Kim loại nặng

Kim loại nặng (tiếng Anh: heavy metal) thường được định nghĩa là kim loại có khối lượng riêng, khối lượng nguyên tử hoặc số hiệu nguyên tử lớn. Tiêu chí phân loại cụ thể, cũng như việc liệu có thể xếp á kim vào nhóm kim loại nặng hay không, khác nhau tùy thuộc vào tác giả và phạm vi áp dụng. Ví dụ, trong luyện kim, một kim loại nặng có thể được xác định dựa vào khối lượng riêng, trong khi tiêu chí phân loại trong vật lý có thể là số hiệu nguyên tử, còn ở hóa học, người ta thường chú ý đến tính chất hóa học của kim loại đó. Một số cách định nghĩa khác cũng đã được công bố, nhưng hiện chưa có cách nào trong số đó được chấp nhận rộng rãi. Các cách định nghĩa trong bài viết dưới đây bao hàm tối đa 96 trong 118 nguyên tố hóa học đã biết; chỉ có thủy ngân, chì và bismuth thỏa mãn tất cả các tiêu chí trong đó. Mặc dù chưa có sự thống nhất về mặt khái niệm, nhưng thuật ngữ "kim loại nặng" vẫn được dùng phổ biến trong khoa học. Khối lượng riêng từ 5 g/cm3 trở lên đôi lúc được xem là một tiêu chí thường dùng, và đây cũng là tiêu chí sẽ được áp dụng trong phần dưới của bài viết này.

Những kim loại mà người ta đã biết sớm nhất—kim loại thường gặp như sắt, đồng, thiếc và kim loại quý như bạc, vàng và platin—đều là kim loại nặng. Từ năm 1809 trở đi, các kim loại nhẹ như magnesi, nhôm và titani lần lượt được phát hiện, cùng với một số kim loại nặng ít gặp hơn như gali, thali và hafni.

Một số kim loại nặng đóng vai trò là chất dinh dưỡng thiết yếu (điển hình như sắt, cobalt và kẽm), hoặc tương đối vô hại (như rutheni, bạc và indi), nhưng có thể gây độc ở lượng lớn hơn hoặc ở một số dạng nhất định. Các kim loại nặng khác như cadmi, thủy ngân và chì có độc tính cao. Một số nguồn tiềm ẩn nguy cơ gây ngộ độc kim loại nặng bao gồm chất thải từ mỏ khai thác, đuôi quặng, chất thải công nghiệp, dòng chảy mặt, phơi nhiễm nghề nghiệp, sơn và gỗ chế biến.

Cần chú ý kỹ khi khảo sát tính chất vật lý và hóa học của kim loại nặng, do tính chất của các kim loại liên quan không phải lúc nào cũng được xác định một cách thống nhất. Ngoài việc có khối lượng riêng tương đối lớn, kim loại nặng thường có khả năng phản ứng thấp hơn kim loại nhẹ và có số lượng hợp chất sulfide và hydroxide tan ít hơn nhiều. Mặc dù có thể dễ dàng phân biệt một kim loại nặng như wolfram với một kim loại nhẹ như natri, nhưng một vài kim loại nặng như kẽm, thủy ngân và chì có một số tính chất đặc trưng của kim loại nhẹ, trong khi một vài kim loại nhẹ như beryli, scandi và titani có một số tính chất đặc trưng của kim loại nặng.

Kim loại nặng tương đối hiếm trên vỏ Trái Đất nhưng vẫn xuất hiện trong nhiều khía cạnh của đời sống. Một số ứng dụng của chúng bao gồm trong gậy đánh golf, ô tô, chất sát trùng, lò nướng tự làm sạch, chất dẻo, tấm quang năng, điện thoại di động và máy gia tốc hạt.

Định nghĩa 

Hiện nay vẫn chưa có định nghĩa nào về kim loại nặng được chấp thuận rộng rãi. Thuật ngữ này có thể mang nhiều ý nghĩa khác nhau, tùy theo phạm vi áp dụng. Ví dụ, trong luyện kim, một kim loại nặng có thể được xác định dựa vào khối lượng riêng, trong khi tiêu chí phân loại trong vật lý có thể là số hiệu nguyên tử, còn ở hóa học và sinh học, người ta thường chú ý đến tính chất hóa học của kim loại đó.

Tiêu chí về khối lượng riêng là từ trên 3,5 g/cm3 đến trên 7 g/cm3, tùy trường hợp. Tiêu chí về khối lượng nguyên tử có thể là lớn hơn natri (khối lượng nguyên tử 22,98); lớn hơn 40 (ngoại trừ kim loại khối s và khối f, chỉ tính từ scandi); hoặc lớn hơn 200, tức là từ thủy ngân trở đi. Tiêu chí về số hiệu nguyên tử của kim loại nặng thường là trên 20 (calci), và thỉnh thoảng có giới hạn trên là 92 (urani). Cách định nghĩa theo số hiệu nguyên tử gặp phải một vấn đề là liệt kê cả các kim loại có khối lượng riêng thấp. Chẳng hạn, rubidi trong nhóm (cột) 1 của bảng tuần hoàn có số hiệu nguyên tử là 37 nhưng chỉ có khối lượng riêng là 1,532 g/cm3, thấp hơn mức giới hạn dưới mà nhiều tác giả khác đặt ra. Vấn đề tương tự cũng có thể xảy ra đối với cách định nghĩa theo khối lượng nguyên tử.

Một tiêu chí khác được đề xuất là dựa vào đặc tính hóa học hoặc vị trí của kim loại trong bảng tuần hoàn. Dược điển Mỹ đưa ra một tiêu chí để phân biệt kim loại nặng nhờ thí nghiệm tạo kết tủa muối sulfide có màu từ tạp chất kim loại. Năm 1997, Stephen Hawkes, một giáo sư hóa học viết dựa trên 50 năm kinh nghiệm về thuật ngữ, nói rằng thuật ngữ này áp dụng được cho "kim loại có hợp chất sulfide và hydroxide không tan, có muối tan trong nước tạo thành dung dịch màu và phức chất thường có màu". Trên cơ sở các kim loại mà ông nhận thấy thường gọi là kim loại nặng, ông cho rằng có thể định nghĩa kim loại nặng (nói chung) là tất cả các kim loại trong bảng tuần hoàn ở cột 3 đến 16 và hàng 4 trở xuống, hay nói cách khác, chính là các kim loại chuyển tiếp và hậu chuyển tiếp. Toàn bộ nguyên tố họ Lanthan thỏa mãn đúng theo mô tả gồm ba phần của Hawkes; đặc tính này đối với các nguyên tố họ Actini vẫn chưa được xác định hoàn toàn.

Ở lĩnh vực hóa sinh, trên cơ sở các ion của chúng hoạt động theo đặc trưng acid Lewis (chất nhận một cặp electron) trong dung dịch nước, kim loại nặng đôi khi được định nghĩa là kim loại loại B hoặc kim loại trung gian. Trong hệ thống phân loại này, ion kim loại loại A ưa chất cho oxy; ion loại B ưa chất cho nitơ hoặc lưu huỳnh; ion kim loại trung gian thể hiện đặc trưng loại A hoặc loại B tùy trường hợp. Kim loại loại A, vốn thường có độ âm điện thấp cùng khả năng tạo liên kết có độ ion cao, bao gồm các kim loại kiềm và kiềm thổ, nhôm, kim loại nhóm 3, cùng kim loại họ Lanthan và Actini. Kim loại loại B thường có độ âm điện cao hơn và khả năng tạo liên kết với đặc trưng cộng hóa trị đáng kể, chủ yếu gồm các kim loại chuyển tiếp và hậu chuyển tiếp nặng hơn. Nhóm kim loại trung gian phần lớn bao gồm các kim loại chuyển tiếp và hậu chuyển tiếp nhẹ hơn (cùng với arsenic và antimon). Sự khác biệt giữa kim loại nhóm A với hai nhóm còn lại rất rõ ràng. Một đề xuất được trích dẫn nhiều trong các bài báo khoa học đề nghị áp dụng hệ thống phân loại như trên thay vì tên gọi trừu tượng hơn kim loại nặng, nhưng hiện nay vẫn chưa nhận được sự đồng thuận.

Danh sách kim loại nặng theo khối lượng riêng 
Khối lượng riêng từ 5 g/cm3 trở lên đôi lúc được xem là yếu tố xác định kim loại nặng thường dùng, và do hiện vẫn chưa có cách định nghĩa thống nhất, nên tiêu chí này được sử dụng để thiết lập danh sách và (nếu không nói gì thêm) sẽ là tiêu chí định hướng cho phần còn lại của bài viết. Á kim đáp ứng các tiêu chí áp dụng—chẳng hạn như arsenic và antimon—đôi khi được xếp vào nhóm kim loại nặng, đặc biệt trong hóa học môi trường như trường hợp ở đây. Seleni (khối lượng riêng 4,8 g/cm3) cũng được liệt kê trong danh sách. Nó có khối lượng riêng thấp một chút so với tiêu chí đặt ra và thỉnh thoảng được phân loại là á kim, nhưng có tính chất hóa học trong nước tương đồng ở một số phương diện với arsenic và antimon. Một số kim loại khác vốn đôi khi được xếp vào nhóm kim loại "nặng", như beryli (khối lượng riêng 1,8 g/cm3), nhôm (2,7 g/cm3), calci (1,55 g/cm3), và bari (3,6 g/cm3) trong trường hợp này sẽ được xem là kim loại nhẹ và nói chung sẽ không được khảo sát thêm nữa.

Nguồn gốc và sử dụng thuật ngữ 
Độ nặng của các kim loại thiên nhiên như vàng, đồng và sắt có thể đã được nhận thấy từ thời tiền sử và từ đó dẫn đến những nỗ lực đầu tiên để chế tạo đồ trang trí, công cụ và vũ khí bằng kim loại nhờ tính dễ uốn của chúng. Tất cả các kim loại được tìm thấy từ thời điểm đó cho đến năm 1809 đều có khối lượng riêng tương đối lớn; độ nặng của chúng được xem là một tiêu chí phân loại độc nhất.

Từ năm 1809 trở đi, những kim loại nhẹ như natri, kali và stronti bắt đầu lần lượt được phân lập thành công. Khối lượng riêng thấp của chúng đã thách thức những hiểu biết thông thường trước đây và người ta đã đề xuất gọi tên chúng là á kim (metalloid, có nghĩa là "giống với kim loại về hình thức hoặc vẻ ngoài"). Đề xuất này bị bỏ qua; các nguyên tố mới này đều được công nhận là kim loại và thuật ngữ á kim từ đó được dùng để chỉ các nguyên tố phi kim và sau này là những nguyên tố khó xác định là kim loại hay phi kim.

Thuật ngữ "kim loại nặng" được sử dụng sớm nhất là vào năm 1817, khi nhà hóa học người Đức Leopold Gmelin chia các nguyên tố thành phi kim, kim loại nhẹ và kim loại nặng. Kim loại nhẹ có khối lượng riêng 0,860–5 g/cm3; kim loại nặng 5,308–22,000. Thuật ngữ đó về sau gắn liền với nguyên tố có khối lượng nguyên tử lớn hoặc số hiệu nguyên tử lớn. Đôi khi nó được sử dụng thay cho thuật ngữ nguyên tố nặng. Ví dụ, khi bàn về lịch sử hóa học hạt nhân, Magee viết rằng họ Actini từng được cho là chỉ một nhóm chuyển tiếp nguyên tố nặng trong khi Seaborg và cộng sự "ưu tiên ... một dãy kim loại nặng giống đất hiếm ...". Tuy vậy, trong thiên văn học, nguyên tố nặng là bất kỳ nguyên tố nào nặng hơn hydro và heli.

Chỉ trích 
Năm 2002, nhà độc chất học John Duffus nhìn lại những khái niệm được sử dụng trong 60 năm qua và kết luận rằng chúng đa dạng đến mức làm thuật ngữ trở nên vô nghĩa. Cùng với phát hiện trên, việc xếp một số kim loại vào nhóm kim loại nặng cũng gây tranh cãi với lý do rằng chúng quá nhẹ, có tham gia vào quá trình sinh học, hoặc hiếm khi tạo nên chất độc đối với môi trường. Một số ví dụ bao gồm scandi (quá nhẹ); vanadi đến kẽm (quá trình sinh học); rhodi, iridi và osmi (quá hiếm).

Tính phổ biến 
Bất chấp việc mang nghĩa đáng nghi ngờ, thuật ngữ kim loại nặng vẫn xuất hiện nhiều trong các tài liệu khoa học. Một nghiên cứu năm 2010 cho thấy nó ngày càng được sử dụng nhiều hơn và dường như đã trở thành một phần của ngôn ngữ khoa học. Nó được cho là một thuật ngữ chấp nhận được nhờ tính tiện lợi và dễ dùng, miễn rằng nó phải đi kèm với một định nghĩa chặt chẽ. Trái ngược với kim loại nặng là kim loại nhẹ, mà theo ám chỉ của Hiệp hội Khoáng sản, Kim loại và Vật liệu thì bao gồm "nhôm, magnesi, beryli, titani, lithi và các kim loại hoạt động khác." Các kim loại nói trên có khối lượng riêng từ 0,534 đến 4,54 g/cm3.

Vai trò sinh học 

Một lượng nhỏ một số kim loại nặng, phần lớn ở chu kỳ 4, rất cần thiết cho một số quá trình sinh học nhất định. Chúng gồm có sắt và đồng (vận chuyển oxy và electron); cobalt (tổng hợp phức chất và trao đổi chất tế bào); kẽm (hydroxyl hóa); vanadi và mangan (điều hòa hoặc vận hành enzym); chromi (sử dụng glucose); nickel (tăng sinh tế bào); arsenic (tăng sinh trao đổi chất ở một số động vật và có thể ở người) và seleni (hoạt động chống oxy hóa và tổng hợp nội tiết tố). Chu kỳ 5 và 6 chứa ít kim loại nặng thiết yếu hơn, phù hợp với xu hướng chung rằng nguyên tố nặng hơn thường có độ phong phú thấp hơn và nguyên tố hiếm hơn thì càng ít có khả năng là chất khoáng thiết yếu. Ở chu kỳ 5, molybden là nguyên tố cần thiết để làm xúc tác cho các phản ứng oxy hóa khử; cadmi được một số loại tảo silic biển dùng với cùng mục đích trên; thiếc cần có cho sự sinh trưởng của một số loài. Ở chu kỳ 6, wolfram là nguyên tố thiết yếu cho các quá trình trao đổi chất đối với một số cổ khuẩn và vi khuẩn. Trung bình trong một cơ thể người trọng lượng 70 kg có khoảng 0,01% kim loại nặng (~7 g, tương đương với khối lượng hai hạt đậu khô, trong đó ba thành phần chính là sắt với 4 g, kẽm 2,5 g và chì 0,12 g), 2% kim loại nhẹ (~1,4 kg, khối lượng một chai rượu) và gần 98% là phi kim (phần lớn là nước).

Thiếu đi bất kỳ kim loại nặng thiết yếu nào thuộc chu kỳ 4–6 nói trên có thể làm tăng tính mẫn cảm với ngộ độc kim loại nặng (ngược lại, dùng quá nhiều có thể gây tác dụng sinh học bất lợi). Một số ít kim loại nặng vi lượng được ghi nhận có tác dụng sinh học. Gali, germani (một á kim), indi và phần lớn nguyên tố họ Lanthan có thể kích thích trao đổi chất và titani giúp đẩy mạnh sinh trưởng ở thực vật (dù không phải lúc nào cũng được xem là kim loại nặng).

Độc tính 
Trọng tâm của phần này chủ yếu là về tác hại nghiêm trọng nhất của kim loại nặng, bao gồm ung thư, chấn thương não và tử vong, thay vì tác hại đối với da, phổi, dạ dày, thận, gan và tim. Đối với thông tin chi tiết, xem bài Độc tính kim loại, Kim loại nặng độc hại, hoặc bài viết về các nguyên tố hoặc hợp chất tương ứng.
Kim loại nặng thường được cho là có độc tính cao hoặc gây hại với môi trường. Một số thì như vậy, trong khi số khác chỉ gây độc nếu dùng quá mức hoặc dùng ở một số dạng nhất định.

Kim loại nặng môi trường 
Chromi, arsenic, cadmi, thủy ngân và chì có khả năng gây hại cao nhất do việc được sử dụng rộng rãi, độc tính của một số kim loại trong đó dưới dạng hợp chất hoặc nguyên tố, cùng với sự phân bố rộng rãi trong môi trường. Chẳng hạn, chromi hóa trị VI có độc tính cao như hơi thủy ngân và nhiều hợp chất của thủy ngân. Năm nguyên tố trên tạo ái lực mạnh với lưu huỳnh; trong cơ thể người chúng thường liên kết, thông qua nhóm thiol (–SH), đến các enzym đóng vai trò kiểm soát tốc độ phản ứng trao đổi chất. Liên kết lưu huỳnh-kim loại tạo thành sẽ làm ức chế hoạt động bình thường của enzym liên quan, làm sức khỏe con người suy giảm, đôi khi gây tử vong. Chromi (ở dạng hóa trị VI) và arsenic là tác nhân gây ung thư; cadmi gây một căn bệnh thoái hóa xương; thủy ngân và chì làm tổn hại hệ thần kinh trung ương.Chì là tạp chất kim loại nặng phổ biến nhất. Hàm lượng chì trong môi trường nước của các quốc gia công nghiệp hóa được ước tính bằng khoảng hai đến ba lần so với thời tiền công nghiệp. Là một thành phần của tetraethyl chì, (CH3CH2)4Pb, nó được dùng rộng rãi trong xăng vào những năm 1930–1970. Mặc dù việc sử dụng xăng pha chì đã gần như bị loại bỏ tại Bắc Mỹ đến năm 1996, nhưng đất bên cạnh đường sá xây dựng trước thời điểm này vẫn còn có nồng độ chì cao. Các nghiên cứu sau này đã chứng tỏ sự tồn tại mối tương quan mang ý nghĩa thống kê giữa tỉ lệ dùng xăng pha chì với tội phạm bạo lực tại Mỹ; khi xét đến độ trễ thời gian 22 năm (đối với tuổi trung bình của tội phạm bạo lực), đường cong tỉ lệ tội phạm bạo lực hầu như đi đúng theo đường cong tỉ lệ phơi nhiễm chì.

Một số kim loại nặng khác với tính nguy hại tiềm ẩn, thường dưới dạng tạp chất môi trường gây độc, bao gồm mangan (tổn thương hệ thần kinh trung ương); cobalt và nickel (chất gây ung thư); đồng, kẽm, seleni và bạc (rối loạn nội tiết, bất thường bẩm sinh, hoặc ảnh hưởng nói chung đối với cá, thực vật, chim và các sinh vật sống dưới nước khác); thiếc, ở dạng hợp chất hữu cơ (tổn thương hệ thần kinh trung ương); antimon (được cho là chất gây ung thư); và thali (tổn thương hệ thần kinh trung ương).

Kim loại nặng đa lượng 
Kim loại nặng thiết yếu cho sự sống có thể gây độc nếu dùng lượng quá nhiều; một số kim loại có dạng gây độc đáng chú ý. Vanadi pentoxide (V2O5) là chất gây ung thư ở động vật và gây hư hại DNA khi hít phải. Ion permanganat tím MnO là chất gây độc cho gan và thận. Ăn uống nhiều hơn 0,5 gam sắt có thể gây trụy tim; hiện tượng quá liều như vậy xảy ra phổ biến nhất ở trẻ em và có thể gây tử vong trong vòng 24 giờ. Nickel carbonyl (Ni(CO)4), ở mật độ 30 phần triệu, có khả năng gây suy hô hấp, chấn thương não và tử vong. Uống một gam đồng(II) sulfat (CuSO4) trở lên có thể gây chết, hoặc ít nhất là tổn thương nghiêm trọng đến các cơ quan nội tạng. Hấp thụ khoảng 5 miligam seleni trở lên, lớn hơn khoảng 10 lần mức nhu cầu khuyến nghị tối đa hằng ngày 0,45 miligam, gây ra độc tính mạnh; ngộ độc về lâu dài có thể gây liệt.

Kim loại nặng khác 
Một số ít kim loại nặng không thiết yếu khác có một hoặc nhiều dạng gây độc. Các ca suy thận và tử vong đã được ghi nhận do ăn thực phẩm chức năng chứa germani (~15 đến 300 g tổng lượng tiêu thụ trong vòng hai tháng đến ba năm). Phơi nhiễm osmi tetroxide (OsO4) có thể gây tổn thương mắt vĩnh viễn, dẫn đến suy hô hấp và tử vong. Muối indi gây độc khi ăn phải với liều lượng vài miligam trở lên, ảnh hưởng đến thận, gan và tim. Cisplatin (PtCl2(NH3)2), một thuốc quan trọng dùng để tiêu diệt tế bào ung thư, cũng là chất độc đối với thận và hệ thần kinh. Hợp chất của bismuth có khả năng gây tổn thương gan nếu dùng quá liều; hợp chất urani không tan cùng với bức xạ nguy hiểm phát ra có thể gây tổn thương thận vĩnh viễn.

Nguồn phơi nhiễm 
Kim loại nặng có thể làm suy giảm chất lượng không khí, nước và đất, kéo theo đó gây ra các vấn đề về sức khỏe ở thực vật, động vật và người, khi chúng tích tụ dần do hoạt động công nghiệp. Các nguồn kim loại nặng chủ yếu trong trường hợp này bao gồm khai thác mỏ và chất thải công nghiệp; khí thải xe cộ; pin chì-acid; phân bón; sơn; gỗ đã qua xử lý; cơ sở hạ tầng cấp nước xuống cấp; và vi nhựa trôi nổi trên các đại dương. Một số ví dụ gần đây về ô nhiễm kim loại nặng bao gồm sự xuất hiện bệnh Minamata ở Nhật Bản (1932–1968; các vụ kiện đang diễn ra tại thời điểm năm 2016); thảm họa đập Mariana ở Brazil tháng 11 năm 2015; hay nồng độ chì cao trong nước uống cấp cho người dân tại Flint, Michigan, ở vùng đông bắc nước Mỹ.

Quá trình hình thành, độ phong phú, tồn tại và điều chế 

Các kim loại nặng cho đến khoảng lân cận của sắt (trong bảng tuần hoàn) phần lớn được tạo thành qua tổng hợp hạt nhân sao. Trong quá trình này, những nguyên tố nhẹ từ hydro đến silic trải qua các phản ứng nhiệt hạch liên tiếp trong các ngôi sao, giải phóng ánh sáng và nhiệt đồng thời hình thành các nguyên tố nặng hơn với số hiệu nguyên tử cao hơn.

Kim loại nặng nặng hơn thường không được tạo ra bằng cách trên do phản ứng nhiệt hạch với những hạt nhân loại này sẽ thu thay vì giải phóng năng lượng. Thay vào đó, chúng chủ yếu được tổng hợp (từ các nguyên tố có số hiệu nguyên tử thấp hơn) qua việc bắt giữ neutron lặp đi lặp lại, với hai dạng chính là quá trình s và quá trình r. Trong quá trình s ("s" viết tắt cho chữ "slow" có nghĩa là "chậm"), mỗi lần bắt neutron cách nhau khoảng vài năm hoặc vài chục năm, khiến hạt nhân kém bền hơn bị phân rã beta, trong khi ở quá trình r ("rapid", nhanh), việc bắt neutron xảy ra nhanh hơn sự phân rã của hạt nhân. Vì vậy, quá trình s diễn ra theo một con đường tương đối rõ ràng: ví dụ, hạt nhân cadmi-110 bền liên tục bị các neutron tự do bắn phá bên trong một ngôi sao đến khi chúng tạo thành hạt nhân cadmi-115, vốn không bền và bị phân rã để tạo ra indi-115 (gần bền, với chu kỳ bán rã khoảng 30.000 lần tuổi của vũ trụ). Các hạt nhân này tiếp tục bắt neutron để hình thành indi-116 (không bền) và phân rã thành thiếc-116, v.v. Ngược lại, quá trình r lại không có con đường nào như vậy. Quá trình s dừng lại ở bismuth do chu kỳ bán rã ngắn của hai nguyên tố tiếp theo, poloni và astatin, vốn phân rã thành bismuth hoặc chì. Quá trình r nhanh đến mức nó có thể bỏ qua "vùng không ổn định" này và tạo ra các nguyên tố nặng hơn như thori và urani.

Kim loại nặng ngưng tụ trong các hành tinh do các quá trình tiến hóa và phá hủy sao. Một ngôi sao mất đi phần lớn khối lượng do bị thổi bay vào khoảng cuối vòng đời của nó, và đôi lúc về sau do kết quả của sự hợp nhất sao neutron, làm tăng mật độ của các nguyên tố nặng hơn heli trong môi trường liên sao. Khi lực hấp dẫn làm cho vật chất này liên kết lại và sụp đổ, thì các ngôi sao và hành tinh mới được hình thành.

Vỏ Trái Đất chứa khoảng 5% kim loại nặng về khối lượng, trong đó sắt chiếm 95%; kim loại nhẹ (~20%) và phi kim (~75%) chiếm 95% phần lớp vỏ còn lại. Dù tương đối khan hiếm, kim loại nặng có thể tích lũy dần đến lượng khai thác được về mặt kinh tế do sự hình thành núi, xói mòn hoặc các quá trình địa chất khác.

Kim loại nặng chủ yếu có ở dạng ưa đá hoặc ưa lưu huỳnh (theo phân loại Goldschmidt). Kim loại nặng ưa đá đa phần gồm nguyên tố khối f cùng một số nguyên tố hoạt động mạnh nhất của khối d trong bảng tuần hoàn. Chúng có ái lực mạnh với oxy và phần lớn tồn tại dưới dạng khoáng vật silicat với khối lượng riêng tương đối thấp. Kim loại nặng ưa lưu huỳnh chủ yếu gồm những nguyên tố hoạt động yếu của khối d cùng với các kim loại và á kim thuộc khối p, chu kỳ 4–6 trong bảng tuần hoàn. Chúng thường được tìm thấy trong khoáng vật sulfide (không tan). Với khối lượng riêng nặng hơn loại ưa đá dẫn đến bị chìm sâu hơn trong lớp vỏ ở thời điểm đông đặc, loại ưa lưu huỳnh dễ có xu hướng giảm đi mật độ phân bố so với loại ưa đá.

Mặt khác, vàng là một nguyên tố ưa sắt và khó tạo thành hợp chất với oxy hoặc lưu huỳnh. Vào thời điểm Trái Đất hình thành, là kim loại quý (trơ) nhất, vàng bị chìm xuống vào bên trong lõi do có xu hướng tạo thành hợp kim có khối lượng riêng lớn. Do đó, nó là một kim loại tương đối hiếm. Một số kim loại nặng quý (kém hơn) khác—molybden, rheni, kim loại nhóm platin (rutheni, rhodi, paladi, osmi, iridi và platin), germani và thiếc—đều có thể xem là thuộc nhóm ưa sắt khi chỉ xét về mức độ phân bố trong toàn bộ Trái Đất (tính cả lõi, manti và lớp vỏ), thay vì chỉ lớp vỏ. Các kim loại trên tồn tại trên vỏ với lượng nhỏ, chủ yếu dưới dạng ưa lưu huỳnh (đặc tính này kém hơn ở dạng kim loại thiên nhiên).

Nồng độ kim loại nặng bên dưới lớp vỏ thường cao hơn, với hầu hết trong đó có ở lõi đa phần chứa sắt-silic-nickel. Ví dụ, platin chiếm khoảng 1 phần tỷ ở lớp vỏ trong khi mật độ phân bố trong lõi của nó được cho là cao hơn gần 6.000 lần. Một số suy đoán gần đây cho thấy urani (và thori) trong lõi có thể tạo ra lượng nhiệt đáng kể thúc đẩy kiến tạo mảng và (sau cùng) duy trì từ trường Trái Đất.

Việc khai thác kim loại nặng từ quặng của chúng phụ thuộc một cách phức tạp vào loại quặng, tính chất hóa học của kim loại và tính kinh tế của các phương pháp chiết tách khác nhau. Tùy theo mỗi quốc gia hoặc nhà máy luyện kim khác nhau sẽ có những quy trình khác nhau được áp dụng, có thể khác với một số kỹ thuật chung được liệt kê dưới đây.

Nói chung (với một số ngoại lệ), kim loại nặng ưa đá có thể tách từ quặng chứa nó qua xử lý về điện hoặc hóa học, còn kim loại nặng ưa lưu huỳnh thu được bằng cách nung quặng sulfide để tạo oxide tương ứng rồi làm nóng để được kim loại thô. Radi tồn tại ở lượng quá nhỏ để khai thác về mặt kinh tế và thay vào đó được chiết ra từ nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng. Kim loại nhóm platin ưa lưu huỳnh (PGM) chủ yếu có ở lượng nhỏ (hỗn hợp) với quặng ưa lưu huỳnh khác. Quặng loại này cần được nấu luyện, nung và chiết lọc với acid sulfuric để tạo phần lắng chứa PGM. Phần này sau đó được tinh chế hóa học để thu được những kim loại riêng lẻ ở dạng tinh khiết. So với các kim loại khác, PGM có giá cao do tính khan hiếm và chi phí sản xuất lớn.

Vàng, một kim loại ưa sắt, thường được thu lại nhiều nhất bằng cách hòa tan quặng chứa nó trong dung dịch cyanide. Vàng này tạo thành dicyanoaurate(I), ví dụ: 

2 Au + H2O + ½ O2 + 4 KCN → 2 K[Au(CN)2] + 2 KOH. 

Kẽm được cho thêm vào hỗn hợp và đẩy vàng ra khỏi muối vừa thu được do hoạt động hóa học mạnh hơn vàng: 

2 K[Au(CN)2] + Zn → K2[Zn(CN)4] + 2 Au. 

Vàng kết tủa dưới dạng bùn, sau đó được lọc ra và nấu chảy.

So sánh tính chất với kim loại nhẹ 
Một số tính chất vật lý và hóa học chung của kim loại nhẹ và nặng được tóm tắt trong bảng dưới đây. Việc so sánh phải được thực hiện một cách cẩn trọng do các thuật ngữ kim loại nhẹ và kim loại nặng không phải lúc nào cũng được định nghĩa một cách thống nhất. Đồng thời, tính chất vật lý về độ cứng và độ bền kéo có thể khác nhau rất nhiều tùy vào độ tinh khiết, kích thước vi tinh thể và quá trình tiền xử lý.

Những đặc tính trên giúp chúng ta dễ dàng phân biệt một kim loại nhẹ như natri với một kim loại nặng như wolfram, nhưng sự khác biệt này không còn rõ ràng đối với những kim loại ở vùng ranh giới. Kim loại cấu trúc nhẹ như beryli, scandi và titani có một số đặc tính của kim loại nặng như nhiệt độ nóng chảy cao; kim loại nặng hậu chuyển tiếp như kẽm, cadmi và chì có một số đặc tính của kim loại nhẹ như: tương đối mềm, nhiệt độ nóng chảy thấp hơn; và chủ yếu tạo thành các phức chất không màu.

Ứng dụng 
Kim loại nặng có mặt ở hầu hết khía cạnh của cuộc sống hiện đại. Sắt có thể là kim loại nặng phổ biến nhất do chiếm 90% lượng kim loại tinh chế. Platin có thể là kim loại nặng có mặt rộng rãi nhất vì nó được cho là được tìm thấy trong, hoặc sử dụng để sản xuất, 20% lượng mặt hàng tiêu dùng.

Một số ứng dụng thường gặp của kim loại nặng được dựa trên các tính chất chung của kim loại như tính dẫn điện và tính phản xạ, hoặc những đặc tính chung của kim loại nặng như khối lượng riêng và độ bền. Một số ứng dụng khác phụ thuộc vào tính chất của nguyên tố cụ thể, chẳng hạn như vai trò sinh học (là chất dinh dưỡng hoặc chất độc) hoặc một số tính chất nguyên tử cụ thể khác, bao gồm: orbital d hoặc f lấp đầy một phần (trong nhiều kim loại nặng chuyển tiếp, thuộc họ Lanthan và Actini) để tạo hợp chất có màu; khả năng để phần lớn ion kim loại nặng (như platin, ceri và bismuth) tồn tại ở nhiều trạng thái oxy hóa khác nhau dẫn đến đóng vai trò xúc tác; orbital 3d hoặc 4f xen phủ kém (trong sắt, cobalt và nickel, hoặc kim loại nặng họ Lanthan từ europi đến thulium) gây hiệu ứng từ; số hiệu nguyên tử và mật độ electron cao làm cơ sở cho các ứng dụng khoa học hạt nhân. Những ứng dụng điển hình của kim loại nặng có thể được chia thành sáu nhóm chính dưới đây.

Ứng dụng dựa trên trọng lượng hoặc khối lượng riêng 

Một số ứng dụng của kim loại nặng, bao gồm trong thể thao, kỹ thuật cơ khí, vũ khí quân sự và khoa học hạt nhân được dựa trên khối lượng riêng tương đối lớn của chúng. Trong lặn dưới nước, chì được dùng làm vật dằn; trong đua ngựa có chấp, mỗi con ngựa phải mang theo vật nặng bằng chì với khối lượng xác định dựa vào nhiều yếu tố bao gồm thành tích trước đây để đảm bảo tính công bằng. Trong golf, chi tiết chèn làm bằng wolfram, đồng hoặc đồng thau trong gậy đường bóng làm hạ trọng tâm của gậy xuống, giúp người chơi dễ dàng đưa bóng lên trời; bóng golf với lõi bằng wolfram được cho là có đặc tính bay tốt hơn. Trong câu cá bằng ruồi, dây câu chìm có một lớp phủ PVC bao bằng bột wolfram để nó chìm với tốc độ cần thiết. Đối với thể thao điền kinh trong sân vận động, quả cầu thép dùng trong môn ném búa và đẩy tạ được làm đầy bằng chì nhằm đạt trọng lượng tối thiểu quy định theo luật quốc tế. Wolfram trước đây từng được sử dụng trong búa ném ít nhất đến năm 1980; kích thước tối thiểu của quả cầu được nâng lên vào năm 1981 nhằm loại bỏ sự cần thiết phải dùng một kim loại đắt đỏ (chi phí gấp ba lần các loại búa ném khác) vốn không có sẵn ở tất cả các nước. Búa ném bằng wolfram nặng đến mức đâm quá sâu vào mặt cỏ.

Trong kỹ thuật cơ khí, kim loại nặng được dùng làm vật dằn trong tàu thuyền, máy bay và xe cơ giới; hoặc trong vật nặng cân bằng ở bánh xe và trục khuỷu, con quay hồi chuyển và thiết bị đẩy (chân vịt tàu, cánh quạt máy bay), và khớp ly hợp ly tâm, trong điều kiện cần trọng lượng tối đa ở không gian tối thiểu (chẳng hạn như trong bộ máy đồng hồ).

Về mặt vũ khí quân sự, wolfram hoặc urani được sử dụng trong bảo vệ phương tiện quân sự và đạn mũi tên xuyên, cũng như trong vũ khí hạt nhân để tăng hiệu suất (qua phản xạ neutron và làm chậm quá trình giãn nở của vật liệu phản ứng trong giây lát). Vào những năm 1970, tantal được phát hiện có hiệu suất cao hơn đồng trong lượng nổ lõm và lõi xuyên giáp nổ tạo hình (EFP) do khối lượng riêng cao hơn giúp tập trung lực lớn hơn, cùng khả năng biến dạng tốt hơn. Kim loại nặng ít độc như đồng, thiếc, wolfram và bismuth và có thể có mangan (cùng với bor, một á kim), đã thay thế chì và antimon trong đạn xanh do một số quân đội sử dụng và trong một số loại đạn dược bắn tiêu khiển. Đã có những nghi ngờ được đặt ra về độ an toàn (hoặc độ thân thiện với môi trường) của wolfram.

Do vật liệu có khối lượng riêng lớn hấp thụ nhiều phóng xạ hơn, nên kim loại nặng có vai trò quan trọng trong bảo vệ phóng xạ và chuẩn trực tia phóng xạ trong máy gia tốc hạt tuyến tính và trong trị liệu bức xạ.

Ứng dụng dựa trên độ bền 

Độ bền của các kim loại nặng như chromi, sắt, nickel, đồng, kẽm, molybden, thiếc, wolfram và chì cùng các hợp kim của chúng đã mang lại tính hữu dụng cho việc sản xuất nhiều sản phẩm như công cụ, máy móc, đồ gia dụng, dụng cụ nhà bếp, đường ống, đường ray, công trình xây dựng và cầu đường, ô tô, khóa, đồ nội thất, tàu thuyền, máy bay, tiền đúc và đồ trang sức. Chúng còn là phụ gia hợp kim để tăng cường cho tính chất của các kim loại khác. Trong 24 nguyên tố có trong tiền đúc được lưu hành trên thế giới, chỉ có carbon và nhôm không phải là kim loại nặng. Vàng, bạc và platin được dùng trong trang sức; tương tự đối với (chẳng hạn) nickel, đồng, indi và cobalt trong vàng màu. Trang sức giá rẻ và đồ chơi trẻ em có thể được làm (đến một mức nhất định) bằng kim loại nặng như chromi, nickel, cadmi hoặc chì.

Đồng, kẽm, thiếc và chì là những kim loại yếu hơn về mặt cơ học nhưng có đặc tính chống ăn mòn hữu ích. Dù mỗi kim loại trong số này sẽ phản ứng với không khí, nhưng lớp màng thu được gồm nhiều muối đồng, kẽm carbonat, thiếc oxide, hoặc hỗn hợp chì oxide, carbonat và sulfat, sẽ tạo ra những đặc tính bảo vệ có ích. Đồng và chì do đó được dùng làm vật liệu mái nhà chẳng hạn; kẽm đóng vai trò là chất chống ăn mòn trong thép mạ kẽm; và thiếc có vai trò tương tự trong lon thiếc.

Khả năng gia công và chống ăn mòn của sắt và chromi tăng lên bằng cách thêm gadolini; tính chống rão của nickel được cải thiện khi cho thêm thori. Teluri được thêm vào hợp kim đồng và thép để cải thiện khả năng gia công; vào chì để giúp nó cứng hơn và bền hơn với acid.

Sinh học và hóa học 

Người ta đã biết tác dụng diệt khuẩn của một số kim loại nặng từ thời cổ đại. Platin, osmi, đồng, rutheni và các kim loại nặng khác (bao gồm arsenic) đã được ứng dụng hoặc cho thấy tiềm năng trong các liệu pháp điều trị ung thư. Antimon (chống sinh vật nguyên sinh), bismuth (chống loét), vàng (chống viêm khớp) và sắt (chống sốt rét) cũng rất quan trọng trong y học. Đồng, kẽm, bạc, vàng hoặc thủy ngân đều có trong các dạng chất sát trùng; một lượng nhỏ một số kim loại nặng được dùng để kiểm soát sự sinh trưởng của tảo trong tháp giải nhiệt chẳng hạn. Tùy vào mục đích sử dụng làm phân bón hoặc chất diệt khuẩn, sản phẩm nông hóa học có thể chứa các kim loại nặng như chromi, cobalt, nickel, đồng, kẽm, arsenic, cadmi, thủy ngân hoặc chì.

Một vài kim loại nặng được dùng làm xúc tác trong xử lý nhiên liệu (ví dụ như rheni), sản xuất cao su và sợi tổng hợp (bismuth), thiết bị kiểm soát khí thải (paladi) và trong lò nướng tự làm sạch (ceri(IV) oxide ở thành lò giúp oxy hóa bã thực phẩm gốc carbon). Kim loại nặng còn tạo thành xà phòng không tan dùng trong mỡ bôi trơn, chất làm khô sơn và thuốc diệt nấm (ngoại trừ lithi, kim loại kiềm và ion amoni tạo thành xà phòng tan).

Tạo màu và quang học 

Màu của thủy tinh, men gốm, sơn, chất màu và chất dẻo thường được tạo ra khi thêm kim loại nặng (hoặc hợp chất của chúng) như chromi, mangan, cobalt, đồng, kẽm, seleni, zirconi, molybden, bạc, thiếc, praseodymi, neodymi, erbi, wolfram, iridi, vàng, chì hoặc urani. Mực xăm có thể chứa các kim loại nặng như chromi, cobalt, nickel và đồng. Độ phản xạ cao của một số kim loại nặng đóng vai trò quan trọng trong chế tạo gương, bao gồm dụng cụ thiên văn chính xác cao. Chóa đèn pha được dựa trên độ phản xạ cực tốt của một màng mỏng rhodi.

Điện tử, nam châm và chiếu sáng 

Kim loại nặng hoặc các hợp chất của chúng có trong linh kiện điện tử, điện cực cùng với hệ thống mạch điện và tấm quang năng, ở đó chúng có thể làm chất dẫn diện, bán dẫn hoặc cách điện. Bột molybden có trong mực phủ mạch in. Anode titani đã phủ rutheni(IV) oxide được dùng để sản xuất chlor trong công nghiệp. Mạng điện gia đình phần lớn được đấu nối bằng dây đồng do đặc tính dẫn điện tốt của nó. Bạc và vàng được sử dụng trong các thiết bị điện và điện tử, đặc biệt là công tắc tiếp xúc nhờ tính dẫn điện tốt và khả năng chống lại hoặc giảm thiểu sự hình thành tạp chất trên bề mặt của chúng. Hai chất bán dẫn cadmi(II) teluride và gali(III) arsenide được ứng dụng trong sản xuất tấm quang năng. Hafni(IV) oxide, một chất cách điện, được dùng để điều chỉnh điện áp trong vi mạch; tantal(V) oxide, một chất cách điện khác, có trong tụ điện của điện thoại di động. Kim loại nặng đã được sử dụng trong pin điện trong hơn 200 năm, ít nhất từ khi Volta phát minh ra pin đồng và bạc mang tên mình vào năm 1800. Promethi, lanthan và thủy ngân là ba kim loại nặng khác lần lượt được tìm thấy trong pin nguyên tử, pin nickel hydride kim loại và pin cúc áo.

Nam châm được làm từ các kim loại nặng như mangan, sắt, cobalt, nickel, niobi, bismuth, praseodymi, neodymi, gadolini và dysprosi. Nam châm neodymi là loại nam châm vĩnh cửu mạnh nhất có trên thị trường. Chúng là thành phần chính trong khóa cửa xe ô tô, hệ thống khởi động, bơm nhiên liệu và cửa sổ điện, chẳng hạn.

Kim loại nặng còn được dùng trong chiếu sáng, laser và diode phát quang (LED). Màn hình phẳng thường kết hợp thêm một màng mỏng indi thiếc oxide dẫn điện. Đèn huỳnh quang phụ thuộc vào hơi thủy ngân để hoạt động. Laser hồng ngọc tạo những chùm sáng màu đỏ đậm bởi các nguyên tử chromi kích thích; các nguyên tố họ Lanthan cũng được sử dụng nhiều trong laser. Gali, indi và arsenic; đồng, iridi và platin được dùng trong LED (trong đó đồng, iridi và platin dùng ở LED hữu cơ).

Hạt nhân 

Kim loại nặng với số hiệu nguyên tử lớn có một vài ứng dụng thích hợp trong chụp ảnh y khoa, hiển vi điện tử và khoa học hạt nhân. Trong chụp ảnh y khoa, các kim loại nặng như cobalt hay wolfram là thành phần tạo nên vật liệu anode trong đèn phát tia X. Trong hiển vi điện tử, kim loại nặng như chì, vàng, paladi, platin hoặc urani được dùng để tạo nên lớp phủ dẫn điện và đưa chùm electron vào mẫu vật sinh học qua nhuộm, nhuộm âm tính hoặc lắng đọng chân không. Trong khoa học hạt nhân, hạt nhân của các kim loại nặng như chromi, sắt hoặc kẽm đôi lúc được bắn phá vào các hạt nhân kim loại nặng khác để hình thành nguyên tố siêu nặng; kim loại nặng cũng được dùng làm bia phá vỡ để tạo neutron hoặc đồng vị phóng xạ như astatin (sử dụng chì, bismuth, thori hoặc urani).

Tham khảo

Chú giải

Chú thích tham khảo

Thư mục 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  (tái bản có chỉnh lý 2007)
 
  (bản thảo)
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
* 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  (bản dịch tiếng Anh)
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  (tờ in rời)

Đọc thêm 
Định nghĩa và sử dụng thuật ngữ
  Đề xuất định nghĩa kim loại nặng là "kim loại tồn tại trong tự nhiên có số hiệu nguyên tử (Z) lớn hơn 20 và khối lượng riêng nguyên tố lớn hơn 5 gcm−3".
  Có khảo sát về các nghĩa khác nhau của thuật ngữ.
  Góc nhìn từ một nhà hóa học.
  Phát hiện rằng, dù thiếu tính cụ thể, thuật ngữ vẫn trở thành một phần của ngôn ngữ khoa học.

Độc tính và vai trò sinh học
  Có thông tin về ứng dụng và độc tính của Hg, Pb, Cd, As và Cr. 
  Một bài báo có số lượng trích dẫn lớn, tập trung vào vai trò sinh học của kim loại nặng.

Quá trình hình thành
 

Ứng dụng
 
 
  Tác giả giải thích tantal(V) oxide đã "đẩy đi" điện thoại di động "cục gạch" như thế nào. Xem thêm podcast.

Liên kết ngoài
 
 
 

Nhóm nguyên tố hóa học
Độc chất học
Kim loại