المعادن الثقيلة

يشار إلى المعادن الثقيلة عمومًا بالمعادن ذات الكثافة العالية أو الكتلة الذرية أو العدد الذري. في نصوص مختلفة توجد فئات مختلفة للمعادن الثقيلة. في هندسة المواد على سبيل المثال يتم تعريف هذه المعادن من حيث الكثافة بينما في الفيزياء يعتمد التعريف على الأرقام الذرية. بالطبع يحب الكيميائيون التصنيف بناءً على السلوك الكيميائي.

تعريف المعادن الثقيلة

تم نشر تعريفات أخرى مختلفة في مقالات مختلفة ولكن لم يتم قبول أي منها على نطاق واسع وفقط المعادن مثل الزئبق والرصاص والبزموت هي نفسها في كل هذه التعريفات. التعريف المستخدم في معظم المصادر هو أن المعادن ذات الكثافة الأكبر من  5g/cm3 تصنف على أنها معادن ثقيلة.

تُعرف المعادن المعروفة من الماضي مثل الحديد والنحاس والقصدير والمعادن النفيسة مثل الفضة والذهب والبلاتين بالمعادن الثقيلة. من عام 1809 حتى اليوم تم اكتشاف المعادن الخفيفة مثل المغنيسيوم والألمنيوم والتيتانيوم إلى جانب بعض المعادن الثقيلة الأخرى مثل الغاليوم والثاليوم والهافنيوم.

بعض هذه المعادن مثل الحديد والكوبالت والزنك هي مغذيات أساسية بينما البعض الآخر مثل الفضة والإنديوم والروثينيوم هي معادن غير ضارة لكن الكميات الكبيرة منها سامة.

يجب أن يتم تحديد الخواص الفيزيائية والكيميائية للمعادن الثقيلة بعناية أكبر لأن الكثافة العالية لهذه المعادن تقلل من تفاعلها ولديها عدد أقل من الكبريتيدات والهيدروكسيدات مقارنة بالمعادن الخفيفة. على الرغم من سهولة تمييز المعادن الثقيلة مثل التنجستن عن المعادن الأخف مثل الصوديوم إلا أن بعض المعادن مثل الزنك والزئبق والرصاص لها خصائص مماثلة للمعادن الخفيفة والمعادن الأخف مثل البريليوم والسكانديوم والتيتانيوم خصائص مشابهة للمعادن الثقيلة.

تمتلك المعادن الثقيلة موارد قليلة على قشرة الأرض ولكنها توجد في جوانب مختلفة من الحياة اليوم. على سبيل المثال يتم استخدامها في المطهرات والسيارات والبلاستيك والألواح الشمسية والهواتف المحمولة.

أصل وتسمية المعادن الثقيلة

كان ثقل المعادن مثل الذهب والنحاس والحديد معروفًا منذ العصور القديمة وكان عاملاً في صناعة الأدوات والأسلحة في الماضي نظرًا لقابليتها للطرق. كانت جميع المعادن المكتشفة حتى عام 1809 ذات كثافة عالية وكان هذا الوزن واضحًا بين هذه المعادن ولكن من عام 1809 فصاعدًا تم اكتشاف المعادن الخفيفة مثل الصوديوم والبوتاسيوم والسترونتيوم أيضًا. أعاقت كثافتها المنخفضة الطريقة العامة للتعرف على المعادن وفي ذلك الوقت كانت تسمى هذه المعادن الخفيفة “أشباه الفلزات” (Metalloids). بالطبع تم إعطاء الاسم لاحقًا للعناصر التي يصعب وصفها على أنها معدنية أو غير معدنية.

تمت صياغة مصطلح المعادن الثقيلة في أوائل عام 1817 عندما قسم الكيميائي الألماني ليوبولد جملين(Leopold Gmelin)   العناصر إلى غير معادن ومعادن خفيفة ومعادن ثقيلة. كانت كثافة المعادن الخفيفة بين 0.58-58 وكانت كثافة المعادن الثقيلة بين 258.308-25 جم / سم 3. أصبح المصطلح فيما بعد مرادفًا لعناصر ذات الكتلة الذرية والعدد الذري. لهذا السبب يتم استخدام العناصر الثقيلة في بعض الأحيان بدلاً من مصطلح المعادن الثقيلة. يشار إلى أن هذا المصطلح يستخدم في النصوص العلمية لاختلاف المعاني التي تحمل المعادن الثقيلة.

المعادن الثقيلة في الجدول الدوري

كما ذكرنا هناك عدة معايير لكيفية الكشف عن هذه المعادن. لفهم هذه المشكلة بشكل أفضل يتم إعطاء المعادن الثقيلة في الجدول الدوري بناءً على عدد معايير التشخيص في الشكل أدناه. كما ترى فلزات الزئبق والرصاص والبزموت هي نفسها في كل هذه التعريفات.

الدور البيولوجي للمعادن الثقيلة

تعتبر الكميات الصغيرة من المعادن الثقيلة خاصة في الفترة الرابعة من الجدول الدوري ضرورية لأداء بعض العمليات البيولوجية في الجسم. هذه العناصر مذكورة أدناه:

• النحاس: يحمل الإلكترونات والأكسجين
• الكوبالت: التمثيل الغذائي الخلوي
• الزنك: هيدروكسيل (هيدروكسيل)
• الكروم: استخدام الجلوكوز
• النيكل: نمو الخلايا
• السيلينيوم: مضادات الأكسدة وإنتاج الهرمونات

تتضمن الفترتان الرابعة والخامسة من الجدول الدوري كميات أصغر من المعادن الثقيلة الأساسية لأنها أثقل وأقل وفرة في طبيعتها. في الدورة الخامسة يستخدم الموليبدينوم كمحفز لتفاعلات الأكسدة والاختزال. في الدورة السادسة يشارك الكادميوم في عمليات التمثيل الغذائي للبكتيريا.

خصائص المعادن الثقيلة

من خصائص المعادن الثقيلة سميتها والتي سنناقشها فيما يلي. كما أن معظم المعادن الثقيلة لها كثافة عالية ووزن ذري وعدد ذري. تندرج بعض أشباه المعادن والوسيطات واللانثانيدات والأكتينيدات أيضًا في فئة المعادن الثقيلة. تستشهد العديد من المصادر بالمعادن مثل الزئبق والرصاص والبزموت والكادميوم كعناصر سامة في المعادن الثقيلة. تشمل أمثلة المعادن الثقيلة العناصر التالية:

• قيادة
• الزئبق
• الكادميوم
• كروم
• حديد
• مس
• روي
• الألومنيوم
• برلیم
• كوبالت
• المنغنيز
• الزرنيخ

الخصائص السامة للمعادن الثقيلة

يُعتقد أن المعادن الثقيلة شديدة السمية ومضرة بالبيئة. وتجدر الإشارة إلى أن بعض هذه المعادن سامة وبعضها الآخر سام إذا كان موجودًا بكميات كبيرة. على سبيل المثال تعتبر عناصر مثل الكروم والزرنيخ والزئبق والكادميوم والرصاص من بين العناصر شديدة السمية. سيكون الشكل الأولي أو المركب لهذه العناصر وتوزيعها في البيئة سامًا. على سبيل المثال يعتبر الكروم برقم أكسدة +6 سامًا مثل بخار الزئبق أو مركبات الزئبق. هذه العناصر الخمسة لديها ميل قوي لامتصاص الكبريت وفي جسم الإنسان ترتبط بالأنزيمات التي تتحكم في معدل التفاعلات الأيضية من خلال مجموعات الثيول (SH-).

تمنع الرابطة الناتجة عن الكبريت والمعدن الأداء الأمثل للإنزيمات وتسبب ضررًا لصحة الإنسان وأحيانًا الوفاة. كما يتسبب الكروم والكادميوم المسببان للسرطان في حدوث مشاكل في العمود الفقري والمفاصل. كما أن الرصاص يضر بالجهاز العصبي المركزي. فيما يلي سوف ندرس تأثيرات هذه المعادن مع بعض المعادن الأخرى بمزيد من التفصيل.

أخطار المعادن الثقيلة

يرجع خطر المعادن الثقيلة إلى “تراكمها الأحيائي” في جسم الإنسان والكائنات الحية الأخرى. يعني التراكم الأحيائي أن تركيز مادة كيميائية في كائن ما يزداد بمرور الوقت مقارنة بتركيزها في البيئة. تحدث هذه الزيادة في التركيز عندما يتم امتصاصها وتخزينها بشكل أسرع من تكسير المركبات (التمثيل الغذائي). يمكن أن تدخل المعادن الثقيلة إلى نظام إمدادات المياه المنزلية من خلال مياه الصرف الصناعي أو تدخل التربة والبحيرات والمياه الجوفية والأنهار بسبب الأمطار الحمضية. المعادن الثقيلة الثلاثة الأكثر تلوثًا هي الرصاص والكادميوم والزئبق.

تأثير الرصاص على البيئة

اعتمادًا على مدة ومدى تعرض الإنسان للرصاص تحدث تأثيرات بيولوجية مختلفة تؤثر على الجنين والرضيع أكثر من البالغين. كميات كبيرة من هذه المادة تسبب مشاكل في إنتاج الهيموجلوبين والكلى والجهاز الهضمي وتلف المفاصل والجهاز العصبي.

يأتي الرصاص في البيئة من الموارد الطبيعية والبشرية ويتعرض الناس له من خلال الغذاء والمناخ. كما استخدم الرصاص في الدهانات القديمة. بالطبع يعد الغذاء والماء والتربة من بين المصادر الرئيسية التي يمكن من خلالها أن يتعرض الإنسان للرصاص.

تأثير الكادميوم على البيئة

الكادميوم هو أحد المعادن الثقيلة التي إذا تم امتصاصها تبقى في أجسام الكائنات الحية مثل البشر لسنوات وحتى عقود. إذا تعرض الشخص للكادميوم لفترة طويلة فسوف يعاني من مشاكل في الكلى. يمكن أن تسبب هذه المادة بكميات كبيرة مشاكل في الرئة والسرطان وعيوب العظام. بالإضافة إلى ذلك يمكن اعتبار ارتفاع ضغط الدم عند الحيوانات ومشاكل القلب فيها من تأثيرات الكادميوم على البيئة.

ينتج الكادميوم أثناء استخلاص الزنك ومعالجته لأن المعدن موجود في الخام إلى جانب الزنك وهو أحد الاستخدامات الرئيسية في إنتاج بطاريات وسبائك النيكل والكادميوم والمكونات الإلكترونية.

تأثير الزئبق على البيئة

الزئبق مادة سامة ليس لها وظيفة معروفة في جسم الإنسان ونادرًا ما توجد في الكائنات الحية. يمكن أن يسبب التسمم بالزئبق مشاكل مثل الإجهاض والإجهاض والعيوب الخلقية. هذه المادة من الملوثات التي لها خصائص كيميائية وفيزيائية معقدة. المصدر الطبيعي الرئيسي للزئبق هو إطلاق الغازات تحت القشرة الأرضية وإطلاقها من خلال البراكين أو تبخر المياه السطحية. يؤدي التنقيب المكثف عن المعادن إلى إطلاق الزئبق في الغلاف الجوي للأرض.

وغني عن البيان أن استخدام هذه المادة شائع في العديد من العمليات الصناعية ومنتجات مختلفة مثل البطاريات ومقاييس الحرارة والمصابيح. بالإضافة إلى ذلك يتم استخدام هذه المادة كمادة ملغم في طب الأسنان.

تطبيق المعادن الثقيلة

تُستخدم المعادن الثقيلة في كل جانب من جوانب الحياة تقريبًا اليوم. من بين هؤلاء يمتلك الحديد النصيب الأكبر من هذه المعادن. حوالي 20٪ من السلع الاستهلاكية في حياة الإنسان مصنوعة من البلاتين. ترتبط بعض التطبيقات الشائعة لهذه المعادن بخصائصها العامة مثل التوصيل الكهربائي و “الانعكاس” (Reflectance) . كما أدت الخصائص الرئيسية للمعادن الثقيلة مثل الكثافة والمتانة والقوة العالية إلى زيادة استخدامها.

بالإضافة إلى ما سبق فإن الخصائص البيولوجية الإيجابية والسلبية لهذه المعادن فعالة أيضًا في استخدامها. الترتيب الإلكتروني لذرات هذه المعادن هو عامل آخر في استخدامها. على سبيل المثال تسمح أشباه الموصلات d”” أو f”” في العديد من المعادن الوسيطة اللانثانيدات والأكتينيدات بتكوين مركبات اللون. العديد من المعادن الثقيلة بما في ذلك السيريوم والبلاتين والبزموت لها أعداد أكسدة مختلفة وبالتالي فهي تستخدم كمحفزات. يؤدي التداخل الضعيف لمدارات ثلاثية الأبعاد أو 4 أقدام في عناصر مثل الحديد والكوبالت والنيكل وبعض اللانثانيدات والأكتينيدات إلى الخصائص المغناطيسية لهذه العناصر. بشكل عام يمكن تصنيف استخدام المعادن الثقيلة في الفئات الست التالية.

التطبيق بالوزن أو الكثافة

في الرياضة والهندسة الميكانيكية والصناعة العسكرية والعلوم النووية تستخدم كثافات عالية من المعادن الثقيلة. ومن الأمثلة على هذه التطبيقات رياضة الجولف التي تستخدم معادن مثل التنجستن وسبائك النحاس والنحاس لخفض مركز كتلة عصي الجولف. في الصناعة العسكرية يستخدم التنغستن أيضًا في لصق المعدات.

تطبيق يعتمد على المتانة والقوة

أدت قوة ومتانة المعادن مثل الكروم والحديد والنيكل والنحاس والزنك والموليبدينوم والقصدير والتنغستن والرصاص وسبائك هذه المعادن إلى استخدامها في صناعة المنحوتات والأجهزة المختلفة والأجهزة والأواني والأنابيب يتم استخدام المباني والسيارات والعديد من الصناعات.

على سبيل المثال يعتبر النحاس والزنك والقصدير والرصاص معادن ضعيفة ميكانيكياً ولكنها تستخدم لمنع تآكل المعادن.

يعتمد التطبيق على الدور البيولوجي والكيميائي

أدت الخصائص المميتة لبعض المعادن الثقيلة مثل النحاس والبلاتين والأوزميوم والروثينيوم والزرنيخ إلى استخدامها في العلاجات المضادة للسرطان. كما تستخدم معادن أخرى مثل الأنتيمون والبزموت والذهب والحديد في الفرخ. بالإضافة إلى ذلك يستخدم النحاس والزنك والفضة والذهب أيضًا في صناعة المطهرات.

تستخدم كميات صغيرة من المعادن الثقيلة للتحكم في نمو الطحالب في أبراج التبريد. كما يستخدمون الدور الكيميائي للمعادن الثقيلة في محفزات السيارات وفي عملية التكرير.

التطبيق يعتمد على الخصائص البصرية واللونية

يمكن استخدام لون الزجاج وتزجيج السيراميك وكذلك ألوان البلاستيك وصنع الأحبار بمساعدة المعادن الثقيلة أو مركباتها. وتشمل هذه المعادن الكروم والكوبالت والنحاس والزنك والسيلينيوم والزركونيوم والموليبدينوم والإيريديوم والذهب والرصاص والتنغستن واليورانيوم. كما تستخدم خصائص الانعكاس لبعض المعادن في بناء المرايا والأدوات الفلكية.

التطبيق يعتمد على الخصائص الإلكترونية والمغناطيسية

يمكن العثور على المعادن الثقيلة أو مركباتها في الإلكترونيات والأقطاب الكهربائية والملفات والألواح الشمسية. على سبيل المثال يتم لف العديد من الأجهزة الكهربائية في المنازل بأسلاك نحاسية. كما تم استخدام معادن مثل النحاس والفضة في خلايا الوقود في الماضي.

التطبيق في الخصائص النووية

تُستخدم بعض المعادن الثقيلة عالية الذرات في التصوير الطبي والمجهر الإلكتروني والعلوم النووية. على سبيل المثال تشكل المعادن مثل التنجستن أو الكوبالت جزء الأنود من أنابيب الأشعة السينية أو معادن مثل الرصاص والذهب والبلاديوم والبلاتين واليورانيوم تُستخدم لتشكيل طلاءات موصلة في المجاهر.