Logam berat

Logam berat umumnya didefinisikan sebagai logam dengan densitas, berat atom, atau nomor atom tinggi. Kriteria yang digunakan, dan jika metaloid disertakan, bervariasi tergantung pada penulis dan konteksnya. Dalam metalurgi, misalnya, logam berat dapat didefinisikan berdasarkan kerapatan, sedangkan pada fisika, kriteria pembeda adalah nomor atom, sementara kimiawan kemungkinan akan lebih memperhatikan sifat kimia zatnya. Definisi yang lebih spesifik telah dipublikasikan, namun tidak satu pun yang diterima secara luas. Definisi yang disurvei dalam artikel ini mencakup 96 dari 118 unsur kimia yang diketahui; hanya raksa, timbal dan bismut yang memenuhi semua kriteria. Terlepas dari kurang kesepakatnya ini, istilah tersebut (jamak atau tunggal) banyak digunakan dalam sains. Densitas lebih dari 5 g/cm³ kadang-kadang dikutip sebagai kriteria yang umum digunakan dalam batang tubuh artikel ini.
Logam yang paling awal dikenal—logam biasa seperti besi, tembaga, dan timah, dan logam mulia seperti perak, emas, dan platina—adalah logam berat. Sejak tahun 1809 dan seterusnya, ditemukan logam ringan, seperti magnesium, aluminium, dan titanium, dan juga logam berat yang kurang terkenal termasuk galium, talium, dan hafnium.
Beberapa logam berat ada yang merupakan nutrisi esensial (biasanya besi, kobalt, dan seng), atau relatif tidak berbahaya (seperti ruthenium, perak, dan indium), tetapi dapat beracun dalam jumlah besar atau dalam bentuk tertentu. Logam berat lainnya, seperti kadmium, raksa, dan timbal, sangat beracun. Sumber potensi keracunan logam berat antara lain limbah penambangan dan industri, limpasan pertanian, paparan kerja, dan cat serta pengawetan kayu.
Karakterisasi fisika dan kimia logam berat harus dilakukan dengan hati-hati, karena logam yang terlibat tidak selalu didefinisikan dengan baik. Selain relatif padat, logam berat cenderung kurang reaktif daripada logam yang lebih ringan dan memiliki sulfida dan hidroksida terlarut yang jauh lebih sedikit. Meskipun relatif mudah untuk mengenali logam berat seperti tungsten dari logam yang lebih ringan seperti natrium, beberapa logam berat seperti seng, raksa, dan timbal memiliki karakteristik logam yang lebih ringan, sebaliknya logam yang lebih ringan seperti berilium, skandium, dan titanium memiliki beberapa karakteristik logam berat.
Logam berat relatif langka di kerak bumi tetapi hadir dalam banyak aspek kehidupan modern. Mereka digunakan pada tongkat golf, mobil, antiseptik, oven yang dapat membersihkan sendiri, plastik, panel surya, telepon genggam, dan pemercepat partikel.

Asal dan penggunaan istilah

Seberapa berat logam yang terbentuk secara alami seperti emas, tembaga, dan besi mungkin telah diperhatikan sejak masa prasejarah dan, mengingat kelenturannya, mencetuskan usaha pertama untuk menciptakan ornamen, alat, dan senjata logam. Semua logam yang ditemukan sejak saat itu sampai 1809 memiliki kerapatan yang relatif tinggi; seberapa berat mereka dianggap sebagai kriteria yang sangat berbeda.
Sejak 1809 dan seterusnya, logam ringan seperti natrium, kalium, dan strontium diisolasi. Densitas mereka yang rendah menantang pemikiran konvensional dan diusulkan untuk menyebut mereka sebagai metaloid (artinya "menyerupai logam dalam bentuk maupun penampilan"). Saran ini diabaikan; unsur baru kemudian dikenali sebagai logam, dan istilah metaloid kemudian digunakan untuk merujuk pada unsur non-logam dan, kemudian, untuk unsur yang sulit dijelaskan sebagai logam atau non-logam.
Penggunaan awal istilah "logam berat" berasal dari tahun 1817, ketika kimiawan Jerman Leopold Gmelin membagi unsur-unsur ke dalam kelompok nonlogam, logam ringan, dan logam berat. Logam ringan memiliki densitas 0,860-5,0 g/cm³; logam berat 5,308-22,000. Istilah ini kemudian dikaitkan dengan unsur-unsur dengan berat atom atau nomor atom tinggi. Kadang-kadang istilah ini digunakan secara bergantian dengan istilah unsur berat. Misalnya, dalam membahas sejarah kimia nuklir, Magee mencatat bahwa aktinida itu pernah dianggap mewakili kelompok transisi elemen berat yang baru sedangkan Seaborg beserta rekan kerjanya, "menyukai ... suatu deret seperti logam-berat-tanah langka ...". Dalam astronomi, unsur berat adalah unsur yang lebih berat daripada hidrogen dan helium.

Kritik

Pada tahun 2002, toksikolog Skotlandia John Duffus meninjau kembali definisi yang telah digunakan selama 60 tahun dan menyimpulkan bahwa definisi tersebut begitu beragam sehingga secara efektif membuat istilah itu tidak berarti. Seiring dengan temuan ini, status logam berat beberapa logam terkadang ditentang dengan alasan bahwa mereka terlalu ringan, atau terlibat dalam proses biologis, atau jarang membahayakan lingkungan. Contohnya antara lain skandium (terlalu ringan); vanadium hingga seng (terlibat proses biologis); dan rhodium, indium, serta osmium (terlalu langka).

Popularitas

Meski memiliki makna yang dipertanyakan, referensi tentang istilah logam berat muncul secara teratur dalam literatur ilmiah. Sebuah penelitian tahun 2010 menemukan bahwa hal itu telah semakin banyak digunakan dan tampaknya telah menjadi bagian dari bahasa sains. Istilah tersebut dikatakan sebagai istilah yang dapat diterima, mengingat kenyamanan dan keakrabannya, asalkan disertai dengan definisi yang ketat. Rekanan logam berat, logam ringan, disinggung oleh The Minerals, Metals and Materials Society termasuk "aluminium, magnesium, berilium, titanium, litium, dan logam reaktif lainnya." Logam-logam tersebut memiliki kerapatan 0,534 sampai 4,54 g/cm³.

Logam berat lingkungan

Kromium, arsenik, kadmium, merkuri, dan timbal memiliki potensi terbesar yang dapat menyebabkan kerusakan karena penggunaannya yang luas, toksisitas beberapa bentuk gabungan atau unsurnya, dan penyebarannya yang luas di lingkungan. Kromium heksavalen, misalnya, sangat beracun seperti uap raksa dan banyak senyawa raksa. Kelima unsur ini memiliki affinitas yang kuat terhadap belerang; dalam tubuh manusia mereka biasanya terikat pada enzim, melalui gugus tiol (-SH), yang bertanggung jawab untuk mengendalikan laju reaksi metabolik. Ikatan belerang-logam yang dihasilkan menghambat fungsi enzim yang terlibat; memperburuk kesehatan manusia, kadang-kadang berakibat fatal. Kromium (dalam bentuk heksavalennya) dan arsenik adalah karsinogen; kadmium menyebabkan penyakit tulang degeneratif; dan raksa dan timbal merusak sistem saraf pusat
Timbal adalah kontaminan logam berat yang paling umum. Tingkatannya di lingkungan perairan masyarakat industri diperkirakan dua sampai tiga kali tingkatan di masa pra-industri. Sebagai komponen tetraetil timbal, (CH₃CH₂)₄Pb, timbal digunakan secara luas dalam bensin selama tahun 1930-1970an. Meskipun penggunaan bensin bertimbal sudah lenyap dari bumi Amerika Utara pada tahun 1996, tanah di sekitar jalan yang dibangun sebelum masa ini mengandung timbal dalam konsentrasi tinggi. Penelitian terakhir menunjukkan korelasi statistik yang signifikan antara laju penggunaan bensin bertimbal dan tingkat kriminalitas dengan kekerasan di Amerika Serikat; dengan memperhitungkan jeda waktu 22 tahun (untuk usia rata-rata kriminal dengan kekerasan), kurva kejahatan dengan kekerasan sebanding dengan kurva paparan timbal.
Logam berat lainnya yang dicatat untuk sifat potensi bahayanya, biasanya sebagai polutan toksik lingkungan, termasuk mangan (kerusakan sitem saraf pusat); kobalt dan nikel (karsinogen); tembaga, seng, selenium dan perak (gangguan endokrin, kelainan bawaan, atau efek keracunan umum pada ikan, tumbuhan, unggas, atau organisme air lainnya); timah, sebagai organotimah (kerusakan sistem saraf pusat); antimon (ditengarai karsinogen); dan talium (kerusakan sistem saraf pusat).

Logam berat nutrisi esensial

Logam berat yang penting untuk kehidupan bisa menjadi racun jika dikonsumsi berlebihan; beberapa memiliki bentuk beracun yang sangat penting. Vanadium pentoksida (V₂O₅) bersifat karsinogenik pada hewan dan, bila dihirup, menyebabkan kerusakan DNA. Ion ungu permanganat MnO–4 adalah racun liver dan ginjal. Menelan lebih dari 0,5 gram zat besi dapat menyebabkan gagal jantung; Overdosis semacam itu paling sering terjadi pada anak-anak dan bisa berakibat kematian dalam waktu 24 jam. Nikel karbonil (Ni₂(CO)₄), dengan kadar 30 ppm, dapat menyebabkan kegagalan pernafasan, kerusakan otak dan kematian. Mengkonsumsi 1 gram atau lebih tembaga sulfat (Cu(SO₄)₂) dapat berakibat fatal; korban selamat mungkin mengalami kerusakan organ yang parah. Lebih dari lima miligram selenium sangat beracun; ini kira-kira sepuluh kali dari asupan harian maksimum yang direkomendasikan (0,45 mg); keracunan jangka panjang bisa mengakibatkan efek paralitik.

Logam berat lainnya

Beberapa logam berat non-esensial memiliki satu atau lebih bentuk yang beracun. Kegagalan dan fatalitas ginjal telah tercatat timbul dari konsumsi suplemen germannium (konsumsi total ~15 hingga 300 g selama periode dua bulan hingga tiga tahun). Paparan osmium tetroksida (OsO₄) dapat menyebabkan kerusakan mata permanen dan memicu kegagalan respirasi serta kematian. Garam indium beracun jika dikonsumsi lebih dari beberapa miligram dan akan berdampak pada ginjal, liver, dan jantung. Cisplatin (PtCl₂(NH₃)₂), yang merupakan obat penting yang digunakan untuk membunuh sel kanker, juga merupakan racun bagi ginjal dan saraf. Senyawa bismut dapat menyebabkan kerusakan liver jika dikonsumsi berlebih; senyawa uranium yang tidak larut, serta radiasi berbahaya yang dipancarkannya, dapat menyebabkan kerusakan ginjal permanen.

Sumber paparan

Logam berat dapat menurunkan kualitas udara, air, dan tanah, dan kemudian menyebabkan masalah kesehatan bagi tanaman, hewan, dan manusia, ketika terjadi penumpukan sebagai hasil aktivitas industri. Sumber logam berat yang umum dalam konteks ini meliputi aktivitas pertambangan dan limbah industri; gas buang kendaraan; baterai asam timbal; pupuk; cat; dan kayu olahan; infrastruktur pasokan air yang sudah tua; dan mikroplastik yang terapung di samudera dunia. Contoh terkini kontaminasi logam berat dan risiko kesehatan meliputi kasus penyakit Minamata, Jepang (1932-1968; tuntutan hukum tahun 2016); bencana bendungan Bento Rodrigues di Brazil, kandungan timbal yang tinggi pada pasokan air minum kepada penduduk Flint, Michigan, di timur laut Amerika Serikat.

Penggunaan

Logam berat hadir di hampir semua aspek kehidupan modern. Besi mungkin yang paling umum karena menyumbang 90% dari semua logam olahan. Platina bisa jadi yang paling banyak dijumpai, atau digunakan untuk memproduksi, 20% dari semua barang konsumsi
Beberapa penggunaan logam berat yang umum bergantung pada karakteristik umum logam seperti konduktivitas listrik dan reflektivitas atau karakteristik umum logam berat seperti densitas, kekuatan, dan daya tahan. Kegunaan lainnya bergantung pada karakteristik unsur tertentu, seperti peran biologisnya sebagai nutrisi atau racun atau beberapa sifat atom tertentu lainnya. Contoh sifat atom tersebut meliputi: orbital d atau f yang terisi sebagian (dalam banyak logam berat transisi, lantanida, dan aktinida) yang memungkinkan pembentukan senyawa berwarna; kapasitas sebagian besar ion logam berat (seperti platina, serium atau bismut) ada di tingkat oksidasi yang berbeda dan oleh karena itu bertindak sebagai katalis; orbital 3d atau 4f yang tumpangsuh (dalam besi, kobal, dan nikel, atau logam berat lantanida dari europium sampai thulium) yang menimbulkan efek magnetik; dan jumlah atom dan kerapatan elektron yang tinggi yang mendukung aplikasi sains nuklir. Penggunaan logam berat yang umum dapat dikelompokkan secara luas ke dalam enam kategori berikut.

Berdasarkan berat atau densitas

Beberapa penggunaan logam berat, termasuk di bidang olahraga, teknik mesin, persenjataan militer, dan teknik nuklir, memanfaatkan kerapatan mereka yang relatif tinggi. Dalam dunia penyelaman, timbal digunakan sebagai ballast; dalam pacuan kuda cacat masing-masing kuda harus membawa timbal dengan bobot yang telah ditentukan, berdasarkan faktor termasuk kinerja sebelumnya, sehingga dapat mengimbangi peluang berbagai pesaing. Dalam golf, sisipan tungsten, kuningan, atau tembaga pada tongkat golf (club) untuk fairway menurunkan pusat gravitasi club sehingga memudahkan untuk melayangkan bola ke udara; dan bola golf dengan inti tungsten diklaim memiliki karakteristik layang yang lebih baik. Dalam fly fishing, umpan lalat memiliki lapisan PVC yang dicampur dengan bubuk tungsten, sehingga mereka tenggelam pada tingkat yang dibutuhkan. Dalam olahraga lapangan, bola baja yang digunakan dalam event lontar martil dan tolak peluru diisi dengan timbal untuk mencapai berat minimum yang dibutuhkan berdasarkan peraturan internasional. Tungsten digunakan dalam bola lontar martil setidaknya sampai tahun 1980; ukuran bola minimum meningkat pada tahun 1981 untuk menghilangkan kebutuhan akan logam mahal (tiga kali lipat biaya martil lainnya) yang umumnya tidak tersedia di semua negara. Martil tungsten sangat padat sehingga mereka menembus terlalu dalam ke rumput.
Dalam teknik mesin, logam berat digunakan untuk pemberat di kapal, pesawat terbang, dan kendaraan bermotor; atau pada penyeimbang pada roda dan crankshaft, giroskop, dan baling-baling, serta kopling sentrifugal, dalam situasi yang membutuhkan berat maksimum dalam ruang minimum (misalnya dalam penggerak arloji).
Dalam persenjataan militer, tungsten atau uranium digunakan dalam pelapisan perisai tempur dan proyektil pembobol perisai, serta senjata nuklir untuk meningkatkan efisiensi (dengan merefleksikan neutron dan sesaat menunda perluasan bahan reaksi). Pada tahun 1970an, tantalum ditemukan lebih efektif daripada tembaga untuk shaped charge dan senjata anti-perisai bentukan ledakan (bahasa Inggris: explosively formed anti-armour weapons) karena kerapatannya yang lebih tinggi, yang memungkinkan konsentrasi gaya yang lebih besar, dan deformabilitas yang lebih baik. Logam berat yang kurang beracun, seperti tembaga, timah, tungsten, dan bismut, dan mungkin juga mangan (dan juga boron, metaloid), telah menggantikan timbal dan antimon dalam peluru hijau yang digunakan oleh beberapa tentara dan dalam beberapa amunisi tembak-tembakan rekreasi. Keraguan telah diajukan tentang keamanan (atau kredensial hijau) tungsten.
Karena bahan yang lebih padat menyerap lebih banyak emisi radioaktif daripada yang ringan, logam berat berguna sebagai perisai radiasi dan memusatkan sinar radiasi pada akselerator linier dan aplikasi radioterapi.

Berdasarkan kekuatan atau daya tahan

Kekuatan atau daya tahan logam berat seperti kromium, besi, nikel, tembaga, seng, molibdenum, timah, tungsten, dan timbal, serta paduannya, membuat mereka berguna untuk pembuatan artefak seperti alat, mesin, peralatan rumah tangga perabotan, pipa, rel kereta, gedung dan jembatan, mobil, kunci, furnitur, kapal, pesawat terbang, koin dan perhiasan. Mereka juga digunakan sebagai aditif paduan untuk meningkatkan sifat logam lainnya. Dari dua lusin unsur, hanya dua yang telah digunakan dalam mata uang monetisasi dunia, karbon dan aluminium, bukan logam berat. Emas, perak, dan platina digunakan dalam perhiasan seperti nikel, tembaga, indium, dan kobalt dalam emas berwarna. Perhiasan imitasi dan mainan anak mungkin terbuat dari logam berat, pada tingkat yang signifikan, seperti kromium, nikel, kadmium, atau timbal.
Tembaga, seng, timah, dan timbal adalah logam yang secara mekanis lebih lemah namun memiliki sifat pencegahan korosi yang berguna. Sementara masing-masing akan bereaksi dengan udara, dihasilkan patina dari berbagai macam garam tembaga, seng karbonat, timah oksida, atau campuran timbal oksida, karbonat, dan sulfat, memberikan sifat perlindungan yang berharga. Oleh karena itu, tembaga dan timbal digunakan untuk, misalnya bahan atap; seng bertindak sebagai zat anti korosi dalam baja galvanisir; dan timah bertindak sebagai fungsi yang sama pada kaleng baja.
Daya tahan dan ketahanan korosi besi dan kromium dapat ditingkatkan dengan penambahan gadolinium; hambatan rayapan nikel ditingkatkan dengan penambahan thorium. Telurium ditambahkan ke paduan tembaga dan baja untuk meningkatkan kemampuan mesin; dan untuk membuatnya lebih keras dan lebih tahan asam.

Biologi dan kimia

Efek biosida beberapa logam berat telah dikenal sejak zaman purba. Platina, osmium, tembaga, rutenium, dan logam berat lainnya, termasuk arsenik, digunakan dalam perawatan anti kanker, atau menunjukkan potensi untuk itu. Antimon (anti-protozoa), bismut (anti tukak), emas (anti artritis), dan besi (anti malaria), juga penting untuk pengobatan. Tembaga, seng, perak, emas, atau raksa digunakan dalam formulasi antiseptik; sejumlah kecil beberapa logam berat digunakan untuk mengendalikan pertumbuhan alga, misalnya, menara pendingin. Bergantung pada penggunaan yang dimaksudkan sebagai pupuk atau biosida, agrokimia mungkin mengandung logam berat seperti kromium, kobalt, nikel, tembaga, seng, arsen, kadmium, raksa, atau timbal.
Logam berat yang dipilih digunakan sebagai katalis dalam pengolahan bahan bakar (renium, misalnya), produksi karet dan serat sintetis (bismut), alat kontrol emisi (paladium), dan dalam oven swaresik (di mana cerium(IV) oksida di dinding oven semacam itu membantu mengoksidasi residu memasak berbasis karbon). Dalam kimia sabun, logam berat membentuk sabun yang tidak larut yang digunakan dalam gemuk pelumas, pengering cat, dan fungisida (terlepas dari litium, logam alkali dan ion amonium yang membentuk sabun yang dapat larut).

Pewarnaan dan optik

Warna kaca, glazur keramik, cat, pigmen, dan plastik umumnya diproduksi dengan memasukkan logam berat (atau senyawanya) seperti kromium, mangan, kobalt, tembaga, seng, selenium, zirkonium, molibdenum, perak, timah, praseodimium, neodimium, erbium, tungsten, iridium, emas, timbal, atau uranium. Tinta tattoo mungkin mengandung logam berat, seperti kromium, kobalt, nikel, dan tembaga. Reflektivitas tinggi beberapa logam berat penting dalam konstruksi cermin, termasuk instrumen astronomi yang presisi. Reflektor lampu bergantung pada pantulan yang sangat baik dari film tipis rhodium.

Elektronik, magnet, dan pencahayaan

Logam berat atau senyawanya dapat ditemukan di komponen elektronik, elektroda, dan kabel serta panel surya di mana mereka dapat digunakan sebagai konduktor, semikonduktor, atau isolator. Bubuk molibdenum digunakan dalam tinta papan sirkuit. Anoda titanium bersalut ruthenium(IV) oksida digunakan dalam industri produksi klorin. Sistem kelistrikan rumah sebagian besar dihubungkan dengan kawat tembaga karena konduktivitasnya yang baik. Perak dan emas digunakan dalam perangkat listrik dan elektronik, terutama pada tombol on/off, karena konduktivitas listriknya yang tinggi dan kapasitasnya untuk menahan atau meminimalkan pembentukan kotoran pada permukaannya. Semikonduktor kadmium telurida dan galium arsenida digunakan untuk membuat panel surya. Hafnium oksida, isolator, digunakan sebagai pengontrol tegangan dalam mikrochip; tantalum oksida, isolator lain, digunakan pada kapasitor dalam ponsel. Logam berat telah digunakan dalam baterai selama lebih dari 200 tahun, setidaknya sejak Alessandro Volta menemukan tumpukan volta tembaga dan peraknya pada tahun 1800. Prometium, lantanum, dan raksa adalah contoh lebih lanjut yang ditemukan pada baterai atom, nickel-metal hidrida, dan baterai arloji.
Magnet terbuat dari logam berat seperti mangan, besi, kobalt, nikel, niobium, bismut, praseodimium, neodimium, gadolinium, dan disprosium. Magnet neodimium adalah jenis magnet permanen paling kuat yang tersedia secara komersial. Mereka adalah komponen kunci, misalnya kunci pintu mobil, starter motor, pompa bahan bakar, dan power window.
Logam berat digunakan di pencahayaan, laser, dan diode pancaran cahaya (light-emitting diode, LED). Tampilan layar datar menggabungkan film tipis penghantar listrik indium timah oksida. Lampu fluorescent bergantung pada uap raksa untuk beroperasi. Laser ruby menghasilkan sinar merah tajam dengan mengeksitasi atom kromium; lantanida juga banyak digunakan untuk laser. Galium, indium, dan arsen; serta tembaga, iridium, dan platinum digunakan dalam LED (yang tiga terakhir dalam LED organik).

Nuklir

Penggunaan niché logam berat dengan nomor atom tinggi terdapat pada pencitraan diagnostik, mikroskopi elektron, dan teknik nuklir. Dalam pencitraan diagnostik, logam berat seperti kobalt atau tungsten membentuk bahan anoda yang dijumpai dalam tabung sinar-X. Dalam mikroskopi elektron, logam berat seperti timbal, emas, paladium, platina, atau uranium digunakan untuk membuat salutan konduktif dan untuk memasukkan kerapatan elektron ke spesimen biologis dengan cara pewarnaan, pewarnaan negatif, atau deposisi vakum. Dalam teknik nuklir, inti logam berat seperti kromium, besi, atau seng kadang-kadang ditembakkan pada target logam berat lainnya untuk menghasilkan unsur superberat; logam berat juga digunakan sebagai target spalasi untuk produksi neutron atau radioisotop seperti astatine (menggunakan timbal, bismut, thorium, atau uranium dalam kasus terakhir).