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

| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
 
Kim loại nặng trên vỏ Trái Đất:
độ phong phú theo khối lượng và nguồn (hoặc nơi) tồn tại chính
|  | 1 | 2 |  | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 |
| 1  | H |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  | He |
| 2  | Li | Be |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  | B | C | N | O | F | Ne |
| 3  | Na | Mg |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  | Al | Si | P | S | Cl | Ar |
| 4  | K | Ca |  | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu | Zn | Ga | Ge | As | Se | Br | Kr |
| 5  | Rb | Sr |  | Y | Zr | Nb | Mo |  | Ru | Rh | Pd | Ag | Cd | In | Sn | Sb | Te |  I  | Xe |
| 6  | Cs | Ba |  | Lu | Hf | Ta | W | Re | Os | Ir | Pt | Au | Hg | Tl | Pb | Bi |  |  |  |
| 7  |  | Ra |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |

|  |  |  |  | La | Ce | Pr | Nd |  | Sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb |  |  |
|  |  |  |  |  | Th | Pa | U |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |
 
|  |    Phổ biến nhất (56.300 ppm) |    Phổ biến nhất (56.300 ppm) |    Phổ biến nhất (56.300 ppm) |    Phổ biến nhất (56.300 ppm) |    Phổ biến nhất (56.300 ppm) |    Phổ biến nhất (56.300 ppm) |    Phổ biến nhất (56.300 ppm) |    Phổ biến nhất (56.300 ppm) |    Phổ biến nhất (56.300 ppm) |    Phổ biến nhất (56.300 ppm) |    Hiếm (0,01–0,99 ppm) |    Hiếm (0,01–0,99 ppm) |    Hiếm (0,01–0,99 ppm) |    Hiếm (0,01–0,99 ppm) |    Hiếm (0,01–0,99 ppm) |    Hiếm (0,01–0,99 ppm) |    Hiếm (0,01–0,99 ppm) |    Hiếm (0,01–0,99 ppm) |    Hiếm (0,01–0,99 ppm) |
|  |    Phổ biến (100–999 ppm) |    Phổ biến (100–999 ppm) |    Phổ biến (100–999 ppm) |    Phổ biến (100–999 ppm) |    Phổ biến (100–999 ppm) |    Phổ biến (100–999 ppm) |    Phổ biến (100–999 ppm) |    Phổ biến (100–999 ppm) |    Phổ biến (100–999 ppm) |    Phổ biến (100–999 ppm) |    Rất hiếm (0,0001–0,0099 ppm) |    Rất hiếm (0,0001–0,0099 ppm) |    Rất hiếm (0,0001–0,0099 ppm) |    Rất hiếm (0,0001–0,0099 ppm) |    Rất hiếm (0,0001–0,0099 ppm) |    Rất hiếm (0,0001–0,0099 ppm) |    Rất hiếm (0,0001–0,0099 ppm) |    Rất hiếm (0,0001–0,0099 ppm) |    Rất hiếm (0,0001–0,0099 ppm) |
|  |    Ít gặp (1–99 ppm) |    Ít gặp (1–99 ppm) |    Ít gặp (1–99 ppm) |    Ít gặp (1–99 ppm) |    Ít gặp (1–99 ppm) |    Ít gặp (1–99 ppm) |    Ít gặp (1–99 ppm) |    Ít gặp (1–99 ppm) |    Ít gặp (1–99 ppm) |    Ít gặp (1–99 ppm) |    Ít phổ biến nhất (~0,000 001 ppm) |    Ít phổ biến nhất (~0,000 001 ppm) |    Ít phổ biến nhất (~0,000 001 ppm) |    Ít phổ biến nhất (~0,000 001 ppm) |    Ít phổ biến nhất (~0,000 001 ppm) |    Ít phổ biến nhất (~0,000 001 ppm) |    Ít phổ biến nhất (~0,000 001 ppm) |    Ít phổ biến nhất (~0,000 001 ppm) |    Ít phổ biến nhất (~0,000 001 ppm) |
 : 
Kim loại nặng bên trái đường phân cách tồn tại (hoặc có nguồn gốc) chủ yếu ở dạng ưa đá; với kim loại ở bên phải, ở dạng ưa lưu huỳnh ngoại trừ vàng (ưa sắt) và thiếc (ưa đá).
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:
Kẽm được cho thêm vào hỗn hợp và đẩy vàng ra khỏi muối vừa thu được do hoạt động hóa học mạnh hơn vàng:
Vàng kết tủa dưới dạng bùn, sau đó được lọc ra và nấu chảy.