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[sửa | sửa mã nguồn]

Kim loại nặng trong bảng tuần hoàn
	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	Tc	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	Po	At	Rn
7	Fr	Ra		Lr	Rf	Db	Sg	Bh	Hs	Mt	Ds	Rg	Cn	Nh	Fl	Mc	Lv	Ts	Og
				La	Ce	Pr	Nd	Pm	Sm	Eu	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb
				Ac	Th	Pa	U	Np	Pu	Am	Cm	Bk	Cf	Es	Fm	Md	No
	Số tiêu chí thỏa mãn: Số nguyên tố:    10 3    9 5    8 14    6–7 56    4–5 14    1–3 4    0 3    phi kim 19
Bảng trên liệt kê số tiêu chí kim loại nặng mà mỗi kim loại thỏa mãn trong 10 tiêu chí được liệt kê trong mục này, gồm hai tiêu chí về khối lượng riêng, ba tiêu chí về khối lượng nguyên tử, hai tiêu chí về số hiệu nguyên tử và ba tiêu chí về đặc tính hóa học.[n 1] Bảng này cho thấy không có sự thống nhất xung quanh khái niệm kim loại nặng, ngoại trừ ở thủy ngân, chì và bismuth. Sáu nguyên tố gần cuối chu kỳ (hàng) 4 đến 7 (thỉnh thoảng được cho là á kim), gồm germani (Ge), arsenic (As), seleni (Se), antimon (Sb), teluri (Te) và astatin (At) đều được xem là kim loại.[15][n 2] Oganesson (Og) được xem là phi kim. Các kim loại bao bởi đường nét đứt có (hoặc, với At và nguyên tố 100–117, được dự đoán là có) khối lượng riêng trên 5 g/cm3.

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.^[16] Ví dụ, trong luyện kim, một kim loại nặng có thể được xác định dựa vào khối lượng riêng,^[17] trong khi tiêu chí phân loại trong vật lý có thể là số hiệu nguyên tử,^[18] còn ở hóa học và sinh học, người ta thường chú ý đến tính chất hóa học của kim loại đó.^[9]

Tiêu chí về khối lượng riêng là từ trên 3,5 g/cm³ đến trên 7 g/cm³, tùy trường hợp.^[2] Tiêu chí về khối lượng nguyên tử có thể là lớn hơn natri (khối lượng nguyên tử 22,98);^[2] lớn hơn 40 (ngoại trừ kim loại khối s và khối f, chỉ tính từ scandi);^[3] hoặc lớn hơn 200, tức là từ thủy ngân trở đi.^[4] Tiêu chí về số hiệu nguyên tử của kim loại nặng thường là trên 20 (calci),^[2] và thỉnh thoảng có giới hạn trên là 92 (urani).^[5] 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.^[19] Vấn đề tương tự cũng có thể xảy ra đối với cách định nghĩa theo khối lượng nguyên tử.^[20]

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.^{[6][n 3]} 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.^{[9][n 4]} 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.^{[n 5][n 6]}

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.^[41] 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.^{[n 7]} 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.^{[n 8]} 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.^[45] Một đề xuất được trích dẫn nhiều trong các bài báo khoa học^[46] đề nghị áp dụng hệ thống phân loại như trên thay vì tên gọi trừu tượng hơn kim loại nặng,^[10] nhưng hiện nay vẫn chưa nhận được sự đồng thuận.^[47]

Danh sách kim loại nặng theo khối lượng riêng[sửa | sửa mã nguồn]

Khối lượng riêng từ 5 g/cm³ trở lên đôi lúc được xem là yếu tố xác định kim loại nặng thường dùng,^[48] 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^[49] như trường hợp ở đây. Seleni (khối lượng riêng 4,8 g/cm³)^[50] 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,^[15] nhưng có tính chất hóa học trong nước tương đồng ở một số phương diện với arsenic và antimon.^[51] Một số kim loại khác vốn đôi khi được xếp vào nhóm kim loại "nặng", như beryli^[52] (khối lượng riêng 1,8 g/cm³),^[53] nhôm^[52] (2,7 g/cm³),^[54] calci^[55] (1,55 g/cm³),^[56] và bari^[55] (3,6 g/cm³)^[57] 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[sửa | sửa mã nguồn]

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.^[64] 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.^[65]

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").^[66] 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.^[67]

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.^[68] Kim loại nhẹ có khối lượng riêng 0,860–5 g/cm³; kim loại nặng 5,308–22,000.^{[69][n 9]} Thuật ngữ đó về sau gắn liền với nguyên tố có khối lượng nguyên tử lớn hoặc số hiệu nguyên tử lớn.^[19] 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^[70] 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.^[71]

Chỉ trích[sửa | sửa mã nguồn]

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.^[72] 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);^[19][73] vanadi đến kẽm (quá trình sinh học);^[74] rhodi, iridi và osmi (quá hiếm).^[75]

Tính phổ biến[sửa | sửa mã nguồn]

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.^[76] 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.^[41] 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."^[77] Các kim loại nói trên có khối lượng riêng từ 0,534 đến 4,54 g/cm³.

Vai trò sinh học[sửa | sửa mã nguồn]

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);^[83] 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).^[84] 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.^[85] 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.^[86] 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.^[87] 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).^{[88][n 14]}

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).^[89] 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^[90] (dù không phải lúc nào cũng được xem là kim loại nặng).

Độc tính[sửa | sửa mã nguồn]

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.^[91] 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[sửa | sửa mã nguồn]

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.^[92] Chẳng hạn, chromi hóa trị VI có độc tính cao như hơi thủy ngân và nhiều hợp chất của thủy ngân.^[93] 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.^[94] Chromi (ở dạng hóa trị VI) và arsenic là tác nhân gây ung thư;^[95] cadmi gây một căn bệnh thoái hóa xương;^[96] thủy ngân và chì làm tổn hại hệ thần kinh trung ương.^[97]

• 
  Tinh thể chromi và khối 1 cm³
• 
  Arsenic, được cất trữ kín để chống xỉn màu
• 
  Thanh cadmi và khối 1 cm³
• 
  Thủy ngân đang được đổ xuống một đĩa Petri
• 
  Chì đã oxy hóa và khối 1 cm³

Chì là tạp chất kim loại nặng phổ biến nhất.^[98] 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.^[99] Là một thành phần của tetraethyl chì, (CH₃CH₂)₄Pb, nó được dùng rộng rãi trong xăng vào những năm 1930–1970.^[100] 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.^[101] 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.^[102]

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);^[103] cobalt và nickel (chất gây ung thư);^[104] đồng,^[105] kẽm,^[106] seleni^[107] và bạc^[108] (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);^[109] antimon (được cho là chất gây ung thư);^[110] và thali (tổn thương hệ thần kinh trung ương).^{[105][n 15][n 16]}

Kim loại nặng đa lượng[sửa | sửa mã nguồn]

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.^[105] Ion permanganat tím MnO^–
₄ là chất gây độc cho gan và thận.^[114] 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.^[105] Nickel carbonyl (Ni(CO)₄), ở mật độ 30 phần triệu, có khả năng gây suy hô hấp, chấn thương não và tử vong.^[105] 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.^[115] 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;^[116] ngộ độc về lâu dài có thể gây liệt.^{[105][n 17]}

Kim loại nặng khác[sửa | sửa mã nguồn]

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).^[105] Phơi nhiễm osmi tetroxide (OsO₄) có thể gây tổn thương mắt vĩnh viễn, dẫn đến suy hô hấp^[118] và tử vong.^[119] Muối indi gây độc khi ăn phải với liều lượng vài miligam trở lên, ảnh hưởng đến thận, gan và tim.^[120] 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.^[105] 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.^[121]

Nguồn phơi nhiễm[sửa | sửa mã nguồn]

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.^[122] 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;^[123] cơ sở hạ tầng cấp nước xuống cấp;^[124] và vi nhựa trôi nổi trên các đại dương.^[125] 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);^[126] thảm họa đập Mariana ở Brazil tháng 11 năm 2015;^[127] hay nồng độ chì cao trong nước uống cấp cho người dân tại Flint, Michigan, ở vùng đông bắc nước Mỹ.^[128]

Quá trình hình thành, độ phong phú, tồn tại và điều chế[sửa | sửa mã nguồn]

Kim loại nặng trên vỏ Trái Đất:
độ phong phú theo khối lượng và nguồn (hoặc nơi) tồn tại chính[n 18]
	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)										Hiếm (0,01–0,99 ppm)
	Phổ biến (100–999 ppm)										Rất hiếm (0,0001–0,0099 ppm)
	Ít gặp (1–99 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.^[132]

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.^[133] 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,^[134] 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.^{[132][135][n 19]} 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.^[137]

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,^{[138][n 20]} 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.^[140]

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.^[129] 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.^[141]

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.^[142] 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.^[143]

Mặt khác, vàng là một nguyên tố ưa sắt và khó tạo thành hợp chất với oxy hoặc lưu huỳnh.^[144] 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.^[145] 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).^{[146][n 21]}

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.^[147][148] 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.^{[149][n 22]}

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