Список тяжелых металлов: виды и особенности
Из всех 104 известных человечеству на сегодня химических элементов 82 составляют металлы. Они занимают видное место в жизни людей в промышленной, биологической и экологической сфере. Современная наука подразделяет металлы на тяжёлые, лёгкие и благородные. В этой статье мы рассмотрим список тяжёлых металлов и их особенности.
Определение тяжёлых металлов
Изначально тяжёлыми металлами принято было называть тех их представителей, которые имеют атомную массу выше 50. Однако употребление названного термина на сегодняшний день происходит чаще не с химической точки зрения, а в зависимости от их воздействия на загрязнение окружающей среды. Таким образом, список тяжёлых металлов включает те металлы и металлоиды (полуметаллы), которые загрязняют элементы человеческой биосферы (почву, воду). Давайте рассмотрим их.
Сколько элементов включает список тяжёлых металлов?
На сегодня не существует единого мнения относительно количества элементов в названном перечне, поскольку нет общих критериев, относящих металлы к тяжёлым. Тем не менее, список тяжёлых металлов может быть сформирован в зависимости от различных свойств металлов и их признаков. К ним относят:
- Атомный вес. Исходя из этого критерия, к названным принадлежат более 40 элементов с атомной массой, превышающей 50 а.е.м (г/моль).
- Плотность. Исходя из этого критерия, тяжёлыми считаются те металлы, у которых плотность равна или превосходит плотность железа.
- Биологическая токсичность объединяет тяжёлые металлы, негативно влияющие на жизнедеятельность человека и живых организмов. В их списке порядка 20 элементов.
Влияние на организм человека
Большинство названных веществ оказывают негативное воздействие на все живые организмы. Ввиду значительной атомной массы, они плохо транспортируются и накапливаются в тканях человека, вызывая различные заболевания. Так, для человеческого организма кадмий, ртуть и свинец признаны как самые опасные и самые тяжёлые металлы.
Список токсичных элементов группируется по степени опасности по так называемым правилам Мертца, согласно которым наиболее токсичные металлы имеют наименьший диапазон экспозиции:
- Кадмий, ртуть, таллий, свинец, мышьяк (группа самых опасных металлических ядов, превышение допустимых норм которых способно привести к серьёзным психо-физиологическим нарушениям и даже к летальному исходу).
- Кобальт, хром, молибден, никель, сурьма, скандий, цинк.
- Барий, марганец, стронций, ванадий, вольфрам
Это однако не означает, что ни один из элементов, сгруппированных выше, по правилам Мертца, не должен присутствовать в человеческом организме. Напротив, список тяжёлых металлов насчитывает в нем эти и ещё более 20 элементов, небольшая концентрация которых не только не опасна для жизнедеятельности человека, но и необходима в метаболических процессах, особенно железо, медь, кобальт, молибден и даже цинк.
Загрязнение окружающей среды тяжёлыми металлами
Элементами биосферы, подвергающимся загрязнению тяжёлыми металлами, являются почва и вода. Чаще всего виновниками этого выступают металлургические предприятия, перерабатывающие лёгкие и тяжёлые цветные металлы. Список загрязняющих агентов также пополняют предприятия по сжиганию мусора, автомобильные выхлопы, котельные, химико-производственные, типографические компании и даже электростанции.
Чаще всего токсинами являются: свинец (автомобильное производство), ртуть (пример распространения: разбитые в быту градусники и люминесцентные осветительные приборы), кадмий (образуется в результате сжигания мусора). Кроме этого, большинство заводов в производстве используют тот или иной элемент, который может быть охарактеризован как тяжёлый. Металл группы, список которой был приведен выше, в виде отходов поступает чаще всего в водоёмы и далее по трофической цепи доходит до человека.
Кроме техногенных факторов загрязнения природы тяжёлыми металлами, существуют также природные – это извержения вулканов, в лаве которых обнаружено повышенное содержание кадмия.
Особенности распространения в природе самых токсичных металлов
Ртуть в природе более всего локализуется в водной и воздушной среде. В воды мирового океана ртуть поступает из промышленных сливов, также встречаются пары ртути, образующиеся вследствие горения угля. Токсичные соединения аккумулируются в живых организмах, особенно в морепродуктах.
Свинец имеет широкую область распространения. Он накапливается и в горах, и в почве, и в воде, и в живых организмах, и даже в воздухе, в виде выхлопных газов от автомобилей. Конечно, свинец поступает в окружающую среду и в результате антропологического действия в виде отходов от промышленной отрасли и неутилизированных отходов (аккумуляторы и батарейки).
А источником загрязнения окружающей среды кадмием являются сточные воды промышленных предприятий, а также природные факторы: выветривание медных руд, вымывание почв, а также результаты вулканической активности.
Область применения тяжёлых металлов
Несмотря на токсичность, современная промышленность создаёт огромное множество полезных продуктов, перерабатывая тяжёлые цветные металлы, список которых включает сплавы меди, цинка, свинца, олова, никеля, титана, циркония, молибдена и др.
Медь – высокопластичный материал, из которого получаются разнообразные провода, трубы, кухонная утварь, украшения, кровельное покрытие и многое другое. Кроме того, она широко используется в машиностроении и кораблестроительстве.
Цинк обладает высокими антикоррозийными свойствами, поэтому распространено использование цинковых сплавов для покрытия металлических изделий (т. н. оцинковка). Области применения продуктов из цинка: строительство, машиностроение, полиграфия (изготовление печатных форм), ракетостроение, химическая промышленность (производство лаков и красок) и даже медицина (антисептические средства и др.).
Свинец легко плавится, поэтому используется в качестве сырья во многих отраслях: лакокрасочной, химической, автомобильной (входит в состав аккумуляторов), радиоэлектронной, медицинской (изготовление защитных фартуков для пациентов во время прохождения рентген-исследований).
fb.ru
Лёгкие металлы — это… Что такое Лёгкие металлы?
металлы, обладающие малой плотностью (табл.). Л. м. широко распространены в природе (более 20% по массе). Вследствие высокой химической активности они встречаются только в виде весьма прочных соединений. Начало развития металлургии Л. м. относится к середине 19 в. Основные способы получения Л. м. — Электролиз расплавленных солей, Металлотермия и Электротермия. Л. м. применяются главным образом для производства лёгких сплавов (См. Лёгкие сплавы). Важнейшие Л. м. — алюминий, магний, титан, бериллий, литий.—————————————————————————————————————————————————
| Название | Химический знак | Атомный номер | Плотность при 20°C, |
| | |
|————————————————————————————————————————————————-|
| Литий | Li | 3 | 534 |
| Берилий | Be | 4 | 1847,7 |
| Натрий | Na | 11 | 968,4 |
| Магний | Mg | 12 | 1739 |
| Алюминий | Al | 13 | 2698,9 |
| Калий | K | 19 | 862 |
| Кальций | Ca | 20 | 1540 |
| Титан | Ti | 22 | 4505 |
| Рубидий | Rb | 37 | 1532
| Стронций | Sr | 38 | 2630 |
| Цезий | Cs | 55 | 1900 |
| Барий | Ba | 56 | 3760 |
—————————————————————————————————————————————————
Лит.: Беляев А.
И., Металлургия легких металлов, 6 изд., М., 1970.dic.academic.ru
Добыча металлов: прошлое, настоящее, будущее
Современная классификация металлов и руд, способы получения металлов, тренды современной металлургии и металлургии будущего.Все металлы состоят из частиц и делятся на черные и цветные. Они различаются не только по цвету, но и по составу частиц, которые определяют их химические свойства. Например, черные металлы являются более прочными и твердыми, цветные, напротив, более пластичны и податливы. Отличаются металлы и по тому, как их добывают и обрабатывают, и как их в дальнейшем используют.
Черные и цветные
Черные металлы – это железо и его сплавы. Черные металлы используются в промышленности гораздо больше, чем цветные. Из них изготавливают чугун и сталь, причем, для производства используются различные составы сплавов железа и углерода.
Цветные металлы, в свою очередь, делятся на легкие и тяжелые. При этом производство тяжелых металлов требует больше затрат энергии, чем легких.
Легкие металлы – это, например, титан, алюминий, магний. Металлы очень ценные, к примеру, легкий алюминий – один из ключевых материалов для проводников, а из тугоплавких титановых сплавов производят детали и двигатели самых современных самолетов и химическое оборудование. Тяжелые металлы – медь, олово, никель, свинец, цинк. Стойкий к действию воздуха и воды никель позволяет увеличить прочность, износостойкость, коррозионную стойкость, повышает тепло- и электропроводность, улучшает магнитные и каталитические свойства, его используют практически во всех отраслях промышленности. А, скажем, из долговечного и прочного свинца изготавливают батареи и аккумуляторы. Есть также так называемые малые тяжелые металлы – ртуть, кадмий, кобальт – и легирующие – молибден, вольфрам, кремний. Легирование — это их введение в состав сталей и сплавов для придания сплавам необходимых физических, химических или механических свойств. Например, молибден повышает прокаливаемость стали.
Добыча руды
Россия является лидером по запасам железной руды, в нашей стране огромное количество месторождений руды – например, Курская аномалия, Карельское и Костомукшское месторождения, гора Магнитная (Челябинская область), Кузбасс, Красноярский край, и др. На этих территориях, в основном, добывают ископаемые для развития черной металлургии, в данных регионах базируются металлургические предприятия черных металлургов.
Ископаемые для цветной металлургии добывают преимущественно на Урале, Северном Кавказе, в Западной и Восточной Сибири, на Дальнем Востоке. Базы по переработке «цветных» ископаемых находятся чаще всего рядом с каждым месторождением.
Карьерные работы ведутся прямо на поверхности земли – с помощью экскаваторов, то есть под открытым небом. Сначала горные породы готовят к выемке – проводят вскрышные работы, отделяют эти породы от массивов, рыхлят, затем происходит непосредственно процесс добычи. Если руды надо получить из скал, производят бурильно-взрывные работы. После того, как руда получена, ее транспортируют, а «отработанную» землю рекультивируют.
Подземные работы проводятся в недрах земли, в шахтах. При применении подземного подхода месторождение сначала вскрывают, затем готовят ископаемые к выемке, затем добывают их – валовым или селективным методом (когда ископаемые сразу отделяют друг от друга).
Безусловно, сегодня, помимо людских ресурсов и тяжелой бурильной техники, для добычи руд используется современное оборудование и компьютерные технологии, которые позволяют максимально эффективно планировать и проектировать все работы по добыче ископаемых.
Как получается металл
Чтобы получился тот или иной металл, нужен различный тип руды. Можно выделить, например, руды:
• медная. Руда, позволяющая произвести черновую и рафинированную медь, а также редкие металлы, если в руде есть их примеси, серную кислоту, и др.;
• оловянная;
• медно-никелевая;
• железная. Из это руды сегодня добывается не только железо, но и другие металлы, так как в ней могут содержатся их примеси;
• вольфрамо-молибденовая – очень ценная руда, дающая возможность создавать вольфрамовые и молибденовые концентраты;
• сурьмяно-ртутная;
• золотосодержащая. Из такой руды можно получать редкие металлов и полупроводниковые материалы, а также интерметаллические соединения из них.
Это далеко не все виды руд в природе.
При этом, цветные металлы получают из обогащенной руды – так называемого рудного концентрата. В цветной металлургии есть термин «обогащение», который означает искусственное повышение содержания металлов в сырье. По сути, это способ разделения образований на металлы и минералы. Именно обогащение и позволяет повысить содержание нужного, ценного металла в разы! Для этого используются различные технологии – руду дробят, измельчают, сортируют, перерабатывают путем обезвоживания, и др. Когда металл получен из руды, далее он обрабатывается и шлифуется.
Все процессы с ископаемыми и металлами производятся на металлургических комбинатах, как правило, в различных по специализации цехах. Например, есть основные заводы, а также филиалы, которые непосредственно занимаются обработкой металлов или их прессованием. Есть также цеха, которые проверяют металл на прочность, испытывают его характеристики – растяжение, пластичность, и др.
После всех этих действий и проверок металл отправляется в другие цеха или на другие предприятия для того, чтобы из него изготавливалась продукция – трубы, станки, машины, и многое другое.
Прошлое vs настоящее
Несмотря на то, что сегодня технологии шагнули вперед, шахтовый способ руды по-прежнему остается ключевым способом нахождения ископаемых. В то же время, на металлургических предприятиях все большее распространение получают ИТ-решения, позволяющие спроектировать процесс перед тем, как провести непосредственно добывающую работу.
Карьерный способ чаще всего применяется при разработке золотых, платиновых, оловянных, вольфрамовых и других месторождений, а подземный используют для добычи глубоко залегающих руд – вплоть до глубины 1700 м. Причем для разработки небольших месторождения иногда достаточно одной шахты, в крупных же функционирует целая система шахт (до 100-150).
При этом сегодня признано, что открытый способ имеет преимущества — лучшие санитарно-гигиенические условия труда, применение более технологичного оборудования, а в результате – более эффективный бизнес-результат. По подсчетам экспертов, при открытом способе добычи ископаемых производительность труда рабочих в 5 раз выше, чем в шахте, а себестоимость добытой руды в 3 раза ниже.
Также российские предприятия часто применяют смешанный способ, в котором проводятся и подземные (шахтовые) работы, и карьерные. ИТ-технологии позволяют просчитать, где лучше применить то или иное оборудование, что позволяет металлургам экономить там, где можно обойтись без шахтовой добычи ископаемых.
tek360.rbc.ru
Самый легкий металл. Какие существуют легкие металлы?
Первыми металлами, которые обнаружил человек, были золото, медь и серебро. Их применяли ещё в глубокой древности. Что представляют собой эти вещества? Какой металл самый легкий?
Металлы
Впервые человек обнаружил металлы, которые находятся близко к земной поверхности. Сначала это были медь, золото и серебро, позже к ним присоединились олово, железо, бронза и свинец. С развитием человечества список постепенно расширялся. В настоящее время открыто около 94 металлов.
Они представляют собой простые элементы, которые обладаю высокой электропроводностью и теплообменом, пластичностью, поддаются ковке, имеют характерный металлический блеск. В природе они часто встречаются в виде различных соединений и руд.
По своим качествам металлы разделяют на черные, цветные и драгоценные. Для использования их отделяют от руды, проводят чистку, легирование и другие виды обработки. Металлы являются частью живых организмов, присутствуют в морской воде.
В нашем теле они находятся в небольшом количестве, выполняя важные для жизни функции. В печени присутствует медь, кальций — в скелете и зубах, натрий – в цитоплазме клеток, железо является частью крови, а в мышцах находится магний.
Самый легкий металл
В сознании многих людей закрепилось мнение о металлах как о прочных, твердых и тяжелых веществах. Некоторые из них совершенно не подходят подданное описание. Существует ряд металлов, которые обладают небольшой прочностью и чрезвычайной для этих элементов легкостью. Они даже могут плавать на поверхности воды.
Самый легкий металл в мире – литий. При комнатной температуре его плотность является самой низкой. Она уступает воде практически в два раза и составляет 0,533 грамма на кубический сантиметр. Благодаря маленькой плотности он всплывает в воде и керосине.
Литий содержится в морской воде и верхней континентальной коре. В больших количествах самый легкий металл присутствует в звездном объекте Торна-Житкова, который состоит из сверхгиганта и красного гиганта.
При нормальных условиях литий представляет пластичный ковкий серебристый металл, настолько мягкий, что его можно разрезать ножом. Плавится при температуре 181 градус по Цельсию. Он токсичен и активно взаимодействует с окружающей средой, поэтому не используется в чистом виде.
Алюминий
После лития самый легкий металл – алюминий, к тому же он весьма прочный. Из-за активного применения в различных сферах он заслужил звание «металла XX века». В коре нашей планете он третий по распространенности элемент и первый среди металлов.
Алюминий имеет серебристо-белый цвет, обладает высокой пластичностью, тепло- и электропроводностью. Способен образовывать сплавы практически с любым металлом. Чаще всего используется вместе с магнием и медью. Многие его сплавы прочнее, чем сталь.
Алюминий слабо поддается коррозийным разрушениям благодаря образованию оксидных пленок. Он закипает при температуре 2500 градусов по Цельсию. Является слабым парамагнетиком. В природе металл содержится в виде соединений, его самородки встречаются исключительно редко в жерлах некоторых вулканов.
Легче легкого
Микролаттис – самый легкий металл, полученный искусственно. Он состоит из воздуха на 99,99 % и намного легче пенопласта. Металл создали ученые Калифорнийского университета, в 2016 году он был признан официально и был занесен в Книгу рекордов.
Секрет необычной легкости заключается в его структуре, напоминающую кости живых организмов. Металл представляет собой ячейки, которые сделаны из никелево-фосфорных трубок. Они пустые внутри, а их толщина в несколько раз уступает человеческому волосу.
Несмотря на легкость, микролаттис способен выдерживать большие нагрузки не хуже естественных металлов. Подобные свойства могут иметь широкое применение, одно из них — это создание искусственных легких.
fb.ru
Какой металл самый легкий?
В сознании многих людей металлы ассоциируются с чем-то тяжелым и твердым. Но в то же время есть металлические элементы, которые легче воды и не тонут в ней, а плавают на поверхности. Это происходит из-за больших размеров атомов и как следствие малой плотности. Так какой же металл самый легкий? Достаточно взглянуть на периодическую систему Менделеева, чтобы понять, что это литий. Он почти вдвое легче воды.
Основные свойства лития
Плотность лития составляет всего 0,543 грамма на сантиметр кубический. Металл входит в щелочную группу, которая характеризуется очень высокой химической активностью. Поэтому в природе литий образует сложные многоэлементные соединения, входящие в состав горных пород. При этом литий является самым неактивным щелочным металлом, так что достаточно устойчиво проявляет себя после выделение в чистом виде. Физические свойства самого легкого металла на Земле выглядят следующим образом: в нормальных условиях серебристо-белый металл, мягкий (можно резать ножом), ковкий и пластичный. Температура плавления — 181 градус по Цельсию. Атомная масса — 6,941 грамм на моль.
Химические свойства характерны для металлов щелочной группы. Но литий, в отличие от остальных щелочных элементов при комнатной температуре медленно реагирует с кислородом и другими веществами. Зато при нагревании вступает в реакцию с газами, кислотами и основаниями. При нагревании до 300 градусов по Цельсию литий самовоспламеняется и горит красно-синим пламенем. В отличие от остальных элементов щелочной группы покрывается устойчивой оксидной пленкой и перестает реагировать с кислородом.
Литий не хранят в керосине, так как из-за малой плотности он плавает на поверхности. Для его длительного хранения используют петролейный эфир, парафин, газолин или минеральное масло. В качестве емкости применяют жестяные банки с герметично закрывающимися крышками. Литий является токсичным веществом и при попадании на открытые участки кожи вызывает зуд, раздражение и ожоги, поэтому при работе с ним необходимо использовать специальную защитную одежду. Пары лития обжигают верхние дыхательные пути, так что нужно позаботиться и о защите органов дыхания.
Технология производства лития
Производство самого легкого металла в мире сводится к разложению его природных соединений. Это достаточно трудоемкая процедура ввиду большого количества составных элементов. Содержание лития в добываемом сырье в среднем составляет 21 грамм на одну тонну. В промышленном производстве используют три метода разложения соединений лития: известковый, сульфатный и сернокислотный. Первые два подразумевают спекание руды с оксидом/карбонатом кальция или сульфатом калия.
Протекает процедура при температуре 250-300 градусов. Затем полученную массу обрабатывают водой, получая карбонат или сульфат лития. После этого проводится процедура хлорирования с целью получения хлорида лития. И, наконец, окончательную процедуру разделения проводят при помощи электролиза расплава в присутствии хлорида калия или бария, которые понижают температуру плавления литиевого хлорида. Чистый металл оседает на катоде, откуда его можно собирать для дальнейшей переработки.
Сернокислотный способ подразумевает растворение руды в серной кислоте с образованием сульфата лития. Дальнейшая процедура протекает по указанной выше схеме. Самый легкий металл применяется для производства эффективных полупроводников в сплавах с другими металлами, из него изготавливают аноды, используемые затем в процедурах электролиза, литий входит в состав ракетного топлива, в металлургии применяется в качестве сильного восстановителя менее активных металлов. В качестве различных соединений литий используется в производстве продукции для многих отраслей промышленности и народного хозяйства.
Алюминий
Если же брать самый крепкий и легкий металл, то им принято считать алюминий. Его плотность составляет 2,7 грамм на сантиметр кубический. Этот металл достаточно распространен в природе и получил широкое применение в промышленности. Многие сплавы алюминия прочнее стали и при этом гораздо легче нее. Уже сейчас использование алюминиевых конструкций в строительной сфере вышло на новый уровень.
К тому же этот элемент гораздо более стойко переносит воздействие коррозии и не требует для этого дополнительной закалки. Алюминий входит в состав авиационных сплавов, из которых изготавливают обшивку самолетов. Некоторые ученые предполагают, что в будущем его сплавы смогут полностью вытеснить сталь.
К тому же не прекращаются опыты по выделению новых элементов, сочетающих в себе положительные черты существующих веществ, но лишенные их природных недостатков. Так что возможно вскоре будет открыт новый самый легкий и прочный металл, который заявит о себе во всеуслышание.
promplace.ru