於玩具和廉價首飾中。銅、鋅、錫和鉛雖然強度較弱，但具有優良的抗腐蝕特性。當它們與空氣中的氣體反應時，會分別生成銅綠及多種銅鹽、碳酸鋅、二氧化錫和一氧化鉛、碳酸鉛、硫酸鉛，發生鈍化，保護其內部材料不會再受腐蝕。因此，銅和鉛常用來在熱浸鍍鋅鋼中，鋅是材料；錫也是有抗蝕的特性，用在罐頭上鐵和鉻可以透過加入釓來降低其加工難度，也可以加入鉛使其提升其硬度和抗酸蝕能力。生物與化學.自古以來，人們就發現某些重金屬的微動力學效應，可作用於殺蟲劑。 鉑、鋨、銅、釕、和其它重金屬，包括砷，可以用來抗癌或有抗癌的潛能。 銻在藥物化學裡也是很重要的。 防腐劑配方中也使用了銅，鋅，銀，金或汞；少量的某些重金屬可用於控制藻類在冷卻塔中的生長。 農業化學取決於其用作肥料或殺蟲劑的預期用途，可能包含重金屬，例如鉻，鈷，鎳，銅，鋅，砷，鎘，汞或鉛。一些重金屬可以用來做燃料的催化劑在肥皂化工裡，會用重金屬形成不溶於水的肥皂，可以用在、油漆快乾劑和。制氯工業中使用有二氧化釕塗層的鈦作為陽極。著色與光學.玻璃、釉、塗料和塑膠中的顏色常來自於重金屬元素的離子，例如鉻、錳、鈷、銅、鋅、鋯、鉬、釹、銀、錫、鐠、鉺、鎢、銥、金、鉛、鈾等。例如刺青使用的墨水中可能含有鉻、鈷、鎳和銅。另外，在光學和天文學器件中，常在反射鏡中採用某些具有高反射率的重金屬材料。例如車前燈的反射面會使用銠薄膜來提高反射率。電磁與發光性質.重金屬及其化合物在電子元件、電極材料、電線和光伏模組中常作為導體、半導體或絕緣體使用。印刷電路板中會使用銅粉、鉬粉；供電系統中大量使用銅導線，是利用了銅良好的導電性。電子裝置中會使用銀和金作為導體，尤其是接觸開關處。這是由於這兩種元素的導電性較好，且其表面上不易出現雜質。碲化鎘和砷化鎵這兩種半導體會被用於製造太陽能電池板。二氧化鉿是一種絕緣體，可用作製造積體電路中的。另一種絕緣體——五氧化二鉭，則是會被用於製造手機的電容器。重金屬被用於製造電池已至少存在200年歷史，可以追溯到1800年亞歷山德羅·伏打使用銅和銀發明並製造的伏打電堆。重金屬目前依然被用於製造各種電池，例如鉕、鑭鎳合金和汞可以分別用於製造核電池、鎳氫電池和鈕扣電池。磁鐵是由錳，鐵，鈷，鎳，鈮，鉍，鐠，釹，釓和鏑等重金屬製成。釹磁鐵是目前已知最強的永久磁鐵，在許多機械中都有應用。例如汽車中的車門鎖、、和。重金屬在各種照明和發光裝置中多有使用，例如白熾燈、發光二極體和鐳射等。白熾燈中的燈絲由鎢製成；熒光燈管中填充汞蒸汽，以利用汞光譜中的紫外光激發熒光粉發出白光。氧化銦錫因其同時具有透明和導電兩個特性，故可用在諸如液晶顯示器、有機發光二極體和等離子體顯示器之類的平板顯示器中。核子與放射性.由於具有放射性，高原子序數重金屬在診斷成像、電子顯微鏡和核能科學等領域也有特殊用途。在診斷成像中，使用鈷或鎢等重金屬作為X射線管中的陽極材料。在電子顯微鏡中，金、鉛、鉑、銥或鈾等重金屬可用來製造導電塗層，用染色、負染色或等方法來調整生物樣本的電子密度。在核能科學中，有時使用鉻、鐵、鋅的原子核轟擊目標重金屬原子核，以產生超重元素，有時也會用重金屬作為的目標，以形成中子或放射性同位素。