Schwermetalle
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Schwermetalle werden im Allgemeinen als Metalle mit relativ hoher Dichte, Atommasse oder Ordnungszahl definiert. Die verwendeten Kriterien und die Frage, ob Metalloide eingeschlossen sind, variieren je nach Autor und Kontext. In der Metallurgie kann ein Schwermetall beispielsweise auf der Grundlage der Dichte definiert werden, während in der Physik das Unterscheidungskriterium die Ordnungszahl sein könnte, während ein Chemiker sich wahrscheinlich eher mit dem chemischen Verhalten beschäftigt. Es wurden spezifischere Definitionen veröffentlicht, von denen sich jedoch keine allgemein durchgesetzt hat. Die in diesem Artikel untersuchten Definitionen umfassen bis zu 96 der 118 bekannten chemischen Elemente; nur Quecksilber, Blei und Wismut erfüllen alle Definitionen. Trotz dieser Uneinigkeit wird der Begriff (Plural oder Singular) in der Wissenschaft häufig verwendet. Eine Dichte von mehr als 5 g/cm3 wird manchmal als gängiges Kriterium angeführt und im Text dieses Artikels verwendet. ⓘ
Die ältesten bekannten Metalle - gewöhnliche Metalle wie Eisen, Kupfer und Zinn sowie Edelmetalle wie Silber, Gold und Platin - sind Schwermetalle. Ab 1809 wurden Leichtmetalle wie Magnesium, Aluminium und Titan entdeckt, aber auch weniger bekannte Schwermetalle wie Gallium, Thallium und Hafnium. ⓘ
Einige Schwermetalle sind entweder essenzielle Nährstoffe (typischerweise Eisen, Kobalt und Zink) oder relativ harmlos (wie Ruthenium, Silber und Indium), können aber in größeren Mengen oder bestimmten Formen giftig sein. Andere Schwermetalle, wie Cadmium, Quecksilber und Blei, sind hochgiftig. Mögliche Quellen für Schwermetallvergiftungen sind Bergbau, Abraum, Industrieabfälle, landwirtschaftliche Abwässer, berufliche Exposition, Farben und behandeltes Holz. ⓘ
Die physikalische und chemische Charakterisierung von Schwermetallen ist mit Vorsicht zu genießen, da die betreffenden Metalle nicht immer einheitlich definiert sind. Schwermetalle sind nicht nur relativ dicht, sondern auch weniger reaktionsfreudig als leichtere Metalle und haben weit weniger lösliche Sulfide und Hydroxide. Während es relativ einfach ist, ein Schwermetall wie Wolfram von einem leichteren Metall wie Natrium zu unterscheiden, weisen einige Schwermetalle wie Zink, Quecksilber und Blei einige Merkmale leichterer Metalle auf, und leichtere Metalle wie Beryllium, Scandium und Titan weisen einige Merkmale schwererer Metalle auf. ⓘ
Schwermetalle kommen in der Erdkruste relativ selten vor, sind aber in vielen Bereichen des modernen Lebens zu finden. Sie werden beispielsweise in Golfschlägern, Autos, Antiseptika, selbstreinigenden Öfen, Kunststoffen, Sonnenkollektoren, Mobiltelefonen und Teilchenbeschleunigern verwendet. ⓘ
| H | He ⓘ | |||||||||||||||||
| Li | Be | B | C | N | O | F | Ne | |||||||||||
| Na | Mg | Al | Si | P | S | Cl | Ar | |||||||||||
| K | Ca | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu | Zn | Ga | Ge | As | Se | Br | Kr | |
| Rb | Sr | Y | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd | Ag | Cd | In | Sn | Sb | Te | I | Xe | |
| Cs | Ba | La | * | Hf | Ta | W | Re | Os | Ir | Pt | Au | Hg | Tl | Pb | Bi | Po | At | Rn |
| Fr | Ra | Ac | ** | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Nh | Fl | Mc | Lv | Ts | Og |
| * | Ce | Pr | Nd | Pm | Sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | ||||
| ** | Th | Pa | U | Np | Pu | Am | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | No | Lr | ||||
In der Kerntechnik wird „Schwermetall“ in zwei verschiedenen besonderen Bedeutungen verwendet:
- als Sammelbezeichnung für alle durch Neutronen spaltbaren Nuklide,
- bei Abbrand-Betrachtungen für den spaltbaren Metallanteil (Uran, Plutonium) des frischen Kernbrennstoffs. ⓘ
Definitionen
| Wärmebildkarte der Schwermetalle im Periodensystem ⓘ | ||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 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 | 
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Lu | Hf | Ta | W | Re | Os | Ir | Pt | Au | Hg | Tl | Pb | Bi | Po | At | Rn | |||||||||
| 7 | Fr | Ra | 
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Lr | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Nh | Fl | Mc | Lv | Ts | Og | |||||||||
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La | Ce | Pr | Nd | Pm | Sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | ||||||||||||||
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Ac | Th | Pa | U | Np | Pu | Am | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | Nein | ||||||||||||||
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| Diese Tabelle zeigt die Anzahl der Schwermetallkriterien, die jedes Metall erfüllt, von den zehn in diesem Abschnitt aufgeführten Kriterien, d. h. zwei aufgrund der Dichte, drei aufgrund des Atomgewichts, zwei aufgrund der Ordnungszahl und drei aufgrund des chemischen Verhaltens. Dies verdeutlicht, dass mit Ausnahme von Quecksilber, Blei und Wismut keine Einigkeit über das Konzept besteht. Sechs Elemente am Ende der Perioden (Reihen) 4 bis 7, die manchmal als Metalloide betrachtet werden, werden hier als Metalle behandelt: Germanium (Ge), Arsen (As), Selen (Se), Antimon (Sb), Tellur (Te) und Astatin (At). Oganesson (Og) wird als Nichtmetall behandelt.
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Es gibt keine allgemein anerkannte, auf Kriterien basierende Definition des Begriffs "Schwermetall". Je nach Kontext kann der Begriff unterschiedliche Bedeutungen haben. In der Metallurgie kann ein Schwermetall beispielsweise auf der Grundlage der Dichte definiert werden, während in der Physik das Unterscheidungskriterium die Ordnungszahl sein kann und ein Chemiker oder Biologe sich wahrscheinlich eher mit dem chemischen Verhalten beschäftigt. ⓘ
Die Dichtekriterien reichen von über 3,5 g/cm3 bis über 7 g/cm3. Die Definitionen für das Atomgewicht reichen von mehr als Natrium (Atomgewicht 22,98) über mehr als 40 (mit Ausnahme der Metalle des s- und f-Blocks, also ab Scandium) bis zu mehr als 200, d. h. ab Quecksilber. Die Ordnungszahl von Schwermetallen wird im Allgemeinen mit mehr als 20 (Kalzium) angegeben; manchmal wird sie auf 92 (Uran) begrenzt. Definitionen auf der Grundlage der Ordnungszahl wurden kritisiert, weil sie Metalle mit geringer Dichte einschließen. So hat beispielsweise Rubidium in der Gruppe (Spalte) 1 des Periodensystems eine Ordnungszahl von 37, aber eine Dichte von nur 1,532 g/cm3, was unter dem von anderen Autoren verwendeten Schwellenwert liegt. Das gleiche Problem kann bei Definitionen auf der Grundlage des Atomgewichts auftreten. ⓘ
Die United States Pharmacopeia enthält einen Test für Schwermetalle, bei dem metallische Verunreinigungen als farbige Sulfide ausgefällt werden. Stephen Hawkes, ein Chemieprofessor, der auf eine fünfzigjährige Erfahrung mit dem Begriff zurückblicken kann, erklärte 1997, dass er sich auf "Metalle mit unlöslichen Sulfiden und Hydroxiden bezieht, deren Salze in Wasser farbige Lösungen bilden und deren Komplexe in der Regel farbig sind". Ausgehend von den Metallen, die er als Schwermetalle bezeichnete, schlug er vor, sie (im Allgemeinen) als alle Metalle in den Spalten 3 bis 16 des Periodensystems zu definieren, die in Reihe 4 oder höher stehen, mit anderen Worten, die Übergangsmetalle und die Metalle nach dem Übergang. Die Lanthanoide entsprechen der dreiteiligen Beschreibung von Hawkes; der Status der Aktiniden ist nicht vollständig geklärt. ⓘ
In der Biochemie werden Schwermetalle manchmal auf der Grundlage des Lewis-Säure-Verhaltens (Elektronenpaar-Akzeptor) ihrer Ionen in wässriger Lösung als Klasse-B- und Borderline-Metalle definiert. In diesem Schema bevorzugen Metallionen der Klasse A Sauerstoffdonatoren; Ionen der Klasse B bevorzugen Stickstoff- oder Schwefeldonatoren; und Borderline- oder ambivalente Ionen zeigen je nach den Umständen entweder Eigenschaften der Klasse A oder B. Zu den Metallen der Klasse A, die in der Regel eine geringe Elektronegativität aufweisen und Bindungen mit großem Ionencharakter eingehen, gehören die Alkali- und Erdalkalimetalle, Aluminium, die Metalle der Gruppe 3 sowie die Lanthaniden und Actiniden. Zu den Metallen der Klasse B, die in der Regel eine höhere Elektronegativität aufweisen und Bindungen mit stark kovalentem Charakter eingehen, gehören vor allem die schwereren Übergangs- und Post-Übergangsmetalle. Die Borderline-Metalle umfassen vor allem die leichteren Übergangs- und Post-Übergangsmetalle (sowie Arsen und Antimon). Der Unterschied zwischen den Metallen der Klasse A und den beiden anderen Kategorien ist scharf. Ein häufig zitierter Vorschlag, diese Klassifizierungskategorien anstelle des aussagekräftigeren Namens Schwermetall zu verwenden, wurde nicht allgemein angenommen. ⓘ
Liste der Schwermetalle nach ihrer Dichte
Eine Dichte von mehr als 5 g/cm3 wird gelegentlich als gemeinsames Definitionskriterium für Schwermetalle genannt und in Ermangelung einer einstimmigen Definition zur Erstellung dieser Liste und (sofern nicht anders angegeben) als Leitfaden für den Rest des Artikels verwendet. Metalloide, die die entsprechenden Kriterien erfüllen, wie z. B. Arsen und Antimon, werden manchmal zu den Schwermetallen gezählt, insbesondere in der Umweltchemie, wie es hier der Fall ist. Auch Selen (Dichte 4,8 g/cm3) ist in der Liste enthalten. Es verfehlt das Dichtekriterium nur knapp und wird seltener als Metalloid anerkannt, hat aber in gewisser Hinsicht eine ähnliche Chemie wie Arsen und Antimon im Wasser. Andere Metalle, die manchmal als "Schwermetalle" eingestuft oder behandelt werden, wie Beryllium (Dichte 1,8 g/cm3), Aluminium (2,7 g/cm3), Kalzium (1,55 g/cm3) und Barium (3,6 g/cm3), werden hier als Leichtmetalle behandelt und im Allgemeinen nicht weiter berücksichtigt. ⓘ
| Hauptsächlich durch kommerziellen Bergbau gewonnen (informelle Klassifizierung nach wirtschaftlicher Bedeutung) ⓘ | |||||||||
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| Hauptsächlich durch künstliche Transmutation hergestellt (informelle Klassifizierung nach Stabilität) | |||||||||
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* Halbmetalle
** Da sich diese Elemente nicht in messbaren Mengen synthetisieren lassen, kann man viele ihrer Eigenschaften wie die Dichte nicht messen. Modellrechnungen legen jedoch Wertebereiche dieser Größen nahe. ⓘ
Ursprünge und Verwendung des Begriffs
Die Schwere der natürlich vorkommenden Metalle wie Gold, Kupfer und Eisen wurde möglicherweise schon in der Vorgeschichte bemerkt und führte angesichts ihrer Formbarkeit zu den ersten Versuchen, Metallschmuck, Werkzeuge und Waffen herzustellen. Alle bis 1809 entdeckten Metalle wiesen eine relativ hohe Dichte auf; ihre Schwere galt als einzigartiges Unterscheidungsmerkmal. ⓘ
Ab 1809 wurden Leichtmetalle wie Natrium, Kalium und Strontium isoliert. Ihre geringe Dichte stellte die herkömmliche Meinung in Frage, und es wurde vorgeschlagen, sie als Metalloide zu bezeichnen (was so viel bedeutet wie "Metalle in Form oder Aussehen ähnelnd"). Dieser Vorschlag wurde ignoriert; die neuen Elemente wurden als Metalle anerkannt, und der Begriff Metalloid wurde dann für nichtmetallische Elemente und später für Elemente verwendet, die sich nur schwer als Metalle oder Nichtmetalle beschreiben lassen. ⓘ
Eine frühe Verwendung des Begriffs "Schwermetall" stammt aus dem Jahr 1817, als der deutsche Chemiker Leopold Gmelin die Elemente in Nichtmetalle, Leichtmetalle und Schwermetalle einteilte. Leichtmetalle hatten eine Dichte von 0,860-5,0 g/cm3, Schwermetalle 5,308-22,000. Der Begriff wurde später mit Elementen mit hohem Atomgewicht oder hoher Ordnungszahl assoziiert. Er wird manchmal mit dem Begriff "schweres Element" synonym verwendet. So stellt Magee bei der Erörterung der Geschichte der Nuklearchemie fest, dass die Aktiniden einst als eine neue Übergangsgruppe der schweren Elemente angesehen wurden, während Seaborg und seine Mitarbeiter "eine Schwermetall-Seltene-Erden-ähnliche Reihe ... favorisierten". In der Astronomie ist ein schweres Element jedoch jedes Element, das schwerer ist als Wasserstoff und Helium. ⓘ
Kritik
Im Jahr 2002 überprüfte der schottische Toxikologe John Duffus die in den letzten 60 Jahren verwendeten Definitionen und kam zu dem Schluss, dass sie so unterschiedlich waren, dass der Begriff praktisch bedeutungslos wurde. Parallel zu dieser Feststellung wird der Schwermetallstatus einiger Metalle gelegentlich mit der Begründung angefochten, dass sie zu leicht sind, an biologischen Prozessen beteiligt sind oder kaum eine Gefahr für die Umwelt darstellen. Beispiele hierfür sind Scandium (zu leicht), Vanadium bis Zink (biologische Prozesse) sowie Rhodium, Indium und Osmium (zu selten). ⓘ
Beliebtheit
Trotz seiner fragwürdigen Bedeutung taucht der Begriff Schwermetall regelmäßig in der wissenschaftlichen Literatur auf. In einer Studie aus dem Jahr 2010 wurde festgestellt, dass der Begriff immer häufiger verwendet wird und offenbar Teil der Wissenschaftssprache geworden ist. Aufgrund seiner Bequemlichkeit und Vertrautheit wird er als akzeptabler Begriff angesehen, solange er mit einer strengen Definition einhergeht. Die Gegenstücke zu den Schwermetallen, die Leichtmetalle, werden von der Minerals, Metals and Materials Society als "Aluminium, Magnesium, Beryllium, Titan, Lithium und andere reaktive Metalle" bezeichnet. ⓘ
Biologische Rolle
| Element | Milligramm | |
|---|---|---|
| Eisen | 4000 | |
| Zink | 2500 | |
| Blei | 120 | |
| Kupfer | 70 | |
| Zinn | 30 | |
| Vanadium | 20 | |
| Cadmium | 20 | |
| Nickel | 15 | |
| Selen | 14 | |
| Mangan | 12 | |
| Andere | 200 | |
| Gesamt | 7000 | |
Spurenmengen einiger Schwermetalle, meist in der Periode 4, sind für bestimmte biologische Prozesse erforderlich. Dabei handelt es sich um Eisen und Kupfer (Sauerstoff- und Elektronentransport), Kobalt (Komplexsynthese und Zellstoffwechsel), Zink (Hydroxylierung), Vanadium und Mangan (Enzymregulation oder -funktion), Chrom (Glukoseverwertung), Nickel (Zellwachstum), Arsen (Stoffwechselwachstum bei einigen Tieren und möglicherweise beim Menschen) und Selen (Antioxidationsfunktion und Hormonproduktion). Die Perioden 5 und 6 enthalten weniger essenzielle Schwermetalle, was mit dem allgemeinen Muster übereinstimmt, dass schwerere Elemente tendenziell weniger häufig vorkommen und dass seltenere Elemente weniger wahrscheinlich essenziell für die Ernährung sind. In Periode 5 wird Molybdän für die Katalyse von Redoxreaktionen benötigt; Kadmium wird von einigen marinen Kieselalgen für denselben Zweck verwendet, und Zinn kann bei einigen wenigen Arten für das Wachstum erforderlich sein. In Periode 6 wird Wolfram von einigen Archaeen und Bakterien für Stoffwechselprozesse benötigt. Ein Mangel an einem dieser essentiellen Schwermetalle der Periode 4-6 kann die Anfälligkeit für Schwermetallvergiftungen erhöhen (umgekehrt kann ein Überschuss auch nachteilige biologische Auswirkungen haben). Ein durchschnittlich 70 kg schwerer menschlicher Körper besteht zu etwa 0,01 % aus Schwermetallen (~7 g, was dem Gewicht von zwei getrockneten Erbsen entspricht, wobei Eisen mit 4 g, Zink mit 2,5 g und Blei mit 0,12 g die drei Hauptbestandteile bilden), zu 2 % aus Leichtmetallen (~1,4 kg, das Gewicht einer Flasche Wein) und zu fast 98 % aus Nichtmetallen (hauptsächlich Wasser). ⓘ
Bei einigen nicht essentiellen Schwermetallen wurden biologische Wirkungen beobachtet. Gallium, Germanium (ein Metalloid), Indium und die meisten Lanthanide können den Stoffwechsel anregen, und Titan fördert das Wachstum von Pflanzen (obwohl es nicht immer als Schwermetall gilt). ⓘ
Toxizität
Schwermetalle werden oft als hochgiftig oder umweltschädlich angesehen. Einige sind es, während andere nur dann giftig sind, wenn sie im Übermaß eingenommen werden oder in bestimmten Formen vorkommen. Das Einatmen bestimmter Metalle, entweder in Form von Feinstaub oder meist in Form von Dämpfen, kann auch zu einer Erkrankung führen, die als Metalldampffieber bezeichnet wird. ⓘ
Schwermetalle in der Umwelt
Chrom, Arsen, Kadmium, Quecksilber und Blei haben aufgrund ihrer weit verbreiteten Verwendung, der Toxizität einiger ihrer kombinierten oder elementaren Formen und ihrer weiten Verbreitung in der Umwelt das größte Schadenspotenzial. Sechswertiges Chrom zum Beispiel ist hochgiftig, ebenso wie Quecksilberdampf und viele Quecksilberverbindungen. Diese fünf Elemente haben eine starke Affinität zu Schwefel; im menschlichen Körper binden sie sich in der Regel über Thiolgruppen (-SH) an Enzyme, die für die Steuerung der Geschwindigkeit von Stoffwechselreaktionen verantwortlich sind. Die daraus resultierenden Schwefel-Metall-Bindungen hemmen das ordnungsgemäße Funktionieren der beteiligten Enzyme; die menschliche Gesundheit verschlechtert sich, manchmal mit tödlichem Ausgang. Chrom (in seiner sechswertigen Form) und Arsen sind krebserregend, Cadmium verursacht eine degenerative Knochenkrankheit, und Quecksilber und Blei schädigen das zentrale Nervensystem. ⓘ
Chrom-Kristalle
und 1 cm3-Würfel
Arsen, versiegelt in einem
Behälter versiegelt, um ein Anlaufen zu verhindern
Kadmium-Barren
und 1 cm3-Würfel
Quecksilber wird
in eine Petrischale gegossen
Blei ist der am weitesten verbreitete Schwermetallschadstoff. Schätzungen zufolge sind die Konzentrationen in den Gewässern der industrialisierten Gesellschaften zwei- bis dreimal so hoch wie in der vorindustriellen Zeit. Als Bestandteil von Tetraethylblei, (CH
3CH
2)
4Pb, wurde es in den 1930er bis 1970er Jahren in großem Umfang in Benzin verwendet. Obwohl die Verwendung von verbleitem Benzin in Nordamerika bis 1996 weitgehend eingestellt wurde, weisen Böden in der Nähe von Straßen, die vor dieser Zeit gebaut wurden, weiterhin hohe Bleikonzentrationen auf. Spätere Untersuchungen zeigten eine statistisch signifikante Korrelation zwischen der Verwendungsrate von verbleitem Benzin und Gewaltverbrechen in den Vereinigten Staaten; unter Berücksichtigung einer Zeitverzögerung von 22 Jahren (für das Durchschnittsalter von Gewaltverbrechern) folgte die Kurve der Gewaltverbrechen praktisch der Kurve der Bleiexposition. ⓘ
Zu den anderen Schwermetallen, die wegen ihrer potenziellen Gefährlichkeit - in der Regel als toxische Umweltschadstoffe - bekannt sind, gehören Mangan (Schädigung des zentralen Nervensystems), Kobalt und Nickel (krebserregend), Kupfer, Zink, Selen und Silber (Störungen des Hormonsystems, angeborene Störungen oder allgemeine toxische Wirkungen bei Fischen, Pflanzen, Vögeln oder anderen Wasserorganismen), Zinn als zinnorganische Verbindung (Schädigung des zentralen Nervensystems), Antimon (Verdacht auf krebserregend) und Thallium (Schädigung des zentralen Nervensystems). ⓘ
Ernährungsphysiologisch wichtige Schwermetalle
Lebensnotwendige Schwermetalle können giftig sein, wenn sie im Übermaß aufgenommen werden; einige haben besonders giftige Formen. Vanadiumpentoxid (V2O5) ist bei Tieren krebserregend und verursacht beim Einatmen DNA-Schäden. Das violette Permanganat-Ion MnO-
4 ist ein Leber- und Nierengift. Die Einnahme von mehr als 0,5 Gramm Eisen kann zu einem Herzkollaps führen; eine solche Überdosis tritt am häufigsten bei Kindern auf und kann innerhalb von 24 Stunden zum Tod führen. Nickelcarbonyl (Ni(CO)4) kann bei 30 Teilen pro Million zu Atemversagen, Hirnschäden und Tod führen. Die Einnahme von einem Gramm oder mehr Kupfersulfat (CuSO4) kann tödlich sein; Überlebende können schwere Organschäden davontragen. Mehr als fünf Milligramm Selen sind hochgiftig; das ist etwa das Zehnfache der empfohlenen Tageshöchstmenge von 0,45 Milligramm; eine Langzeitvergiftung kann lähmende Wirkungen haben. ⓘ
Andere Schwermetalle
Einige andere nicht-essentielle Schwermetalle weisen eine oder mehrere toxische Formen auf. Nierenversagen und Todesfälle wurden nach der Einnahme von Germanium-Nahrungsergänzungsmitteln (~15 bis 300 g insgesamt über einen Zeitraum von zwei Monaten bis drei Jahren) gemeldet. Die Exposition gegenüber Osmiumtetroxid (OsO4) kann dauerhafte Augenschäden verursachen und zu Atemversagen und Tod führen. Indiumsalze sind giftig, wenn mehr als einige Milligramm eingenommen werden, und schädigen Nieren, Leber und Herz. Cisplatin (PtCl2(NH3)2), ein wichtiges Medikament zur Abtötung von Krebszellen, ist ebenfalls ein Nieren- und Nervengift. Wismutverbindungen können bei übermäßiger Einnahme Leberschäden verursachen; unlösliche Uranverbindungen sowie die gefährliche Strahlung, die sie abgeben, können zu dauerhaften Nierenschäden führen. ⓘ
Expositionsquellen
Schwermetalle können die Luft-, Wasser- und Bodenqualität verschlechtern und in der Folge Gesundheitsprobleme bei Pflanzen, Tieren und Menschen verursachen, wenn sie sich infolge industrieller Tätigkeiten anreichern. Häufige Quellen für Schwermetalle sind in diesem Zusammenhang Bergbau- und Industrieabfälle, Fahrzeugemissionen, Motoröl, Schiffs- und Maschinentreibstoffe, Bauarbeiten, Düngemittel, Pestizide, Farben und Pigmente, Renovierungsarbeiten, illegale Ablagerungen von Bau- und Abbruchabfällen, offene Müllcontainer, Schweißen, Löten und Löten, Glasarbeiten, Betonarbeiten; Straßenbau; Verwendung von Recycling-Materialien; DIY-Metallprojekte; Verbrennen von Räucherpapier; offene Verbrennung von Abfällen in ländlichen Gebieten; kontaminierte Belüftungssysteme; durch die Umwelt oder die Verpackung kontaminierte Lebensmittel; Rüstungsgüter; Blei-Säure-Batterien; Recyclinghof für Elektronikschrott; und behandeltes Holz; veraltete Wasserversorgungsinfrastruktur; und Mikroplastik, das in den Weltmeeren schwimmt. Zu den jüngsten Beispielen für die Kontamination mit Schwermetallen und die damit verbundenen Gesundheitsrisiken gehören das Auftreten der Minamata-Krankheit in Japan (1932-1968; seit 2016 laufen Gerichtsverfahren), die Bento-Rodrigues-Staudamm-Katastrophe in Brasilien, hohe Bleikonzentrationen im Trinkwasser für die Bewohner von Flint, Michigan, im Nordosten der Vereinigten Staaten und die Schwermetallbelastung des Trinkwassers in Hongkong im Jahr 2015. ⓘ
Entstehung, Häufigkeit, Vorkommen und Gewinnung
| ⓘ | |||||||||||||||||||
| Schwermetalle in der Erdkruste: | |||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Häufigkeit und Hauptvorkommen oder Quelle | |||||||||||||||||||
| 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 |
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Lu | Hf | Ta | W | Re | Os | Ir | Pt | Au | Hg | Tl | Pb | Bi | |||
| 7 | Ra |
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|
|
La | Ce | Pr | Nd | Sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | ||||||
|
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Th | Pa | U | ||||||||||||||||
Am häufigsten vorkommend (56.300 ppm nach Gewicht)
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Selten (0,01-0,99 ppm)
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Reichlich vorhanden (100-999 ppm)
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Sehr selten (0,0001-0,0099 ppm)
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Ungewöhnlich (1-99 ppm)
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Am wenigsten häufig (~0,000001 ppm)
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| Die Schwermetalle links der Trennlinie kommen hauptsächlich als Lithophile vor (oder werden aus ihnen gewonnen), die rechts davon als Chalkophile, mit Ausnahme von Gold (ein Siderophiler) und Zinn (ein Lithophiler). | |||||||||||||||||||
Schwermetalle bis in die Nähe des Eisens (im Periodensystem) werden größtenteils durch stellare Nukleosynthese erzeugt. Dabei werden leichtere Elemente von Wasserstoff bis Silizium im Inneren von Sternen nacheinander durch Fusionsreaktionen unter Freisetzung von Licht und Wärme zu schwereren Elementen mit höherer Ordnungszahl zusammengeführt. ⓘ
Schwerere Schwermetalle werden in der Regel nicht auf diese Weise gebildet, da Fusionsreaktionen mit solchen Kernen eher Energie verbrauchen als freisetzen würden. Vielmehr werden sie größtenteils (aus Elementen mit niedrigerer Ordnungszahl) durch Neutroneneinfang synthetisiert, wobei die beiden Hauptarten dieses wiederholten Einfangs der s-Prozess und der r-Prozess sind. Beim s-Prozess ("s" steht für "slow") liegen zwischen den einzelnen Einfängen Jahre oder Jahrzehnte, so dass die weniger stabilen Kerne einen Betazerfall erleben, während beim r-Prozess ("rapid") die Einfänge schneller erfolgen, als die Kerne zerfallen können. Der s-Prozess hat also einen mehr oder weniger klaren Verlauf: Stabile Cadmium-110-Kerne werden beispielsweise im Inneren eines Sterns nacheinander von freien Neutronen beschossen, bis sie Cadmium-115-Kerne bilden, die instabil sind und zu Indium-115 zerfallen (das nahezu stabil ist und eine Halbwertszeit hat, die dem 30.000-fachen Alter des Universums entspricht). Diese Kerne fangen Neutronen ein und bilden Indium-116, das wiederum instabil ist und zu Zinn-116 zerfällt, und so weiter. Im Gegensatz dazu gibt es beim r-Prozess keinen solchen Weg. Der s-Prozess endet bei Bismut aufgrund der kurzen Halbwertszeiten der nächsten beiden Elemente, Polonium und Astatin, die zu Bismut oder Blei zerfallen. Der r-Prozess ist so schnell, dass er diese Zone der Instabilität überspringen und zur Bildung schwererer Elemente wie Thorium und Uran übergehen kann. ⓘ
Schwermetalle kondensieren in Planeten als Ergebnis von Prozessen der Sternentwicklung und -zerstörung. Sterne verlieren einen großen Teil ihrer Masse, wenn sie am Ende ihrer Lebenszeit ausgestoßen werden, und manchmal auch danach durch die Verschmelzung von Neutronensternen, wodurch die Häufigkeit von Elementen, die schwerer sind als Helium, im interstellaren Medium zunimmt. Wenn diese Materie durch die Anziehungskraft der Schwerkraft zusammenwächst und kollabiert, bilden sich neue Sterne und Planeten. ⓘ
Die Erdkruste besteht zu etwa 5 % ihres Gewichts aus Schwermetallen, wobei Eisen 95 % dieser Menge ausmacht. Leichtmetalle (~20 %) und Nichtmetalle (~75 %) machen die anderen 95 % der Kruste aus. Trotz ihrer allgemeinen Knappheit können sich Schwermetalle infolge von Gebirgsbildung, Erosion oder anderen geologischen Prozessen in wirtschaftlich abbaubaren Mengen anreichern. ⓘ
Schwermetalle kommen hauptsächlich als Lithophile (Gesteinsliebende) oder Chalkophile (Erzliebende) vor. Lithophile Schwermetalle sind hauptsächlich Elemente des f-Blocks und die reaktiveren Elemente des d-Blocks. Sie haben eine starke Affinität zu Sauerstoff und liegen meist als Silikatminerale mit relativ geringer Dichte vor. Bei den chalcophilen Schwermetallen handelt es sich hauptsächlich um die weniger reaktiven Elemente des d-Blocks sowie um 4-6 Metalle des p-Blocks und Metalloide. Sie sind in der Regel in (unlöslichen) Sulfidmineralen enthalten. Da sie dichter sind als die Lithophile und daher zum Zeitpunkt ihrer Verfestigung tiefer in die Kruste sinken, sind die Chalkophile tendenziell weniger häufig als die Lithophilen. ⓘ
Im Gegensatz dazu ist Gold ein siderophiles, also eisenliebendes Element. Es geht nicht ohne weiteres Verbindungen mit Sauerstoff oder Schwefel ein. Zur Zeit der Erdentstehung sank Gold als das edelste (träge) aller Metalle in den Erdkern, da es zur Bildung von Metalllegierungen mit hoher Dichte neigt. Daher ist es ein relativ seltenes Metall. Einige andere (weniger edle) Schwermetalle - Molybdän, Rhenium, die Metalle der Platingruppe (Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und Platin), Germanium und Zinn - können zu den siderophilen Metallen gezählt werden, allerdings nur in Bezug auf ihr primäres Vorkommen in der Erde (Kern, Mantel und Kruste), nicht in der Kruste. Ansonsten kommen diese Metalle in der Kruste in geringen Mengen vor allem als Chalkophile vor (weniger in ihrer nativen Form). ⓘ
Unterhalb der Kruste sind die Schwermetallkonzentrationen im Allgemeinen höher, wobei die meisten Metalle im weitgehend aus Eisen, Silizium und Nickel bestehenden Kern vorkommen. Platin beispielsweise macht in der Kruste etwa 1 Teil pro Milliarde aus, während seine Konzentration im Kern fast 6.000 Mal höher sein soll. Jüngste Spekulationen deuten darauf hin, dass Uran (und Thorium) im Kern einen beträchtlichen Teil der Wärme erzeugen könnten, die die Plattentektonik antreibt und (letztlich) das Magnetfeld der Erde aufrechterhält. ⓘ
Im Großen und Ganzen und mit einigen Ausnahmen können lithophile Schwermetalle durch elektrische oder chemische Behandlung aus ihren Erzen gewonnen werden, während chalcophile Schwermetalle durch Rösten ihrer Sulfiderze gewonnen werden, um die entsprechenden Oxide zu erhalten, und diese dann erhitzt werden, um die Rohmetalle zu gewinnen. Radium kommt in zu geringen Mengen vor, um wirtschaftlich abgebaut zu werden, und wird stattdessen aus abgebrannten Kernbrennstoffen gewonnen. Die chalcophilen Platingruppenmetalle (PGM) kommen hauptsächlich in kleinen Mengen (gemischt) mit anderen chalcophilen Erzen vor. Die betreffenden Erze müssen verhüttet, geröstet und dann mit Schwefelsäure ausgelaugt werden, um einen PGM-Rückstand zu erhalten. Dieser wird chemisch raffiniert, um die einzelnen Metalle in ihrer reinen Form zu erhalten. Im Vergleich zu anderen Metallen sind die Platinmetalle aufgrund ihrer Knappheit und der hohen Produktionskosten teuer. ⓘ
Gold, ein siderophiles Metall, wird am häufigsten durch Auflösen der Erze, in denen es vorkommt, in einer Zyanidlösung gewonnen. Das Gold bildet ein Dicyanoaurat(I), zum Beispiel: 2 Au + H2O +½ O2 + 4 KCN → 2 K[Au(CN)2] + 2 KOH. Zink wird der Mischung hinzugefügt und verdrängt das Gold, da es reaktiver ist als Gold: 2 K[Au(CN)2] + Zn → K2[Zn(CN)4] + 2 Au. Das Gold fällt als Schlamm aus der Lösung aus, wird abfiltriert und eingeschmolzen. ⓘ
Eigenschaften im Vergleich zu Leichtmetallen
Einige allgemeine physikalische und chemische Eigenschaften von Leicht- und Schwermetallen sind in der Tabelle zusammengefasst. Der Vergleich ist mit Vorsicht zu genießen, da die Begriffe Leichtmetall und Schwermetall nicht immer einheitlich definiert sind. Auch die physikalischen Eigenschaften wie Härte und Zugfestigkeit können je nach Reinheit, Korngröße und Vorbehandlung stark variieren. ⓘ
| Physikalische Eigenschaften | Leichtmetalle | Schwermetalle |
|---|---|---|
| Dichte | In der Regel niedriger | In der Regel höher |
| Härte | Neigen dazu, weich zu sein, leicht zu schneiden oder zu biegen | Die meisten sind ziemlich hart |
| Thermische Ausdehnungsfähigkeit | Meistens höher | Meistens niedriger |
| Schmelzpunkt | Meistens niedrig | Niedrig bis sehr hoch |
| Zugfestigkeit | Meistens niedriger | Meistens höher |
| Chemische Eigenschaften | Leichtmetalle | Schwermetalle |
| Lage im Periodensystem | Die meisten finden sich in den Gruppen 1 und 2 | Fast alle kommen in den Gruppen 3 bis 16 vor |
| Häufigkeit in der Erdkruste | Häufiger vorkommend | Weniger häufig vorkommend |
| Hauptvorkommen (oder Quelle) | Lithophile | Lithophile oder Chalkophile (Au ist ein Siderophil) |
| Reaktivität | Reaktiver | Weniger reaktiv |
| Sulfide | Löslich bis unlöslich | Extrem unlöslich |
| Hydroxide | Löslich bis unlöslich | Im Allgemeinen unlöslich |
| Salze | Bilden meist farblose Lösungen in Wasser | Bilden meist farbige Lösungen in Wasser |
| Komplexe | Meistens farblos | Meistens farbig |
| Biologische Rolle | Enthalten Makronährstoffe (Na, Mg, K, Ca) | Enthalten Mikronährstoffe (V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo) |
Aufgrund dieser Eigenschaften ist es relativ einfach, ein Leichtmetall wie Natrium von einem Schwermetall wie Wolfram zu unterscheiden, aber an den Grenzen werden die Unterschiede weniger deutlich. Leichte Strukturmetalle wie Beryllium, Scandium und Titan haben einige der Eigenschaften von Schwermetallen, z. B. einen höheren Schmelzpunkt; Schwermetalle nach dem Übergang wie Zink, Cadmium und Blei haben einige der Eigenschaften von Leichtmetallen, z. B. sind sie relativ weich, haben einen niedrigeren Schmelzpunkt und bilden hauptsächlich farblose Komplexe. ⓘ
Verwendungen
Schwermetalle werden in vielen Bereichen, zumeist aber für die Metallveredelung verwendet. Dadurch erhalten die ausgewählten Materialien spezielle Eigenschaften. Folgende Anwendungsgebiete sind heute aufgrund ihrer gesundheitsgefährdenden Wirkung verboten:
- Blei in PVC und Trinkwasserleitungen
- Blei in Lötzinn ist nach der RoHS-Richtlinie nicht mehr erlaubt (mit wenigen Ausnahmen, siehe weiter unten)
- Cadmium in der Kosmetik, Pflanzenschutz und PVC, früher auch in Akkumulatoren
- Quecksilber in Holzschutzmitteln, Imprägnierstoffen, Antifoulingfarben sowie zur Wasseraufbereitung ⓘ
Weiterhin verwendete Schwermetalle:
- Blei im Lötzinn bei medizinischen Geräten, in Überwachungs- bzw. Kontrollinstrumenten, in der Luft- und Raumfahrt und im militärischen Bereich sowie für Reparaturen
- Chrom und Nickel für Stahl, Nickel auch in Akkumulatoren
- Blei für Akkumulatoren (= aufladbare Batterien), Kabelummantelungen, Pigmente, Legierungen sowie beim Strahlenschutz
- Quecksilber in geringen Mengen in Leuchtstofflampen und Energiesparlampen, in Thermometern, in der Apparatetechnik und in Amalgam-Zahnfüllungen
- Cadmium für Akkumulatoren (Nickel-Cadmium und Silber-Cadmium), als Korrosionsschutz für Eisen und ähnliche Metalle (durch elektrolytische Abscheidung oder physikalische Gasphasenabscheidung erzeugte Cadmium-Überzüge schützen bereits in einer Dicke von 0,008 mm gegen Korrosion), Cadmium-Pigmente und Cadmiumseife als Stabilisatoren für PVC, Cadmium (auch als Legierungen) zur Abschirmung gegen thermische Neutronen und für Steuerstäbe in Reaktoren (Cadmium-113 hat einen besonders großen Wirkungsquerschnitt für den Neutroneneinfang). ⓘ
Anwendung in der Medizin:
- Lanthan dient als Lanthancarbonat (Phosphatbinder) zur Behandlung der Hyperphosphatämie bei niereninsuffizienten Patienten.
- Gadolinium wird komplexgebunden als Kontrastmittel bei der Magnetresonanztomographie eingesetzt, etwa das Gadopentetat-Dimeglumin. Es besteht die Gefahr einer nephrogenen systemischen Fibrose (NSF) bei niereninsuffizienten Patienten.
- Schwermetalle wie Quecksilber hatten früher ein breites Indikationsspekrum, so etwa bei der Behandlung der Syphilis. ⓘ
Anwendung in der Landwirtschaft:
- Zink und Kupfer werden als Futtermittelzusatzstoffe eingesetzt, können sich jedoch in intensiv genutzten Böden anreichern. ⓘ
Schwermetalle sind in fast allen Bereichen des modernen Lebens zu finden. Eisen ist wohl das am weitesten verbreitete Metall, da es 90 % aller veredelten Metalle ausmacht. Platin ist vielleicht das am weitesten verbreitete Metall, da es in 20 % aller Konsumgüter enthalten ist oder zu deren Herstellung verwendet wird. ⓘ
Einige gängige Verwendungszwecke von Schwermetallen hängen von den allgemeinen Eigenschaften von Metallen wie der elektrischen Leitfähigkeit und dem Reflexionsvermögen oder den allgemeinen Eigenschaften von Schwermetallen wie Dichte, Festigkeit und Haltbarkeit ab. Andere Verwendungszwecke hängen von den Merkmalen des jeweiligen Elements ab, z. B. von seiner biologischen Funktion als Nährstoff oder Gift oder von anderen spezifischen atomaren Eigenschaften. Beispiele für solche atomaren Eigenschaften sind: teilweise gefüllte d- oder f-Orbitale (bei vielen Übergangs-, Lanthaniden- und Actinidenschwermetallen), die die Bildung farbiger Verbindungen ermöglichen; die Fähigkeit der meisten Schwermetallionen (wie Platin, Cer oder Wismut), in verschiedenen Oxidationsstufen zu existieren und daher als Katalysatoren zu wirken; schlecht überlappende 3d- oder 4f-Orbitale (bei Eisen, Kobalt und Nickel oder den Lanthaniden-Schwermetallen von Europium bis Thulium), die zu magnetischen Effekten führen, sowie hohe Ordnungszahlen und Elektronendichten, die ihre kerntechnischen Anwendungen begründen. Die typischen Verwendungszwecke von Schwermetallen lassen sich grob in die folgenden sechs Kategorien einteilen. ⓘ
Gewicht oder Dichte
Einige Verwendungszwecke von Schwermetallen, z. B. im Sport, im Maschinenbau, in der Wehrtechnik und in der Nuklearwissenschaft, machen sich ihre relativ hohe Dichte zunutze. Beim Unterwassertauchen wird Blei als Ballast verwendet; bei Handicap-Pferderennen muss jedes Pferd ein bestimmtes Bleigewicht tragen, das unter anderem auf früheren Leistungen beruht, um die Chancen der verschiedenen Teilnehmer auszugleichen. Im Golfsport senken Wolfram-, Messing- oder Kupfereinsätze in Fairwayschlägern und Eisen den Schwerpunkt des Schlägers, so dass der Ball leichter in die Luft gebracht werden kann, und Golfbälle mit Wolframkernen haben angeblich bessere Flugeigenschaften. Beim Fliegenfischen sind sinkende Fliegenschnüre mit einer PVC-Beschichtung versehen, in die Wolframpulver eingebettet ist, so dass sie mit der erforderlichen Geschwindigkeit sinken. In der Leichtathletik werden die Stahlkugeln, die beim Hammerwurf und Kugelstoßen verwendet werden, mit Blei gefüllt, um das nach den internationalen Regeln erforderliche Mindestgewicht zu erreichen. Für Hammerwurfkugeln wurde zumindest bis 1980 Wolfram verwendet; 1981 wurde die Mindestgröße der Kugel erhöht, um das damals teure Metall (dreimal so teuer wie andere Hämmer), das nicht in allen Ländern verfügbar war, zu vermeiden. Wolframhämmer waren so dicht, dass sie zu tief in die Grasnarbe eindrangen. ⓘ
Je höher die Dichte des Geschosses, desto besser kann es schwere Panzerplatten durchdringen ... Os, Ir, Pt, und Re ... sind teuer ... U bietet eine ansprechende Kombination aus hoher Dichte, vernünftigen Kosten und hoher Bruchzähigkeit.
AM Russell und KL Lee
Struktur-Eigenschafts-Beziehungen
in Nichteisenmetallen (2005, S. 16) ⓘ
Im Maschinenbau werden Schwermetalle als Ballast in Booten, Flugzeugen und Kraftfahrzeugen oder als Ausgleichsgewichte für Räder und Kurbelwellen, Kreisel und Propeller sowie als Fliehkraftkupplungen verwendet, wenn ein maximales Gewicht auf kleinstem Raum erforderlich ist (z. B. in Uhrwerken). ⓘ
Im militärischen Bereich wird Wolfram oder Uran in Panzerungen und panzerbrechenden Geschossen sowie in Kernwaffen verwendet, um die Effizienz zu erhöhen (durch Reflexion der Neutronen und vorübergehende Verzögerung der Ausdehnung des reagierenden Materials). In den 1970er Jahren stellte man fest, dass Tantal in Hohlladungen und explosiv geformten Panzerabwehrwaffen aufgrund seiner höheren Dichte, die eine größere Kraftkonzentration ermöglicht, und seiner besseren Verformbarkeit wirksamer ist als Kupfer. Weniger toxische Schwermetalle wie Kupfer, Zinn, Wolfram und Wismut sowie wahrscheinlich Mangan (und Bor, ein Metalloid) haben Blei und Antimon in den grünen Kugeln einiger Armeen und in der Munition für Sportschützen ersetzt. Es wurden Zweifel an der Sicherheit (oder der Umweltfreundlichkeit) von Wolfram geäußert. ⓘ
Da dichtere Materialien mehr radioaktive Strahlung absorbieren als leichtere, eignen sich Schwermetalle zur Strahlenabschirmung und zur Bündelung von Strahlen in Linearbeschleunigern und in der Strahlentherapie. ⓘ
Festigkeits- oder haltbarkeitsbasiert
Die Festigkeit oder Haltbarkeit von Schwermetallen wie Chrom, Eisen, Nickel, Kupfer, Zink, Molybdän, Zinn, Wolfram und Blei sowie ihrer Legierungen macht sie für die Herstellung von Gegenständen wie Werkzeugen, Maschinen, Geräten, Utensilien, Rohren, Eisenbahnschienen, Gebäuden und Brücken, Automobilen, Schlössern, Möbeln, Schiffen, Flugzeugen, Münzen und Schmuck nützlich. Sie werden auch als Legierungszusätze verwendet, um die Eigenschaften anderer Metalle zu verbessern. Von den zwei Dutzend Elementen, die in der Weltmünzprägung verwendet wurden, sind nur zwei, nämlich Kohlenstoff und Aluminium, keine Schwermetalle. Gold, Silber und Platin werden in der Schmuckherstellung verwendet, ebenso wie (z. B.) Nickel, Kupfer, Indium und Kobalt in Farbgold. Preiswerter Schmuck und Kinderspielzeug kann zu einem erheblichen Teil aus Schwermetallen wie Chrom, Nickel, Cadmium oder Blei bestehen. ⓘ
Kupfer, Zink, Zinn und Blei sind mechanisch schwächere Metalle, haben aber nützliche Korrosionsschutzeigenschaften. Zwar reagiert jedes dieser Metalle mit Luft, doch die daraus resultierende Patina aus verschiedenen Kupfersalzen, Zinkkarbonat, Zinnoxid oder einer Mischung aus Bleioxid, Karbonat und Sulfat verleiht wertvolle Schutzeigenschaften. Kupfer und Blei werden daher z. B. als Bedachungsmaterial verwendet, Zink dient als Korrosionsschutzmittel in verzinktem Stahl und Zinn erfüllt einen ähnlichen Zweck bei Stahldosen. ⓘ
Die Verarbeitbarkeit und Korrosionsbeständigkeit von Eisen und Chrom wird durch den Zusatz von Gadolinium erhöht; die Kriechfestigkeit von Nickel wird durch den Zusatz von Thorium verbessert. Tellur wird Kupfer (Tellurkupfer) und Stahllegierungen zugesetzt, um deren Bearbeitbarkeit zu verbessern, und Blei, um es härter und säurebeständiger zu machen. ⓘ
Biologisch und chemisch
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Die biozide Wirkung einiger Schwermetalle ist seit dem Altertum bekannt. Platin, Osmium, Kupfer, Ruthenium und andere Schwermetalle, einschließlich Arsen, werden in der Krebstherapie eingesetzt oder haben ihr Potenzial bewiesen. Antimon (gegen Protozoen), Wismut (gegen Magengeschwüre), Gold (gegen Gelenkentzündungen) und Eisen (gegen Malaria) sind in der Medizin ebenfalls von Bedeutung. Kupfer, Zink, Silber, Gold oder Quecksilber werden in antiseptischen Mitteln verwendet; geringe Mengen einiger Schwermetalle werden zur Kontrolle des Algenwachstums z. B. in Kühltürmen eingesetzt. Je nach Verwendungszweck als Düngemittel oder Biozid können Agrochemikalien Schwermetalle wie Chrom, Kobalt, Nickel, Kupfer, Zink, Arsen, Kadmium, Quecksilber oder Blei enthalten. ⓘ
Ausgewählte Schwermetalle werden als Katalysatoren in der Kraftstoffverarbeitung (z. B. Rhenium), bei der Herstellung von synthetischem Kautschuk und Fasern (Wismut), in Emissionskontrollgeräten (Palladium) und in selbstreinigenden Öfen (wo Cer(IV)-Oxid in den Wänden solcher Öfen die Oxidation von kohlenstoffhaltigen Kochrückständen unterstützt) verwendet. In der Seifenchemie bilden Schwermetalle unlösliche Seifen, die in Schmierfetten, Lacktrocknern und Fungiziden verwendet werden (mit Ausnahme von Lithium bilden die Alkalimetalle und das Ammoniumion lösliche Seifen). ⓘ
Färbung und Optik
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Die Farben von Glas, keramischen Glasuren, Farben, Pigmenten und Kunststoffen werden in der Regel durch den Zusatz von Schwermetallen (oder deren Verbindungen) wie Chrom, Mangan, Kobalt, Kupfer, Zink, Selen, Zirkonium, Molybdän, Silber, Zinn, Praseodym, Neodym, Erbium, Wolfram, Iridium, Gold, Blei oder Uran erzeugt. Tätowiertinten können Schwermetalle wie Chrom, Kobalt, Nickel und Kupfer enthalten. Das hohe Reflexionsvermögen einiger Schwermetalle ist wichtig für die Konstruktion von Spiegeln, einschließlich astronomischer Präzisionsinstrumente. Scheinwerferreflektoren beruhen auf dem hervorragenden Reflexionsvermögen einer dünnen Rhodiumschicht. ⓘ
Elektronik, Magnete und Beleuchtung
Schwermetalle oder ihre Verbindungen finden sich in elektronischen Bauteilen, Elektroden, Kabeln und Solarzellen, wo sie entweder als Leiter, Halbleiter oder Isolatoren verwendet werden. Molybdänpulver wird in Druckfarben für Leiterplatten verwendet. Mit Ruthenium(IV)-Oxid beschichtete Titananoden werden für die industrielle Herstellung von Chlor verwendet. Elektrische Anlagen in Privathaushalten werden größtenteils mit Kupferdraht verdrahtet, da dieser gute Leiteigenschaften aufweist. Silber und Gold werden in elektrischen und elektronischen Geräten, insbesondere in Kontaktschaltern, aufgrund ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit und ihrer Fähigkeit, der Bildung von Verunreinigungen auf ihren Oberflächen zu widerstehen oder diese zu minimieren, verwendet. Die Halbleiter Cadmiumtellurid und Galliumarsenid werden zur Herstellung von Solarzellen verwendet. Hafniumoxid, ein Isolator, wird als Spannungsregler in Mikrochips verwendet; Tantaloxid, ein weiterer Isolator, wird in Kondensatoren von Mobiltelefonen eingesetzt. Schwermetalle werden seit über 200 Jahren in Batterien verwendet, spätestens seit Volta im Jahr 1800 seine Kupfer- und Silbervoltaikzelle erfand. Promethium, Lanthan und Quecksilber sind weitere Beispiele, die in Atom-, Nickel-Metallhydrid- bzw. Knopfzellenbatterien zu finden sind. ⓘ
Magnete werden aus Schwermetallen wie Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Niob, Wismut, Praseodym, Neodym, Gadolinium und Dysprosium hergestellt. Neodym-Magnete sind die stärkste Art von Dauermagneten, die im Handel erhältlich ist. Sie sind wichtige Bestandteile von Türschlössern, Anlassermotoren, Kraftstoffpumpen und elektrischen Fensterhebern. ⓘ
Schwermetalle werden in Beleuchtungen, Lasern und Leuchtdioden (LEDs) verwendet. Flachbildschirme enthalten eine dünne Schicht aus elektrisch leitendem Indiumzinnoxid. Leuchtstoffröhren werden mit Quecksilberdampf betrieben. Rubinlaser erzeugen tiefrote Strahlen durch die Anregung von Chromatomen; auch die Lanthanide werden in großem Umfang in Lasern eingesetzt. Gallium, Indium und Arsen sowie Kupfer, Iridium und Platin werden in LEDs verwendet (die drei letzteren in organischen LEDs). ⓘ
Nuklear
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Nischenanwendungen von Schwermetallen mit hoher Ordnungszahl finden sich in der diagnostischen Bildgebung, der Elektronenmikroskopie und der Kernwissenschaft. In der diagnostischen Bildgebung bilden Schwermetalle wie Kobalt oder Wolfram die Anodenmaterialien in Röntgenröhren. In der Elektronenmikroskopie werden Schwermetalle wie Blei, Gold, Palladium, Platin oder Uran verwendet, um leitfähige Beschichtungen herzustellen und die Elektronendichte in biologische Proben durch Färbung, Negativfärbung oder Vakuumabscheidung zu erhöhen. In der Nuklearwissenschaft werden Kerne von Schwermetallen wie Chrom, Eisen oder Zink manchmal auf andere Schwermetalltargets geschossen, um überschwere Elemente zu erzeugen; Schwermetalle werden auch als Spallationstargets für die Erzeugung von Neutronen oder Radioisotopen wie Astatin eingesetzt (wobei im letzteren Fall Blei, Wismut, Thorium oder Uran verwendet werden). ⓘ
Vorkommen und Herkunft
Schwermetalle kommen in den Gesteinen der Erdkruste vor und sind dort in Erzen als Oxide, Sulfide und Carbonate fest eingebunden und auch in Silikaten eingeschlossen oder liegen zum Teil gediegen vor. Ihre Konzentration in Hydrosphäre, Atmosphäre und Pedosphäre schwankt über viele Größenordnungen. Ihre Konzentration in der Erdkruste reicht von einstelligen parts per billion (ppb) (Iridium, Gold, Platin) bis zu 5 Prozent (Eisen). Durch Verwitterung und Erosion gelangen diese auf natürlichem Wege in Böden und Grundwasser. Dabei enthalten einige Gesteine wie Pikrit, Serpentinit, Basalte und vor allem Erze zum Teil hohe Konzentrationen von Chrom, Nickel und Cobalt, was in deren Umgebung zu einer hohen natürlichen Schwermetallbelastung der Böden führt. Die Stoffkreislaufmengen und die Akkumulation in der Umwelt sind seit der Industrialisierung im 19. Jahrhundert durch wachsende Emissionen aus verschiedenen anthropogenen Quellen jedoch schnell angestiegen. Dazu gehören die Gewinnung von Schwermetallen und deren Verarbeitung, die Düngemittelherstellung, die Verbrennung von Kohle, Müll und Klärschlamm, der Kfz-Verkehr und die Stahl-, Zement- und Glasproduktion. Der bergmännische Abbau von „Schwermetallerzen“ geht häufig mit einer hohen Schwermetallbelastung der Böden einher. An einigen Stellen im Harz, im Siegerland und der Aachener Umgebung hat sich beispielsweise auf den durch Erzbergbau belasteten Böden azonale Vegetation spezifischer Pflanzengesellschaften ausgebildet. Dort bilden die Galmeipflanzen sogenannte „Schwermetallrasen“ aus. ⓘ
Vor 4,5 Mrd. Jahren – als der Erdmantel noch flüssig war – sanken die Schwermetalle zum Erdmittelpunkt und bildeten den Erdkern. Zum Vorkommen von Schwermetallen in der Erdkruste nehmen Geologen an, dass der größte Teil von Asteroiden stammt. Untermauert wird diese Vermutung durch eine Studie mit Wolfram, welches aus einer Gesteinsprobe aus Grönland stammt. In dieser Gesteinsprobe fand sich 13-mal häufiger das Isotop 182W als in Gesteinsproben anderer Orte. Matthias Willbold von der University of Bristol, der Erstautor der Studie, sagt: „Die meisten der Edelmetalle, auf denen unsere Wirtschaft und viele wichtige industrielle Prozesse basieren, kamen durch einen glücklichen Zufall auf unseren Planeten – als die Erde von rund 20 Trillionen Tonnen Asteroidenmaterial getroffen wurde.“ ⓘ
Eigenschaften
Biologische Eigenschaften und Umweltauswirkungen
Blei
Blei sammelt sich bei der Aufnahme durch Nahrung und Atemluft im menschlichen Organismus an und wirkt schon in geringen Spuren als chronisches Gift. Es reichert sich in Knochen, Zähnen und im Gehirn an und beeinträchtigt die Funktionsfähigkeit des Nervensystems. Besonders Kinder sind gefährdet, sie zeigen oft Intelligenz-, Lern- und Konzentrationsstörungen. Auch die Immunabwehr kommt bei Bleivergiftungen zu Schaden, daraus folgt eine erhöhte Infektanfälligkeit. ⓘ
Die größte Quelle für Bleivergiftung war früher das in den USA in den 1920ern entwickelte, verbleite Benzin, dem Tetraethylblei zugesetzt wurde, um die Klopffestigkeit zu erhöhen. In den USA wurde dieser Treibstoff ab 1973 nach und nach aus dem Verkehr gezogen. In Europa wurde erstmals in Deutschland 1983 wieder unverbleites Benzin verkauft. Nach schrittweiser Ersetzung und Abschaffung wurde verbleites Benzin mit Anfang 2000 EU-weit verboten. Weltweit wird allerdings noch in Afrika und weiten Teilen Asiens verbleites Benzin verwendet – mit den entsprechenden gesundheitlichen Folgen. ⓘ
Seit 1973 wurden in Deutschland keine Bleirohre mehr als Wasserleitung im Haus verbaut. Praktisch frei von Bleirohren ist der gesamte süddeutsche Raum, da dort seit über hundert Jahren keine mehr verlegt wurden. Der Grenzwert für Blei im Leitungswasser lag ab dem 1. Dezember 2003 bei 25 µg/L und wurde am 1. Dezember 2013 auf 10 µg/L reduziert. ⓘ
Cadmium
Cadmium und seine Verbindungen sind schon in geringen Konzentrationen giftig. Es hat sich im Tierversuch als krebserregend erwiesen und ist erbgut- und fruchtschädigend. Der Körper eines Erwachsenen enthält ca. 30 mg Cadmium, ohne dass es für den Aufbau von Körpersubstanzen benötigt wird. Es gehört zu den nichtessentiellen Elementen. Die orale Aufnahme von löslichen Cadmium-Salzen kann Erbrechen und Störungen im Verdauungstrakt, Leberschädigungen und Krämpfe verursachen. Die Inhalation von Cadmium-Dämpfen ruft Reizungen der Atemwege und Kopfschmerzen hervor. Chronische Vergiftungen äußern sich durch den Ausfall des Geruchsvermögens, Gelbfärbung der Zahnhälse, Blutarmut und Wirbelschmerzen, in fortgeschrittenem Stadium durch Knochenmarkschädigungen und Osteoporose. Cadmium ist vermehrt in Verruf gekommen seit dem Auftreten der oft tödlich endenden Itai-Itai-Krankheit in Japan, die mit schweren Skelettveränderungen einhergeht. Die Anreicherung von Cadmium in der Leber und vor allem in der Niere ist besonders bedenklich. Bei Rauchern wurden etwa doppelt so hohe Gehalte von Cadmium wie bei Nichtrauchern festgestellt. Die durchschnittliche Belastung mit Cadmium durch Rauchen beträgt 2 bis 4 µg pro Tag. Mit der Nahrung nimmt der Mensch täglich zwischen 10 und 35 µg Cadmium auf. Laut WHO liegt der kritische Grenzwert bei 10 µg pro Tag und Kilogramm Körpermasse. Die biologische Halbwertszeit beim Menschen liegt zwischen 10 und 35 Jahren. ⓘ
Kupfer
Kupfer zählt zu den lebensnotwendigen Spurenelementen. Spezielle Verbindungen jedoch können beim Verschlucken großer Mengen Schwäche, Erbrechen und Entzündungen im Verdauungstrakt verursachen. Akute Vergiftungen durch sehr hohe Mengen sind beim Menschen selten, da zwangsläufig Erbrechen ausgelöst wird. Kupfer wirkt in zahlreichen chemischen Prozessen katalytisch, dies betrifft auch Stoffwechselvorgänge. ⓘ
Kupfer muss vom Menschen jeden Tag in ausreichender Menge aufgenommen werden. Die Speicherkapazität im Körper ist begrenzt. Der tägliche Bedarf eines Erwachsenen liegt bei etwa 1 bis 2 mg. Zahlreiche Nahrungsmittel enthalten dieses Spurenelement, hierzu zählen insbesondere Nüsse, bestimmte Fisch- und Fleischsorten sowie einige Gemüse. Kupfer kann auch durch kupferhaltige Wasserleitungen ins Trinkwasser gelangen, allerdings nur, wenn das Trinkwasser längere Zeit in den Leitungen gestanden hat. Nur bei Wässern mit geringem pH-Wert ist dies mengenmäßig von Bedeutung. In diesem Fall wird empfohlen, abgestandenes Wasser ablaufen zu lassen. Frisches Wasser, das nicht in Leitungen stagniert, wird durch die Werkstoffe, die in der Hausinstallation verbaut wurden, grundsätzlich nicht in seiner Zusammensetzung verändert. Die Trinkwassernormen der WHO und der EU erlauben einen maximalen Kupfergehalt von 2 mg/L. Die deutsche Trinkwasserverordnung übernahm diesen Wert, der mit der Änderungsverordnung zur Trinkwasserverordnung 2011 auf 2,0 mg/L präzisiert wurde. ⓘ
Ein Kupfergehalt von 2 mg/L verleiht Wasser bereits einen metallischen Geschmack, 5 mg/L machen es ungenießbar. Nach derzeitigem Wissen wird ein mittlerer Gehalt des Trinkwassers von 2 mg/L als gesundheitlich unbedenklich angesehen, dies gilt für lebenslangen Genuss. Eine stark überhöhte Kupferzufuhr über Wasser oder Nahrungsmittel kann bei Säuglingen und Kleinkindern, deren Kupferstoffwechsel noch nicht vollständig ausgebildet ist, zur frühkindlichen Leberzirrhose führen. Dies liegt unter anderem daran, dass der spezifische Gesamtbestand des Kupfers im Körper von Säuglingen schon bei Geburt von Natur aus relativ hoch ist. Bei Jugendlichen und Erwachsenen wird überschüssiges Kupfer ähnlich wie bei Vitamin C wieder ausgeschieden. ⓘ
Vom Umweltbundesamt wurde 2011 der Entwurf der trinkwasserhygienisch geeigneten metallischen Werkstoffe veröffentlicht, Kupfer ist hierbei für alle Bauteiltypen enthalten. Bei Wässern mit einem niedrigen pH-Wert sollten Kupferbauteile auf der Innenoberfläche verzinnt sein – DIN 50930-6 gibt hierzu detaillierte Beschreibungen der wasserseitigen Rahmenbedingungen. Eine genaue Prüfung ist bei Hausbrunnen notwendig, weil Hausbrunnenwasser vielfach nicht aufbereitet wird. Von dieser Ausnahme abgesehen ist das Trinkwasser aber deutlich besser als sein Ruf und kann unbedenklich auch von Kindern reichlich getrunken werden. ⓘ
Obwohl Kupfer für den Menschen zu den lebensnotwendigen Spurenelementen zählt, wirkt es auf viele Mikroorganismen wachstumshemmend oder sogar aktiv antimikrobiell. Gezielt genutzt wird diese Eigenschaft für Kontaktoberflächen im medizinischen Bereich als ergänzende Maßnahme im Kampf gegen antibiotikaresistente Mikroorganismen. ⓘ
Plutonium
Die für einen Menschen tödliche Dosis liegt wahrscheinlich im zweistelligen Milligrammbereich. Viel gefährlicher als die chemische Wirkung ist aber seine Radioaktivität, die Krebs verursachen kann. Zur Entstehung von Krebs reicht vermutlich eine Menge in der Größenordnung einiger Mikrogramm. Aus dieser Abschätzung wurde das weit verbreitete Missverständnis über die besondere Gefährlichkeit von Plutonium abgeleitet. Da die ausgesendete Alphastrahlung schon durch die äußersten Hornhautschichten abgeschirmt wird, ist Plutonium nur bei Inkorporation (beispielsweise die Inhalation von plutoniumhaltigem Staub) gesundheitsschädlich. ⓘ
Quecksilber
Metallisches Quecksilber kann als Quecksilberdampf über die Lunge in den Körper aufgenommen werden. Es reizt die Atem- und Verdauungswege, kann zu Erbrechen mit Bauchschmerzen führen und auch Schäden an Nieren und am Zentralnervensystem hervorrufen. ⓘ
Thallium
Thallium und thalliumhaltige Verbindungen sind hochgiftig und müssen mit größter Vorsicht gehandhabt werden. ⓘ