Elohopea
Elohopea on raskas metallinen alkuaine. Sen kemiallinen merkki on Hg (), järjestysluku 80 ja CAS-numero 7439-97-6. Elohopea poikkeaa monista muista metallisista alkuaineista siinä, että sen sulamispiste on alhainen, −38,9 °C . Se siis esiintyy huoneenlämmössä ja normaalissa ilmanpaineessa nestemäisenä. Muut metallit, joiden sulamispiste on lähellä huoneenlämpötilaa, ovat cesium, frankium, gallium ja rubidium. Elohopea on harmaan värinen ja sillä on metalleille ominainen kiilto.
Elohopeaa käytetään kaivostoiminnassa, paristoissa, hammaspaikoissa sekä lämpö- ja painemittareissa. Se on kuitenkin myrkyllinen raskasmetalli eli sen lääketieteelliset vaikutukset ovat ihmiselle haitallisia. Varsinkin höyrynä se on vaarallista. Myrkyllisyyden vuoksi elohopean käyttöä pyritään korvaamaan muilla ratkaisulla ja esimerkiksi käyttö kuumemittareissa on kielletty joissain maissa.
Ranskalaiskemisti Antoine Lavoisier nimesi elohopean alkuaineeksi tutkiessaan ilman koostumusta, mitä varten hänen piti polttaa eri aineita, mukaan lukien elohopeaa.
Maankuoressa esiintyy erittäin vähän elohopeaa, sen massan osuus on 0,08 miljoonasosaa. Tärkein elohopean lähde on helakanpunainen sinooperi (α-HgS). Elohopean sulfidit ovat veteen liukenemattomia ja siksi ihmiselle periaatteessa vaarattomia.
Elohopea esiintyy yhdisteissä hapetusluvuilla +I ja +II. Sen ulkoelektronit sijaitsevat 6s-orbitaalilla, joten elohopealla ei voi olla vajaata 5d-orbitaalia, eikä se siksi kuulu siirtymämetalleihin, vaikka löyhemmän määritelmän mukaan sen voitaisiin katsoa kuuluvan. Elohopea sijaitsee jaksollisessa järjestelmässä 12. pääryhmässä ja 6. jaksossa eli se on d-lohkon alkuaine.
Elohopean atomimassa on 200,59 atomimassayksikköä, tiheys 13,595 g/cm, sulamispiste −38,9 °C ja kiehumispiste 356,9 °C. Elohopealla on havaittu seitsemän pysyvää isotooppia, joista luonnossa yleisin on Hg. Alkuaineen radioisotoopeista pitkäikäisin on Hg (puoliintumisaika 444 vuotta), joka hajoaa elektronisieppauksen kautta.
Elohopeasta käytetty kemiallinen lyhenne Hg on peräisin aineen muinaiskreikkalaisesta sanasta johdetusta latinannoksesta "hydrargyrum" (, "hydrargyros"), "vesihopea". Latinankielisen nimityksen aineelle antoi Neron armeijan lääkäri Dioskorides. Galenos ja Plinius vanhempi käyttivät siitä nimeä "argentum vivum" eli elävä hopea (”elohopea”). Monien germaanisten kielten elohopeaa tarkoittavat sanat ovat johdettu liittämällä hopea-sanan eteen elämää tarkoittavasta indoeurooppalaisesta ğīv-sanasta johdettu etuliite. Esimerkkeinä ruotsin kvicksilver, saksan quecksilber ja englannin quicksilver. Niihin perustuu käännöslainana myös suomen sana elohopea.
Japanin 水銀 (ääntyy "suigin") ensimmäinen merkki tarkoittaa vettä ja jälkimmäinen hopeaa, ja merkitys on siten sama kuin kreikassa. Itäslaavilaisissa kielissä käytettävän sanan () alkuperä on jäänyt hieman hämäräksi, mutta se saattaa olla peräisin turkkilais-arabialaisesta "utarid"-sanasta, joka tarkoittaa Merkuriusta. Eteläslaavilaiset kielet sekä arabia ja turkki ovat omaksuneet sanan persian kielen "zhivah"- tai "jîvah"-sanoista, jotka myös tarkoittavat sananmukaisesti "elävää hopeaa".
Romaanisissa kielissä sitä vastoin elohopeaa tarkoittava sana on peräisin joko suoraan roomalaisten kaupankäynnin pääjumalalta ja jumalten sanansaattajalta Mercuriukselta (Hermes) tai planeetta Merkuriukselta, eli epäsuorasti samalta jumalalta. Siihen perustuvat esimerkiksi portugalin "mercúrio" ja ranskan "mercure", joskin ranskassa aineella on myös nimi "argent-vif" (elohopea). Englannissakin on "quicksilver"-sanan synonyyminä yleisesti käytössä myös sana "mercury".
Alkemistit alkoivat käyttää termiä tiettävästi 600-luvulta lähtien. Elävään hopeaan viittaava vaihtoehto pohjautuu Mercuriukseen yhdistettyihin ominaisuuksiin kuten nopeus ja liikkuvuus, joiden katsotaan liittyvän elohopean nestemäiseen olomuotoon. Toista etymologiaa taas tuetaan sillä, että elohopea oli alkemistien mukaan prima materia eli metalli, josta muut metallit ovat muodostuneet. Muuntelemalla elohopean ja rikin määriä uskottiin voitavan tuottaa puhtaampia metalleja, kuten kaikkein puhtaimpana pidettyä kultaa. Alkemisteilla oli tapana yhdistää tiettyjä metalleja tunnettuihin taivaankappaleisiin, esimerkiksi kulta vastasi Aurinkoa. Elohopean perustavanlaatuisuuteen uskoen se haluttiin yhdistää lähimpänä Aurinkoa kiertävään planeettaan eli Merkuriukseen. Alkemistit omaksuivat elohopealle saman merkin kuin Merkuriuksellekin.
Alkemistit käyttivät useita nimiä elohopealle, ja monet niistä olivat peräisin arabian sanoista. Muutamia näistä ovat azoth (tai azoq), tarith (rai ruscia), zaibac, zeida, zaibar (saibar), vener, ventus albus.
Ranskassa ja Espanjassa tehtyjen luolatutkimusten perusteella myöhäispaleoliittisella kaudella (30 000 vuotta sitten) luolien maalauksissa käytettiin voimakkaan punaisen aikaansaamiseksi sinooperia (HgS). Ei kuitenkaan tiedetä, osattiinko eristää elohopeaa sinooperimalmia kuumentamalla.
Olmeekeista lähtien Etelä-Amerikan kulttuureissa sinooperia hyödynnettiin koristelussa. Mayakulttuurin kukoistuksen aikaan sinooperilla koristeltiin kuninkaallisten hautoja, ja inkat käyttivät sitä kosmetiikassa ja sotamaalauksissa.
Kaikkein vanhimman tunnetun elohopeanäytteen löysi saksalainen arkeologi Heinrich Schliemann muinaisegyptiläisestä haudasta Kurnassa. Elohopea löytyi kookospähkinän muotoisesta astiasta, jonka valmistusajankohdaksi onnistuttiin määrittämään 1600 eaa. Muinaisessa Egyptissä elohopea samaistettiin Thotiin, magian, tieteen ja taiteen jumalaan.
Löydösten perusteella elohopea tunnettiin samaan aikaan myös Kiinassa ja Intiassa.
Aristoteles ja hänen oppilaansa Theofrastos tunsivat elohopean nestemäisen olomuodon ja sen käytön lääkkeenä. Theofrastos kuvaa mineraaleja käsittelevässä "De Lapidibus"-teoksessa keinon valmistaa elohopeaa murskaamalla kuparihuhmareessa sinooperia viinietikan kanssa. Kiinalainen alkemisti Ko Hung tunsi vastaavan menetelmän. Jo Plinius vanhempi tunsi elohopean myrkylliset vaikutukset juotuna, ja Dioskorideen mukaan sinoberikaivosten työntekijät joutuivat tämän vuoksi suojaamaan suunsa ja nenänsä. Myrkyllisyydestä huolimatta Dioskorideen mukaan elohopealla oli samoja terveyttä edistäviä ominaisuuksia kuin verikivellä: se hyydyttää verenvuodon ja auttaa ihon märkärakkuloiden hoidossa. Antiikin aikana elohopeaa käytettiin erilaisiin salvoihin ja kosmetiikkatuotteisiin – kuten toisaalta nykyaikanakin ihon valkaisuun.
Kiinassa ja Tiibetissä elohopealla uskottiin olevan myös elämää pidentäviä ja terveyttä edistäviä vaikutuksia. Esimerkiksi keisari Qin Shi Huangdille tarjottiin elohopean ja jaden sekoituksesta valmistettua juomaa, jonka turvin hänen uskottiin saavuttavan ikuisen elämän. Hyvistä tarkoitusperistä huolimatta keisari kärsi juoman aiheuttamista maksavaurioista ja päätyi aivokuolemaan. Ajatus elohopean tuomasta iankaikkisesta elämästä on myös intialaisessa alkemian kirjassa "Rasavātam".
Elohopea on siis tunnettu jo tuhansia vuosia, eikä sille voida nimetä yksiselitteisesti löytäjää eikä löytövuotta.
Elohopean lääketieteelliset sovellutukset jäivät kaikesta huolimatta antiikissa vähäisiksi. Sen sijaan arabioppineet kiinnostuivat sen mahdollisista terapeuttisista ominaisuuksista. Lisäksi sitä suositeltiin moniin ihosairauksiin. Ristiretkien kautta sotilaat toivat mukanaan Eurooppaan elohopeapohjaista ihonhoitoainetta nimeltä "unguentum saracenicum", ja elohopealääkkeet ja -hoitokeinot säilyivät Euroopassa pitkälle uuteen aikaan saakka. Elohopeaa käytettiin erityisesti kupan hoidossa, mikä poiki sananlaskun, jonka mukaan ”yksi yö Venuksen kanssa merkitsi loppuelämää Merkuriuksen kanssa”. Elohopean oletettu parantava vaikutus perustui siihen, että se lisäsi hikoilua ja syljen eritystä. Keskiaikaiset hoitokeinot perustuivat ruumiin nesteiden tasapainoon eli niin sanottuun humoraalioppiin. Elohopeaa käytettiin hoitokeinona pitkään 1800- ja 1900-luvuille saakka.
Alkemistien keskuudessa elohopealla oli keskeinen merkitys. Alkemian perimmäisenä ajatuksena on, että luonto on jatkuvassa, hitaassa kehityksessä ja pitkän ajan kuluttua kehitys päättyy, jolloin maailma on saavuttanut täydellisyyden. Metallien uskottiin puolestaan koostuvan erilaisista seossuhteista elohopeaa, rikkiä ja suolaa. Kulta oli kaikkein puhtainta mahdollista metallia. Alkemian perusajatukseen vedoten uskottiin olevan mahdollista muuttaa epäpuhtaita metalleja kullaksi muuttelemalla niiden ”seossuhteita”. Alkemistit ajattelivat nopeuttavansa tällä tavoin luonnon kehitystä.
Erästä elohopeayhdistettä käytettiin 1800-luvun puolivälistä 1900-luvun puoliväliin huopahattujen teossa. Käytöstä seurasi laajalti elohopeamyrkytystä hatuntekijöiden joukossa. Arvellaan, että myrkytysoireet, kuten unettomuus, dementia, hallusinaatiot ja henkinen epätasapainoisuus, ovat synnyttäneet Lewis Carrollin teoksesta "Liisan seikkailut ihmemaassa" tutun sanonnan ”hullu kuin hattumaakari” ().
Elohopealla on alhaisen sulamispisteensä ansiosta runsaasti sovelluksia teknisissä mittalaitteissa. Sitä käytetään esimerkiksi lämpö­mittareissa ja paine­mittareissa. Tästä on peräisin myös paineen yksikkönä käytetty elohopeamillimetri (mmHg). Elohopean myrkyllisten vaikutusten vuoksi sen käyttöä on pyritty korvaamaan muilla mittaustekniikoilla.
Ensimmäisissä lämpömittareissa käytettiin nesteenä alkoholia, mutta se korvattiin myöhemmin elohopealla, jonka lämpölaajeneminen oli lineaarisempaa. Myös Evangelista Torricelli hyödynsi elohopeaa keksimässään ilmapuntarissa, joka on yksinkertaisimmillaan toisesta päästä suljettu, nesteellä täytetty putki. Elohopean käytön syynä on sen suuri tiheys, jonka ansiosta rakennettava laite saadaan pienempikokoiseksi kuin muita nesteitä käytettäessä. Paineen yksikköinä saatetaan käyttää elohopeamillimetriä (mmHg) eli torria.
Myös kuumemittarissa on pitkään käytetty elohopeaa, mutta nyttemmin sen ovat korvanneet myrkyttömät nesteet kuten galliumin, indiumin ja tinan muodostama seos. EU on kieltänyt elohopeaa sisältävien kuumemittareiden myynnin.
Elohopeaa on myös hammaspaikkausaineena käytetyssä amalgaamissa. Nykyisin ne on kuitenkin korvattu muovipaikoilla.
Varsinkin kehitysmaissa elohopeaa käytetään laajalti kullan erottamiseen malmeista. Tällöin elohopea liukenee kultaan amalgaamiksi, ja kun elohopean annetaan haihtua, jää kulta jäljelle. Menetelmän ympäristö- ja terveyshaitat ovat kuitenkin suuret, ja elohopea onkin pyritty korvaamaan booraksilla, joka alentaa kullan sulamispistettä.
Elohopea esiintyy yhdisteissä hapetusluvuilla +I tai +II, joista jälkimmäinen on edeltävää yleisempi. Jännitesarjassa elohopea on kuparia jalompi eli se kuuluu jalometalleihin. Elohopea ei siis reagoi spontaanisti normaalioloissa ilman hapen, veden tai suolahapon kanssa, mutta sitä vastoin reagoi happihappojen kuten väkevän typpihapon kanssa, vapauttaen vetyä ja muodostaen elohopeasuoloja.
Elohopea muodostaa helposti yhdisteitä myös monien muiden metallien, ei kuitenkaan raudan kanssa.
Elohopeaoksidia (HgO) voidaan valmistaa kuumentamalla elohopeanäytettä noin 300–350 °C:n lämpötilaan, mutta reaktio muuttuu käänteiseksi jos lämpötila kasvaa liian suureksi (400 °C). Alkalimetallien kanssa elohopea reagoi kiivaasti. Elohopean suolat ovat lähes aina poikkeuksellisen myrkyllisiä ja aiheuttavat elohopeamyrkytyksen.
Elohopeaoksidi on kiinteä ja väriltään kellertävän punainen. Sitä käytetään grafiittiin sekoitettuna sinkki–elohopea- ja elohopeaparistojen elektrodeissa.
Elohopeasulfidia on olemassa kahta tyyppiä: α-HgS ja β-HgS. Ensimmäinen (sinooperi) on voimakkaan punaisen värinsä takia paljon käytetty väriaine. Jälkimmäinen tyyppi on väriltään musta.
Elohopea(I)kloridia eli kalomelia käytetään runsaasti erityyppisissä antiseptisissä voiteissa. Lääketieteessä elohopea(II)kloridia käytetään puhdistusaineena (laimennetaan veteen suhteessa 1:2 000) ja maataloudessa se oli yleinen sienimyrkky vielä 70-luvulla. Kemianteollisuudessa elohopea(II)kloridia käytetään katalyyttinä vinyylikloridin tuotannossa.
Orgaanista elohopeayhdistettä tiomersaalia (CHHgNaOS) käytetään muun muassa rokotteiden valmistuksessa ja säilöntäaineena sekä piilolinssinesteissä.
Elohopea muodostaa muiden metallien kanssa seoksia (lejeerinkejä), joita kutsutaan amalgaameiksi. Termiä käytetään myös hopeanvärisistä hammaspaikoista (amalgaamipaikat), joiden materiaali sisältää 50 % elohopeaa.Elohopeaa tuotetaan teollisesti muun muassa pasuttamalla sinooperia (HgS). Sinooperin sisältämä rikki (S) palaa hapessa (O) rikkidioksidiksi (SO) ja puhdas elohopea (Hg) höyrystyy seoksesta.
Tiivistynyt elohopeahöyry kerätään talteen. Kaivosteollisuudessa elohopeaa on käytetty myös kullan ja hopean puhdistamiseen malmeista. Menetelmässä liuotetaan kulta tai hopea elohopeaan, jolloin muodostuu amalgaamia. Seosta kuumennetaan, jolloin elohopea höyrystyy ja jäljelle jää kulta tai hopea. Menetelmä tunnettiin Etelä-Amerikassa jo ennen espanjalaisvalloitusta. Vuonna 1566 espanjalaisvalloittajat löysivät alkuperäiskansojen perustaman suuren Huancavelicassa sijainneen elohopeakaivoksen. Samaa menetelmää käytettiin myös Kalifornian kultaryntäyksen aikaan.
Elohopea häiritsee veressä tapahtuvia reaktioita kuten vetyperoksidin hajoamista niin, että veden ja happikaasun sijasta syntyy vettä ja elohopeaoksidia. Kudokset voivat menettää elohopean vuoksi toimintakykynsä, ja elohopea estää entsyymien toimintaa sekä hajottaa solukalvoja. Elohopea ei poistu elimistöstä vaan kertyy keskushermostoon ja rasvakudokseen.
Elohopea aiheuttaa ihmiselle herkästi päänsärkyä, pahoinvointia, vatsakipuja ja ripulia. Elohopeahöyry voi aiheuttaa tulehduksen keuhkoissa. Pitkäaikaisen altistuksen vaikutukset ilmenevät myös keskushermostossa aiheuttaen muistihäiriöitä ja aistiharhoja, sekä munuaisissa, ja se voi saada aikaan myös hampaiden irtoamista. Sikiöille se voi aiheuttaa epä­muodostumia ja keskushermoston vaurioita.
Erään tutkimuksen mukaan altistuminen orgaanisille elohopeayhdisteille aiheuttaa linnuilla homoseksuaalista käyttäytymistä.
Merkittävin elohopealähde ihmisravinnossa on kalaöljy. Metyylielohopeaa (CHHg) syntyy saastuneiden vesistöjen pohjissa.
Elohopean terveys- ja ympäristö­haitat ovat niin suuret, että useat tutkijat ovat ehdottaneet sen käytön kieltämistä vähitellen kokonaan. Vuonna 2013 aiotaankin pitää kansain­välinen kokous, jossa asiasta mahdollisesti päätetään. Tällaista täys­kieltoa ei ole aikaisemmin säädetty millekään muulle alkuaineelle.
Jo nyt sen käyttöä eri tarkoituksiin on selvitetty ja altistuksen vähentämiseksi annettu suosituksia esimerkiksi siitä, minkä verran elohopeaa sisältävää kalaa ja äyriäisiä tulee enimmillään syödä. Rokotteiden säilöntäaineena käytettyä elohopeaa on huomattavasti vähennetty.
Suurin osa ihmisen aiheuttamista ilmakehään leviävistä elo­hopea­päästöistä tulee kuitenkin fossiilisten poltto­aineiden, varsinkin kivi­hiilen käytöstä, sillä ne usein sisältävät luonnostaan hieman elo­hopeaa. Mikäli sopimus elo­hopean kieltämisestä tehdään, on hiili­voimaloiden savu­piiput varustettava suodattimilla, jotka poistavat noin 95 % savu­kaasujen sisältämästä elo­hopeasta. Toisaalta elo­hopeaa leviää ilmakehään luonnostaankin muun muassa tuli­vuoren­purkauksissa ja elo­hopeaa sisältävien kivi­lajien rapautuessa.
Elohopeaa louhitaan vuosittain noin 1 400 tonnia (2006). Elohopeaa ei löydy luonnosta puhtaana, vaan sitä joudutaan erottamaan malmeista. Louhostoiminnan kannalta tärkeimmät elohopeaa sisältävät malmit ovat sinooperi ja livingstoniitti (HgSbS). Suurimmat elohopean tuottajamaat ovat Kiina, Espanja ja Kirgisia. Espanjan suurimpiin elohopealouhoksiin kuuluu Almadén, jossa oli jo Rooman valtakunnan aikaan Euroopan tärkein sinooperilouhos. Suomessa elohopeaa tuotetaan yli 20 tonnia vuodessa (2006). Maapallolla elohopeavaroja on arvioitu olevan jäljellä vielä noin 600 000 tonnia.